馬龍,鄭彥鵬*,劉晨光,趙強(qiáng),裴彥良,華清峰,李先鋒,夏成龍

南極布蘭斯菲爾德海峽區(qū)域重力場特征及異常分析

馬龍1,2,鄭彥鵬1,2*,劉晨光1,2,趙強(qiáng)1,2,裴彥良1,2,華清峰1,2,李先鋒1,2,夏成龍3

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061;3.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東 青島266100)

南極布蘭斯菲爾德海峽及周邊區(qū)域是南極大陸火山、地震等新構(gòu)造活動最活躍的地區(qū),與南設(shè)得蘭海溝、南設(shè)得蘭群島一同構(gòu)成南極大陸邊緣現(xiàn)存唯一的“溝-弧-盆”構(gòu)造體系。本文基于“雪龍”船第28、第30航次實(shí)測數(shù)據(jù)及兩個(gè)航次的國際共享資料,利用均衡改正數(shù)據(jù)處理方法獲得布蘭斯菲爾德海峽的莫霍面深度及其分布規(guī)律,分析深部構(gòu)造-斷裂的區(qū)域分布及其重力異常特征等。布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)的空間重力異常呈條帶狀分布,走向總體與地形相近,布格重力異常則由兩側(cè)向中間升高,大致在坡折處形成異常場值為100×10-5m/s2的分界線,在中央次海盆和東部次海盆海山處形成兩個(gè)異常高值圈閉,異常值最高為150×10-5m/s2。莫霍面深度以弧后擴(kuò)張中心為最低值,向南設(shè)得蘭群島和南極半島兩個(gè)方向遞增,深度從12 k m遞增至陸坡位置的24 k m。

重力場特征;均衡改正;異常分析;南極;布蘭斯菲爾德海峽

1 引言

南極半島以北的南設(shè)得蘭群島、南設(shè)得蘭海溝和布蘭斯菲爾德海峽共同構(gòu)成南極大陸邊緣現(xiàn)存唯一的“溝-弧-盆”構(gòu)造體系[1-2]。布蘭斯菲爾德海峽為一新生代形成的裂谷系[3],呈NE走向,屬于由裂谷向海底擴(kuò)張構(gòu)造演變的階段,海底地形起伏明顯,主要受廣泛分布的斷層所控制。南極洲板塊NE向的移動導(dǎo)致南設(shè)得蘭海溝左旋滑動,一直延伸至南極大陸邊緣的南斯科舍海脊處,在俯沖板塊后撤時(shí)造成布蘭斯菲爾德海峽的擴(kuò)張[4-5],形成布蘭斯菲爾德海峽NWN向和NEN向兩個(gè)方向的斷裂構(gòu)造。

20世紀(jì)60年代首次對布蘭斯菲爾德海峽開展了調(diào)查[6],對其形成演化歷史產(chǎn)生了多種觀點(diǎn),并被廣泛討論。Davey[7]提出布蘭斯菲爾德海峽的深海槽為斷層控制盆地或斷塹。Elliot[8]研究了南極半島的區(qū)域構(gòu)造背景及演化特征,繪制了南極半島地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造略圖,闡述了布蘭斯菲爾德海峽的大地構(gòu)造背景。Gràcia等[9-10]對布蘭斯菲爾德海峽中部和東部盆地地形及重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,將海底火山構(gòu)造發(fā)育分為3個(gè)階段,并認(rèn)為新洋殼伴隨海底火山作用持續(xù)形成,由于海盆整體的左旋走滑運(yùn)動,導(dǎo)致兩者表現(xiàn)為完全不同的地形地貌、火山活動及沉積特征,分別處于海底擴(kuò)張初期和擴(kuò)張前弧后裂谷階段。Barker等[11]基于在海峽內(nèi)獲得的地震及OBS(海底地震儀)數(shù)據(jù),獲得地殼厚度圖,發(fā)現(xiàn)早期的弧殼比洋殼厚25%,可能并非洋殼。Schreider等[12-13]將布蘭斯菲爾德海峽的基底巖石圈擴(kuò)張分為4個(gè)主要階段:(1)南極半島外緣陸殼局部因張應(yīng)力增加而張裂;(2)南極半島北部形成一個(gè)類地塹結(jié)構(gòu);(3)持續(xù)擴(kuò)張導(dǎo)致劇烈的火山活動并在地塹內(nèi)充填沉積物;(4)南設(shè)得蘭群島近岸火山活動并堆積上部沉積物。因此,通過查明布蘭斯菲爾德海峽的重力場特征,開展數(shù)據(jù)反演,對研究南極半島及鄰區(qū)的盆地形成、地殼結(jié)構(gòu)和構(gòu)造演化歷史具有非常重大的科學(xué)意義。

2 數(shù)據(jù)和方法

1984年,我國首次南極科學(xué)考察期間,對布蘭斯菲爾德海峽進(jìn)行了重力、磁力、水深等海洋地球物理綜合調(diào)查?；谏鲜稣{(diào)查數(shù)據(jù),呂文正和吳水根[1]研究了布蘭斯菲爾德海峽新生代形成的裂谷系特征及其形成機(jī)制,將海峽形成過程劃分為兩個(gè)主要階段:(1)俯沖活動引起的弧后擴(kuò)張;(2)大規(guī)模俯沖活動停止后,由于地幔物質(zhì)上隆造成巖石圈拉張、減薄和破裂,形成一系列地塹、地壘,地?；詭r漿在裂谷軸部涌出,擴(kuò)張中心向大洋遷移,形成現(xiàn)今的不對稱裂谷。持續(xù)發(fā)生的斷裂活動對南極半島地區(qū)的火山和地震活動起著明顯的控制作用,并促使形成欺騙島、企鵝島、布里奇曼島等仍具有現(xiàn)代火山活動的島嶼[2-3]。

1990-2014年,我國在3個(gè)南極考察航次中對布蘭斯菲爾德海峽進(jìn)行了海洋重力調(diào)查,積累了一定數(shù)量的船測重力資料。本次研究區(qū)范圍如圖1所示(61°～64°S,64°～52°W),海底地形由兩側(cè)向中間呈階梯形下降,北陡南緩,以欺騙島和布里奇曼島為界,可劃分為西部次海盆(WBB)、中央次海盆(CBB)和東部次海盆(EBB)3塊。本文以“雪龍”船第28、第30航次實(shí)測數(shù)據(jù)及美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)兩個(gè)航次的共享資料[14]為基礎(chǔ),基于最小二乘算法[15-18]平差處理融合布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)的船測重力數(shù)據(jù),融合后的船測重力數(shù)據(jù)交點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差[15]為1.545×10-5m/s2。本文是在前期數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上開展重力異常場空間分布規(guī)律及其地質(zhì)構(gòu)造意義的研究。主要包括利用均衡改正數(shù)據(jù)處理方法獲得研究區(qū)的莫霍面深度及其分布規(guī)律,分析深部構(gòu)造-斷裂的區(qū)域分布及其重力異常特征等。

圖1 研究區(qū)海底地形圖及調(diào)查數(shù)據(jù)位置Fig.1 Topographic map of the study area and the distribution of cruise data SSI.南設(shè)得蘭群島;AP.南極半島;WBB.西部次海盆;CBB.中央次海盆;EBB.東部次海盆SSI.South Shetland Islands;AP.Antarctic Peninsula;WBB.Western Bransfield Basin;CBB.Central Bransfield Basin;EBB.Eastern Bransfield Basin

地形特征的均衡補(bǔ)償主要有兩種形式,一種是局 部均衡補(bǔ)償,補(bǔ)償通過地殼以密度不變而厚度變化(艾里模型)或橫向密度變化(普拉特模型)實(shí)現(xiàn);另一種是區(qū)域均衡補(bǔ)償,不僅考慮殼幔密度差別的浮力支撐,還考慮地表地形起伏及地下莫霍面起伏,認(rèn)為在多數(shù)情形下,巖石圈對長期表面載荷的反應(yīng),近似于一個(gè)上覆于較弱液體的彈性薄板[19-23]。按照該模型,沉積物和水體的負(fù)荷局部受基底支撐,而裂谷后期傾斜平緩的沉積物與廣闊海岸平原的存在,說明繞曲模型適用于大陸邊緣演化后期。艾里均衡模型對應(yīng)于區(qū)域均衡模型中的撓曲剛度為零的特殊情況[24],前人研究也表明在裂谷作用早期艾里模型最為適用[25-27]。

布蘭斯菲爾德海峽海底是一個(gè)第四紀(jì)的弧后盆地,直到上新世期間,南設(shè)得蘭群島之下的俯沖停止才導(dǎo)致布蘭斯菲爾德海峽的張開,屬于裂谷作用早期。此外,海底地震儀折射剖面[11]和多道地震剖面[28]顯示布蘭斯菲爾德海峽莫霍面為具有一定起伏的曲面。綜上分析本文基于艾里模型[29-31],結(jié)合地形柵格圖、區(qū)域密度、莫霍面密度對比和海平面補(bǔ)償深度等數(shù)據(jù)資料來計(jì)算莫霍面(即“根”)的深度(圖2),利用研究區(qū)布格重力異常和地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行均衡殘余改正處理,獲得布蘭斯菲爾德海峽均衡殘余異常值,避免了多項(xiàng)式擬合或?yàn)V波對淺層地質(zhì)特征造成的重力異常處理時(shí)的隨意性誤差影響,更好地模擬了海峽的地殼結(jié)構(gòu)。

圖2 均衡改正分析圖Fig.2 Analysis of isostatic correctiond為山根深度;d s為莫霍面補(bǔ)償深度,e為海底地形高度;ρt為地殼密度;Δρ為地殼與上地幔密度差異;ρw為海水的密度;d w為海底深度。通過補(bǔ)償面形態(tài)正演區(qū)域均衡異常。均衡殘余異常(Δg IS)由研究區(qū)的布格重力異常值g B和正演獲得的均衡重力異常值g IS相減得到d is depth to bottom of root;d s is depth to bottomof root for sealevel elevation;e is submarine topography;ρt is density of crust;Δρis density contrast at depth across bottom of root;ρw is density of seawater;d w is depth of water.Isostatic regional gravity is calculated fro mthe topographic data.Isostatic residual gravity anomaly(Δg IS)is calculated by subtracting theisostatic gravity anomaly(g IS)fromthe Bouguer gravity anomaly(g B)

艾里均衡的補(bǔ)償面深度一般選取莫霍面平均深度,此處選取21 k m主要是參照南設(shè)得蘭群島區(qū)域至南極半島區(qū)域范圍內(nèi)莫霍面深度的平均值,并取地殼密度為2.67×103kg/m3,殼幔密度差為0.45×103kg/m3,水深數(shù)據(jù)來源于實(shí)測及衛(wèi)星高程數(shù)據(jù),計(jì)算獲得莫霍面的“山根”或者“反山根”形態(tài),并依據(jù)界面形態(tài)正演計(jì)算求出均衡重力異常及均衡殘余異常。

3 區(qū)域重力場特征

基于布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)船測重力綜合平差結(jié)果,繪制空間重力異常圖和布格重力異常圖(圖3,圖4)?？臻g重力異常反映了實(shí)際的地球形狀和物質(zhì)分布與參考橢球體的偏差[32]。大范圍負(fù)值表示虧損,大范圍正值則表示盈余。

歷史資料顯示布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆目前仍存在一些十分活躍的海底火山[34],它們沿盆地?cái)U(kuò)張脊NE-SW向零星分布[33,35]。布蘭斯菲爾德海峽空間重力異常被構(gòu)造線劃分為多個(gè)區(qū)域,總體走向?yàn)镹E-SW向,與海底地形分布趨于一致,隨地形起伏變化劇烈,在海底火山附近產(chǎn)生多個(gè)低值區(qū)域生成重力梯級帶。

布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)空間重力異常由兩側(cè)向海峽中央以降低異常為主,異常值范圍為-40×10-5～100×10-5m/s2,大部分區(qū)域空間重力異常值都大于20×10-5m/s2,在海峽內(nèi)洛島東部、霍西森島和特里尼蒂島內(nèi)存在一個(gè)重力異常低值圈閉,最低值小于-10×10-5m/s2,東部水深1 000 m以深的區(qū)域空間重力異常為負(fù)低值,范圍為-40×10-5～0 m/s2。空間重力異常走向總體與地形相似被欺騙島和布里奇曼島分割為3個(gè)區(qū)域,被NWN走向的構(gòu)造線及海底火山隔斷,在中央次海盆形成多個(gè)異常低值圈閉。

圖3 布蘭斯菲爾德海峽空間重力異常Fig.3 Free-air gravity anomaly in the Bransfield Strait白色區(qū)域?yàn)殛懙鼗驕y線未覆蓋區(qū)域;紅色實(shí)線為斷層;紅點(diǎn)為海底火山;位置據(jù)文獻(xiàn)[12]和[33]The white area in the figure locates the land or the survey line;the red solid lines show the fault;the red dots indicate the sub marine volcano;locations are based on the references[12]and[33]

圖4 布蘭斯菲爾德海峽布格重力異常Fig.4 Bouguer gravity anomaly in the Bransfield Strait

布格重力異常(ΔgB)包含了殼內(nèi)各種偏離正常密度分布的礦體與構(gòu)造的影響,也包含了地殼下界面起伏而在橫向上相對上地幔質(zhì)量的巨大虧損或盈余影響[32]。布蘭斯菲爾德海峽布格重力異常值范圍為0～320×10-5m/s2,總體特征呈條帶狀分布走向ENE,與其展布方向一致。異常場值由兩側(cè)向中間升高,大致在坡折處形成值為100×10-5m/s2的分界線,在中央次海盆和東部次海盆水深變化明顯且海底火山廣泛分布的區(qū)域,布格重力異常形成兩個(gè)異常高值圈閉,異常值最高為150×10-5m/s2。東部次海盆由于水深變化沒有其余兩處劇烈,在中心區(qū)域未見明顯的異常高值,主要為80×10-5m/s2,并在陸坡區(qū)形成多處圈閉異常。

南設(shè)得蘭群島北側(cè),屬于弧前盆地向南設(shè)得蘭海溝過渡帶,空間重力異常呈條帶狀分布,走向ENE。沿NWN方向空間重力異常值經(jīng)歷一個(gè)先降后升的過程,與南設(shè)得蘭海溝北側(cè)外緣隆起水深變淺相對應(yīng),空間重力異常值范圍為-90×10-5～40×10-5m/s2。在海溝西南部和東北部低水深區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)空間重力異常低值區(qū),整個(gè)研究區(qū)空間重力異常最低值分布于海溝東北部為-90×10-5～-60×10-5m/s2,海溝主體基本都處于空間重力異常負(fù)值區(qū)。由于南設(shè)得蘭海溝水深的急劇變化,布格重力異常值差異變化也非常明顯(圖5),異常值范圍為60×10-5～100×10-5m/s2。

圖5 南設(shè)得蘭海溝Y1重力剖面Fig.5 Gravity profile Y1 in the South Shetland Islands

重力異常的數(shù)值和特征變化反映了海底以下巖石圈和深部物質(zhì)在橫向上質(zhì)量分布的不均勻性,同時(shí)也直觀地反映了地質(zhì)構(gòu)造的特征,與布蘭斯菲爾德海峽相比,海溝內(nèi)水深明顯更深,可以通過兩者之間數(shù)值的對比來揭示海峽內(nèi)3部分海盆的重力場特征。

3.1 西部次海盆

西部次海盆位于欺騙島以東63°～61°W之間,分布有多座小島,水深相對較淺,僅在中心區(qū)域達(dá)到1 000 m以下?？臻g重力異常和布格重力異常分布趨于一致,在中央深水區(qū)域均為低值區(qū)。重力異常值自南設(shè)得蘭海溝向南出現(xiàn)大幅變化,空間重力異常從最低-70×10-5m/s2變?yōu)闁|部次海盆的0～60×10-5m/s2之間,布格重力異常由最高280×10-5m/s2降為40×10-5～100×10-5m/s2之間。

空間重力異常值總體走向近似為正北方向,并在欺騙島和托爾島附近最高。布格重力異常值走向不明顯,在研究區(qū)形成多個(gè)圈閉,極值點(diǎn)與空間重力異常相近。從東部次海盆向中部延伸的重力剖面(圖6)也揭示了布蘭斯菲爾德海峽海底地形起伏與重力異常值變化相互對應(yīng)的關(guān)系。

3.2 中央次海盆

中央次海盆是布蘭斯菲爾德海峽的主體位置,也是極地科考船主要停留和考察的位置,北部與南設(shè)得蘭群島相連,南部與南極半島接壤,往東與東部次海盆以布里奇曼島為界。北部水深較深,是弧后盆地的擴(kuò)張中心(圖1),鄰近南設(shè)得蘭群島區(qū)域沿海底斷裂帶分布有海山、隆起及海脊包括Ex Seamount,Three Sisters Uplift,Orca Seamount,Hook Ridge等。

圖6 西部次海盆Y2重力剖面Fig.6 Gravity profile Y2 in the western Bransfield Basin

重力剖面Y3起于欺騙島東側(cè),止于布里奇曼島,跨越多處海山(圖7)。水深起伏變化明顯,空間重力異常值也間接反應(yīng)海底地形變化,幅值范圍為10×10-5～60×10-5m/s2。剖面線所在區(qū)域海底水深變化較大,布格重力異常與空間重力異常差異明顯,需要綜合更多資料研究海底構(gòu)造活動。該區(qū)空間重力異常值均為正異常,在幾處海山和水深較淺處為高值區(qū),最大為80×10-5m/s2,異常值范圍為10×10-5～80×10-5m/s2。在各個(gè)正異常高值區(qū)之間形成低值圈閉,與剖面Y3揭示的空間重力異常值對應(yīng)。

中央次海盆布格重力異常分布由于北部水深較大,整體與空間重力異常明顯不同,其中150×10-5m/s2等值線圈閉出的北部高值區(qū)正好也是中央次海盆水深最大的區(qū)域,異常場值整體也以該高值為中心向四周減小。南部水深較淺且平緩,布格重力異常分布特征不明顯,且區(qū)域重力場值變化不大,東部大片區(qū)域都在60×10-5m/s2左右。全區(qū)的異常有北高南低的變化趨勢,總體走向?yàn)镹E向。

3.3 東部次海盆

東部次海盆位于布里奇曼島以東,北部與吉布斯島、象島和克拉倫斯島交接,向東一直延伸到52°W。該區(qū)空間重力異常主要以大范圍降低異常為主,在北部和東部兩個(gè)深水位區(qū)域(最深達(dá)3 000 m)異常值最低,最小值為-40×10-5m/s2。在東部過渡帶附近存在一個(gè)明顯的重力梯度帶,兩側(cè)空間重力異常差值在20×10-5m/s2以上。

重力剖面Y4上空間重力異常值從50×10-5m/s2減小為-100×10-5m/s2(圖8)。空間重力異常整體與海底水深變化趨于一致,部分區(qū)域異常值起伏變化較水深更加明顯,如南設(shè)得蘭海溝、東部深海底,空間重力異常值隨水深變大陡然減小。東部次海盆空間重力異常幅值為-40×10-5～100×10-5m/s2,在內(nèi)部形成多個(gè)低值和高值圈閉與海底高低起伏相對應(yīng)。該區(qū)布格重力異常幅值為60×10-5～140×10-5m/s2,大部分區(qū)域以100×10-5m/s2的布格重力異常為主要分隔線,整體呈現(xiàn)北高南低的趨勢,在淺海區(qū)與空間重力異常分布趨于一致,二者在深海區(qū)分布則明顯不同。在吉布斯島以南,被中央次海盆和東部次海盆所包圍的區(qū)域形成兩個(gè)布格重力異常高值區(qū),能較為清晰地勾畫出海盆輪廓。

圖7 中央次海盆Y3重力剖面Fig.7 Gravity profile Y3 in the central Bransfield Basin

圖8 東部次海盆Y4重力剖面Fig.8 Gravity profile Y4 in the eastern Bransfield Basin

4 異常場分析

布蘭斯菲爾德海峽的海底是一個(gè)近NE走向,從斷裂到擴(kuò)張的弧后硅鋁層上的裂陷擴(kuò)張盆地[36-38],它將南設(shè)得蘭群島從南極半島的北端分離出來。布蘭斯菲爾德海峽莫霍面界面深度范圍為12～24 k m(圖9),與Barker等[11]2003年利用海底地震儀獲得的莫霍面深度12～21 k m接近。中央次海盆莫霍面最淺,約12 k m,向南設(shè)得蘭群島和南極半島兩個(gè)方向遞增至陸坡位置的24 k m,與布蘭斯菲爾德海峽南北分帶,東西分塊的構(gòu)造格局相對應(yīng)。

圖9 莫霍面界面深度圖Fig.9 Depth of Moho

研究區(qū)均衡重力異常值范圍為-20×10-5～205×10-5m/s2(圖10),在西部次海盆、中央次海盆的海底火山,以及東部次海盆Hook海脊區(qū)域形成均衡重力異常場高值圈閉,最高異常值為70×10-5m/s2,火山構(gòu)造活動使地幔物質(zhì)上涌,均衡力還不足以使莫霍面達(dá)到補(bǔ)償深度。布格重力異常與均衡重力異常相減,獲得均衡殘余異常(圖11)。布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆均衡殘余異常高值均出現(xiàn)在海底火山和水深相對較深的位置,大致以60×10-5m/s2為主要分界線,均衡殘余異常低值則表現(xiàn)為塊狀圈閉。

圖10 均衡重力異常Fig.10 Sketch map of isostatic gravity anomaly

圖11 均衡殘余異常Fig.11 Isostatic residual gravity anomaly

布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆經(jīng)歷了NE-SW 向的斷裂延伸,導(dǎo)致沿?cái)U(kuò)張脊水深加深、火山活動和地殼減薄[34,38-39]。結(jié)合區(qū)域重力場特征分析,布蘭斯菲爾德海峽新生代以來經(jīng)歷了漫長復(fù)雜的演化過程,其演化受區(qū)域板塊運(yùn)動、深部地幔流動、地殼拉伸及結(jié)構(gòu)變化等因素控制,最終形成如今之構(gòu)造格局。

5 結(jié)論

(1)布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)空間重力異常走向總體與地形相似,由兩側(cè)向海峽中央以降低異常為主,范圍為-40×10-5～100×10-5m/s2。大部分區(qū)域空間重力異常值都大于20×10-5m/s2,在海峽內(nèi)西部洛島、霍西森島和特里尼蒂島范圍內(nèi)存在一個(gè)重力異常低值圈閉,最低值小于-10×10-5m/s2,東部水深1 000 m以深的區(qū)域空間重力異常值在-40×10-5～0 m/s2之間,為低值區(qū)域。空間重力異常場被欺騙島和布里奇曼島分為3個(gè)區(qū)域,同時(shí)被NWN走向的構(gòu)造線及海底火山隔開,在中央次海盆形成多個(gè)異常低值圈閉。

(2)海峽內(nèi)的布格重力異常由兩側(cè)向中間升高,在中央次海盆和東部次海盆海山處形成兩個(gè)異常高值圈閉,異常值最高為150×10-5m/s2,并大致在坡折處形成異常場值為100×10-5m/s2的分界線,在陸坡區(qū)多呈圈閉異常。

(3)布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆莫霍面最淺,約12 k m,向南設(shè)得蘭群島和南極半島兩個(gè)方向遞增至陸坡位置的24 k m,與布蘭斯菲爾德海峽南北分帶,東西分塊的構(gòu)造格局相對應(yīng)。

(4)均衡重力異常在西部次海盆和中央次海盆的海底火山區(qū)域,以及東部次海盆Hook海脊形成異常場高值圈閉,最高異常值為70×10-5m/s2,推測為火山構(gòu)造活動使地幔物質(zhì)上涌,使莫霍面還未達(dá)到補(bǔ)償深度。中央次海盆均衡殘余異常高值出現(xiàn)在海底火山位置。

(5)布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆經(jīng)歷了NESW向的斷裂延伸,導(dǎo)致沿?cái)U(kuò)張脊水深加深、火山活動和地殼減薄,其演化受區(qū)域板塊運(yùn)動、深部地幔流動、地殼拉伸及結(jié)構(gòu)變化等因素控制,最終形成如今之構(gòu)造格局。

致謝:感謝國家海洋局第一海洋研究所闞光明副研究員、韓國忠教授級高級工程師、梁瑞才研究員、李官保副研究員和李西雙副研究員在數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集和論文寫作過程中提供的指導(dǎo)和幫助。感謝兩位審稿專家提出的寶貴修改意見。

[1] 呂文正,吳水根.布蘭斯菲爾德海槽——新生代裂谷[J].極地研究,1989(4):28-35.Lu Wenzheng,Wu Shuigen.The Bransfield Trough—A Cenozoic Rift[J].Antarctic Research,1989(4):28-35.

[2] 陳圣源,劉方蘭,梁東紅.南極布蘭斯菲爾德海域地球物理場與地質(zhì)構(gòu)造[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),1997,17(1):77-86.Chen Shengyuan,Liu Fanglan,Liang Donghong.Geophysical field and geologic structure of the Bransfield sea area in the Antractic circle[J].Marine Geology&Quaternary Geology,1997,17(1):77-86.

[3] 姚伯初,王光宇,陳邦彥,等.南極布蘭斯菲爾德海峽的地球物理場特征與構(gòu)造發(fā)育史[J].南極研究,1995,7(1):25-34.Yao Bochu,Wang Guangyu,Chen Bangyan,et al.The characteristics of geophysical field and tectonical evolution evolution in the Bransfield Strait[J].Antarctic Research,1995,7(1):25-34.

[4] Dziak R P,Par k M,Lee WS,et al.Tectonomagmatic activity and ice dynamics in the Bransfield Strait back-arc basin,Antarctica[J].Journal of Geophysical Research:Solid Eart h(1978-2012),2010,115(B1):B01102.

[5] Galindo-Zaldívar J,Gamboa L,Maldonado A,et al.Tectonic develop ment of the Bransfield Basin and its prolongation to the South Scotia Ridge,northern Antarctic Peninsula[J].Marine Geology,2004,206(1):267-282.

[6] Griffiths D H,Riddihough RP,Cameron H A D,et al.Geophysical investigation of the Scotia arc[R].London:British Antarctic Survey,1964:43.

[7] Davey F J.Marine gravity measurements in Bransfield Strait and adjacent areas[C]//Antarctic Geology and Geophysics-Sy mposiu m on Antarctic Geology and Solid Earth Geophysics Antarctic Geology and Geophysics.Oslo:Universitetsforlaget,1972:39-45.

[8] Elliot D H.Tectonic setting and evolution of the James Ross Basin,northern Antarctic Peninsula[J].Geological Society of America Memoirs,1988,169:541-556.

[9] Gràcia E,Canals M,Farràn M L,et al.Central and eastern Bransfield basins(Antarctica)fro m high-resolution swath-bat hy metry data[J].Antarctic Science,1997,9(2):168-180.

[10] Gràcia E,Canals M,Farràn M L,et al.Morphostr ucture and evolution of the central and Eastern Bransfield Basins(NW Antarctic Peninsula)[J].Marine Geophysical Researches,1996,18(2/4):429-448.

[11] Bar ker D H N,Christeson G L,Austin J A,et al.Backarc basin evolution and cordilleran orogenesis:insights fro m new ocean-botto m seismograph refraction profiling in Bransfield Strait,Antarctica[J].Geology,2003,31(2):107-110.

[12] Schreider A A,Schreider A A,Evsenko EI.The stages of the develop ment of the basin of the Bransfield Strait[J].Oceanology,2014,54(3):365-373.

[13] Schreider A A,Schreider A A,Galindo-Zaldivar J,et al.Structure of the Bransfield strait crust[J].Oceanology,2015,55(1):112-123.

[14] National Oceanic and At mospheric Ad ministration.NOAA-NESDIS-NCEI(for merly GDC)-Maps-Trackline Gephysical Data[EB/OL].[2016-12-01].http://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/geophysics/.

[15] 馬龍,鄭彥鵬,裴彥良,等.南極布蘭斯菲爾德海峽船測重力資料平差處理[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2015,33(3):403-413.Ma Long,Zheng Yanpeng,Pei Yanliang,et al.The adjust ment of shipborne gravi metric data for the Bransfield Strait[J].Advancesin Marine Science,2015,33(3):403-413.

[16] 黃漠濤,翟國君,歐陽永忠,等.海洋重力測量誤差補(bǔ)償兩步處理法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2002,27(3):251-255.Huang Motao,Zhai Guojun,Ouyang Yongzhong,et al.Two step processing for co mpensating the systematic errors in marine gravity measurements[J].Geomatics and Infor mation Science of Wuhan University,2002,27(3):251-255.

[17] 劉晨光,劉保華,鄭彥鵬,等.海洋重磁資料的最小二乘平差處理方法[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2005,23(4):513-517.Liu Chengguang,Liu Baohua,Zheng Yanpeng,et al.Least square adjust ment method for processing marine gravity and geo magnetic data[J].Advances in Marine Science,2005,23(4):513-517.

[18] 高金耀,張濤,譚勇華,等.不規(guī)則重磁測線網(wǎng)誤差模型的約束最小二乘平差[J].海洋測繪,2006,26(4):6-10.Gao Jinyao,Zhang Tao,Tan Yonghua,et al.Constraint least-square adjust ment for marine gravity and magnetic track-line data in irregular survey net work with arbitrary error model[J].Hydrographic Surveying and Charting,2006,26(4):6-10.

[19] Watts A B,Tal wani M.Gravity anomalies seaward of deep-sea trenches and their tectonic i mplications[J].Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society,2010,36(1):57-90.

[20] Watts A B,Bodine J H,Steckler M S.Observations of flexure and the state of stress in the oceanic lithosphere[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth,1980,85(B11):6369-6376.

[21] Watts A B.An analysis of isostasy in the world's oceans 1.Hawaiian-Emperor Seamount Chain[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth,1978,83(B12):5989-6004.

[22] Parsons B,Molnar P.The origin of outer topographic rises associated with trenches[J].Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society,2010,1(4):707-712.

[23] Cald well J G,Turcotte D L.Dependence of the thickness of the elastic oceanic lithosphere on age[J].Journal of Geophysical Research:Solid Eart h,1979,84(B13):7572-7576.

[24] Forsyth D W.Subsurfaceloading and esti mates of the flexural rigidity of continental lithosphere[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth,1985,90(B14):12623-12632.

[25] Gunn R.A quantitative study of the lithosphere and gravity ano malies along t he Atlantic coast[J].Journal of the Franklin Institute,1944,237(2):139-154.

[26] Keen C E.Ther mal history and subsidence of rifted continental margins—evidencefrom wells on the Nova Scotian and Labrador shelves[J].Canadian Journal of Eart h Sciences,1979,16(3):505-522.

[27] Watts A B,Steckler M S.Subsidence and tectonics of Atlantic type continental margins[J].Oceanologica Acta,1981(S):143-153.

[28] Ashcroft W A.Cr ustal Structure of the South Shetland Islands and Bransfield Strait[M].London:British Antarctic Survey,1972,No.66.

[29] Kaban M K,Schwintzer P,Reigber C.A newisostatic model of thelithosphere and gravity field[J].Journal of Geodesy,2004,78(6):368-385.

[30] Si mpson R W,Jachens R C,Blakely RJ.Airyroot:a Fortran programfor calculating the gravitational attraction of an Airy isostatic root out to 166.7 k m[R].U.S.G.S.Open-File Report 83-883,1983:66.

[31] Si mpson R W,Jachens R C,Blakely RJ,et al.A new isostatic residual gravity map of the conter minous United States with a discussion on the significance of isostatic residual anomalies[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978-2012),1986,91(B8):8348-8372.

[32] 曾華霖.重力場與重力勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,2005.Zeng Hualin.Gravity Field and Gravity Exploration[M].Beijing:Geological Publishing House,2005.

[33] Grad M,Guterch A,Sroda P.Upper crustal structure of Deception Island area,Bransfield Strait,West Antarctica[J].Antarctic Science,1992,4(4):469-476.

[34] Lawver L A,Sloan BJ,Bar ker D H N,et al.Distributed,active extension in Bransfield Basin,Antarctic Peninsula:evidencefro m multibeam bathy metry[J].GSA Today,1996,6(11):1-6.

[35] Barker D H N,Austin J A.Rift propagation,detach ment faulting,and associated magmatismin Bransfield Strait,Antarctic Peninsula[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978-2012),1998,103(B10):24017-24043.

[36] Keller R A,Fisk M R,Smellie J L,et al.Geochemistry of back arc basin volcanismin Bransfield Strait,Antarctica:Subducted contributions and along-axis variations[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978-2012),2002,107(B8):ECV 4-1-ECV 4-17.

[37] Grad M,Shiobara H,Janik T,et al.Cr ustal model of the Bransfield Rift,West Antarctica,from detailed OBSrefraction experi ments[J].Geophysical Journal International,1997,130(2):506-518.

[38] Christeson G L,Bar ker D H N,Austin J A,et al.Deep crustal structure of Bransfield Strait:Initiation of a back arc basin by rift reactivation and propagation[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978-2012),2003,108(B10):2492.

[39] Barker D H N,Austin J A.Rift propagation,detach ment faulting,and associated magmatismin Bransfield Strait,Antarctic Peninsula[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978-2012),1998,103(B10):24017-24043.

Regional characteristics and anomaly analysis of gravity field for the Bransfield Strait,Antarctic

Ma Long1,2,Zheng Yanpeng1,2,Liu Chenguang1,2,Zhao Qiang1,2,Pei Yanliang1,2,Hua Qingfeng1,2,Li Xianfeng1,2,Xia Chenglong3

(1.Key Laborator y of Marine Sedi mentology and Environ mental Geology,The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China;2.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China;3.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Bransfield Strait and its surrounding areas are the most active neotectonics region of volcanoes and earthquakes,which constitute the only existing“trench-arc-basin”systemtogether with the South Shetland Trench and South Shetland Islands.Based on the observed data fro mthe 28th,30th Antarctic expeditions and theinternational public data,this study takes use of the isostatic correction method to invert the Moho depth and its distribution characteristics.The gravity field anor maly of the deep tectonic was analyzed.The free-air gravity ano maly shows a strip-like distribution,orienting closely to theterrain.The Bouguer gravity anomaly in the strait rises up fromboth of the t wo sides to the middle.Two high-value-ano maly traps appear in the central trough and the seamountsin the eastern trough respectively,with the highest value up to 150×10-5m/s2.The mini mu mvalue of Moho depth(12 k m)appears in the back-arc spreading area.The depth gradually increases fro mthe back-arc spreading area to the both sides(e.g.,Bransfield Strait and Antarctic Peninsula),and reaches 24 k m at the slope area.

regional gravity field;isostatic correction;anomaly analysis;Antarctic;Bransfield Strait

P738.2

A

0253-4193(2017)12-0042-11

馬龍,鄭彥鵬,劉晨光,等.南極布蘭斯菲爾德海峽區(qū)域重力場特征及異常分析[J].海洋學(xué)報(bào),2017,39(12):42-52,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.005

Ma Long,Zheng Yanpeng,Liu Chenguang,et al.Regional characteristics and anomaly analysis of gravity field for the Bransfield Strait,Antarctic[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):42-52,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.005

2016-12-16;

2017-06-14。

南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(xiàng)(CHINARE2016-01-03-02,CHINARE 2016-04-01-04);泰山學(xué)者攀登計(jì)劃(tspd 2016007);國家基金委-山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1606401)。

馬龍(1988—),男,江西省九江市人,研究實(shí)習(xí)員,主要從事海洋地球物理調(diào)查技術(shù)方面研究。E-mail:malong@fio.org.cn

*通信作者:鄭彥鵬(1972—),男,山東省日照市人,研究員,博士,主要從事海洋地球物理與海底構(gòu)造方面研究。E-mail:zhengyp@fio.org.cn