于 磊 張 健, 陳 石 董 淼 徐長儀

1） 中國北京100049中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點實驗室2） 中國北京100049中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 3） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所

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珍貝—黃巖海山鏈熱-重力均衡動態(tài)調(diào)節(jié)機制

1） 中國北京100049中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點實驗室2） 中國北京100049中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 3） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所

珍貝—黃巖海山鏈作為我國南海的殘留擴張中心， 對其研究具有重要的科學(xué)意義． 本文運用均衡學(xué)方法， 通過重力異常數(shù)據(jù)反演了過珍貝—黃巖海山鏈剖面的地殼界面變化， 同時計算了巖石圈熱結(jié)構(gòu)狀態(tài)， 在此基礎(chǔ)上建立了珍貝—黃巖海山鏈的巖石圈地溫結(jié)構(gòu)模型. 通過均衡分析方法， 對剖面上測點的海底地形數(shù)據(jù)進行了熱均衡和重力均衡分析， 得到了熱均衡和重力均衡形變量． 結(jié)果表明， 在珍貝—黃巖海山鏈高熱流區(qū)域， 熱均衡作用可以產(chǎn)生最大約0.55 km的形變， 其重力均衡形變范圍為0.77—1.89 km． 熱均衡通過改變海底地形和地殼物質(zhì)密度不斷作用于重力均衡， 重力又反過來作用于熱均衡， 形成了熱均衡-重力均衡動態(tài)調(diào)節(jié)機制．

珍貝—黃巖海山鏈 巖石圈 熱均衡 重力均衡

引言

珍貝—黃巖海山鏈是海底擴張后期巖漿活動的產(chǎn)物， 被認為是殘留擴張中心， 對其進行均衡動態(tài)研究具有重要的科學(xué)意義． 利用重力和地形資料研究地殼均衡在我國起步較晚， 最早為雷受旻（1984）等利用艾利（Ariy）模式計算了我國南海地區(qū)的均衡異常， 此后馮銳等（1987）在我國東部等海區(qū)作了實驗均衡改正． 均衡改正計算隨著地殼均衡學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了局部補償、 區(qū)域補償、 實驗均衡模式和動態(tài)均衡模式等4個階段． 張訓(xùn)華（1996）對采用局部補償模式（艾利模式）計算的南海均衡異常分析時發(fā)現(xiàn)， 整個海區(qū)以正異常為主， 珍貝—黃巖海山鏈出現(xiàn)了低均衡重力異常， 將以正異常為主的南海海域分成南北兩部分， 似乎均衡改正不完全． 對于這種現(xiàn)象目前尚未能作出合理解釋， 南海的補償機制仍沒有解決．

本文以珍貝—黃巖海山鏈為例， 結(jié)合地熱與重力數(shù)據(jù)， 提出了熱-重力均衡動態(tài)補償模式． 該模式原理為： 熱地幔物質(zhì)對上覆低密度地殼加熱， 基于熱脹冷縮原理， 上覆低密度地殼巖石圈產(chǎn)生形變. 由于受到水平方向上巖石圈的擠壓作用， 所產(chǎn)生的水平方向的膨脹作用不明顯， 主要表現(xiàn)在垂直方向上． 受熱膨脹作用的影響， 地殼物質(zhì)向上運移， 產(chǎn)生海底地形高程和物質(zhì)密度變化． 熱均衡作用通過改變地殼物質(zhì)密度和海底地形高程間接作用于重力均衡． 當南海中存在地幔對流或地幔熱柱時， 熱動力充足， 地殼物質(zhì)在垂直方向上運移頻率和幅度變大， 重力均衡狀態(tài)被打破， 進而產(chǎn)生火山噴發(fā)、 海嘯、 海底地震等現(xiàn)象． 當?shù)蒯α骰虻蒯嶂恢冒l(fā)生遷移之后， 地幔熱動力不足， 地殼物質(zhì)冷卻產(chǎn)生熱沉降， 此時重力均衡成為均衡主導(dǎo)作用， 地殼物質(zhì)向下運移， 逐漸達到重力均衡狀態(tài)． 為了探討熱均衡和重力均衡產(chǎn)生的影響， 本文分別計算熱均衡形變量以及無熱均衡作用影響下的重力均衡形變量， 并將二者進行對比， 進而得到動態(tài)熱均衡和重力均衡對地殼物質(zhì)垂直方向上位移的影響程度．

1 地質(zhì)背景和重力異常場特征

南海是新生代形成的洋盆（姚伯初， 1996）， 位于歐亞、 印度、 太平洋三大板塊交匯處， 大陸與海洋、 地殼與地幔的物質(zhì)交換尤其活躍（張健等， 2001； 閆貧， 劉海齡， 2005）， 是研究被動大陸邊緣及邊緣海演化的理想場所（楊金玉等， 2001）． 南海在形成演化過程中發(fā)生海底擴張（周蒂等， 2005）， 擴張中心巖漿大規(guī)模產(chǎn)出． 擴張期后， 擴張中心冷卻， 經(jīng)過強烈的熱沉降作用， 形成了海山（閆貧， 劉海齡， 2005）． 珍貝—黃巖海山鏈被認為是南海中央海盆的殘留擴張中心， 是南海擴張期后晚中新世火山活動的產(chǎn)物（王葉劍等， 2009）． 圖1a給出了南海海底地形及熱流分布. 可以看出南海北部熱流值較低， 大致為60—80 mW/m2， 部分地區(qū)熱流值小于60 mW/m2． 南海海盆為熱盆， 盆內(nèi)熱流值大致為80—120 mW/m2， 部分地區(qū)熱流值大于120 mW/m2（張健， 石耀霖， 2004）． 由于珍貝—黃巖海山鏈處熱流測點少， 據(jù)周圍地區(qū)觀測值及熱模擬推算， 該處熱流值大致為120—160 mW/m2， 其中160 mW/m2為海山處沒有完全冷卻時的值（張健， 汪集旸， 2000）．

根據(jù)水深及海底地貌地形特征， 南海海盆可以劃分為西北海盆、 中央海盆和西南海盆等3個次海盆（Taylor, Hayes, 1980, 1983）． 其中, 中央海盆南北長約900 km、 東西寬約450 km， 呈扁菱形狀. 其海底由南向北依次分布著珍貝—黃巖海山鏈、 漲中海山、 憲南海山、 憲北海山、 玳瑁海山． 沿15°N分布的珍貝—黃巖海山鏈由黃巖海山、 珍貝海山等組成, 其東西長約250 km, 南北寬約40—60 km, 分布在14°49′N—15°42′N、 116°12′E—118°42′E海域（圖1b）, 是該區(qū)規(guī)模最大的長條狀東西向鏈狀海山（林巍等， 2013）． 如圖1c所示， 珍貝—黃巖海山鏈重力異常呈東西向長條串珠狀展布． 組成海山鏈的每個海山表現(xiàn)為孤立的重力高值異常圈閉, 分別對應(yīng)（90—210）×10-5m/s2的重力高值異常區(qū)． 布格重力異常（圖1d）顯示, 珍貝—黃巖海山鏈對應(yīng)著孤立的重力低值異常圈閉, 海底平原布格重力異常均在400×10-5m/s2以上, 海山分別對應(yīng)著（100—300）×10-5m/s2的重力低值異常區(qū)．

圖1 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理特征圖

2 均衡計算方法

2.1 熱均衡形變量

巖石圈熱狀態(tài)和結(jié)構(gòu)存在差異性. 南海擴張時期， 由于巖石圈拉張減薄產(chǎn)生熱物質(zhì)上涌； 擴張期后， 基于熱脹冷縮原理， 巖石圈經(jīng)過強烈的熱沉降作用， 冷卻收縮， 地表下沉（何麗娟， 2002; 陳石等， 2011）， 從而產(chǎn)生熱均衡調(diào)整． 在不考慮巖石圈厚度不準確、 南海海盆地表熱流測量誤差（張健， 汪集旸， 2000）以及地殼橫向密度分布不均勻等影響因素（Sandwell, Smith， 1997； Smith, Sandwell， 1997）的情況下， 按照海洋地區(qū)熱均衡研究理論（Hasterok, Chapman， 2007a， b）， 巖石圈分層地熱模型熱均衡表示為

（1）

式中,Ai為第i層生熱率，ki為第i層熱導(dǎo)率， Δzi為第i層厚度，qi-1為第i層頂部熱流，Ti-1為第i層頂部的溫度．

本文的計算模型中設(shè)定地表至上地幔巖石圈的熱過程中熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)機制， 而在地幔中熱對流占主導(dǎo)作用， 因此， 巖石圈底部的熱狀態(tài)用等熵關(guān)系式來表達：

（2）

式中:z為計算深度；Ta為巖石圈溫度， 取1573 K； 地幔絕熱梯度約為0.3 K/km （Turcotte, Schubert， 2002）．

實驗結(jié)果表明， 巖石熱導(dǎo)率隨溫度和壓力變化（Hofmeister， 1999）． 通常在等壓條件下， 巖石熱導(dǎo)率隨溫度升高而減?。?本文按照McKenzie等（2005）的研究結(jié)果給出了溫度、 壓力的變化與巖石圈熱導(dǎo)率k的經(jīng)驗公式為

（3）

式中，kh為巖石圈隨溫度變化的熱導(dǎo)率，b=5.3,c=1.5×10-3,d0=1.753×10-2,d1=-1.0365×10-4,d2= 2.2451×10-7,d3=-3.4071×10-4（Hofmeister， 1999）． 溫度變化產(chǎn)生的熱均衡形變量ΔεT的表達式為

（4）

式中：α為巖石熱膨脹系數(shù)，α=3.0×10-5K-1；T（z）為計算區(qū)域的地溫結(jié)構(gòu)，Tref（z）為標準化參考地溫結(jié)構(gòu)；zmax為巖石圈厚度． 由于全球巖石圈厚度為60—120 km， 而本文研究區(qū)域位于南海海盆內(nèi)部， 屬于巖石圈最薄弱的地區(qū)， 故zmax取60 km．

2.2 重力均衡形變量

重力均衡理論認為， 由于地形負載和其橫向密度分布存在差異性， 均衡面以上的地殼物質(zhì)會在重力作用下產(chǎn)生均衡調(diào)整． 由于研究區(qū)域位于海域， 需要考慮海水壓力影響， 海洋地區(qū)重力均衡形變量Δεw（圖2）根據(jù)重力均衡理論可建立如下關(guān)系：

（5）

圖2 海洋地殼組分均衡調(diào)整模式示意圖（引自McKenzie等， 2005）圖中LOC為補償深度， MSL為平均海平面

上的地幔物質(zhì)密度， 取3.3 g/cm3;hm為均衡面以上的地幔物質(zhì)厚度；ρw為海水密度， 取1.03 g/cm3；ε為海底地形高程． 地幔物質(zhì)厚度hm與重力均衡形變量Δεw之間的關(guān)系為

（6）

結(jié)合式（5）、 （6）化簡得到重力均衡形變量Δεw為

（7）

式中, 地殼平均密度ρc和地殼平均厚度hc可根據(jù)地震數(shù)據(jù)由地震縱波速度與巖石密度之間的非線性經(jīng)驗公式----加德納公式計算求得， 即

（8）

由于中央海盆位于南海海盆中部， 海底地形低， 上部承載水壓大， 巖石充水飽和性好， 因而用加德納公式計算的地殼密度誤差相對較低． 在后面的計算中， 測點的地殼平均密度差為0.1 g/cm3時， 重力均衡差為100 m， 在允許的誤差范圍之內(nèi)．

3 數(shù)據(jù)及計算結(jié)果分析

本文海底地形及自由空間重力異常數(shù)據(jù)引自美國加州大學(xué)圣迭戈分校斯克里普斯海洋研究所（http:∥topex.ucsd.edu/）， 數(shù)據(jù)精度均為1′×1′． 海底地形模型基于V17.1， 重力模型基于V22.1． 地震數(shù)據(jù)引自2011年5—6月， 在“南海深海過程演變”項目支持下， 中國科學(xué)院南海海洋研究所、 國家海洋局第二海洋研究所、 廣東省地震局、 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局等單位合作的三維海底地震儀探測實驗結(jié)果（丘學(xué)林等， 2012； 王建等， 2014）．

3.1 熱均衡計算結(jié)果

依據(jù)第2節(jié)的方法原理， 在給定地表熱流值的情況下， 根據(jù)式（1）—（3）計算了珍貝—黃巖海山鏈的理論巖石圈溫度與熱流曲線， 巖石圈厚度取60 km． 整個細化的模型分為4層， 具體參數(shù)見表1． 圖3a給出了地表熱流值為80—160 mW/m2的9條曲線， 計算間隔為10 mW/m2． 等熵關(guān)系依據(jù)式（2）計算． 另外， 根據(jù)式（4）計算了由于溫度變化產(chǎn)生的理論熱均衡形變量ΔεT． 南海海盆屬于熱盆， 熱流值較高， 其內(nèi)部絕大多數(shù)熱流觀測值均大于80 mW/m2． 海盆周邊存在多期火山活動的區(qū)域?qū)崪y熱流值， 高達340 mW/m2（Wuetal， 1999）． 研究表明， 中央海盆在15 Ma停止擴張， 巖漿物質(zhì)逐漸冷卻， 產(chǎn)生熱沉降， 作為南海殘留擴張中心的珍貝—黃巖海山鏈處熱流值隨之降低． 在不確定地表熱流值的情況下， 以深海平原的平均熱流值80 mW/m2為均衡參考量（Wuetal， 1999）， 將地表熱流值為80—160 mW/m2所產(chǎn)生的熱均衡形變量繪制成曲線， 如圖3b所示． 當珍貝—黃巖海山鏈處熱流值高達160 mW/m2時， 由于熱膨脹效應(yīng)產(chǎn)生的地形形變量為0.55 km． 若以全球平均熱流值60 mW/m2為均衡參考量時， 由于熱膨脹效應(yīng)產(chǎn)生的地形形變量則會更大．

表1 熱均衡模型的材料參數(shù)（引自張健和石耀霖， 2004）Table 1 Material parameters of the thermal equilibrium model （after Zhang and Shi, 2004）

圖3 熱均衡計算結(jié)果

3.2 重力均衡計算結(jié)果

為了獲得相對準確的測點平均地殼厚度與地殼密度， 本文首先采用Parker界面反演法， 用布格重力異常反演出南海的莫霍面深度（郝天珧等， 2008）， 并與地震數(shù)據(jù)計算得到的莫霍面深度進行對比得到測線上的莫霍面深度（圖4中最下面黑粗線）， 發(fā)現(xiàn)珍貝—黃巖海山鏈處的莫霍面深度為12—14 km， 而其周邊海盆地殼厚度僅為8—10 km．

圖4 過珍貝—黃巖海山鏈的三維地震速度剖面[根據(jù)丘學(xué)林等（2012）和王建等（2014）修改]

測點海底地形高程/km地殼厚度/km平均地殼密度/（g·cm-3）2-4．28102．7313-4．0110．52．7544-1．3113．52．7035-2．0010．52．7666-2．55112．7347-3．8811．52．7188-4．0111．52．6979-4．3910．52．72310-3．06112．71011-1．1511．52．676

圖4給出了過珍貝—黃巖海山鏈的三維地震速度剖面． 圖中共有13個地震測點， 由于測線邊緣地區(qū)接收信息較少， 其結(jié)果精度較低， 因而在計算時去掉1， 12， 13號測點， 保留2—11號測點． 用地震速度與巖石密度的經(jīng)驗公式（加德納公式）， 將測點的地震速度數(shù)據(jù)換算成密度． 表2給出了計算重力均衡所需要的模型參數(shù)．

對于海洋重力均衡的計算， 標準參數(shù)的選取對結(jié)果影響比較大. 為了確保結(jié)果的準確性和真實性， 本文調(diào)研了南海海盆及其周邊區(qū)域大量的地震剖面， 以及由地震剖面反演出的密度剖面． 根據(jù)調(diào)研的地震剖面選取標準參考地殼厚度為30 km， 大于海盆內(nèi)部的地殼厚度， 小于陸殼厚度； 參考平均地殼密度為2.78 g/cm3（Chenetal, 2009）． 基于標準化參量， 利用艾利模型計算了重力均衡量， 結(jié)果如圖5所示． 圖5a為重力均衡形變量與海底地形對照圖． 可以看出， 海底地形高程與重力均衡形變量具有一定的相關(guān)性， 地形相對較高的， 其均衡修正值也相對較大. 珍貝、 黃巖兩座海山處均衡修正量最大， 可達1.6—1.89 km； 兩座海山之間的位置均衡修正量最小， 僅為0.77 km．

圖5 重力均衡計算結(jié)果

由于珍貝—黃巖海山鏈是南海殘留擴張中心， 擴張期巖漿熱液活動比較頻繁， 對于沒有熱流測點的情況， 按照3.1節(jié)所述， 本文賦予整條測線地表熱流值為160 mW/m2， 該值對應(yīng)的熱均衡量為0.55 km． 利用熱均衡與重力均衡的比值作為衡量熱均衡與重力均衡對于物質(zhì)垂向變形的影響結(jié)果， 如圖5b所示. 可以看出， 測線上各測點的比值均小于1， 熱均衡量相對于重力均衡的作用要小一些． 而在珍貝、 黃巖兩座海山處， 地殼厚度最厚， 熱均衡與重力均衡的比值達到最小， 僅為0.3； 海山之間的部分， 地殼厚度相對較薄， 熱均衡與重力均衡的比值大于0.7， 基本上達到對等的水平． 除黃巖海山處的測點之外， 從曲線總體趨勢上看， 熱均衡形變量與重力均衡形變量之比與地殼厚度呈負相關(guān)關(guān)系， 說明熱均衡對地殼薄的地區(qū)影響更大． 但黃巖海山處沒有表現(xiàn)出明顯的負相關(guān)關(guān)系， 究其原因， 可能與地震測點的疏密程度及莫霍面的反演精度有關(guān)．

通過熱均衡與重力均衡對比分析， 發(fā)現(xiàn)熱均衡作為主動均衡因素， 重力均衡作為被動均衡因素， 雖然熱均衡量對于重力均衡量相對小一些， 但作為同一個數(shù)量級的均衡調(diào)節(jié)因素， 熱均衡作用不容忽視．

4 討論與結(jié)論

由于在南海的形成演化過程中發(fā)生海底擴張， 其擴張中心巖漿大規(guī)模產(chǎn)出， 周圍巖石圈受熱膨脹； 擴張期后， 擴張中心冷卻， 經(jīng)過強烈的熱沉降作用， 巖石圈收縮， 地表下降． 基于熱脹冷縮原理， 巖石圈受熱產(chǎn)生的地形形變， 與由于受自身重力作用產(chǎn)生的地形形變作為持續(xù)的動態(tài)調(diào)整關(guān)系， 促使地表向更均衡的方向發(fā)展． 本文通過熱均衡與重力均衡的計算發(fā)現(xiàn)：

1） 珍貝—黃巖海山鏈由于熱均衡作用最大可產(chǎn)生約0.55 km的形變， 并且在地殼越薄弱、 構(gòu)造活動越活躍、 地表熱流值越高的地區(qū)， 熱均衡產(chǎn)生的效果越明顯． 與熱均衡形變量相比， 重力均衡量值相對較大， 最大可產(chǎn)生1.89 km的形變. 珍貝、 黃巖兩座海山之間的重力均衡修正量只有0.77 km， 與海底地形存在較好的對應(yīng)關(guān)系．

2） 由于海盆中地殼厚度薄、 密度大、 熱流值高， 其重力均衡改正量相對較小， 熱均衡改正量相對較大． 而陸殼內(nèi)地殼厚度厚， 密度相對更小， 重力均衡改正量大， 熱均衡改正量相對較小， 因而產(chǎn)生了陸地均衡改正相對完全而海洋均衡改正相對不完全的現(xiàn)象， 熱均衡對海洋重力均衡的影響比對陸地大．

3） 采用重力學(xué)與地熱學(xué)交叉融合的方法， 克服了單一方法在地球物理學(xué)應(yīng)用中的多解性和局限性． 在前人提出的問題上進一步研究， 找出了南海重力均衡改正不完全的原因， 推動了地殼均衡模式中動態(tài)均衡補償模式的發(fā)展．

4） 提出了熱-重力均衡動態(tài)補償模式. 基于熱脹冷縮原理， 巖石圈受熱膨脹產(chǎn)生向上的地形形變， 重力作用則基于萬有引力， 產(chǎn)生向下的形變調(diào)整， 熱均衡通過改變海底地形和物質(zhì)密度不斷作用于重力均衡， 重力均衡又反過來作用于熱均衡， 從而形成了熱-重力均衡動態(tài)調(diào)節(jié)機制．

由于南海深海盆地區(qū)地球物理資料較少， 珍貝—黃巖海山鏈處沒有實測熱流值， 文中所用的熱流值根據(jù)南海整體熱流值分布和南海構(gòu)造活動推算而得， 因而對于本文數(shù)據(jù)的準確性只能等將來獲得實測數(shù)據(jù)后進行驗證； 另外， 由于受儀器設(shè)備和測量成本的限制， 該地區(qū)地震測線的長度較短， 測點的密集程度相對較低， 獲得比較精細的地層速度-密度結(jié)構(gòu)十分必要． 在未來的工作中， 作者將對考慮熱因素的重力均衡進行計算， 以獲取更為精確的重力均衡補償結(jié)果來充實南海地區(qū)的地球物理資料． 此外， 還希望能獲得更多的實測數(shù)據(jù)來進行計算驗證， 不斷修正計算結(jié)果， 以完善均衡理論．

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Thermal-gravity equilibrium adjustment mechanism of Zhenbei-Huangyan seamount chain

1）LaboratoryofComputationalGeodynamics,ChineseAcademyofScience,Beijing100049,China

2）UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

3）InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China

During the processing of isostatic gravity anomaly analysis, it was pointed that the isostatic correction of the South China Sea was not completely, especially in Zhenbei-Huangyan seamount chain. No reasonable explanation for this phenomenon has been proposed until now, and seamounts compensation mechanism remains unresolved. It is feasible and necessary to conduct the dynamic equilibrium research in this region. We combine the thermal and gravimetric method to evaluate crustal density structure so as to establish the litho-spheric thermal structure of Zhenbei-Huangyan seamount chain based on the observed free-air gravity anomaly data. And then we analyze the thermal equilibrium and the gravity equilibrium effects based on the submarine topography data by adopting the standardized equilibrium technology. The results show that in the high heat flow region of Zhenbei-Huangyan seamount chain, the deformation induced by the thermal equilibrium is up to 0.55 km and the deformation due to the gravity is from 0.77 to 1.89 km. As a long-term adjustment factor, the thermal equilibrium constantly affects the gravity equilibrium by changing submarine topography and crustal material density， and gravity acts on geothermal equilibrium in turn at the same time， so the dynamic adjustment mechanism generates.

Zhenbei-Huangyan seamount chain; lithosphere； thermal equilibrium； gravity equilibrium

10.11939/jass.2015.04.004.

國家自然科學(xué)

基金項目（41174085）、 國家自然科學(xué)基金重點項目（41430319）、 中國科學(xué)院創(chuàng)新團隊項目（KZZD-EW-TZ-19）以及中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA1103010102）共同資助.收稿日期 2014-11-20收到初稿， 2015-01-26決定采用修改稿.

e-mail: zhangjian@ucas.ac.cn

5.04.004

P314.2, P312.3

A

于磊, 張健, 陳石, 董淼, 徐長儀. 2015. 珍貝—黃巖海山鏈熱-重力均衡動態(tài)調(diào)節(jié)機制. 地震學(xué)報, 37（4）: 565--574.

Yu L, Zhang J, Chen S, Dong M, Xu C Y. 2015. Thermal-gravity equilibrium adjustment mechanism of Zhenbei-Huangyan seamount chain.ActaSeismologicaSinica, 37（4）: 565--574.

doi:10.11939/jass.2015.04.004.