复杂地质背景下重力变密度反演方法研究及其在南中国海莫霍面探测中的应用

《Journal of Geophysics and Engineering》：Investigating the gravity variable density inversion method in complex geological settings: application to the South China Sea

本刊推荐：为应对南中国海(SCS)复杂地质构造中莫霍面反演的挑战，研究人员开展了基于分区变密度模型的重力界面反演研究。通过引入由三次多项式描述的垂向密度变化模型（公式1）并融合地震约束数据（公式3），成功获取了高精度的莫霍面深度、地壳厚度和拉张因子分布。该研究为解析南海大陆边缘盆地演化机制提供了重要地球物理依据。

　　

作为西太平洋最大的边缘海盆地，南中国海经历了大陆裂解、海底扩张和热沉降等复杂地质过程，形成了大陆地壳、大洋地壳和过渡地壳并存的特殊构造格局。这种复杂性使得传统重力反演方法面临两大挑战：其一，不同地壳类型的莫霍面深度存在剧烈起伏（图4）；其二，壳幔密度差在三维空间呈现显著变化，既存在垂向梯度又存在横向突变（图7a）。

为解决上述问题，李淑玲等研究人员在《Journal of Geophysics and Engineering》发表论文，提出了一种融合地震约束的分区变密度重力反演策略。该研究首先通过合成数据验证了方法的有效性（图1-3），随后应用于南海实际地质数据，成功揭示了该区域精细的壳幔结构特征。

关键技术方法包括：1）基于地震速度剖面（OBS/SB/ESP）建立分区变密度模型，通过经验公式（公式4）将速度值转换为密度值；2）采用变密度棱柱体正演算法（公式2）计算重力响应；3）开发约束迭代反演算法（公式3），引入328个地震约束点控制反演过程；4）利用重力异常剥离和频率滤波技术提取莫霍面重力异常（图6）。

4.1 地质背景与地球物理数据

研究收集了WGM2012布格重力异常、地形、沉积层厚度（EGM2008）及25条地震剖面数据（图5）。南海壳幔结构横剖面（图4）清晰显示不同地壳类型对应的密度差异和莫霍面起伏特征，为建立分区变密度模型提供了地质依据。

4.2 重力数据处理与分区变密度模型

通过最小二乘拟合获得了三类地壳的密度-深度多项式曲线（图7a）：大陆地壳（y₁）变化平缓，大洋地壳（y₂）梯度陡峭，过渡地壳（y₃）介于二者之间。据此将研究区划分为三个密度分区（图7b），建立了同时考虑垂向和横向密度变化的综合模型。

4.3 南海莫霍面反演结果

反演获得的莫霍面深度（图8）显示：大洋地壳区深度约7-10 km，大陆地壳区深度大于20 km（最大33 km），过渡带在数十公里范围内出现12-20 km的剧烈变化。重力异常残差（图9a）在主体区域控制在±0.5 mGal以内，328个约束点的深度残差标准差为2.482 km（图9b），验证了反演结果的可靠性。

沿OBS2011-3剖面的对比分析（图10）表明，反演深度（绿线）与地震折射深度（紫点）在大洋和大陆区域高度吻合，但在过渡带存在偏差，可能与密度模型精细化不足及平滑目标函数的使用有关。

5 讨论

基于反演结果计算的地壳厚度（图11a）呈现从大陆向大洋递减的趋势（30 km→4 km），22 km等值线勾勒出南海菱形洋盆轮廓。拉张因子分布（图11b）显示洋盆区域值最高（>3.5），周边过渡带出现陡变梯度。结合构造解释识别出11条深大断裂、13个沉积盆地及海底扩张脊，揭示了断裂系统对盆地分布的控制作用。

本研究通过发展分区变密度重力反演技术，成功解决了复杂构造区莫霍面成像的难题。获得的壳幔结构参数为理解南海大陆边缘演化提供了量化依据，该方法亦可推广至其他复杂构造区的深部结构探测。未来将通过优化密度模型和目标函数，进一步提升构造突变带的反演精度。