整合地球物理和地质分析方法，以阐明墨西哥特万特佩克地峡的构造特征

《Tectonophysics》：Integrating geophysical and geological analyses to clarify the tectonics of the Isthmus of Tehuantepec, Mexico

　　M. Camacho-Ascanio | C. Arango-Galván | R. Alvarez | E. Rivera-Calderón
墨西哥国立自治大学（UNAM）地球物理研究所，墨西哥城04510

**摘要**
特万特佩克地峡是环太平洋带中一个地质动力学上极为关键的段落，其特征是明显的结构异质性和复杂的板块相互作用。本研究的主要目的是勘测特万特佩克地峡的地壳结构，并探讨适应该地区北美洲板块、科科斯板块和加勒比板块之间相互作用的扩散型三联点区域的潜在发展情况。为此，研究人员整合了卫星测得的重力模型（EIGEN-6C4）、区域航空重力数据（NA_Mag）以及墨西哥国家地震局（SSN）二十年来的地震记录。通过对位场数据、布格异常值及其垂直导数进行分析，并进行三维重力反演，研究发现圣多明戈德特万特佩克海岸附近存在一个显著的低密度区域（Z1），该区域与磁性最小值以及浅层地震活动的突然变化（约90°方向）相对应。这一现象被解释为与特万特佩克海岭斜向撞击中美洲海沟相关的岩石圈弱化或板块撕裂现象。综合的地球物理证据支持这样一个观点：该地峡是一个分段汇聚边缘，其变形主要通过分布式的三联点区域来释放，而非单一的汇聚点。

**引言**
墨西哥南部的特万特佩克地峡是环太平洋边缘地质构造最复杂的区域之一，科科斯板块、北美洲板块和加勒比板块在此通过一条狭窄的变形带相互作用（Keppie和Morán-Zenteno, 2005；Mandujano-Velazquez和Duncan Keppie, 2009；Manea等人, 2013；Silva-Romo, 2008）。沿该边缘，板块几何形态的变化、地壳结构的突变以及岩浆活动的不连续性表明这里可能存在一个分段式的俯冲系统，甚至可能是岩石圈的撕裂（例如Letort等人, 2018；Calò, 2021；Carciumaru等人, 2020；Ramírez-Rojas和Flores-Márquez, 2022）。然而，将这些现象与连贯的结构边界联系起来仍然具有挑战性，部分原因在于陆地和海洋区域的地球物理观测数据分布不均，且在区域尺度上独立观测数据的整合程度有限（Letort等人, 2018）。
地震和层析成像研究表明，特万特佩克海岭对中美洲海沟处的俯冲系统具有重要的影响，导致板块俯冲角度的空间变化，暗示可能存在促进地幔物质向火山前缘流动的“板块窗口”或撕裂现象（例如Letort等人, 2018；Carciumaru等人, 2020；Calò, 2021）。来自环境噪声层析成像的补充证据显示，墨西哥南部下方存在剪切波各向异性和速度异常，这些特征与地壳的剧烈变化及弧火山活动的突然终止有关（Castellanos等人, 2018；Calò, 2021）。最新的热机械建模进一步支持了板块分段的可能性，认为延性损伤区可能会削弱板块结构，从而促进深层板块内部的断裂（Manea等人, 2025）。尽管取得了一些进展，但所提出的板块分段的几何形态和横向连续性仍不确定，部分原因是许多数据集仅关注岩石圈的选定组分，且在不同尺度上所需的综合约束信息仍较为匮乏（Letort等人, 2018；Manea等人, 2013；Silva-Romo, 2008）。这些局限性促使研究者使用具有区域一致性的位场数据集，以便在整个地峡范围内进行统一分析。
过去十年中，卫星地球物理学技术的进步为重新评估墨西哥南部的区域结构提供了机会（Alvarez和Camacho-Ascanio, 2025）。像EIGEN-6C4这样的全球重力场模型结合了卫星测量数据（如GOCE和GRACE）与航空和地面观测结果，从而能够在区域至岩石圈尺度上绘制出密度对比和地壳不连续性（F?rste等人, 2011；Kostelecky等人, 2015；Ince等人, 2019）。当将这些数据与基于导数的方法（如垂直梯度、倾斜角和解析信号）结合使用时，重力与磁数据能够有效增强短波结构特征，帮助识别线性构造、断层边界和分段模式（Miller和Singh, 1994；Cooper和Cowan, 2006；Salem等人, 2008；Verduzco等人, 2004；Alvarez和Camacho, 2023a, Alvarez和Camacho, 2023b, Alvarez和Camacho, 2024；Alvarez等人, 2024；Camacho和Alvarez, 2020；Camacho-Ascanio和Alvarez, 2024；Alvarez和Camacho-Ascanio, 2025）。这种方法为精确描绘特万特佩克地峡的结构提供了独立依据，通过识别地壳尺度的不连续性和裂谷相关构造，并将其与区域地震活动和现有的构造模型进行对比（Camacho等人, 2001, Camacho等人, 2007；Alvarez等人, 2024；Camacho-Ascanio和Alvarez, 2024）。

**本文方法**
为评估特万特佩克地峡的结构分段及其构造意义，我们整合了卫星测得的重力数据（EIGEN-6C4）、区域航空重力数据（NA_Mag）以及墨西哥国家地震局的地震记录。通过结合重力与磁数据的导数结果以及结构分析和三维重力反演，我们：
（1）明确了主要密度和磁化对比区域的空间分布；
（2）识别出在多种地球物理观测中均呈现一致性的线性构造和边界；
（3）将这些特征与地震活动分布进行对比，以判断变形是否最好通过符合岩石圈撕裂机制的分段现象来解释。通过关注跨数据集和尺度均具有稳定性的地球物理特征，本研究为该地区复杂的构造解释提供了综合性框架。

**地质与构造背景**
特万特佩克地峡的地质构造经历了长期的板块聚合作用，大陆架和海洋地壳块的叠加，以及中生代和新生代造山事件遗留下来的结构特征（Silva-Romo, 2008；Manea等人, 2013）。从构造上看，该地峡形成了一条狭窄的地壳走廊，连接着南马德雷山脉（Sierra Madre del Sur）和恰帕斯褶皱-推覆带（Chiapas Fold-and-Thrust Belt），南侧以中美洲海沟（MAT）为界，北侧则毗邻墨西哥湾（Gulf）。

**数据与方法**
为了研究特万特佩克地峡的地壳结构并确定其构造特征，我们整合了卫星测得的重力和磁数据、地球物理导数、结构分析技术以及地震观测数据。研究流程包括七个主要步骤：
1. 全球重力和磁场模型的获取与预处理；
2. 计算布格异常值（Bouguer anomaly）；
3. 综合各类地球物理数据。

**结果展示**
- **布格异常图（Fig. 3）**展示了重力异常分布，数值范围为-147 mGal至284 mGal。在陆地上，布格异常值介于-147至+100 mGal之间；而在海上则介于100至280 mGal之间。海岸线用粗黑线表示，中美洲海沟用分段黑线标示，布格异常等高线以灰色显示。此外还划分了三个矩形区域（PTR1、PTR2和PTR3），对应于Calò（2021）定义的研究区域。
- **布格异常垂直导数图（Fig. 4）**揭示了与布格异常图相似的特征，其中最为显著的是位于特万特佩克湾的绝对最小值（Z1），呈现出约90°旋转的“L”形异常形态。
- **磁数据图（Fig. 5）**显示了多个磁异常区域，其中埃尔奇蓬火山（El Chichón）附近存在磁异常最小值，周围环绕着磁异常最大值，这可能与火山活动有关。
- **地震数据（Fig. 6）**反映了过去20年内该地区的地震活动分布。

**三维重力反演**
本研究通过三维重力反演，根据密度差异和深度范围来识别地下地质体（Fig. 8）。图中显示了三维密度模型结果，密度值相对于平均地壳密度2.67 g/cm3的偏差范围为-0.364 g/cm3至+0.287 g/cm3。

**讨论**
通过对比布格异常图（Fig. 3）、布格异常垂直导数图（Fig. 4）和磁异常图（Fig. 5），我们可以理解Z1异常的发展过程。黑色点代表SSN记录的地震事件，黑色矩形标出了反演区域，黑色和灰色线条表示将通过三维重力反演得到的地质剖面。

**结论**
根据本研究获得的地球物理结果，我们认为Z1异常的Lz1a分支代表了岩石圈的垂直撕裂痕迹。密度模型表明，在俯冲前沿可能存在一个断裂的板块碎片。这一碎片可能在俯冲过程中卡住，从而解释了Z1异常的Lz1b分支的形成以及地震活动的异常分布。

**作者贡献声明**
M. Camacho-Ascanio：撰写、审稿与编辑；原始草稿撰写；可视化处理；验证；软件应用；项目协调；方法论设计；数据采集；数据分析；概念框架构建。
C. Arango-Galván：撰写、审稿与编辑；验证；方法论设计；研究实施；数据分析；概念框架构建。
R. Alvarez：撰写、审稿与编辑；监督工作；研究实施；数据分析。
E. Rivera-Calderón：撰写；审稿工作。

**利益冲突声明**
本研究得到了墨西哥国立自治大学（UNAM）的博士后项目（POSDOC）的支持。作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究得到了墨西哥国立自治大学（UNAM）博士后项目（POSDOC）的资助。