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热带海洋学报 >

2023 , Vol. 42 >Issue 6: 74 - 88

DOI: https://doi.org/10.11978/2023032

海洋地球物理学

红海与加利福尼亚湾初始扩张系统的热状态差异

  • 徐柳娜 , 1 ,
  • 李春峰 , 1, 2 ,
  • 黄亮 1 ,
  • 朱塽 1 ,
  • 尹义红 3
展开
  • 1.浙江大学海洋科学系, 浙江 舟山 316021
  • 2.浙江大学海南研究院, 海南 三亚 572025
  • 3.山东华坤自然资源数字产业集团, 山东 济南 250014
李春峰。email:

徐柳娜(1996—), 女, 山东省烟台市人, 硕士研究生, 从事海洋地球物理研究。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2023-03-10

  修回日期: 2023-04-28

  网络出版日期: 2023-05-08

基金资助

国家自然科学基金项目(91858213)

国家自然科学基金项目(42176055)

海南省自然科学基金(421CXTD441)

舟山市校合作项目(2019C81058)

收起

Contrasting thermal states of the initial spreading systems between the Red Sea and the Gulf of California

  • XU Liuna , 1 ,
  • LI Chunfeng , 1, 2 ,
  • HUANG Liang 1 ,
  • ZHU Shuang 1 ,
  • YIN Yihong 3
Expand
  • 1. Department of Marine Science, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China
  • 2. Hainan Institute, Zhejiang University, Sanya 572025, China
  • 3. Shandong Huakun Natural Resources Digital Industry Group, Jinan 250014, China
LI Chunfeng. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2023-03-10

  Revised date: 2023-04-28

  Online published: 2023-05-08

Supported by

National Natural Science Foundation of China(91858213)

National Natural Science Foundation of China(42176055)

Natural Science Foundation of Hainan Province, China(421CXTD441)

Zhejiang University Cooperation Project with Zhoushan city(2019C81058)

Fold

摘要

红海与加利福尼亚湾同处于由大陆裂谷向初始海底扩张的过渡阶段, 但具有显著不同的构造背景与演化特征。本文基于磁异常数据, 利用基于傅里叶变换和小波变换的质心法, 计算得到了红海和加利福尼亚湾的居里面深度, 对比发现二者热状态存在显著差异, 不同方法的计算结果均显示加利福尼亚湾的居里面明显深于红海的居里面。红海扩张中心相对连续, 岩浆活动较为活跃, 而加利福尼亚湾扩张中心区域广泛发育了错开扩张脊的转换断层, 并且扩张中心处热液活动强烈, 加速了该区域的热对流和热损耗。此外, 扩张速率与热状态和热液活动之间存在着明显的耦合关系。加利福尼亚湾的扩张速率是红海的两倍多, 较快的扩张速率与热液活动正相关, 较强的热液活动加速热损耗而加深居里面, 也是引起加利福尼亚湾居里面比红海居里面深的原因之一。

关键词： 红海; 加利福尼亚湾; 居里面; 热状态; 小波变换; 傅里叶变换; 热流; 热液活动

本文引用格式

徐柳娜 , 李春峰 , 黄亮 , 朱塽 , 尹义红 . 红海与加利福尼亚湾初始扩张系统的热状态差异[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(6) : 74 -88 . DOI: 10.11978/2023032

Abstract

Although both the Red Sea and the Gulf of California are in the transitional stage from continental rifting to initial seafloor spreading, their tectonic backgrounds and evolutionary features are vastly different. To investigate their geothermal differences, curie-point depths in the Red Sea and the Gulf of California are estimated from magnetic anomalies using the centroid method based on both Fourier and wavelet transform. Our results reveal significant differences in the thermal states between the Red Sea and the Gulf of California. Curie depths in the Gulf of California are evidently deeper than those in the Red Sea. The spreading center of the Red Sea is relatively continuous and has active magmatic activity, whereas the spreading center of the Gulf of California is staggered by extensively developed transform faults and has strong localized hydrothermal activity that accelerates the thermal convection and loss of heat in this region. In addition, the spreading rate is highly coupled with the thermal state and hydrothermal activity in the spreading center. The spreading rate in the Gulf of California more than twice that of the Red Sea, further supporting stronger hydrothermal activity and deeper Curie depths in the Gulf of California than in the Red Sea.

Key words： Red Sea; Gulf of California; Curie point depth; thermal state; wavelet transform; Fourier transform; heat flow; hydrothermal activity

红海和加利福尼亚湾是同处于早期洋盆阶段并具有相近纬度和狭窄外形的相似裂谷。红海是位于非洲和阿拉伯板块之间的陆间裂谷, 全扩张速率在<10~16mm·yr-1 (Augustin et al, 2016)。一般可分为南部、中部和北部三段, 南部发育连续的洋壳; 中部分布有被槽间带间隔的深槽, 洋壳只在深槽内发育; 北部轴向槽内也发育深槽, 但与中部不同, 无洋壳存在(Saleh et al, 2013) (图1a)。加利福尼亚湾是位于太平洋板块和北美板块之间的张性裂谷系统(Neumann et al, 2017), 与红海不同, 加利福尼亚湾是在大陆边缘形成的、由右旋转换断层和短的扩张段组成 (图1b), 全扩张速率大约为45~47mm·yr-1 (Umhoefer, 2011)。红海和加利福尼亚湾均处于由大陆裂谷向海底扩张的过渡阶段, 构造演化复杂, 岩石圈结构具有特殊性和复杂性。对于红海和加利福尼亚湾的海底扩张开始时间、扩张程度和地球动力学过程, 仍存在争议; 作为地球上活跃的早期海洋盆地的例子, 它们是研究初始扩张的热状态和地球动力学过程的理想地区(Stern et al, 2019), 探讨红海和加利福尼亚湾热状态差异及其影响因素, 可以加强对两者岩石圈演化的了解和对初始大洋扩张系统热演化的认识。
图1 红海区域地形图(a)及加利福尼亚湾区域地形图(b)

a中黑色虚线表示红海分段; 红色实线表示红海裂谷轴部; 黑色实线表示断层; 蓝色箭头表示板块相对运动方向。b中红色实线表示加利福尼亚湾南部的扩张段和加利福尼亚湾北部复杂的拉分盆地; 裂谷内黑色实线表示转换断层; 蓝色箭头表示板块相对运动方向。WB: Wagner盆地; CB: Consag盆地; DB: Delfin盆地; TB: Tiburon盆地; AB: Alarcon盆地; PB: Pescadero盆地; FB: Farallon盆地; CB: Carmen盆地; GB: Guaymas盆地。水深数据来自GEBCO Compilation Group (2021)。断层数据来自Styron等(2020)

Fig. 1 Regional topographic map of the Red Sea (a) and regional topographic map of the Gulf of California (b). (a) The black dashed line indicates the segment boundaries of the Red Sea; red solid line indicates the Red Sea rift axis; solid black line indicates fault; blue arrows indicate directions of relative plate motion. (b) The red solid line indicates the spreading segment in the southern Gulf of California and the complex pull-apart basin in the northern Gulf of California; solid black line within the rift valley indicates transform fault; blue arrows indicate directions of relative plate motion. WB: Wagner Basin; CB: Consag Basin; DB: Delfin Basin; TB: Tiburon Basin; AB: Alarcon Basin; PB: Pescadero Basin; FB: Farallon Basin; CB: Carmen Basin; GB: Guaymas Basin. Bathymetric data are from GEBCO Compilation Group (2021). Fault data are from Styron et al (2020)

居里等温面是指在一定深度处因温度上升达到居里温度(通常被认为在580℃左右, 与铁磁性矿物的含量有关), 岩石矿物由铁磁性变成顺磁性的温度界面, 因此居里等温面深度同时也是岩石圈磁性底界面深度, 可以通过对磁异常数据进行频谱分析反演得到, 是研究区域热状态的重要参数(Li et al, 2013; Wang et al, 2015; Li et al, 2018)。相较于稀疏、分布不均且易受其他因素影响的海底热流测量, 由磁异常数据反演得到的居里面深度的覆盖范围广、分布均匀, 可以更好地反映区域深部的热状态(Li et al, 2017; Li et al, 2019)。
Saada等(2021)计算了红海的居里面深度, 并利用居里面深度反演出红海热流, 但没有对居里面深度特征进行深入分析。Campos-Enríquez等(2019)认为加利福尼亚湾的居里面深度普遍较浅, 深度在10km左右。然而, Li等(2017)提出的全球居里面深度参考模型显示沿加利福尼亚湾居里面深度远大于10km。可见, 红海和加利福尼亚湾的居里面深度有待深入研究。最近, Yin等(2021)将小波变换应用于质心法, 经过充分的实验测试和对比发现, 小波变换方法对深居里面的刻画要好于傅里叶变换的结果, 而对浅居里面的估计要差于傅里叶变换的结果。基于傅里叶变换的质心法受窗口尺寸限制容易发生频散现象, 更适合浅居里面的反演; 而小波变换的质心法在每个数据点进行计算, 能更好地兼顾计算结果的空间域分辨率和波数域分辨率, 避免了一些由于窗口截断导致的不真实的细节信息, 可以更好地揭示深部磁源信息。
本文依据Yin等(2021)提出的居里面反演技术, 考虑到基于傅里叶变换和小波变换的质心法的优缺点, 同时采用两种方法对红海和加利福尼亚湾的居里面深度进行计算, 两种方法的结果可互相印证, 提高了分析结果的可靠性。同时进一步探讨了红海和加利福尼亚湾的热状态特征和差异, 并结合热流、洋中脊特征、热液活动差异进行综合分析, 探讨引起红海和加利福尼亚湾热状态差异的原因。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文采用的数据均来自公开的权威数据集, 被广泛应用。地形数据来自GEBCO_2021(图1), 分辨率为15″×15″。该网格数据是一个连续的全球海洋和陆地地形模型, 在海域及陆域均具有较高的分辨率及可靠性。磁异常数据来自EMAG2_V2 (Maus et al, 2009), 通过最小曲率法插值为分辨率2′×2′的网格(图2)。该数据为公开数据, 是根据海洋、航空及地面磁测数据汇编而成, 相较于前一代全球磁异常网格EMAG3有较大的改进, 分辨率从3弧分提高到了2弧分, 精度较高且覆盖范围广, 已被广泛地应用于居里面计算、磁异常分析等各项研究当中(Li et al, 2017; Harash et al, 2022; Pamuk et al, 2022; Aboud et al, 2023)。在红海和加利福尼亚湾区域, 磁异常特征明显, 能明显反映区域特点, 满足反演二者居里面深度的要求。热流数据来自全球热流数据库(global heat flow database: release 2021) (Fuchs et al, 2021), 该数据经过了仪器和环境影响的校正, 被广泛应用于地热相关研究中(Iwamoto et al, 2022; Wang et al, 2022; Mousavi et al, 2023); 同时, 在红海和加利福尼亚湾地区, 热流数据收集较完整, 大多是使用海底热探针采集得到, 少数是基于海底钻井获得。加利福尼亚湾部分热流来自Neumann等(2017)在瓦格纳盆地的测量结果, 使用了FIELAX多穿透热流探头并进行了沉积校正, 与其他学者的研究一致(Canet et al, 2010; Prol-Ledesma et al, 2013; Ángeles et al, 2017; Cruz et al, 2020; Esquivel et al, 2020), 在海湾北部具有异常高的热流值, 具有较高的可靠性。研究区域内热液喷口数据来自InterRidge (ver.3.4) (Beaulieu et al, 2020), 是全球已知海底热液活动的整合结果, 标注了热液喷口的活动状态。
图2 红海(a)和加利福尼亚湾(b)磁异常图

Fig. 2 Magnetic anomalies in the Red Sea (a) and the Gulf of California (b)

1.2 计算方法

本文采用基于三维分形磁化模型的质心法来计算红海和加利福尼亚湾的居里面深度。质心法是利用磁异常的径向平均振幅谱计算出磁源体的顶界面和中心深度, 然后计算得到磁源体的底界面深度, 即居里面深度(Tanaka et al, 1999; Li et al, 2013; Yin et al, 2021)。
假设磁源体在水平方向上无限延伸, 则磁源到参考面的深度相对于磁源的水平尺度很小。据Tanaka等(1999)和Li等(2009), 磁源体的磁化率M(x, y)是关于x和y的随机函数, 那么磁异常总场ΔT的径向平均振幅谱AΔT(kx, ky)与磁化率M(x, y)的振幅谱AM(kx, ky)之间的关系可以表示为
${{A}_{\Delta T}}(|k|)=B{{A}_{M}}(|k|){{\text{e}}^{-|k|{{Z}_{t}}}}(1-{{\text{e}}^{-|k|(}}^{{{Z}_{b}}-{{Z}_{t}})})$
式中B为与磁化方向和地磁场方向有关的常数; AΔT(|k|)和AM(|k|)分别为总磁异常和磁源体的径向平均振幅谱。其中, k为径向波数, kx和ky分别为x和y方向的波数; Zb和Zt分别为磁源体的底界面和顶界面深度。磁源体的磁化率M(x, y)一般具有分形特征, 其径向平均振幅谱与波数呈幂指数关系(Li et al, 2009), 公式为
${{A}_{M}}(|k|)\propto |k{{|}^{-\alpha }}$
$\alpha \text{=}\frac{\beta -1}{2}$
式中α是二维振幅谱中的振幅谱指数, β是三维功率谱中的功率谱指数, 即三维分形指数(Li et al, 2013)。将式(2)、(3)代入式(1)中, 并两边取自然对数可得:
$\text{ln}[{{A}_{\Delta }}_{T}(|k|)]=\text{ln}C-|k|{{Z}_{t}}+\text{ln}[1-{{\text{e}}^{-|k|}}^{({{Z}_{b}}-{{Z}_{t}})}]-\frac{\beta -1}{2}\text{ln}|k|$
式中C为常数。据Tanaka等(1999)和Li等(2009), 在中高波数域, 即在波长小于磁性层厚度两倍的情况下, 波数|k|> 1/2(Zb-Zt), 式(4)可以简化为
$\text{ln}[{{A}_{\Delta T}}(|k|)]=\text{ln}D-|k|{{Z}_{t}}-\frac{\beta -1}{2}\text{ln}|k|$
式中D为常数。据Tanaka等(1999)和Li等(2009), 在低波数域,
${{\text{e}}^{-|k|(}}^{{{Z}_{t}}-{{Z}_{0}})}={{\text{e}}^{|}}{{^{k|}}^{({{Z}_{b}}-{{Z}_{0}})}}\approx |k|({{Z}_{b}}-{{Z}_{0}})$
其中Z0为磁源体的中心点深度。据Tanaka等(1999)和Li等(2009), 式(4)可以简化为
$\text{ln}[\frac{{{A}_{\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }T}}(|k|)}{|k|}]=\text{ln}D-|k|{{Z}_{0}}-\frac{\beta -1}{2}\text{ln}|k|$
根据式(5)(7)在中高波数域和低波数域分别拟合得到Zt和Z0, 则磁源体的底界面深度可以通过下式计算得到:
$~~{{Z}_{b}}=2{{Z}_{0}}-{{Z}_{t}}$
上述基于傅里叶变换的质心法, 需计算固定大小的滑动窗口内的磁异常的径向平均振幅谱。本文计算居里面深度采用的是开源软件CPDINV (Curie-point depth inversion) (Yin et al, 2021), 分别采用了傅里叶变换和小波变换谱方法计算居里面深度, 两种结果互为补充。小波变换方法的优势是不需要取固定窗口, 可以在每个网格点计算振幅谱, 在空间域和波数域之间提供了更好的折衷(Gaudreau et al, 2019; Yin et al, 2021)。在计算窗口磁异常数据的径向平均振幅谱时, 使用面积进行加权, 可计算得到各尺度的等效傅里叶波数(Yin et al, 2021), 公式为
${{k}_{\mathrm{F}}}=\frac{|{{k}_{0}}|}{s}$
其中, kF为等效傅里叶波数; s为频率域的尺度因子; |k0|为中央波数, 表示空间域小波实部的第一个旁瓣的振幅与中心振幅的比值关系(Addison, 2002)。
首先将磁异常数据进行椭圆横轴墨卡托投影, 然后采用大小为1.55km×1.55km的二维网格将数据进行最小曲率法网格化。滑动窗口的大小是基于傅里叶变换计算居里面深度中的重要参数, 关于确切的最优窗口尺寸尚有争论。小窗口更少受旁侧磁异常的影响, 因此可以更好地刻画不同构造单元的居里面深度, 但是无法有效捕捉深部磁源体引起的长波长成分, 导致居里深度被低估, 大窗口可以避免这种问题, 但是会降低居里面深度的空间分辨率, 难以识别局部深度异常(Li et al, 2010; Aboud et al, 2016)。考虑到红海和加利福尼亚湾均是构造活跃的地区, 居里面深度浅, 可以使用较小的计算窗口, 为了尽量减小窗口大小对分辨率的影响, 分别利用99.2km×99.2km、148.8km× 148.8km、198.4km×198.4km的滑动窗口计算居里面深度, 并将三者平均值作为最终居里面深度(Li et al, 2017)。在小波变换计算时, 选取了误差相对较小的中央波数2.668、3.773、5.336 (Yin et al, 2021), 分别代表小波的旁瓣振幅为中心振幅的1/16、1/4、1/2。与傅里叶变换结果类似, 计算三个中央波数结果的平均值进行进一步分析。
红海和加利福尼亚湾是早期洋盆, 洋壳年龄< 10Ma, 岩石圈薄而热, 居里面深度较浅, 当分形指数β=3时, 红海裂谷轴部Zb将小于基底深度, 出现不符合真实情况的过校正现象, 而当β=2.5时, 居里面深度几乎全部位于基底以下。因此, 本研究假设β=2.5, 分别在波数区间0.003~0.033rad·km-2和0.039~0.081rad·km-2拟合Z0和Zt  (Yin et al, 2021)(图3)。
图3 磁异常径向平均振幅谱以及线性拟合计算Z0和Zt示例

a. 计算红海Z0; b. 计算加利福尼亚湾Z0; c. 计算红海Zt; d. 计算加利福尼亚湾Zt。每图中下部曲线为基于窗口傅里叶变换的结果, 上部曲线为基于小波变换的结果

Fig. 3 Examples of radial averages of amplitude spectra of magnetic anomaly and their linear fits to calculating Z0 and Zt. (a) Calculating Z0 in the Red Sea; (b) calculating Z0 in the Gulf of California; (c) calculating Zt  in the Red Sea; (d) calculating Zt in the Gulf of California. In each panel, the curves in the lower part are the results based on Fourier transform, while the curves in the upper part are the results based on wavelet transform

2 居里面深度

2.1 红海居里面特征

不同窗口大小得到的居里面深度有局部变化, 但更多的是由于分辨率的变化, 而不是改变窗口大小引起的深度变化(表1; 图4)。基于傅里叶变换得到的红海居里面深度主要在4~32km之间, 平均值约为17km, 高值主要分布在红海裂谷边缘, 低值则沿红海裂谷轴部分布, 这与裂谷轴部磁异常短波长特征吻合(图2a), 也与Li等(2017)计算的全球居里面深度模型中红海的居里面深度变化特征类似。基于小波变换的中央波数的不同引起的同样是分辨率的差异(图5), 得到的红海居里面深度主要分布在3~45km之间, 平均值约为22km, 居里面深度的变化范围和平均值要大于基于傅里叶变换的计算结果, 且基于小波变换的计算结果(图5d)的空间分辨率高于基于傅里叶变换的计算结果的空间分辨率(图4d)。两种方法的计算结果虽有差异, 但均显示红海沿裂谷轴部居里面深度普遍较浅(<10km), 向两侧逐渐变深, 与年龄有良好的相关性, 最浅居里面深度主要分布在轴向海槽。
表1 红海的计算窗口参数

Tab. 1 Calculation window parameters for the Red Sea

移动窗口大小/(km×km) 移动窗口数量 移动步长/km
99.2×99.2 55×67 49.6
148.8×148.8 36×44 74.4
198.4×198.4 27×33 99.2
图4 基于傅里叶变换计算得到的红海居里面深度图

a. 窗口大小为99.2km×99.2km; b. 窗口大小为148.8km×148.8km; c. 窗口大小为198.4km×198.4km; d. 平均居里面深度。黑色虚线表示红海分段。红色实线表示红海裂谷轴部。黑色实线表示断层。蓝色虚线AA’表示图8a的剖面位置

Fig. 4 Curie depth map of the Red Sea based on Fourier transform. (a) Window size = 99.2 km×99.2 km; (b) window size = 148.8 km×148.8 km; (c) window size = 198.4 km×198.4 km; (d) average Curie depth. The black dashed line delimits the Red Sea segment. The red solid line indicates the Red Sea rift axis. The solid black line indicates fault. The blue dashed line AA’ indicates the profile location of Fig. 8a

图5 基于小波变换计算得到的红海居里面深度图

a. 中央波数|k0|=2.668; b. 中央波数|k0|=3.773; c. 中央波数|k0|=5.336; d. 平均居里面深度

Fig. 5 Curie depth map of the Red Sea based on wavelet transform. (a) Central wavenumber |k0| =2.668; (b) central wavenumber |k0|=3.773; (c) central wavenumber |k0| =5.336; (d) average Curie depth

2.2 加利福尼亚湾居里面特征

计算过程中窗口大小和移动步长与红海地区的保持一致(表2)。基于傅里叶变换计算得到的加利福尼亚湾地区居里面深度主要分布在8~33km之间, 平均值约为21km(图6)。海湾最北部的Wagner、Consag和Delfin盆地呈现较大的居里面深度, 沿着断裂向南, Guaymas盆地发展为扩张中心, 居里面深度却较深。海湾南部到Farallon盆地都呈现出较深的居里面深度(图6d)。同样, 这一居里面深度变化特征与Li等(2017)计算的全球居里面深度模型中的居里面深度变化特征类似。基于小波变换得到的加利福尼亚湾居里面深度主要分布在10~52km之间, 平均值约为31km(图7), 相比基于傅里叶变换的计算结果更深(图6d), 尤其是沿着转换断层和盆地区域。两种计算方法得到的结果虽有差异, 但总体均呈现出加利福尼亚湾的居里面较深(多数大于18km), 本文计算结果及Li等(2017)的计算结果均与Campos-Enríquez等(2019)的结果有较大差异, 本文认为加利福尼亚湾轴部并不存在一条北西—东南向的深度在10km左右的浅居里等温线带。
表2 加利福尼亚湾的计算窗口参数

Tab. 2 Calculation window parameters for the Gulf of California

移动窗口大小/(km×km) 移动窗口数量 移动步长/km
99.2×99.2 46×56 49.6
148.8×148.8 30×37 74.4
198.4×198.4 22×27 99.2
图6 基于傅里叶变换计算得到的加利福尼亚湾地区居里面深度图

a. 窗口大小为99.2km×99.2km; b. 窗口大小为148.8km×148.8km; c. 窗口大小为198.4km×198.4km; d. 平均居里面深度。WB: Wagner盆地; CB: Consag盆地; DB: Delfin盆地; TB: Tiburon盆地; AB: Alarcon盆地; PB: Pescadero盆地; FB: Farallon盆地; CB: Carmen盆地; GB: Guaymas盆地。红色实线表示加利福尼亚湾南部的扩张段和加利福尼亚湾北部复杂的拉分盆地。裂谷内黑色实线表示转换断层。粉色虚线BB’表示图8b的剖面位置

Fig. 6 Curie depth map of the Gulf of California based on Fourier transform. (a) Window size = 99.2 km×99.2 km; (b) window size = 148.8 km×148.8 km; (c) window size = 198.4 km×198.4 km; (d) average Curie depth. WB: Wagner Basin; CB: Consag Basin; DB: Delfin Basin; TB: Tiburon Basin; AB: Alarcon Basin; PB: Pescadero Basin; FB: Farallon Basin; CB: Carmen Basin; GB: Guaymas Basin. The solid red line indicates the spreading section in the southern Gulf of California and the complex pull-apart basin in the northern Gulf of California. The black solid line within the rift valley indicates transform fault. The pink dashed line BB’ indicates the profile location of Fig.8b

图7 基于小波变换计算得到的加利福尼亚湾地区居里面深度图

a. 中央波数|k0|=2.668; b. 中央波数|k0|=3.773; c. 中央波数|k0|=5.336; d. 平均居里面深度

Fig.7 Curie depth map of the Gulf of California based on wavelet transform. (a) Central wavenumber |k0| =2.668; (b) central wavenumber |k0| =3.773; (c) central wavenumber |k0| =5.336; (d) average Curie depth

2.3 基于傅里叶变换与小波变换计算的居里面深度结果差异

通过对比可以发现, 基于傅里叶变换和小波变换计算的居里面深度尽管在局部有差异, 但深浅变化趋势基本一致。本文分别在红海和加利福尼亚湾选取了一条剖面, 更直观地比较两种方法计算的居里面深度差异 (图8), 基于小波变换的计算结果局部变化较剧烈, 这是因为该方法在每个网格点而不是每个窗口构造功率谱, 对具体特征更敏感。尽管从剖面图中发现两种方法计算出来的居里面深度在不同位置有一定差值, 但两种方法的居里面深度在红海非常接近(图8a), 而在加利福尼亚湾居里面深度相差略大一些(图8b), 可能是由于加利福尼亚湾磁源较深, 而小波变换能够更好地揭示深部(>30km)磁源信息(Yin et al, 2021)。因此, 对于加利福尼亚湾相对较深的居里面深度, 小波方法更能体现出其优势, 而红海居里面深度相对较浅, 小波方法体现不出优势。
图8 居里面深度剖面图

a. 红海地区沿AA’剖面居里面深度, AA’剖面位置见图4d、5d; b. 加利福尼亚湾沿BB’剖面居里面深度, BB’剖面位置见图6d、7d。红色线为基于小波变换的结果, 蓝色线为基于傅里叶变换的结果

Fig. 8 Curie depth profiles. (a) Profile AA’ in the Red Sea region (Fig. 4d, 5d); (b) profile BB’ in the Gulf of California (Fig. 6d, 7d). Red line is the result based on the wavelet transform, and blue line is the result based on Fourier transform

2.4 红海与加利福尼亚湾居里面差异

对比图4d与图6d、图5d与7d发现, 尽管红海和加利福尼亚湾处于类似的扩张阶段, 沿着裂谷走向居里面深度却有着显著的差异, 两种方法的计算结果均显示红海裂谷轴部居里面深度要明显浅于加利福尼亚湾(图9), 红海中最浅居里面深度分布在轴部扩张段, 而加利福尼亚湾沿扩张段却分布较深居里面, 红海与加利福尼亚湾居里面深度分布的峰值明显相错, 反映了红海和加利福尼亚湾热状态的差异。
图9 居里面深度值分布图

a. 基于傅里叶变换; b. 基于小波变换。两个区域重合的部分为图中棕色

Fig. 9 Distribution of the Curie depths. (a) Using Fourier transform; (b) using wavelet transform. The overlap between the two areas is shown in brown

3 居里面与热流

居里面深度结合热流可以很好地提供区域热状态的一级约束(Li, 2011; Li et al, 2013)。本文收集了红海和加利福尼亚湾的实测热流数据, 其中红海336个测量点, 加利福尼亚湾747个测量点。并以0.5°的网格间距, 应用张力系数为0.5的最小曲率法将原始热流进行插值网格化(图10)。
图10 红海(a)与加利福尼亚湾(b)热流分布图

数据以0.5°间隔网格化, 黑色圆点为热流观测点

Fig. 10 Heat flow map of Red Sea (a) and Gulf of California (b). Data are gridded at a 0.5° interval. Black dots indicate the observation locations of heat flow data

红海的热流测量值主要集中在裂谷轴部。在红海北部, 热流从海岸附近的约125mW·m-2增加到轴向凹陷的250mW·m-2以上, 这种高热流值可能与该区域裂谷轴向凹陷的集中并伴有岩浆侵入有关(Saleh et al, 2013); 中部热流测量值较少, 但深水槽热流值较高; 南部也呈现较高热流值状态。对比居里面深度图(图4、5), 可以发现, 沿着红海裂谷轴部浅居里面深度与高热流有很好的相关性, 很多超过100mW·m-2的热流对应的居里面深度小于15km, 符合二者呈负相关关系的一般规律(Okubo et al, 1985; Tanaka et al, 1999; Li et al, 2010)。
加利福尼亚湾也整体呈现出了较高的热流状态。实测热流值分布不均, 主要集中在三处, 分别对应了北部Wagner和Consag盆地, 中间的Guaymas盆地和偏南的Farallon盆地, 并且都出现了异常高的热流(>600mW·m-2), 是受到了活跃的热液循环的影响。然而加利福尼亚湾较高的热流对应着较深的居里面深度(图6、7), 一方面可能与较强的热液活动有关, 另外转换断层发育可能也是造成居里面深度较大的原因。
基于一维热传导方程(Li, 2011; Li et al, 2013; Wang et al, 2018), 地表热流和居里面深度可表示为
${{q}_{s}}=\kappa \frac{{{T}_{c}}-{{T}_{s}}}{{{Z}_{b}}-{{Z}_{s}}}+h_{r}^{2}{{H}_{s}}\frac{{{\text{e}}^{-{{Z}_{b}}/{{h}_{r}}}}-{{\text{e}}^{-{{Z}_{s}}/{{h}_{\mathrm{r}}}}}}{{{Z}_{b}}-{{Z}_{s}}}+{{h}_{r}}{{H}_{s}}{{\text{e}}^{-{{Z}_{s}}/{{h}_{r}}}}$
式中κ为岩石圈磁性层热导率, Tc和Ts分别为磁性层底界面温度和地表温度, Zs为地表高度, hr为生热率随深度变化的衰减因子, Hs为地表岩石生热率。前人研究认为异常高的热流可能是受地形、侵蚀或地下水热循环等因素影响, 因此利用热流数据研究深部热传导状态需要排除其他因素的干扰, 剔除异常高的非传导热流数据(徐行 等, 2018; Lucazeau, 2019)。Lucazeau (2019)利用全球实测热流数据与洋壳年龄数据拟合得到的理论关系式显示, 在洋壳年龄较年轻的区域, 理论传导热流值不会高于400mW·m-2。因此, 选取 400mW·m-2以下的热流数据与居里面深度进行相关性分析。
地表热流和居里面深度的对应关系以及一维热传导方程的理论曲线显示, 红海地区基于两种方法得到的居里面深度与热流值都符合理论曲线预测的变化趋势, 显示出地表热流和居里面深度的反相关关系(图11a、b), 意味着在红海地区, 地幔深处的地热状态对地表热流有很大的贡献(Li et al, 2010)。而加利福尼亚湾地区基于两种方法得到的居里面深度与热流值分布离散, 不符合理论曲线预测的变化趋势, 高热流值对应着较深的居里面深度(图11c、d)。这说明加利福尼亚湾可能存在较强的热对流活动或其他构造特征, 破坏了居里面与地表热流之间的相关性, 出现了偏离热传导模型的情况。
图11 平均居里点深度与地表热流之间的相关性

a. 红海基于傅里叶变换计算结果; b. 红海基于小波变换计算结果; c. 加利福尼亚湾基于傅里叶变换计算结果; d. 加利福尼亚湾基于小波变换计算结果。蓝色虚线为基于一维热传导模型公式(10)计算的理论关系曲线, 其中Tc=550℃, Ts=5℃, Zs=4km, hr =5km, Hs=1.37μW·m-3 (Li et al, 2017), κ取1~6W·(m℃)-1不等

Fig. 11 Correlation between Curie depth and surface heat flow. (a) Results in the Red Sea based on Fourier transform; (b) results in the Red Sea based on Wavelet transform; (c) results in the Gulf of California based on Fourier transform; (d) results in the Gulf of California based on Wavelet transform. The blue dashed line shows the theoretical curves calculated based on the one-dimensional heat transfer model in Equation (10), where Tc = 550 °C, Ts = 5 °C, Zs = 4 km, hr  = 5 km, and Hs = 1.37 μW·m-3 (Li et al, 2017), andκ is taken to vary from 1 to 6 W·(m℃) -1

4 红海与加利福尼亚湾张裂与洋中脊差异

红海陆间裂谷居里面特征与其演化发展特征一致。红海南部裂谷轴连续, 发育连续的洋壳(Augustin et al, 2014), 居里面深度在裂谷轴部也表现出较为连续的低值特点。中部居里面深度呈现低值, 且最低值与深海槽吻合, 由于中部处于大陆裂谷向洋中脊过渡的阶段, 正在形成洋壳, 岩浆流体和岩石相互作用最明显(Schmidt et al, 2015), 具有较高的地温梯度。红海北部浅居里面深度位于红海裂谷的轴向槽附近, 在红海北部轴向凹陷向红海西部偏移, 浅居里面深度与轴向凹陷对应关系明显, 与裂谷轴向凹陷的集中并伴有岩浆侵入有关(Saleh et al, 2013)。
与红海不同, 加利福尼亚湾裂谷的变形方式、洋壳厚度等在南北都是不同的(Persaud et al, 2003; Dorsey et al, 2011; Neumann et al, 2017)。南部是由NW走向的长转换断层连接的NE走向的短扩张中心, 在~3.5Ma出现了海底扩张(Larson, 1972; van Wijk et al, 2019)。北部是由NW走向的长转换断层连接的短拉分盆地, 缺乏海底扩张或深部存在岩浆洋壳的证据(Dorsey et al, 2011)(图2b)。在加利福尼亚湾内, 沿着裂谷走向, 长的转换断层明显占据主要地位, 扩张段短而分散(图1b); 而红海则是扩张轴为主, 并没有大型的转换断层(图1a)。大型的转换断层比起扩张轴要冷的多, 因此红海和加利福尼亚湾虽都是早期裂谷, 居里面深度反映出的热状态却相差很大。在加利福尼亚湾的扩张段处, 居里面深度也较深, 磁异常平静(图2b), 这很可能是热液蚀变作用减弱或消除了周围物质的磁化率(Levi et al, 1986)。结合异常高的热流, 推测是热液活动引起了加利福尼亚湾扩张段附近较深的居里面深度; 加利福尼亚湾北部拉分盆地含有厚沉积物, 淹没了正常的洋脊形成过程, 并且可能减慢了岩石圈的破裂(Dorsey et al, 2011; Prol-Ledesma et al, 2013; González-Escobar et al, 2014; van Wijk et al, 2019), 周围异常深的居里面深度可能也受此影响。
另外, 沿着活跃的洋中脊, 居里面深度在很大程度上受扩张速率影响, 扩张速率与海底扩张机制、岩浆活动、热状态和热液活动之间存在着强烈的耦合关系(Li et al, 2017)。随扩张速率的增大, 居里面深度从超慢速洋中脊到慢速洋中脊有着先增后减的趋势, 尤其在慢速扩张区间, 随着扩张速率的增加居里面深度增加(Li et al, 2017; Zhou et al, 2020) (图12)。红海是一个超慢速扩张裂谷, 沿着红海扩张速率从南到北逐渐减小, 全扩张速率<10~16mm·yr-1 (Augustin et al, 2016)。而加利福尼亚湾是一个慢速扩张的裂谷, 全扩张速率大约为45~47mm·yr-1 (Umhoefer, 2011)。将红海和加利福尼亚湾内居里点深度与扩张速率关系绘制到全球数据模型中(图12), 发现二者分别落于超慢速和慢速区间, 分布趋势符合全球特征。
图12 洋壳年龄小于5Myr的居里面深度随扩张速率的变化

浅绿色和浅蓝色点为全球居里面参考模型GCDM(Li et al, 2017)中洋壳年龄小于5Myr的居里面深度。深绿色和深蓝色点分别为本文计算的红海和加利福尼亚湾平均居里面深度(傅里叶变换和小波变换的总和)。误差棒是浅绿色和浅蓝色点以5mm·yr-1为间隔的居里面深度标准差。误差棒中黑色正方形是浅绿色和浅蓝色点以5mm·yr-1为间隔的居里面深度平均值

Fig. 12 Curie depths versus spreading rate around the spreading center (age of oceanic crust less than 5 Myr). The light green and light blue dots are the Curie depths within 5 Myr from the global reference Curie-point depth model GCDM (Li et al, 2017). The dark green and dark blue dots are the average Curie depths of the Red Sea and Gulf of California calculated in this study, respectively (sum of the results based on both Fourier and wavelet transform). The error bars are the standard deviation of the Curie depths of the light green and light blue dots at 5 mm·yr-1 intervals. The black squares in the error bars are the mean Curie depths

5 红海与加利福尼亚湾热液活动差异

年轻的大洋岩石圈通过大洋中脊周围的热传导和热液对流遭受广泛的热量损失(Stein et al, 1994)。一般认为, 热液对流活动是海水沿洋壳内的断裂下渗到岩浆熔融体附近, 受到熔融体等热源的加热后与围岩发生反应, 在浮力驱动下上涌, 以热液喷口的形式出露在海底(宋珏琛 等, 2021)。但有学者认为, 还存在岩浆作为热液物质来源的岩浆液注入模式。在岩浆作用强烈、构造裂隙发育的环境中, 两种模式可能同时存在(王淑杰 等, 2018)。不论哪种模式的热液循环, 都会带走岩石圈的热量, 对岩石圈有冷却作用, 导致等温线下移, 居里面变深。前人将大洋的热流与洋壳年龄建立联系, 发现在<30Ma范围内, 实测热流值与岩石圈冷却模型得到的理论曲线有偏差, 并认为这部分偏差是海底热液活动带来的热通量导致的(Li et al, 2017)。到目前为止, 海水被认为是热液系统的主要流体来源(Lowell et al, 2014), 说明年轻的洋壳存在海水循环产生的对流冷却。
在热液活跃的区域, 洋中脊周围的表层流体活动以下渗为主, 从而导致低热流异常, 而在热液排出的附近, 流体活动以上升为主, 来自深部的、较高温度的流体影响了围岩, 导致高热流异常。居里面反映的是热传导、热对流等因素的综合影响。前文对居里面与热流的分析认为红海的热状态符合热传导机制, 而加利福尼亚湾的热状态与热传导模型的预测结果不符, 很可能与热液活动有关, 为了解红海和加利福尼亚湾热状态差异的原因, 有必要明确两者在热液活动上的不同。
本文参考Interridge全球热液活动数据库中已经证实或者推测的热液喷口位置(图13)。加利福尼亚湾的热液喷口主要集中在海盆内, 主要集中在三处(图13b)。其中, 北部的Wagner和Consag盆地中高热流和强烈的气体排放证明存在热液活动(Canet et al, 2010; Ángeles et al, 2017; Cruz et al, 2020; Esquivel et al, 2020), 盆地内的热液上涌很可能由岩浆体侵入引起, 热液活动引起高热通量(Cruz et al, 2020), 并使岩石圈冷却。这与北部异常深的居里面深度一致, 热液活动可能是其主要的热传递机制。另外, Guaymas 盆地也是一个活跃的热液活动区(Geilert et al, 2018), 可能存在两种不同但相互叠加的热液系统(Lonsdale et al, 1985): (1)浅层系统, 即盆地轴槽和侧翼区域被厚的富含有机物的沉积物覆盖, 岩浆侵入体或岩床嵌入厚沉积层中, 并驱动热液循环; (2)深层系统, 即海水下渗到较深处, 岩浆房驱动热液循环, 被加热的流体通过相对隔水的沉积物盖层在局部喷发, 这与异常高的热流相吻合(Lonsdale et al, 1985; Geilert et al, 2018; Teske et al, 2019; Ramírez et al, 2020)。另外, 维持轴向槽的伸展断层可能是促进较强深层流体循环的渗透性通道(Teske et al, 2019)。活跃的热液循环可能使得Guaymas盆地呈现出较深的居里面深度。海湾南部的Alarcon 盆地也存在热液喷口, 但其与东太平洋海岭相连, 受太平洋扩张中心的影响, 热液活动引起的冷却作用影响不大, 居里面也比其他盆地的浅。Farallon 盆地未显示有热液活动, 但从热流上看也存在异常高的热流值, 居里面深度较大, 推测也受热液活动的影响。
图13 红海热液喷口位置(a)及加利福尼亚湾热液喷口位置(b)

ShD: Shaban Deep; KD: Kebrit Deep; ND: Nereus Deep; AD: Atlantis Ⅱ Deep; DD: Discovery Deep; SuD: Suakin Deep; RSR, 18°N: Red Sea Rift, 18°N; WB: Wagner盆地; CB: Consag盆地; Rv: Ringvent; GB: Guaymas盆地; PB: Pescadero盆地; AB: Alarcon盆地。底图为基于小波变换的平均居里面深度

Fig. 13 Location of hydrothermal vents in the Red Sea (a) and the Gulf of California (b). ShD: Shaban Deep; KD: Kebrit Deep; ND: Nereus Deep; AD: Atlantis Ⅱ Deep; DD: Discovery Deep; SuD: Suakin Deep; RSR, 18°N: Red Sea Rift, 18°N; WB: Wagner Basin; CB: Consag Basin; Rv: Ringvent; GB: Guaymas Basin; PB: Pescadero Basin; AB: Alarcon Basin. The background shows the average Curie depth based on wavelet transform

红海的热液活动主要集中在中部一些盐度比较高(高达270‰)的卤水池里(Swallow et al, 1965; van der Zwan et al, 2019) (图13a)。由于现代采样设备难以接近卤水池, 目前为止在红海还没有直接观察到活跃的热液喷口(黑烟囱)(van der Zwan et al, 2015, 2019), 都为推测的热液活动区。在Atlantis Ⅱ、Nereus、Kebrit、Suakin凹陷和18°N红海裂谷都发现了可能存在热液活动的证据, 但或是无法找到热液喷口(Pierret et al, 2001; Hovland et al, 2015; Schmidt et al, 2015), 或是没有任何近期活动的迹象(van der Zwan et al, 2015), 或是范围很小 (Pierret et al, 2001)。热液循环强度上与加利福尼亚湾相比可能存在差别, 热液活动的冷却作用不大。其次, 相比于加利福尼亚湾, 红海地区发育有蒸发岩和凹陷内的致密卤水(Anschutz, 2015), 卤水流动性较差 (van der Zwan et al, 2019), 且随着密度的增加卤水会抑制对流(Swallow et al, 1965), 阻碍了上覆热液循环与岩浆体之间的热传导以及热对流, 降低了洋壳的对流冷却作用。而热液活动的发生频率和输出热流量与洋中脊的扩张速率有较好的线性关系, 随着扩张速率的增加, 热液活动越丰富, 热液活动导致热损耗越大(Charlou et al, 1996; Feely et al, 1996; von Damm et al, 2003; van der Zwan et al, 2019; Song et al, 2021)。

6 结论

基于磁异常数据, 本文分别利用基于傅里叶变换和小波变换的质心法计算得到了红海与加利福尼亚湾的居里面深度, 两种方法得到的居里面深度虽存在局部差异, 但整体变化趋势基本一致。此外, 基于小波变换得到的居里面深度分辨率要高于基于傅里叶变换的结果。在红海, 两种方法的结果基本吻合, 而由于小波变换方法更能揭示深部居里面信息, 能更好地揭示加利福尼亚湾较深的居里面深度。
红海居里面深度具有沿着裂谷轴部较浅, 向两侧逐渐变深的特征, 并且浅居里面与深海槽有着很好的对应关系。整个加利福尼亚湾的居里面普遍较深。此外, 红海地区的居里面深度与热流之间的关系符合热传导模型, 地幔深处的地热状态对地表热流有较大贡献; 而加利福尼亚湾地区的居里面深度与热流的关系背离热传导模型的预测结果, 表明红海和加利福尼亚湾的热状态具有明显差异, 是二者在构造特征和热液活动等方面的差异造成的。一方面, 加利福尼亚湾长转换断层错开短扩张轴, 冷的转换断层在海湾内占据主要地位, 引起较深的居里面深度; 另外, 北部拉分盆地异常深的居里面深度可能也受到厚沉积物的影响; 而红海扩张轴沿裂谷走向分布, 长而连续, 岩浆活动造成裂谷轴部高热流, 并导致较浅的居里面深度。另一方面, 加利福尼亚湾热液活动强烈且与深居里面深度对应良好, 说明热液活动很可能是其主要的热传递机制, 加速了加利福尼亚湾的热损耗; 同时, 强烈的热液蚀变作用可能会减弱或消除周围物质的磁化率, 使得该区域的磁异常特征变得平缓, 也会造成较深的居里面深度估计。红海与加利福尼亚湾相比, 热液循环不强, 热液活动的冷却作用相比岩浆活动的热传导作用可能较小, 另外, 红海高密度卤水层可能也限制了热液循环对洋壳的对流冷却作用。
此外, 扩张速率与热状态和热液活动之间存在着明显的耦合关系。加利福尼亚湾的扩张速率是红海的两倍多, 较快的扩张速率与热液活动正相关, 也是引起加利福尼亚湾居里面比红海居里面深的原因之一。

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