南极罗斯海重力场特征及莫霍面深度反演

马龙，郑彦鹏

( 1. 自然资源部第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质重点实验室，山东 青岛 266061；2. 自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075；3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061)

1 引言

西南极裂谷系是东、西南极晚生代和新生代延伸而成，为地球最大的活动大陆裂谷系统之一[1-2]。罗斯海属西南极裂谷系的一部分，位于东南极克拉通板块和西南极微板块之间，西部与直立的横贯南极山脉相邻，东部与隆起的玛丽伯德地接壤[3-4]。切断罗斯海至东南极岩石圈的NW-SE 向右旋走滑断裂带，一直从维多利亚地陆地延伸至罗斯海海底，与近N-S 向断裂带交汇，控制并影响罗斯海西南部构造及海底地形（图1）。罗斯海目前仍处于裂谷张裂期，总体呈扇状，水深自东南向西北逐渐变深，构造活动区域主要位于2 000 m 等深线以浅的位置。

由于极地调查窗口期有限，往往造成有价值的数据测线少、难成测网，总体质量低[5-6]。本文基于国内在罗斯海海域获取的船载实测资料，结合覆盖研究区主要构造活动区域的国际共享资料，并通过与最新的卫星重力数据对比分析，获得研究区高精度网格区域重力场数据。在此基础上，基于频率域界面反演法获得研究区最新的莫霍面深度图，并分析罗斯海多期次岩浆活动及板块构造活动对莫霍面深度的影响。

2 区域地质背景

罗斯海沉积地层中含有罗斯冰架、罗斯海和横贯南极山脉演化信息，深部构造不仅能够揭示东、西南极之间的构造关系，还蕴含罗斯海盆地起源的信息。浅部沉积地层能够反映罗斯海西部新构造活动的情况，尤其是冰期以来南极冰盖消长和冰川接地线进退历史。罗斯海海域作为国际调查热点区域，已被多个国家通过极地科考船开展科学考察。罗斯海地区的形成演化过程伴随盆地凹槽、断裂、火山活动等地质构造作用，据其形成及演化过程可被细分为北部盆地、维多利亚地盆地、中央海槽、东部盆地4 个主要盆地，以及将上述4 个盆地分隔的库尔曼高地和中央高地2 个基底隆起。

侏罗纪威德尔海的张开和费拉岩浆活动[7]诱发西罗斯海裂谷作用，逐步形成罗斯海的主要地壳[8-9]，并以白垩纪西罗斯海剧烈的陆内拉张为第一次裂谷活动开始的标志。第二次裂谷活动开始于新西兰与玛丽伯德地裂离之后（83 Ma BP），主要集中表现为西罗斯海地区的拉张伸展过程[2]。

罗斯海裂谷活动可分为3 个主要阶段[10-12]：（1）盆地和山脉型地壳减薄和断陷活动期（105～80 Ma BP）；（2）伴随横贯南极山脉隆起出现的盆地沉降和岩浆作用期（55～30 Ma BP）；（3）30 Ma BP 至今的大规模右旋走滑断裂作用期。

随着罗斯海西部盆地的多次拉张及岩浆活动，该区域的地壳厚度和莫霍面深度表现出越来越大的差异性[13]，这也成为本论文开展区域重力场数据平差融合及莫霍面深度反演工作的首要研究内容。

图 1 罗斯海海底地形Fig. 1 Topographic map of the Ross Sea

3 数据和方法

为了应对当前国际极地形势和国家重大战略的需求，我国自1984 年首次在南极开展海洋重力测量以来，已经先后开展了35 个航次的南极科学考察，曾多次（第30、32 次南极科学考察）在研究区（70°～80°S，160°E～160°W）开展科学考察，并获得重磁震调查数据。本文基于以上两个航次的有效船测重力数据，结合国际公开的重力调查资料（表1），在研究区开展船测重力数据的平差处理工作（图2）。

不同船只、不同阶段在用一测区采集的海洋重力调查数据，容易受现场海况、仪器设备等诸多偶然误差和系统误差影响，在平差融合过程中，采用简单合并或平差融合的方式，势必容易形成更大的处理误差，造成对研究区重力场特征的错误解析。因此本论文通过最新设备和先进科考船的航次保障，结合航次数据的时效性及现场采集数据的真实性，建立平差基准，完成整个测线分布区域的重力场特征分析。针对图2 中展示的2 个实测航次及10 个共享航次的资料，逐线逐点分析有效数据的分布情况，去除停船点及弯折段数据，获得了有效航次数据（图3）。

据图3 可知调查区汇集了12 个调查航次的有效数据，形成覆盖主要构造活动区域的成网测线。首先基于最小二乘方法[15-18]对每个航次内的数据进行平差。假设主测线（m条）、联络线（n条）的误差分别为xi、yj，交点误差为dij，研究区测线误差平方和[15]为

表 1 采用的罗斯海重力测线资料Table 1 Gravity data for the Ross Sea used in this study

图 2 调查区测线分布Fig. 2 Distribution of cruise data

对误差平方和求导，并构建线性方程组AX=B，利用最小二乘法构造方程组确定方程系数的方式来消除误差，并确立研究区内的航次基准，最终完成各航次间重力调查数据的平差工作。重力数据反演主要分为空间域和频率域反演方法，本文采用频率域反演中的Parker-Oldenburg 迭代反演公式[19-20]计算壳幔边界的深度

式中，G为万有引力常量；ρ为界面密度差；z0表示观测面；F[△g]表示对△g进行二维傅里叶变换；k表示频率域波数模值；h(r)为界面起伏数值函数。平差融合后的数据经填充至方形区域后再进行快速傅里叶变化，并取海水密度为1.03×103kg/m3，地壳密度为2.67×103kg/m3，壳幔密度差为0.45×103kg/m3，地壳平均厚度取研究区范围内CRUST1.0 网格数据[21]的平均值。

考虑数据时效性及现场质量控制情况，选取第30 次南极科学考察数据（CHN30）为基准。为进一步检验船测重力数据的精度，采用Sandwell 卫星测高数据[15]进行比对，部分测线对比及差值结果见图4。

图 3 有效数据点分布Fig. 3 Distribution of effective measuring points

第30 次南极有效船测重力数据与卫星重力数据对比显示两者趋势基本一致（图4a），空间重力异常差值平均值为2.23×10-5m/s2，均方差为±4.84×10-5m/s2（图4b），在部分区域船测数据能弥补卫星重力数据缺失的高频信息。以CHN30 资料为基准，对研究区内剩余航次测线数据的系统差进行处理。鉴于部分航次内存在一些无交点的测线，所以再以测线为单位对测区内所有的数据进行二次平差，同样也是基于最小二乘平差原理，结果见图5。

经过上述方法平差处理后，误差分布总体呈正态分布，且近75%的交点误差绝对值小于1.5×10-5m/s2，全部386 个交点经平差后的均方差为±1.53×10-5m/s2。船测重力数据与卫星重力比对结果见图5b，平均值为1.49×10-5m/s2，均方差为±3.81×10-5m/s2。

图 4 第30 次南极船测重力数据与卫星重力数据对比Fig. 4 Comparison in gravity anomaly by CHN30 measuring data and satellite data

图 5 平差后数据分析Fig. 5 Histogram analysis of data after adjustment

4 罗斯海区域重力场特征及解析

罗斯海重力测线主要位于水深2 000 m 以浅盆地及海槽构造活动区，经处理平差融合后，获得研究区的区域重力场特征（图6）。

空间重力异常反映了实际的地球形状和物质分布与参考椭球体的偏差，是研究地壳均衡现象的重要资料。罗斯海海域空间重力异常值的大小及分布在很大程度上，明显受持续构造作用的影响，变化范围在-85×10-5～65×10-5m/s2内，同时以近N-S 向异常为主体特征，斜交于N-E 向地形走向。东部盆地因地形相对平坦、断裂带及构造活动分布较少，空间重力异常幅值变化较中央海槽、维多利亚地盆地小。在西部沿175°E 经线至74°S 处随断裂带走向和海底地形起伏形成“Y”型正异常带，并向两侧形成以降低异常为主的梯级带。沿罗斯海陆架盆地、海槽等地形复杂区域形成多个空间重力异常高值（最高值65×10-5m/s2位于东部盆地东北边缘）、低值圈闭（最低值-85×10-5m/s2位于特拉裂谷），相间分布。

罗斯海海域的布格重力异常值范围为-35×10-5～210×10-5m/s2，深部海域和陆架边缘异常场值朝NE 向急剧变大，最高值达到210×10-5m/s2。与空间重力异常类似，在北部盆地、维多利亚地盆地、中央海槽、东部盆地4 个主要盆地腹地表现为异常高值，数值从60×10-5m/s2至200×10-5m/s2不等，跨度达100 km 以上。研究区莫霍面深度（图7）整体呈南深北浅之势，深度范围为10～28 km。

重力异常高值与罗斯海西部盆地底部的高密度岩石(麦克默多火山组)对应，由于受早期罗斯海内部的陆内拉张及后期的拉张伸展作用影响，研究区发生了多期次的岩浆作用，导致维多利亚地盆地、中央海槽和东部盆地部分上地幔上涌(形成基性侵入岩)并表现为薄地壳[22]。

结合在西南极裂谷系开展的航磁调查结果[23-25]，研究区可能存在火山活动或岩浆作用。然而从区域因素考虑[26]，西南极裂谷系推断的基性岩，也可能是地壳拉伸和同期岩浆作用的结果[27-29]。

基于地震数据获得的地壳速度和厚度参数，建立了二维地壳密度模型（表2）[30]，通过重震联合反演获得罗斯海深部地壳结构（图8），构建横跨维多利亚地盆地、中央海槽、中央高地以及东部盆地的海底地震仪剖面[30]（位置见图7），集中分析研究罗斯海盆地的断面壳幔结构及盆地重力异常高值的原因。

地球物理综合剖面反演结果与莫霍面反演结果一致，即高密度（高速）地壳对应的是重力异常高值，这也表明在维多利亚地盆地、中央海槽等区域存在基性岩脉或侵入岩广泛侵入地壳的情况。侵入岩侵入导致的沉积层密度增加主要发生在4～10 km 的上地壳中，地幔物质上涌导致的下地壳密度升高则主要发生在15～25 km 的上地幔中。伴随这些高密度体的侵入，空间重力异常值升高，同时莫霍面深度较周围地区浅5～10 km。综合剖面结果表明，罗斯海重力异常值的长波长变化与莫霍面的起伏呈正相关关系，但是反演的莫霍面深度与区域重力场特征并非完全对应，所以岩浆底侵和地壳侵入仍不足以导致罗斯海盆地的重力异常或盆地几何形状[31]。Cooper 和Davey[32]基于横跨维多利亚地盆地的多道地震反射剖面资料，发现盆地内存在一个充填了自晚中生代一直沉积到现今的地堑，厚度达14 km。因此罗斯海西部盆地内多期次长时间的裂谷沉积作用势必会影响盆地内岩石圈的挠曲强度，这个需要通过开展罗斯海高精度全覆盖的沉积物厚度数据研究予以解决。

图 6 罗斯海区域重力场特征（等值线间隔为10×10-5 m/s2）Fig. 6 Regional gravity anomaly in the Ross Sea（the contour interval is 10×10-5 m/s2）

5 结论

（1）本文基于国内在罗斯海海域采集的船载实测资料，结合覆盖该海域主要构造活动区域的国际公开资料，采用最小二乘平差方法开展研究区内12 个航次（2 个实测航次）船测重力数据的平差融合工作，获得了研究区高精度网格区域重力场数据。平差后的空间重力异常交点差均方差减小为±1.53×10-5m/s2，通过与卫星重力数据对比，差值平均值为1.49×10-5m/s2，均方差为±3.81×10-5m/s2。

图 7 莫霍面深度（火山组、断裂带分布据文献[10]）Fig. 7 Depth of Moho（volcanic groups and fault modified after reference[10]）

表 2 密度模型Table 2 Density model

（2）罗斯海空间重力异常值明显受持续构造作用的影响，以近N-S 向异常为主体特征，斜交于N-E 向地形走向，变化范围为-85×10-5～65×10-5m/s2。在西部沿175°E 经线至74°S 处随断裂带走向和海底地形起伏，形成“Y”型正异常带，并向两侧形成以降低异常为主的梯级带。沿罗斯海陆架盆地、海槽等地形复杂区域形成多个空间重力异常高值、低值圈闭。东部盆地因地形相对平坦、断裂带及构造活动分布较少，空间重力异常幅值变化较中央海槽、维多利亚地盆地小。

（3）研究区布格重力异常值总体呈现南低北高的趋势，深部海域和陆架边缘异常场值朝NE 向急剧变大，最高值达到210×10-5m/s2。与沉积盆地对应重力异常低值相悖，在罗斯海北部盆地、维多利亚地盆地、中央海槽、东部盆地4 个主要盆地腹地却表现为重力异常高值，数值从60×10-5m/s2至200×10-5m/s2不等，跨度达100 km 以上。

（4）随着罗斯海西部盆地的多次拉张及岩浆活动，该区域的地壳厚度和莫霍面深度高值和低值相间分布，并表现出越来越大的差异性。莫霍面深度分布整体呈南深北浅之势，范围为10～28 km。综合剖面结果表明，罗斯海重力异常值的长波长变化与莫霍面的起伏呈正相关关系，但是反演的莫霍面深度与区域重力场特征并非完全对应，所以岩浆底侵和地壳侵入仍不足以导致罗斯海盆地的重力异常或盆地几何形状。

罗斯海西部盆地内多期次长时间的裂谷沉积作用势必会影响盆地内岩石圈的挠曲强度，这个需要通过开展研究区高精度全覆盖的沉积物厚度数据研究予以解决。本文通过合理有效的综合运用国内实测数据和国际公开数据开展重力场研究，将极大的补救极地调查时间短、测线数据少、难成网等短板，同时也可为今后在同一海域设计布置测线提供指导。

图 8 罗斯海地球物理综合剖面（修改自文献[30]）Fig. 8 Gravity-seismic inversion interpretation profile in the Ross Sea (modified after reference [30])

致谢：感谢中国地震局地壳应力研究所纪飞助理研究员，中国科学院海洋研究所杨安助理研究员，自然资源部第一海洋研究所孙杨博士、许阳博士后，他们为本文写作提出了许多宝贵的意见，在此一并致谢！