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全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型

胡敏章 李建成 徐新禹 金涛勇 吴云龙

胡敏章, 李建成, 徐新禹, 金涛勇, 吴云龙. 全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933
引用本文: 胡敏章, 李建成, 徐新禹, 金涛勇, 吴云龙. 全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933
HU Minzhang, LI Jiancheng, XU Xinyu, JIN Taoyong, WU Yunlong. A 1°×1° Model for Lithospheric Effective Elastic Thickness over Global Seafloor[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933
Citation: HU Minzhang, LI Jiancheng, XU Xinyu, JIN Taoyong, WU Yunlong. A 1°×1° Model for Lithospheric Effective Elastic Thickness over Global Seafloor[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933

全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型

doi: 10.13203/j.whugis20140933
基金项目: 

地震行业专项 No. 201308009

国家自然科学基金 No. 41504017

中国地震局地震科技星火计划 No.XH14036

中国地震局地震研究所所长基金 No.IS201506205

详细信息
    作者简介:

    胡敏章, 博士, 副研究员, 主要研究方向为地球重力场及其变化观测与研究。huminzhang@126.com

  • 中图分类号: P223.39;P223.7

A 1°×1° Model for Lithospheric Effective Elastic Thickness over Global Seafloor

Funds: 

The Special Earthquake Research Grant Offered by the China Earthquake Administration No. 201308009

the National Natural Science Foundation of China No. 41504017

the Xinghuo Project of China Earthquake Administration No.XH14036

the Key Foundation of Institute of Seismology, CEA No.IS201506205

More Information
    Author Bio:

    HU Minzhang, PhD, associate researcher, specializes in observation and researching of the gravity field and its changing. E-mail: huminzhang@126.com

  • 摘要: 利用岩石圈挠曲均衡原理,联合海底地形模型和测高重力异常数据,采用滑动窗口导纳技术(moving window admittance technique,MWAT)计算了全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型。结果表明,海洋岩石圈有效弹性厚度总体较小,10 km以下区域约占70%,15 km以下约占85.4%,均值和标准差分别约为10 km和6.7 km。岩石圈有效弹性厚度20 km以上的区域主要位于海沟外隆地区,洋中脊岩石圈有效弹性厚度一般小于5 km;被动大陆边缘,如澳洲大陆南缘,岩石圈有效弹性厚度一般也较小;太平洋的海山密集分布地区,岩石圈有效弹性厚度一般为10~20 km。
  • 图  1  海洋岩石圈挠曲均衡模型

    Figure  1.  Flexural Isostasy Model of Oceanic Lithosphere

    图  2  挠曲均衡模型的理论均衡导纳曲线

    Figure  2.  Theoretical Admittance of Flexural Isostasy Model

    图  3  三维导纳分析算例

    Figure  3.  An Example for Three Dimensional Admittance Analysis

    图  4  各参数的分布直方图

    Figure  4.  Histogram of Parameters

    图  5  MWAT方法计算海洋岩石圈有效弹性厚度时获得的洋壳密度参数

    Figure  5.  Crustal Density Recovered by MWAT When Calculating Te

    图  6  全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型

    Figure  6.  A 1°×1° Model of Lithospheric Effective Elastic Thickness over Global Seafloor

    图  7  全球海山底部岩石圈有效弹性厚度

    Figure  7.  Effective Elastic Thickness of Lithosphere Under Seamounts Around the World

    图  8  本文计算结果与文献[10]结果之差

    Figure  8.  Differences Between Our Results and Data from Reference [10]

    表  1  理论挠曲均衡模型洋壳模型参数

    Table  1.   Oceanic Crustal Parameters for Calculating of Theoretical Admittance

    洋壳参数 公式符号 参数取值
    海水密度 ρw 1 030 kg/m3
    洋壳密度 ρc 2 400~2 800 kg/m3
    地幔密度 ρm 3 350 kg/m3
    洋壳厚度 t 6.5km
    平均水深 d 2~5.5 km
    有效弹性厚度 Te 3~25 km
    杨氏模量 E 1011N·m-2
    泊松比 υ 0.25
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    表  2  待算点 (160°W,20°N) MWAT法计算结果

    Table  2.   Results of Calculated Point (160°W, 20°N) by MWAT Method

    数据范围 洋壳密度/(kg·m-3) Te最佳估值/km RMS/ (mGal·km-1) 频率采样数
    400 km×400 km 2 800 23.5 5.521 23
    600 km×600 km 2 750 16.5 2.236 35
    800 km×800 km 2 900 11 3.108 47
    1 000 km×1 000 km 2 900 11.5 2.428 59
    1 200 km×1 200 km 2 850 13 2.111 70
    1 400 km×1 400 km 2 850 14.5 2.616 94
    注:以“频率采样数”为权的岩石圈有效弹性厚度加权均值为13.3 km。
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    表  3  采用不同海底地形模型时洋壳密度参数和观测导纳与理论导纳之差的均方根统计

    Table  3.   Statistics of the Recovered Crustal Density and RMS of the Differences Between Theoretical and Observed Admittance

    地形模型 洋壳密度平均值
    (标准差)
    /(kg·m-3)
    观测导纳与理论导纳之差的
    RMS均值 (标准差)
    /(mGal·km-1)
    观测导纳与理论导纳之差的
    RMS≤5 mGal·km-1
    所占比例/%
    观测导纳与理论导纳之差的
    RMS≤10 mGal·km-1
    所占比例/%
    GEBCO 2 562(211) 7.459(2.555) 11.845 85.523
    SIO V15.1 2 720(148) 5.611(2.236) 46.179 95.405
    BAT_VGG 2 770(120) 5.233(2.462) 56.869 95.521
    下载: 导出CSV
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    Hu Minzhang, Li Jiancheng, Xing Lelin. Global Bathymetry Model Predicted from Vertical Gravity Gradient Anomalies[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(6):558-565, 574 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHXB201406004.htm
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    Su Daquan. A Study of the Effective Elastic Thickness of the Oceanic Lithosphere[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(10):3259-3265 doi:  10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.008
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    Hu Minzhang, Li Jiancheng, Li Hui, et al. The Lithosphere Effective Elastic Thickness and Its Tectonics over the Northwestern Pacific[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2015, 58(2):542-555 doi:  10.6038/cjg20150217
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    Hu Minzhang, Li Jiancheng, Li Hui, et al. 3D Admittance Analysis for Gravity Isostasy on Shatsky Rise[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2014, 34(2):14-18 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKXB201402004.htm
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    Hu Minzhang, Li Jiancheng, Jin Taoyong, et al. Gravity Isostasy and the Tectonics of Manihiki Plateau[J]. Geomatics and Information Sciences of Wuhan University, 2014, 39(11):1357-1362 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract3124.shtml
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-17
  • 刊出日期:  2017-05-05

全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型

doi: 10.13203/j.whugis20140933
    基金项目:

    地震行业专项 No. 201308009

    国家自然科学基金 No. 41504017

    中国地震局地震科技星火计划 No.XH14036

    中国地震局地震研究所所长基金 No.IS201506205

    作者简介:

    胡敏章, 博士, 副研究员, 主要研究方向为地球重力场及其变化观测与研究。huminzhang@126.com

  • 中图分类号: P223.39;P223.7

摘要: 利用岩石圈挠曲均衡原理,联合海底地形模型和测高重力异常数据,采用滑动窗口导纳技术(moving window admittance technique,MWAT)计算了全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型。结果表明,海洋岩石圈有效弹性厚度总体较小,10 km以下区域约占70%,15 km以下约占85.4%,均值和标准差分别约为10 km和6.7 km。岩石圈有效弹性厚度20 km以上的区域主要位于海沟外隆地区,洋中脊岩石圈有效弹性厚度一般小于5 km;被动大陆边缘,如澳洲大陆南缘,岩石圈有效弹性厚度一般也较小;太平洋的海山密集分布地区,岩石圈有效弹性厚度一般为10~20 km。

English Abstract

胡敏章, 李建成, 徐新禹, 金涛勇, 吴云龙. 全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933
引用本文: 胡敏章, 李建成, 徐新禹, 金涛勇, 吴云龙. 全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933
HU Minzhang, LI Jiancheng, XU Xinyu, JIN Taoyong, WU Yunlong. A 1°×1° Model for Lithospheric Effective Elastic Thickness over Global Seafloor[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933
Citation: HU Minzhang, LI Jiancheng, XU Xinyu, JIN Taoyong, WU Yunlong. A 1°×1° Model for Lithospheric Effective Elastic Thickness over Global Seafloor[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(5): 575-582. doi: 10.13203/j.whugis20140933
  • 在海山加载作用下,海洋岩石圈将产生形变。一般采用弹性板模型来模拟海洋岩石圈在载荷作用下的挠曲形变,其强度用有效弹性厚度 (effective elastic thickness)Te表示[1-2]。有效弹性厚度是与岩石圈板块中实际应力所产生的弯矩相等的理论弯曲弹性薄板厚度[3-5],标志着在地质时间尺度内, 岩石承受超过100 Mpa压力时发生弹性行为和流体行为转变的深度[6]

    自20世纪70年代至今,学者们采用不同的数据和方法计算了全球大量海底构造地区的岩石圈有效弹性厚度[7-11],但这些计算结果之间存在较大差异,不利于计算成果的对比分析和整合利用。文献[12]提出采用统一的数据和方法计算海洋岩石圈有效弹性厚度模型。文献[12]的研究中,要么采用了精度较低的大洋地势图 (general bathymetric chart of the oceans,GEBCO) 海底地形模型[13],要么采用了与重力异常 (自由空气重力异常,简称为重力异常) 直接相关的 (15~160 km波段内海底地形根据重力异常反演获得) 来自斯克里普斯海洋研究所 (Scripps Institute of Oceanography,SIO) 的V15.1海底地形模型[14]。本文拟采用的海底地形模型 (bathymetry from vertical gravity gradient, BAT_VGG) 是联合垂直重力梯度异常和船测海深数据构建的[15-16],不直接依赖于重力异常,因而可能更适用于计算岩石圈有效弹性厚度。

    文献[17]采用均衡响应函数分析法对冲绳海槽中段和南段的均衡补偿模式进行了探讨。文献[18]阐述了大洋和大陆边缘岩石圈有效弹性厚度研究的意义。文献[19]采用正演法计算了中西太平洋个别海山岩石圈有效弹性厚度,并探讨了地质意义。文献[20]根据卫星测高重力异常和实测海深数据,采用三维均衡响应函数分析法,估算了南海南沙海域和中央海盆岩石圈有效弹性厚度,分别约为10 km和6~7 km[20]。上述文献的研究范围主要局限于地形或重力异常数据较丰富的地区 (如中国近海个别地区),对大洋岩石圈有效弹性厚度研究较少。

    本文采用滑动窗口导纳技术 (moving window admittance technique,MWAT),联合测高重力异常和海底地形模型BAT_VGG,构建全球1°×1°岩石圈有效弹性厚度模型。

    • 海洋岩石圈有效弹性厚度通常采用导纳分析法进行计算,其原理是:首先,对重力异常和海底地形进行谱分析,计算两者之间的导纳关系,可称为“观测导纳”;然后,根据岩石圈挠曲均衡原理取不同Te值,计算“理论导纳”,当理论导纳与观测导纳之差的均方根 (root mean square,RMS) 最小时,获得Te计算结果。导纳分析法的理论基础是岩石圈挠曲均衡理论。

      根据挠曲均衡理论,在海山载荷作用下,洋壳将向下挠曲变形,如图 1所示。图 1中,d为平均水深,t为平均洋壳厚度,h(x) 为海山,r(x) 为洋壳挠曲,ρmρcρw分别为地幔、洋壳和海水密度。

      图  1  海洋岩石圈挠曲均衡模型

      Figure 1.  Flexural Isostasy Model of Oceanic Lithosphere

      在频域内,海底地形与重力异常之间的均衡响应函数关系为[21]

      $$\Delta G\left( k \right) = 2{\rm{ \mathsf{ π} }}G({\rho _c} - {\rho _w}){{\rm{e}}^{ - kd}}(1 - {\mathit{\Phi }_e}\left( k \right){{\rm{e}}^{ - kt}})H\left( k \right)$$ (1)

      式中,ΔG(k) 为重力异常的傅里叶变换;G为万有引力常数;d为平均水深;t为平均洋壳厚度;k为波数,k=2π/λλ为波长;ρmρcρw分别为地幔、洋壳和海水密度;H(k) 为h(x) 的傅里叶变换;Φe(k) 为岩石圈挠曲响应函数[1]

      $${\mathit{\Phi }_e}\left( k \right) = {\left[ {\frac{{D{k^4}}}{{({\rho _m} - {\rho _c})g{\rm{ }} + 1}}} \right]^{ - 1}}$$ (2)

      式中,g为平均重力加速度;D为岩石圈挠曲强度,D=ETe3/[12(1-υ2)];E为杨氏模量,一般取1011N·m; Te为岩石圈有效弹性厚度;υ为泊松比,一般取值0.25。均衡响应函数Z(k),即“理论导纳”为:

      $$Z\left( k \right) = 2{\rm{ \mathsf{ π} }}G({\rho _c} - {\rho _w}){{\rm{e}}^{ - kd}}(1 - {\mathit{\Phi }_e}\left( k \right){{\rm{e}}^{ - kt}})$$ (3)

      影响理论导纳的参数主要是洋壳密度ρc、平均水深dTe。当不顾及挠曲均衡时,重力异常与海底地形之间导纳关系为:

      $$Z\left( k \right) = 2{\rm{ \mathsf{ π} }}G({\rho _c} - {\rho _w}){{\rm{e}}^{ - kd}}$$ (4)

      表 1中参数,计算理论导纳如图 2所示。

      表 1  理论挠曲均衡模型洋壳模型参数

      Table 1.  Oceanic Crustal Parameters for Calculating of Theoretical Admittance

      洋壳参数 公式符号 参数取值
      海水密度 ρw 1 030 kg/m3
      洋壳密度 ρc 2 400~2 800 kg/m3
      地幔密度 ρm 3 350 kg/m3
      洋壳厚度 t 6.5km
      平均水深 d 2~5.5 km
      有效弹性厚度 Te 3~25 km
      杨氏模量 E 1011N·m-2
      泊松比 υ 0.25

      图  2  挠曲均衡模型的理论均衡导纳曲线

      Figure 2.  Theoretical Admittance of Flexural Isostasy Model

      采用表 1中的参数,当海山密度为2 800 kg/m3、平均水深为4.5 km时,分别取Te值3、5、10、25 km,理论导纳如图 2(a)所示。图 2(a)中粗蓝线是指不顾及岩石圈挠曲响应函数时海底地形与重力异常之间导纳关系 (式 (4))。当取海山密度为2 800 kg/m3Te为10 km时,分别取平均水深为2、3、4.5、5.5 km,理论导纳如图 2(b)所示。当取平均水深为4.5 km、Te为10 km时,海山密度分别取2 400、2 500、2 600、2 800 kg/m3,理论导纳如图 2(c)所示。从图 2(a)看,岩石圈板块的有效弹性厚度主要影响波长大于50 km部分的理论导纳;从图 2(b)看,平均水深参数主要影响波长小于100 km部分的理论导纳;从图 2(c)看,海山密度的影响范围几乎是全波段的,其中对中间波段影响比较大。

      当已知海底地形和重力异常观测值时,通过交叉谱分析法,可以计算“观测导纳”:

      $$Z\prime \left( k \right) = \frac{{\left\langle {\Delta G\left( k \right) \cdot {H^*}\left( k \right)} \right\rangle }}{{\left\langle {G\left( k \right) \cdot {H^*}\left( k \right)} \right\rangle }}$$ (5)

      式中,Z(k) 为观测导纳;符号*表示复共轭;符号<>表示周期平均。

      实际Te计算过程中,计算理论导纳时,首先以20~50 km波段内观测导纳为约束,通过调整平均水深参数 (平均水深参数以输入的海底地形水深平均值为参考,围绕该值在±500 m范围内调整) 和洋壳密度参数 (洋壳密度参数在2 300~2 900 kg/m3范围内调整) 计算理论导纳。当理论导纳与观测导纳之差的均方根最小时,获得平均水深和洋壳密度参数。然后,再以大于50 km部分的观测导纳为约束,通过调整有效弹性厚度参数计算理论导纳,当两者之差的均方根最小时,确定有效弹性厚度Te。因此,在计算获得Te的同时,还可获得洋壳密度估值,此参数可以作为评估计算结果可靠性的参数之一。

      以位于西太平洋海山区的一待算点 (160°W,20°N) 为例说明三维导纳分析法计算过程,如图 3所示。图 3(a)为待算点周边海底地形BAT_VGG[15], 图 3(b)为输入数据范围为800 km×800 km时的导纳分析结果。首先根据海底地形和重力异常观测数据计算观测导纳 (图 3(b)中黑色三角),再根据上述参数确定过程获得的参数 (平均水深、洋壳密度) 计算理论导纳,图 3(b)中红色点线对应的是最优Te估值 (11 km),红色虚线和点划线分别对应Te估值的最小和最大值。图 3(c)为海底地形与重力异常之间的相干性,两者相干性大于0.4的波段内数据才被用于估算Te图 3(d)为观测导纳与理论导纳之差的RMS随Te的变化趋势,当RMS达到最小时 (3.108 mGal/km),获得Te的最优估值 (11 km)。

      图  3  三维导纳分析算例

      Figure 3.  An Example for Three Dimensional Admittance Analysis

      MWAT方法是通过对不同覆盖范围 (例如400 km×400 km、600 km×600 km等) 的海底地形和重力异常数据进行三维导纳分析,分别计算相应的有效弹性厚度值,再将计算结果进行加权平均,获得最终估值。由于输入数据的范围越大则导纳分析时频率采样数越大,认为其Te估算结果相对更可靠,故而以频率采样数为权计算最终Te估值。以图 3所示待算点为例,对应不同范围输入数据, 相应洋壳密度参数和Te计算结果如表 2所示。表 2中,6个窗口下理论导纳与观测导纳之差的RMS均较小,且获得了相应的Te估值,计算6个Te的均值和标准差分别为15 km和4.6 km。当某窗口下Te最优估值与均值之差大于标准差时,剔除该值,本文中剔除窗口范围为400 km×400 km时的计算结果,则最终结果为余下5个Te估值根据频率采样数的加权均值,即13.3 km。

      表 2  待算点 (160°W,20°N) MWAT法计算结果

      Table 2.  Results of Calculated Point (160°W, 20°N) by MWAT Method

      数据范围 洋壳密度/(kg·m-3) Te最佳估值/km RMS/ (mGal·km-1) 频率采样数
      400 km×400 km 2 800 23.5 5.521 23
      600 km×600 km 2 750 16.5 2.236 35
      800 km×800 km 2 900 11 3.108 47
      1 000 km×1 000 km 2 900 11.5 2.428 59
      1 200 km×1 200 km 2 850 13 2.111 70
      1 400 km×1 400 km 2 850 14.5 2.616 94
      注:以“频率采样数”为权的岩石圈有效弹性厚度加权均值为13.3 km。
    • 本文采用的重力异常数据是来自SIO的卫星测高重力异常,版本V20.1[22]。海底地形数据是BAT_VGG海底地形模型[15-16],该数据为1′×1′格网数据,与船测海深数据进行比较的结果表明,其精度优于ETOPO1、GEBCO、DTU10等常见模型。文献[12]中分别采用过GEBCO和SIO V15.1海底地形模型。为了进行对比分析,在太平洋一实验区域 (145°~215°E,-15°~45°N) 内,分别采用GEBCO、SIO V15.1和BAT_VGG模型进行了岩石圈有效弹性厚度计算,计算结果的观测导纳与理论导纳之差,以及获得的平均洋壳密度参数见表 3[23]。从表 3看,采用BAT_VGG模型进行Te计算时,洋壳密度平均值为2 770 kg/m3,理论导纳与观测导纳之差的均方根平均值最小,56.869%计算点的均方根在5 mGal/km以内,两项指标均优于其他两个模型。表 3同时也表明,采用导纳分析法计算海洋岩石圈有效弹性厚度模型时,不宜采用GEBCO模型。

      表 3  采用不同海底地形模型时洋壳密度参数和观测导纳与理论导纳之差的均方根统计

      Table 3.  Statistics of the Recovered Crustal Density and RMS of the Differences Between Theoretical and Observed Admittance

      地形模型 洋壳密度平均值
      (标准差)
      /(kg·m-3)
      观测导纳与理论导纳之差的
      RMS均值 (标准差)
      /(mGal·km-1)
      观测导纳与理论导纳之差的
      RMS≤5 mGal·km-1
      所占比例/%
      观测导纳与理论导纳之差的
      RMS≤10 mGal·km-1
      所占比例/%
      GEBCO 2 562(211) 7.459(2.555) 11.845 85.523
      SIO V15.1 2 720(148) 5.611(2.236) 46.179 95.405
      BAT_VGG 2 770(120) 5.233(2.462) 56.869 95.521

      采用MWAT方法计算了全球海洋岩石圈有效弹性厚度模型,共获得有效计算点32 909个,其中理论导纳与观测导纳之差的均方根在10 mGal/km以内的计算点28 794个,约占87.5%。岩石圈有效弹性厚度、理论导纳与观测导纳之差的均方根, 以及洋壳密度参数的分布直方图如图 4所示。

      图  4  各参数的分布直方图

      Figure 4.  Histogram of Parameters

      图 4看,海洋岩石圈有效弹性厚度总体较小,10 km以下区域约占70%,15 km以下约占85.4%,均值和标准差分别为约10 km和6.7 km。理论导纳与观测导纳拟合良好,两者之差的均方根大多在10 mGal/km以下。获得的密度参数在2 500~2 800 kg/m3范围内的约占57.5%,均值约为2 742 kg/m3,标准差约为132.8 kg/m3,较文献[12]获得的1 500~3 500 kg/m3的洋壳密度参数估值更合理[12]。岩石圈有效弹性厚度计算时拟合采用的洋壳密度参数分布情况如图 5所示。图 6显示了理论导纳与观测导纳之差的均方根在10 mGal/km以内的计算点岩石圈有效弹性厚度。从图 6看,海洋岩石圈有效弹性厚度总体较小,20 km以下约占92.5%。岩石圈有效弹性厚度为20 km以上的区域主要位于西太平洋的海沟外隆地区、夏威夷群岛及周边、大西洋南桑威奇海沟和波多黎各海沟地区,以及印度洋东北部的少数区域。除西南印度洋中脊外,洋中脊岩石圈有效弹性厚度一般小于5 km。此外,被动大陆边缘,如南美洲东南侧、澳洲大陆南缘等,岩石圈有效弹性厚度一般也较小。海隆区域,如位于西北太平洋的沙茨基海隆,岩石圈有效弹性厚度一般小于5 km,文献[24]的研究表明沙茨基海隆处于Airy均衡状态, 而马尼希基海底高原有效弹性厚度为2.5~5.5 km[25],这是因为海隆区域一般热活动也较强烈。在太平洋的海山密集分布地区,岩石圈有效弹性厚度一般为10~20 km,其中夏威夷-皇帝海山链岩石圈有效弹性厚度自东南向西北方向呈减小趋势,符合海山链的“热点”活动成因模式。西北太平洋地区是海洋岩石圈年龄最大的地区,相应地,其岩石圈有效弹性厚度一般也较其他海区大,符合岩石圈板块冷却模型[26-27]

      图  5  MWAT方法计算海洋岩石圈有效弹性厚度时获得的洋壳密度参数

      Figure 5.  Crustal Density Recovered by MWAT When Calculating Te

      图  6  全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型

      Figure 6.  A 1°×1° Model of Lithospheric Effective Elastic Thickness over Global Seafloor

      自20世纪70年代起,学者们已计算过全球大量海底构造区域的岩石圈有效弹性厚度,其中文献[10]采用“海底地形反演法”(即根据理论导纳函数,通过采用不同的有效弹性厚度参数,利用测高重力异常反演计算海底地形,并以船测海深数据为约束,当反演计算的海底地形与船测海深之差达到最小时,获得岩石圈有效弹性厚度估值),计算了全球约9 000座海山下岩石圈有效弹性厚度,其计算结果如图 7所示。对比图 6图 7,可以看出,岩石圈有效弹性厚度的分布趋势基本相同,从侧面佐证了本文计算方法和数据的有效性。海山地区本文计算结果与文献[10]计算结果之差如图 8所示。

      图  7  全球海山底部岩石圈有效弹性厚度

      Figure 7.  Effective Elastic Thickness of Lithosphere Under Seamounts Around the World

      图  8  本文计算结果与文献[10]结果之差

      Figure 8.  Differences Between Our Results and Data from Reference [10]

      图 8看,两种计算结果之差一般在±10 km以内,占比达66.7%。从数值上看,两者差别较大,尤其是在海沟外隆和邻近陆地区域,本文计算结果显著小于文献[10]的结果 (-20 km以上),两种结果之差的均值和标准差分别为-6.272 km和7.377 km。如仅比较大洋区域的计算结果 (不计海沟外隆地区和邻近陆地区域),则两者之差的均值和标准差分别为-2.688 km和4.444 km。海底地形反演方法较适用于计算独立海山区域的岩石圈有效弹性厚度,但必须要求海山区域有船测海深数据;MWAT方法可计算整个区域的海洋岩石圈有效弹性厚度,不需要具体海山上有船测海深数据,但是,由于输入数据覆盖范围一般较大,因此计算结果的分辨率较低。图 8所示本文计算结果与文献[10]计算结果之差部分是由此因素引起的。另外,海沟及邻近陆地地区的固体地球动力环境相对复杂,也是引起两者差异的重要因素。但是,对海底构造演化研究来说,岩石圈有效弹性厚度的分布趋势较具体数值大小意义更大[9]

    • 本文联合海底地形模型BAT_VGG和SIO V20.1测高重力异常数据,计算了全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型,是国内首次给出此类模型。本文的研究可得出如下结论。

      1) 联合船测海深和垂直重力梯度异常构建的海底地形模型BAT_VGG,较GEBCO和SIO V15.1海底地形模型更适用于岩石圈有效弹性厚度的计算。采用本文计算方法可同时获得洋壳密度参数的估值,以作为计算结果有效性的佐证,本文获得了合理的洋壳密度估值 (均值约为2 742 kg/m3)。

      2) 本文海洋岩石圈有效弹性厚度计算结果表明,海洋岩石圈有效弹性厚度总体较小,10 km以下区域约占70%,15 km以下约占85.4%,除海沟外隆地区外,岩石圈有效弹性厚度变化平缓。西北太平洋海山地区岩石圈年龄较大,因而其有效弹性厚度一般也比其他海区略大,一般为10~20 km。

      3) 本文计算结果与前人根据海底地形反演方法计算的岩石圈有效弹性厚度总体分布趋势相同,具体数值上略有差别,部分是因为MWAT方法计算的分辨率较低。

      限于篇幅,本文主要阐述了海洋岩石圈有效弹性厚度的计算方法,给出了计算结果,验证了数据和方法的有效性,但未对岩石圈有效弹性厚度的具体构造意义展开研究。

参考文献 (27)

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