Science：高精度全球垂直重力梯度揭示多尺度构造遗迹

中科院地质地球所 · 公众号 · 科学 · 2024-12-23 09:11

主要观点总结

全球高分辨率垂直重力梯度模型对揭示地球多尺度构造至关重要，尤其在掩盖的海洋区域如壳幔结构、构造遗迹和热点移动等方面。随着卫星技术的发展，全球垂直重力梯度模型不断完善。最新SWOT卫星观测任务开启了高分辨率海面高度测量的新篇章，其搭载的技术能够获取更高空间分辨率的全球海洋垂直重力梯度分布。新模型SWOT VGG相较于传统模型，分辨率提升了至少1.5倍，能够更精细地揭示海岭、小尺度海山和大陆边缘等海底构造。尽管仍存在数据信噪比提升和观测覆盖范围的限制，但随着数据的积累，全球海洋垂直重力梯度模型将会进一步精化。此外，该模型还有助于发现行星内部结构，如月球和火星的岩浆活动遗迹等。

关键观点总结

关键观点1: 全球高分辨率垂直重力梯度模型的重要性

揭示地球多尺度构造，尤其在掩盖的海洋区域如壳幔结构、构造遗迹和热点移动等方面具有重要意义。

关键观点2: 卫星技术的发展对全球垂直重力梯度模型的贡献

随着卫星技术的发展，全球垂直重力梯度模型不断完善，最新SWOT卫星观测任务开启了高分辨率海面高度测量的新篇章。

关键观点3: SWOT VGG模型的优势

SWOT VGG模型相较于传统模型，分辨率提升了至少1.5倍，能够更精细地揭示海岭、小尺度海山和大陆边缘等海底构造。

关键观点4: SWOT卫星的不足之处及未来展望

SWOT卫星存在数据信噪比提升和观测覆盖范围的限制，但随着数据的积累和技术的改进，全球海洋垂直重力梯度模型将会进一步精化。

关键观点5: 全球海洋垂直重力梯度模型的应用前景

全球海洋垂直重力梯度模型还有助于发现行星内部结构，如月球和火星的岩浆活动遗迹等。

正文

全球高分辨率垂直重力梯度模型是揭示地球多尺度构造的重要支撑，尤其在壳幔结构、构造遗迹、热点移动等被掩盖的海洋区域。利用传统的船舶测量等方式获取的海洋垂直重力梯度虽然精度和分辨率高，但覆盖面积有限。随着海洋卫星测高技术和卫星重力观测技术的不断发展（图1），全球高分辨率垂直重力梯度模型不断完善。

图1 Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow On （GRACE-FO）, The Gravity field and Ocean Circulation Explorer （GOCE）, Jason-1, Surface Water and Ocean Topography （SWOT）卫星概念图（图片来源: NASA/JPL-Caltech; ESA）

根据卫星观测数据获取的全球垂直重力梯度分布（图2）不仅可以看到大尺度的洋脊扩张遗迹（Sandwell et al., 2014），还可以揭示地幔内部板块俯冲遗迹，例如古特提斯洋边界（Panet et al., 2014）。最近，由美国宇航局（NASA）和法国空间研究中心（CNES）主导的SWOT （Surface Water and Ocean Topography）卫星观测任务开启了高分辨率海面高度测量的新篇章（Fu et al., 2024）。SWOT卫星使用了最先进的宽刈幅雷达干涉测量技术（图1），可以对海面高度进行更高空间分辨率的多维观测，进而获取更好的全球高分辨率海洋垂直重力梯度分布。

图2 基于GOCE卫星观测的古特提斯构造遗迹（A）和基于CryoSat-2/Jason-1卫星观测的墨西哥湾洋脊扩张遗迹（B）。古特提斯洋俯冲带以白色方框标出，墨西哥湾残留洋脊以红/黄线标出，图B中的垂直梯度以灰度图的形式给出，梯度极值范围为±20 Eötvös，1 Eötvös = 10^-9 s^-2 = 10³ milliEötvös（修改自Sandwell et al., 2014和 Panet et al.,2014）

来自美国加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所的俞瑶博士和David T. Sandwell教授等人利用SWOT搭载的Ka波段激光干涉仪（KaRIn）从2023年4月至2024年7月的低速率观测数据（包括98个轨道周期为1天的重复轨道数据和18个轨道周期为21天的重复轨道数据），计算了全球海洋区域的垂直重力梯度模型SWOT VGG（图3）。新模型与高分辨率船测模型（MH370飞机遗骸搜索区域）进行了对比，结果基本一致。SWOT VGG模型的空间分辨率为8 km，相对于传统模型的分辨率（12~16 km）提升了至少1.5倍，因此该模型揭示了更加精细的海岭、小尺度海山和大陆边缘等海底构造。

图3 利用SWOT雷达干涉仪的观测数据计算得到的全球海洋垂直重力梯度。白色区域为陆地

海岭是洋中脊扩张的产物，其宽度与洋脊扩张速度呈负相关，因此传统模型并不能清晰地识别快速扩张的东太平洋脊（EPR）附近较窄的海岭（图4b）。SWOT VGG模型能够识别EPR附近的海岭结构（图4a，海岭表现为正梯度），这将有助于我们确定海岭走向和洋壳扩张方向的变化，为研究深海混合过程和板块重构提供依据。

图4 东太平洋脊（EPR）的垂直重力梯度。（A）为SWOT VGG模型；（B）为传统模型

海山是洋壳下方岩浆侵入和喷发的产物，但传统的低分辨率模型仅能识别高度大于1 km的海山。通过与船测数据进行对比，SWOT VGG模型能够有效识别高度为450 m，直径为4 km的小海山（图5a和图5b，海山表现为正梯度），因此基于幂律分布定律和VGG新模型，全球高于450 m的海山数据库将会增加一倍的数量。

图5 东太平洋脊附近的海山识别结果。（A）船测海底地形模型；（B）SWOT VGG模型

图6 阿根廷东部大陆边缘（A、B）和斯维尔德鲁普海盆（C、D）的垂直重力梯度。（A、C）SWOT VGG模型；（B、D）传统模型

此外，SWOT VGG模型还能够清晰地显示大陆边缘的结构。图6a和b给出了SWOT VGG模型和传统模型在阿根廷东部陆缘的结果，很明显SWOT VGG模型能够清晰地展示出大陆架上（-500 m以西）的断层和沉积层、大陆斜坡上（-500 m~-1000 m）的滑坡和峡谷结构以及和深海盆地（-1000 m以东）上的湍流结构。图6c和d给出了SWOT VGG模型和传统模型在斯维尔德鲁普海盆的结果，其中SWOT VGG模型更能清晰地展示出盆地内部的隆起-裂谷-隆起结构。

尽管SWOT VGG模型显著地提升了全球垂直重力梯度的精度（1.2 mGal）和空间分辨率（8 km），但由于仅使用了一年的观测数据，数据叠加次数只有18次，因此数据信噪比仍有提升的空间，尤其是在赤道地区。如果未来使用重复观测数据进行叠加，可以进一步提高模型的分辨率，在大陆边缘最高可达4 km，深海区域可达7~9 km。SWOT卫星最大的不足是无法观测星下点两侧8 km的宽度范围（图1），且一直保持21天的轨道周期，这导致SWOT VGG模型存在小尺度、菱形的数据空白区。此外，由于轨道倾角问题，SWOT观测无法覆盖北极和南极部分区域。

目前SWOT卫星仍在工作中，KaRIn、传统测高仪（Poseidon-3C）等仪器也还在不断收集数据。随着数据的积累，全球海洋垂直重力梯度模型将会进一步精化，有助于我们发现更多微小尺度的海底构造。此外，高分辨率垂直重力梯度分布可以揭示行星内部结构，例如月球和火星的岩浆活动遗迹、隐伏撞击坑、地外熔岩管道等（Andrews-Hanna et al., 2014; Chappaz et al., 2017; Jiang et al., 2024）。

主要参考文献：

Andrews-Hanna J C, Besserer J, Head III J W, et al. Structure and evolution of the lunar Procellarum region as revealed by GRAIL gravity data[J]. Nature, 2014, 514(7520): 68-71.

Chappaz L, Sood R, Melosh H J, et al. Evidence of large empty lava tubes on the Moon using GRAIL gravity[J]. Geophysical Research Letters, 2017, 44(1): 105-112.

Fu L L, Pavelsky T, Cretaux J F, et al. The surface water and ocean topography mission: A breakthrough in radar remote sensing of the ocean and land surface water[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51(4): e2023GL107652.

Jiang Y, Xu C, Chen L. An overview and perspective of identifying lunar craters[J]. Science China Earth Sciences, 2024, 67: 1395-1416.

Panet I, Pajot-Métivier G, Greff-Lefftz M, et al. Mapping the mass distribution of Earth’s mantle using satellite-derived gravity gradients[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(2): 131-135.

Sandwell D T, Müller R D, Smith W H F, et al. New global marine gravity model from CryoSat-2 and Jason-1 reveals buried tectonic structure[J]. Science, 2014, 346(6205): 65-67.

Yu Y, Sandwell D T, Dibarboure G. Abyssal marine tectonics from the SWOT mission[J]. Science, 2024, 386(6727): 1251-1256.

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撰文 | 姜衍，徐长仪/地球与行星物理学科中心