海洋重力场精细建模和海底大地测量进展

　　精密测量院鲍李峰海洋大地测量与水下导航科研团队，针对全球海洋重力场精细建模及海底大地测量观测技术难题，利用近三十年来卫星测高海面形状精确测绘连续观测资料，构建全球海洋十年际测高重力场变化序列。依托现代大地测量精准定量的技术优势，给出全球尺度洋底板块构造分布特征及现今运动状态分析；针对地球动力学研究热点海底火山活动监测难题，通过小尺度测高海洋重力场变化分析，推演海底火山岩浆活动过程，该系列研究成果分别发表在国内外知名学术期刊《地球物理学报》、《Journal of Geodesy》及《Front. Earth Sci.》上。

　　板块构造运动是与地球内部物质质量迁移密切相关的地球动力学现象，也是地球动力学和全球变化研究的重要内容，它对地球各圈层的相互作用有着十分重要的影响。研究分析全球板块构造运动，揭示地球整体或局部的演化规律，预测其运动趋势，是现代地球科学研究的热点问题。本质上，板块构造运动造成的质量迁移必将引起地球外部重力场的微小变化。而地球重力场是地球固有的物理特性之一，它反映了地球内部物质分布、运动及其变化状态。通过不同时期重力场（包括重力异常、重力梯度、垂线偏差、大地水准面等）的差分观测，可获得全球重力场时变及其空间分布信息，再结合板块构造理论，将为解释和分析地球动力学现象及地球物理特征提供准确的资料。传统的时变重力场主要基于GRACE卫星重力，但由于其半波长空间分辨率约为300~500 km，无法满足局部海底构造、海底地形变化等精细化研究。

　　海洋大地测量与水下导航研究团队提出利用高精度、高分辨率的测高重力场，构建海洋时变重力场，并根据质量迁移与地球外部重力场变化的对应关系，研究深海构造运动。利用不同时期测高资料推算1995-2019全球海洋重力场变化结果，反演分析全球洋底板块运动特征。研究发现，板块汇聚边界、板块内无震海岭、海山群、断裂带等区域重力异常变化显著，而在板块离散边界无明显变化趋势；西南印度洋中脊、大西洋中脊、中印度洋中脊等地区重力异常垂直梯度变化显著，在西太平洋俯冲带、部分海岭区域也存在明显变化，其空间分布与海底地形基本吻合。海洋重力场变化整体上准确反映了全球洋底板块构造运动，相较于重力异常变化反演结果，重力垂直梯度的变化能够更为准确地反映洋底板块运动特征，特别是在洋中脊区域，扩张速率越小，垂直重力梯度变化越显著。

　　1995-2019年间海洋重力场变化与洋底板块活动图

　　“地球的历史就是火山的历史”。火山的成因与板块运动有关，发现火山、了解火山，有助于科学解答板块运动“原动力”，以及拓展地幔对流、大洋中脊、大陆边缘张裂和热点的研究。海底火山活动的特殊性，使得传统火山监测手段无法适用，大量海底火山活动未能准确掌握。针对海底火山活动这一典型区域地球动力学现象，研究团队提出利用大地测量精准定量的技术优势，通过多周期海洋重力场重复观测资料，探测地球表层典型区域质量快速迁移现象——海底火山喷发过程中的岩浆活动特征。以日本西之岛海底火山活动为例，研究团队利用DEXP三维成像技术，对火山内部岩浆分布进行快速成像，并通过对应于火山喷发前、中、后三个时期的成像结果对比，分析其岩浆运动。研究成果揭示了火山喷发岩浆运动的复杂特性，既有侧向的岩浆运输，也有垂直的岩浆运动。西之岛地下岩浆库是由位于西之岛东、西两侧更大、更深的岩浆系统侧向输送而来，该区域侧向岩浆运动方向与太平洋板块向西朝菲律宾海板块俯冲运动方向一致，岩浆的聚集可能是由于太平洋板块上海底山HIMU富集物质(即高Nb/Zr和Ta/Hf)的加入，这些物质正向西俯冲到菲律宾海板块之下，洋底板块运动是火山喷发的主要动力；垂向上，火山喷发活动期，东部岩浆库剧烈变化，特别是东北部的岩浆库随火山爆发先减少后明显增加，地下岩浆库的深度从1.8 km变浅至1.4 km，最终深度约为1.3 km，东北部岩浆囊是火山喷发物质的主要供给源，岩浆的持续显著聚集意味着该区域火山活动未来几年仍处于活跃状态。

　　海底火山喷发与岛屿形状变化图

　　利用精细海洋重力观测异常反演海底火山岩浆活动图

　　研究团队在海洋重力场精细建模和海底大地测量观测领域的系列研究工作，涉及大地测量学、地球物理学、地球动力学等诸多学科。研究成果为深刻理解洋底板块构造特征及现今活动状态，研究海洋岛屿形成过程及地球动力学机制解释，探究地球内部奥秘，提供了一种全新的研究思路。

　　该系列研究分别以“利用海洋重力场变化分析洋底板块运动”、“Altimeter-derived marine gravity variations reveal the magma mass motions within the subaqueous Nishinoshima volcano”、“Accuracy Evaluation of Altimeter Derived Gravity Field Models in Offshore and Coastal Regions of China”为题发表在《地球物理学报》、《Journal of Geodesy》及《Front. Earth Sci.》上，以上三篇文章精密测量院博士研究生李倩倩均为第一作者，研究员鲍李峰为通讯作者。

　　相关研究受到了国家自然科学基金和中国科学院基础前沿科学研究项目的联合资助。