海洋重力場精細建模和海底大地測量進展

　　精密測量院鮑李峰海洋大地測量與水下導航科研團隊，針對全球海洋重力場精細建模及海底大地測量觀測技術難題，利用近三十年來衛星測高海面形狀精確測繪連續觀測資料，構建全球海洋十年際測高重力場變化序列。依托現代大地測量精準定量的技術優勢，給出全球尺度洋底板塊構造分布特征及現今運動狀態分析；針對地球動力學研究熱點海底火山活動監測難題，通過小尺度測高海洋重力場變化分析，推演海底火山巖漿活動過程，該系列研究成果分別發表在國內外知名學術期刊《地球物理學報》、《Journal of Geodesy》及《Front. Earth Sci.》上。

　　板塊構造運動是與地球內部物質質量遷移密切相關的地球動力學現象，也是地球動力學和全球變化研究的重要內容，它對地球各圈層的相互作用有著十分重要的影響。研究分析全球板塊構造運動，揭示地球整體或局部的演化規律，預測其運動趨勢，是現代地球科學研究的熱點問題。本質上，板塊構造運動造成的質量遷移必將引起地球外部重力場的微小變化。而地球重力場是地球固有的物理特性之一，它反映了地球內部物質分布、運動及其變化狀態。通過不同時期重力場（包括重力異常、重力梯度、垂線偏差、大地水準面等）的差分觀測，可獲得全球重力場時變及其空間分布信息，再結合板塊構造理論，將為解釋和分析地球動力學現象及地球物理特征提供準確的資料。傳統的時變重力場主要基于GRACE衛星重力，但由于其半波長空間分辨率約為300~500 km，無法滿足局部海底構造、海底地形變化等精細化研究。

　　海洋大地測量與水下導航研究團隊提出利用高精度、高分辨率的測高重力場，構建海洋時變重力場，并根據質量遷移與地球外部重力場變化的對應關系，研究深海構造運動。利用不同時期測高資料推算1995-2019全球海洋重力場變化結果，反演分析全球洋底板塊運動特征。研究發現，板塊匯聚邊界、板塊內無震海嶺、海山群、斷裂帶等區域重力異常變化顯著，而在板塊離散邊界無明顯變化趨勢；西南印度洋中脊、大西洋中脊、中印度洋中脊等地區重力異常垂直梯度變化顯著，在西太平洋俯沖帶、部分海嶺區域也存在明顯變化，其空間分布與海底地形基本吻合。海洋重力場變化整體上準確反映了全球洋底板塊構造運動，相較于重力異常變化反演結果，重力垂直梯度的變化能夠更為準確地反映洋底板塊運動特征，特別是在洋中脊區域，擴張速率越小，垂直重力梯度變化越顯著。

　　1995-2019年間海洋重力場變化與洋底板塊活動圖

　　“地球的歷史就是火山的歷史”。火山的成因與板塊運動有關，發現火山、了解火山，有助于科學解答板塊運動“原動力”，以及拓展地幔對流、大洋中脊、大陸邊緣張裂和熱點的研究。海底火山活動的特殊性，使得傳統火山監測手段無法適用，大量海底火山活動未能準確掌握。針對海底火山活動這一典型區域地球動力學現象，研究團隊提出利用大地測量精準定量的技術優勢，通過多周期海洋重力場重復觀測資料，探測地球表層典型區域質量快速遷移現象——海底火山噴發過程中的巖漿活動特征。以日本西之島海底火山活動為例，研究團隊利用DEXP三維成像技術，對火山內部巖漿分布進行快速成像，并通過對應于火山噴發前、中、后三個時期的成像結果對比，分析其巖漿運動。研究成果揭示了火山噴發巖漿運動的復雜特性，既有側向的巖漿運輸，也有垂直的巖漿運動。西之島地下巖漿庫是由位于西之島東、西兩側更大、更深的巖漿系統側向輸送而來，該區域側向巖漿運動方向與太平洋板塊向西朝菲律賓海板塊俯沖運動方向一致，巖漿的聚集可能是由于太平洋板塊上海底山HIMU富集物質(即高Nb/Zr和Ta/Hf)的加入，這些物質正向西俯沖到菲律賓海板塊之下，洋底板塊運動是火山噴發的主要動力；垂向上，火山噴發活動期，東部巖漿庫劇烈變化，特別是東北部的巖漿庫隨火山爆發先減少后明顯增加，地下巖漿庫的深度從1.8 km變淺至1.4 km，最終深度約為1.3 km，東北部巖漿囊是火山噴發物質的主要供給源，巖漿的持續顯著聚集意味著該區域火山活動未來幾年仍處于活躍狀態。

　　海底火山噴發與島嶼形狀變化圖

　　利用精細海洋重力觀測異常反演海底火山巖漿活動圖

　　研究團隊在海洋重力場精細建模和海底大地測量觀測領域的系列研究工作，涉及大地測量學、地球物理學、地球動力學等諸多學科。研究成果為深刻理解洋底板塊構造特征及現今活動狀態，研究海洋島嶼形成過程及地球動力學機制解釋，探究地球內部奧秘，提供了一種全新的研究思路。

　　該系列研究分別以“利用海洋重力場變化分析洋底板塊運動”、“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”為題發表在《地球物理學報》、《Journal of Geodesy》及《Front. Earth Sci.》上，以上三篇文章精密測量院博士研究生李倩倩均為第一作者，研究員鮑李峰為通訊作者。

　　相關研究受到了國家自然科學基金和中國科學院基礎前沿科學研究項目的聯合資助。