基于卫星测高重力数据的全球海山普查结果显示,远离大陆边缘的高度大于0.1 km的海山共有 24 643 座,其中高于1 km的海山共8 458座^[1]。全球近50%的海山位于太平洋板块,其中以西太平洋最为发育。近年来,我国针对位于西太平洋的麦哲伦海山链进行了科学考察及研究。麦哲伦海山链位于西太平洋马里亚纳海盆,西侧为马里亚纳海沟,整个海山链属于大型断块隆起,延长近1 200 km,海山年龄在80~120 Ma之间,其洋壳基底为中侏罗世—早白垩世的玄武岩。海山链由多座海山共同组成,包括Vlinder、Loah、Pallada、Ita Mai Tai(嘉偕平顶山群)等,整体呈NW向链状分布,单座海山的走向为NE向。目前关于麦哲伦海山链的成因主要有两种观点,即断裂成因和热点成因。断裂成因所依赖的证据是磁条带展布特征和地层分布特征,热点成因所依赖的证据则是热点追踪和视极漂移路径计算,两种成因有效地结合可以解释海山的形成^[2]。白垩纪期间海山区内的热点群发生大规模的火山喷发,之后随着太平洋板块的NW向运动到达目前的位置。在板块漂移的过程中海山区受到了断裂、大火成岩省等多种地质构造活动的作用。在断裂的作用下,海山的主体由于岩浆上涌发生岩墙侵入形成侧翼裂谷带,将呈圆形或亚圆形的海山形态改造成为不规则的星形或放射形。另外,受火山喷发和地震活动等的影响,在海山陡峭边界与侧翼裂谷带两侧易发生大规模岩石崩塌,崩塌的岩石和碎屑随着重力作用滑落到山脚,形成重力滑塌沉积区。本次研究的嘉偕平顶山群位于麦哲伦海山链南部,主要包含2个相对独立的平顶山,规模较大的主体海山为维嘉平顶山,规模较小的附属海山为维偕平顶山^[1-3]。根据磁条带和海山的分布特征推断^[23],海山链是在NW向转换断层(Ogasawara FZ断裂带)的控制下形成的,而根据单座海山的NE走向展布特征推断,在海山的后期形成过程受到了NE向断裂的控制作用。 西太平洋海山群常常发育高品位和高吨位的富钴结核与结壳等为代表的金属矿产资源,潜在的经济价值非常重要^[2-3]。海山在形成和运移的过程中,受到了多期火山喷发、断裂等构造作用,岩浆的多次喷发和侵入为富钴结壳的生长提供了营养物质,伴随发生的海底抬升与沉降提供了有利水深。海山群的形成、矿产资源的成矿宏观控制因素与断裂构造具有密不可分的关系,因此研究海山群的断裂构造可以为海山成因与资源勘探与评价提供依据。嘉偕平顶山群作为我国与国际海底管理局签订的第一个富钴结壳勘探合同区之一,断裂构造的研究意义显得更为重要。

前人对麦哲伦海山链区域大断裂进行了一些研究,而针对嘉偕平顶山群的断裂研究较为缺乏。其中,Wedgeworth等对嘉偕平顶山群的自由空间重力异常结合地震剖面进行了联合反演,计算得到海山的平均密度为2.59 g/cm³并且地壳未增厚,认为该海山是局部未补偿的^[4]。Utkin利用地球动力学中岩石圈内板块差异运动的概念结合形态学类比的方法对麦哲伦海山链进行了研究,首次确立了大洋岩石圈深部走滑断裂重新激活对洋内火山带形成的决定性作用^[5]。Lee等对麦哲伦海山链东南部Ogasawara断裂带附近海山的多道地震资料进行了分析,认为该断裂带是一个包含众多海山的宽裂谷带,并根据声学特征和深度划分了不同单元^[6]。杨永等对嘉偕平顶山群的重、磁异常及其垂向导数等特征进行研究,分析了嘉偕平顶山群的构造与沉积特征^[7]。另外,有学者针对大西洋的其他海山断裂及构造进行了相关研究。Carbó等对Canary群岛附近的船测重力异常进行垂向导数计算,并且结合地质信息将呈线性分布的重力梯度带高值区解释为断裂区域^[8]。Catalán等对Canary群岛附近的船测磁异常进行解析信号振幅处理和欧拉反褶积反演,经分析得到2条可能存在的NW—SE走向的断裂以及异常顶部埋深^[9]。

综上所述,笔者针对麦哲伦海山链的单座海山——嘉偕平顶山群,利用地形数据和重磁异常数据,采用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)断裂识别技术及曲率属性深度反演方法、最小曲率位场分离等方法,研究了断裂的水平位置和深度特征、得到了包括断裂、侧翼裂谷带及重力滑塌区的构造区划,为嘉偕平顶山群的形成过程及海山矿产资源勘探与综合评价研究提供地球物理和构造依据。

目前针对嘉偕平顶山群的科学考察属于起步阶段,浅钻测站等岩石采样结果还未公开发表,因此岩石种类及其物性参数(密度、磁性等)亦无公开资料。而针对同样属于麦哲伦海山链的采薇平顶山群的科学考察较早,已有公开发表的浅钻资料,可以作为研究嘉偕平顶山群的参考资料。通过对采薇平顶山群的浅钻资料分析得知,采薇平顶山群基底岩石主要由早白垩世拉斑玄武质熔岩、玄武岩和火山碎屑岩组成,而其平顶边缘则以碎屑岩为主^[10]。在海山形成的过程中,隐伏断裂为不同地质时期的岩浆上涌或岩浆侵入提供了通道,进而有助于形成改变海山形态的侧翼裂谷带,而不同地质时期的岩浆可能经历了不同的地磁环境,使得侧翼裂谷带表现为局部磁低值或高值异常特征。后期地震活动或者火山活动导致海山陡峭边缘和侧翼裂谷带两侧容易发生岩石崩塌滑落,形成火山碎屑岩重力流沉积,即重力滑塌,表现为重力低值异常特征。

本次研究使用的原始数据包括由广州海洋地质调查局提供的船测数据和自行下载的公开数据。船测数据包括多波束地形数据、船测自由空间重力异常数据和船测磁异常数据,相关参数见表1。其中地形数据和重力数据的测线间距为4~8 km,磁数据的测线间距为12 km,由于船测时以秒为单位记录数据,所以同一测线上的测点间距非常小(约为50 m以内),而不同测线之间的间距非常大(以km为单位),常常统计测线间距而对测点间距不做说明,因此地形与重力数据的测线比例尺为 1∶800 000~1∶400 000,而磁数据的测线比例尺为1∶1 200 000。

公开数据中的地形数据和卫星测高重力异常数据分别来自美国David T. Sandwell (加利福尼亚大学斯克里普斯海洋协会)和Walter H. F. Smith (美国国家海洋与大气局卫星测高实验室)共同维护的全球地形数据库(V18.1)和全球卫星重力异常数据库(V24.1)(Satellite Geodesy网站),数据网度为1'×1'。磁异常数据来自世界磁异常(Geomagnetism网站),为4 km处磁异常数据,数据网度为2'×2'。由于嘉偕平顶山群位于低磁纬度地区,因此需要对磁异常数据首先进行化极处理,得到化极磁异常数据。在对船测数据和公开数据处理时,由于两套数据的精度和范围不同,船测数据较之公开数据精度高、范围小且集中于海山主体区域,因此对两套数据进行数据融合:首先采用位场延拓技术得到海平面处的两套数据,然后采用回归分析消除背景场偏差,之后将两套数据按照大比例尺数据的网格尺寸网格化,最终进行数据融合。由此,既保留精度较高的数据又使得数据范围加大,覆盖整个嘉偕平顶山群。

根据嘉偕平顶山群地形图(图1)可知,嘉偕平顶山群包括两座海山,其中规模较大的为维嘉平顶山,规模较小的为维偕平顶山。平顶山群呈现NE走向,山顶地形平坦,海山及其附近水深处于-1 400~-5 200 m之间。

根据嘉偕平顶山群卫星测高重力数据与船测自由空间重力数据融合得到嘉偕平顶山群重力异常图(图2)。嘉偕平顶山群主体为重力高值区,海山周围为重力低值区,幅值变化范围为-60~260 mGal。重力异常形态与地形起伏形态一致,由此认为嘉偕平顶山群的重力异常主要与其地形起伏有关;异常整体走向为NE向,与海山的走向一致;异常具有明显的双峰特征,推断该特征显示了断裂的改造作用^[11]。由此可得,卫星测高重力异常的高低和走向反映了嘉偕平顶山群的地质构造特征。

根据嘉偕平顶山群世界磁异常数据与船测磁数据融合得到嘉偕平顶山群磁异常图(图3),通过化极处理得到化极磁异常图(图4)。化极磁异常与世界磁异常差别明显,体现在异常位置北移且幅值发生改变,幅值变化范围为-500~600 nT。嘉偕平顶山群主体磁性比较复杂,规模较大的维嘉平顶山中部为正磁异常高值区,东北角及西南角表现为负磁异常,这可能与平顶山内部发育岩墙侵入有关;规模较小的维偕平顶山整体表现为正磁异常,东北角磁异常值较高。嘉偕平顶山群化极磁异常正负高低变化的复杂性,说明在海山发育期间存在多期多段火山喷发和岩墙侵入,这与前人对海山的构造演化认识是一致的。

断裂通过控制其两侧的构造活动,从而破坏原来地质体的连续性,形成物性(磁性)上的横向差异,最终形成不同的构造格局。由于磁性的横向差异会在磁异常上有所表现,因此可以利用磁异常特征进行断裂构造划分^[12]。笔者利用化极磁异常采用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)边缘识别技术^[13],参考剩余磁异常进行断裂划分。

化极磁异常NVDR-THDR图(图5)很好地刻画了断裂的水平分布特征,断裂平面位置的主要识别标志为化极磁异常NVDR-THDR的极值位置或极值错断位置,另外,还需结合剩余化极磁异常特征,最终确定断裂的平面位置。剩余化极磁异常是采用最小曲率位场分离方法^[14]对磁异常进行位场分离计算得到的。断裂视深度反映了断裂的深度特征,是利用曲率属性反演方法^[15]对化极磁异常进行反演计算得到的,其视深度结果位于真实断裂的顶端位置附近。

根据本次的断裂划分结果(图6),认为嘉偕平顶山群断裂带主要包括近NW向和近NE向2组断裂,推断出断裂共34条,其中近NW向断裂组推断出18条(图6红色实线段,F17~F34),近NE向断裂组推断出16条(图6蓝色实线段,F1~F16)。从图上可以看出近NW向断裂以NW向为主,其次为NNW向、NS向;近NE向断裂以NE向为主,其次为NEE向、WE向。

近NW向断裂组主要分布于嘉偕平顶山群中部,维嘉平顶山西部及维偕平顶山东部,整体呈带状分布,从属于Ogasawara断裂带的伴生断裂,规模较小,局部走向从NW向过渡为NNW向与NS向,但主体宏观走向与NW向Ogasawara断裂带一致,并且近NW向断裂组将嘉偕平顶山群大致切割成西南与东北两部分。

近NE向断裂组主要分布于嘉偕平顶山群的主体部分,即由近NW向断裂组所切割成的东北与西南两部分。结合剩余化极磁异常(图7)特征,可以用来区分岩体边界与断裂。东北部分近NE向断裂组分布较为规则,规模较大呈带状分布,走向由NE向逐渐过渡为NEE向。断裂F11~F16之间存在高磁异常,部分位于侧翼裂谷带附近,推断为岩浆沿着由断裂形成的通道多期多次喷发或岩墙侵入形成,一些部位进而发育成为侧翼裂谷带;西南部分近NE断裂组分布较为稀疏,规模较小,走向较为一致,均为近NE向展布,其中F9和F10为两组近NE向半环形断裂,被NW向断裂F28截断形成错断。同样在F20与F6之间存在高磁异常,位于维偕平顶山侧翼裂谷带附近,发育原因同上。

利用曲率属性深度反演方法对化极磁异常进行计算得到断裂视深度结果如图8所示,根据断裂走向与总条数和总长度绘制的断裂走向玫瑰花图如图9所示,根据断裂长度与对应条数绘制的断裂长度统计直方图如图10所示。从图8可以看到,绝大部分断裂的视深度在3 000~7 000 m之间,深于 7 000 m的断裂只占很小部分。多数近NE向断裂组视深度在5 000~7 000 m之间,而多数近NW向断裂组视深度在3 000~5 000 m之间,总体上近NE向断裂组埋深较深,而近NW向断裂组埋深较浅,这可能是由东太平洋延伸至西太平洋的NE向断裂被激活的NW向断裂组切割形成的。从图9可以看出断裂走向主要为NE向、NW向和NNW向,其中NE向总长度与总条数均为最大。从图10可以看出度在20~60 km的断裂占绝大多数,总数达到27条,而其他长度的断裂则为少数。分析以上数据可以得出,嘉偕平顶山群的断裂基本为存在于浅部的小型断裂组,走向以NE向、NW向、NNW向为主。

从断裂划分结果可以看出,近NW向断裂组与近NE向断裂组整体上呈现交叉关系,局部上呈现“人”字型交叉,例如F4与F20~F23、F24与F11~F16等。前人对于嘉偕平顶山群所在麦哲伦海山链的研究表明,该种线状构造交汇的现象在整个海山链都是十分明显的^[16],而且两种走向的断裂影响着海山链内海山的形成^[17]。海山群中近NW向断裂与近NE向断裂为右旋和左旋走滑断层^[5],是经过海山链两侧Ogasawara断裂带在经向挤压作用下产生的,最终断裂组交汇呈雁行式排列(图11)。地壳受经向挤压期间,在深部右旋走滑断层上方形成了早期剪切有关的褶皱,其方向与上述雁行式排列相同。岩浆室在共轭剪切带的交叉处开启,之后岩浆沿着由断裂形成的通道上涌,形成海山主体或产生岩墙侵入,因此大部分海山及磁性岩体均位于剪切断裂带的交叉处(图12)。

嘉偕平顶山群近NW向与近NE向断裂组交汇形成共轭剪切断裂带,为海山基底上的岩浆房提供通道,使得岩浆上涌形成岩墙侵入,在海山周围较为薄弱的部位容易发育侧翼裂谷带。在受到火山喷发、岩墙侵入等构造活动的影响下,海山会发生重力滑塌沉积,尤其是在海山陡峭和侧翼裂谷带两侧均易形成重力滑塌区。侧翼裂谷带不仅是海山斜坡富钴结壳发育的有利区域,而且在一定程度上反映了海山的形成与构造演化。

目前对于海山侧翼裂谷带的研究较少,且多为国外学者的研究。Vogt和Smoot利用多波束测深数据对Geisha海山链进行研究,表明侧翼裂谷带是由火山作用而产生的,伴随海山高度增大其长度亦随之增大,并且在后期将海山形状由圆形改造成不规则形态^[18];Smoot利用水深数据对Marcus-Wake海山区进行研究,认为侧翼裂谷带的趋向有助于辨认断裂带趋势或板块展布方向和解释海山的形成,并且结合磁条带的特征推断了Dutton海岭的形成^[19];Mitchell对全球141个海山的形态进行研究,表明侧翼裂谷带的发育是海山形态由圆形或亚圆形转变为星状或不规则形态的原因,而其是由基底之上的岩浆房沿断裂喷发而成,该特征在高度大于3 km的海山更加明显^[20];Lee等利用声学回声对西太Ogasawara断裂带海山进行研究,推断侧翼裂谷带是由于岩浆沿断裂侵入形成岩墙侵入而产生的^[17];Hansen利用地震速度层析成像和衰减层析成像两种方法对夏威夷Kilauea海山进行研究,经反演表明海山下方存在岩浆库和内部发育通道,推测由此产生了海山南翼变形的侧翼裂谷带^[16]。

侧翼裂谷带的存在使得海山地形显示为不规则形态,例如呈现星状或放射状,而且由于岩浆多期多次喷发与地磁倒转,在局部磁异常上呈现既有正值又有负值的特征。因此本文采用地形数据和重力异常数据,采用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)断裂识别技术进行侧翼裂谷带划分。其中嘉偕平顶山群重力异常NVDR-THDR图(图13)的极值位置与海山边界基本吻合,并且可以辅助识别侧翼裂谷带,而嘉偕平顶山群地形NVDR-THDR图(图14)能更好地反映侧翼裂谷带。

本次侧翼裂谷带划分结果显示(图14),嘉偕平顶山群共发育5条侧翼裂谷带(flank rift zone,frz1~frz5),其中1条规模较大(frz1),4条规模较小(frz2~frz5)。嘉偕平顶山群地形NVDR-THDR呈现出海山NE向的走向,整体形态表现为星状,在极值连线凸出处是侧翼裂谷带的形成位置。侧翼裂谷带frz1位于维嘉平顶山西部,长度约为42 km,走向为NE向,大致分为3段。从海山地形图(图1)可以看出,该处山顶发育局部隆起,并且整体较为宽阔平坦;从剩余重力异常及剩余化极磁异常图(图15和图16)可以看出,该处为剩余重力异常高值区与剩余化极磁异常负值区。侧翼裂谷带frz2、frz4、frz5位于维嘉平顶山东部,长度均约为30 km左右,其中frz2、frz4走向为近NS向,frz5走向为近EW向。海山地形图(图1)表明这3条侧翼裂谷带与frz1形态不同,它们由山顶逐渐开始变窄到达山底并尖灭于海盆;剩余重力异常及剩余化极磁异常图表明这3条均处在剩余重力异常高值区,其中frz4、frz5处在剩余化极磁异常正值区,而frz2处在剩余化极磁异常负值区。侧翼裂谷带frz3位于维偕平顶山东部,长度约为33 km,走向为近NE向。结合海山地形可以发现,该侧翼裂谷带与上述3条侧翼裂谷带形态相同且该裂谷带处在剩余重力异常高值区与剩余化极磁异常正值区。

根据海山地形及剩余重、磁异常,得到嘉偕平顶山群侧翼裂谷带5条。其中侧翼裂谷带frz1形成较为平坦的平台,frz2~frz5由山顶开始变窄最终尖灭于山底。5条侧翼裂谷带所处位置的剩余重力异常均呈现高值特征,而剩余化极磁异常有正值特征也有负值特征。由此推断嘉偕平顶山群主体海山形成之后,位于海山下部基底之上的岩浆沿着由共轭剪切断裂形成的通道上涌,与形成海山主体的岩浆来源基本相同,参考对麦哲伦海山链另一座海山——采薇平顶山群的岩石类型研究认为,可能为碱性或亚碱性玄武岩。在海山主体形成后漫长的地质时期中,产生多期多次的岩墙侵入或者火山活动,期间可能还发生了地磁倒转的地质活动,因而导致上涌岩浆的磁性产生了变化,而之后岩墙侵入发育形成多个侧翼裂谷带,在侧翼裂谷带的控制和改造作用之下海山的形态随之发生变化。因此,侧翼裂谷带在重力特征上与海山主体相似,在磁特征上呈现正负异常相间且幅值很大。

沉积学中认为自然界中的流体包括重力流和牵引流两种。重力流是由重力驱动的流体,即由于密度差异产生的流体^[21]。在火山活动、地震等偶然性因素的影响下,海山随之会产生重力流沉积作用,形成重力流沉积,而重力滑塌沉积便是其中的一种^[18]。目前国内外整体对于海山重力滑塌的研究较少,并且采用的技术多为声学手段。Moore等利用声呐数据对夏威夷专属经济区进行了系统测绘,划分了滑塌沉积物的区域,分析认为其与火山活动及断层有着密切联系^[22,23];Elsworth等从岩石力学的角度进行分析认为岩脉侵入会触发地震等活动以致火山侧翼发生大规模的破坏,随即在其附近容易形成大规模的滑塌沉积现象^[24];Masson等利用声波反射和地震层析成像技术划分了Canary群岛的山体滑坡,划分依据包括岛侧的滑坡痕迹、岛下的碎屑沉积和临近海盆地底的火山碎屑浊积岩,并根据特征的不同将该岛侧翼的滑坡分为岩崩、滑坡和泥石流3种^[25];Peter等利用声呐图像、地震反射剖面等数据绘制了Mauna Loa火山西侧的海底滑塌区,研究得到该事件是由沿断陷带的地震活动引发的^[18];Vidal等利用以火山为中心的垂直断层模型研究火山口崩塌的机制,试验证明火山受到地震等因素影响后发生变形,进而产生逆断层构造导致火山侧翼崩塌^[27]。海山重力滑塌往往伴随侧翼裂谷带的发育而形成,在海山侧翼裂谷带容易发生岩墙侵入和火山溢出等活动,而由该活动引发的地震是重力滑塌的主要驱动因素,因此海山周边与侧翼裂谷带两侧易发生大规模的重力滑塌沉积。

重力滑塌沉积主要以碎屑流为主,属于低密度沉积,在重力上显示为局部低值异常,而且在地形上会产生划痕特征。因此本文采用剩余重力异常的零值线及所圈定负值区结合地形数据刻痕区对重力滑塌区进行划分。

本次重力滑塌区划分结果如图17。在嘉偕平顶山群共划分重力滑塌区9处(gravity slide,gs1~gs9),均在剩余重力异常局部低值区。其中规模较大的有3处(gs3~gs5),规模较小的有6处(gs1、gs2、gs6~gs9)。处于维嘉平顶山的重力滑塌区有6处(gs2、gs3、gs5、gs6、gs8、gs9),处于维偕平顶山的重力滑塌区有2处(gs1、gs7),由两座平顶山共同形成的有1处(gs4)。对比海山地形图(图1)可以发现滑塌所处位置地形存在划痕特征,划痕方向与坡顶方向呈垂直关系。在滑塌区域发育了较厚的低密度碎屑流沉积,并且均处于海山侧翼裂谷带两侧,说明两者存在一定联系,推测可能是由于侧脊处容易产生岩墙侵入,在此因素影响之下发生阵发性地震,以致大规模重力滑塌的发生,进而形成滑塌沉积。

本文利用嘉偕平顶山群的地形数据和重磁异常数据,并且结合地质等资料,综合研究了该地区的构造区划特征,得到了以下几点认识。

1) 利用化极磁异常,采用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)断裂识别技术和曲率属性深度反演方法,推断了断裂的分布特征。研究表明,该区发育了众多埋深较浅的小型断裂组,走向主要为NE、NW及NNW向。在两侧大型走滑断裂带的挤压作用下,上述断裂组构成共轭剪切断裂带呈雁行式排列分布,同时深度特征也表明NE向断裂可能是由重新激活的NW向断裂错断。该区利用化极磁异常研究断裂分布特征的方案效果明显、结果清晰,为麦哲伦海山群其他单座海山断裂分布研究提供案例与技术支撑。

2) 利用地形资料和重力异常数据,采用NVDR-THDR断裂识别技术和最小曲率位场分离方法,共同分析了侧翼裂谷带和重力滑塌区域的分布特征。研究表明,侧翼裂谷带可能是由于沿断裂上涌的多期多次的岩墙侵入等造成的,使得海山由亚圆形改变为放射形或星形。在侧翼裂谷带的两侧,由于岩墙侵入与火山活动的影响下,容易发生重力滑塌,进而形成滑塌沉积区。本次对侧翼裂谷带和重力滑塌区域的划分结果证明了其他海山利用地形和重力资料进行相同研究的可行性与必要性。

3) 通过对嘉偕平顶山群的断裂、侧翼裂谷带及重力滑塌区的分布特征研究,进而对构造区划有了更精细的刻画,为了解该区海山的形成演化过程和未来金属矿产资源的勘探提供了丰富的地球物理支撑。此外由于目前缺乏物性和地震等资料,建议对嘉偕平顶山群继续开展相应工作以便进一步地研究,并且对麦哲伦海山链乃至西太平洋其他海山也可以采取相同方案进行研究。