运用谱分解与虚拟变形相结合的方法解决土耳其的深度依赖型构造应力问题

《Journal of Geodynamics》：Resolving depth-dependent tectonic stress in Türkiye using a combined spectral decomposition and virtual deformation approach

　　•光谱虚拟变形技术能够解析与深度相关的构造应力。•NAFZ断层具有深部的延性断裂特征，与浅部的脆性断层有所不同。•深度虚拟膨胀成像技术可揭示安纳托利亚西部的STEP断层通道。•垂直极性反转现象表明安纳托利亚东部存在岩石圈熔融现象。•夹层结构证实了安纳托利亚中部的岩石圈分层现象。

引言
在地球物理研究中，人们通常通过分析自由空气异常和布格异常来识别地下质量分布，而先进的导数方法则能更深入地理解形成这些异常的地球动力作用。其中，虚拟变形分析提供了一种独特视角，它通过量化重力引起的拉伸和压缩应力，不仅能确定导致异常的质量位置，还能揭示其对应的应变场。这些参数是重力势场函数的体现，统称为“重力属性”，相较于传统的重力异常，它们能为地质构造提供更为详细的分析信息。具体而言，虚拟变形代表了为符合等势面而需要的理论变形——即几何上的伸展或压缩——可作为驱动构造变形的实际应力状态的替代指标。通过绘制质量趋于聚集（压缩）或分散（伸展）的区域，虚拟变形分析能够有效界定构造结构的流变边界和力学耦合关系，从而为形态构造活动、侵蚀作用以及深层物质迁移等过程提供重要见解。利用虚拟变形分析可以准确评估与重力异常相关的应力方向和几何形态，进而更清晰地解读复杂的构造环境（Kalvoda等人，2013；Kloko?ník等人，2016；Kloko?ník等人，2019）。

近期地球物理文献中已有大量研究证明，利用衍生出的重力场参数有助于解析复杂的地下特征和构造应力方向。本研究采用的方法和符号与Kloko?ník等人（2010）、Oru?（2010）、Kalvoda等人（2013）、Oru?（2014）、Kloko?ník和Kostelecky（2015）、Kloko?ník等人（2016）、Do?ru等人（2017）、Kloko?ník等人（2017a）、Kloko?ník等人（2017b）以及Eppelbaum等人（2018）、Kloko?ník等人（2018）、Kloko?ník等人（2021）、?zs?z（2021）、?zs?z（2024）所建立的方法体系一致。Kloko?ník等人（2017b）利用重力及重力属性数据，发现了撒哈拉沙漠下埋藏的古代湖泊和古河流系统。大型古代湖泊表现为负的自由空气异常和Tzz值，而虚拟变形图上显示的压缩带则与这些异常的边缘相吻合。此外，尼罗河沿岸的深谷也呈现出负的Tzz值，进一步揭示了地下特征。在另一项研究中，Kloko?ník等人（2018）通过分析自由空气异常和Tzz值的局部最小值，发现了南极洲冰下湖沃斯托克的存在。较高的Tzz值标识出了盆地之间的山脊，而通过Tyy和Txx分量则确定了东西向的应力方向。Eppelbaum等人（2018）利用虚拟变形图构建了阿拉伯-非洲板块区域的构造图。他们的分析表明，划分阿拉伯板块与欧亚板块边界的中生代脊带存在强烈的压缩力，而阿拉伯克拉通则几乎没有变形迹象。此外，努比亚板块和索马里板块也都表现出显著的压缩作用，而位于安纳托利亚板块与非洲板块之间的东地中海地区则处于区域性的压缩状态。Oru?（2010）提出了一种方法，利用重力梯度张量不变量来估算球体、圆柱体等简单地质体的深度。该深度是通过将最大重力垂直分量与不变量I1和I2的最大值之比相乘来计算的。该方法已在包含噪声与不含噪声的理论数据构成的3D模型上进行了测试，并被应用于美国德克萨斯州的实地数据。?zs?z（2024）则利用具有恒定密度的2D重力正演模型，通过分析重力异常、张量梯度及不变量，研究了贝努、伊托卡瓦和埃罗斯小行星的内部结构。

本研究的主要目标是通过将光谱分解技术与重力场的虚拟变形分析相结合，揭示土耳其与深度相关的地球动力结构。与传统往往侧重于复合异常的势场研究不同，本研究旨在解析从深部的软流圈-上地幔到脆性的近地表层的构造结构的垂直连续性和流变分层特征。这一研究设计将两种验证方式直接融入研究过程中。首先，由于虚拟变形是基于扰动势场所对应的应力与应变场推导出来的，而非直接源于造成势差的密度差异，因此它能够还原出那些已通过独立的地震学和大地测量学证据所确定的构造要素——包括爱琴海的伸展机制、北安纳托利亚断层带、阿拉伯板块的刚性特征以及比特利斯-扎格罗斯缝合线结构——这实际上是对该方法基于已知真实情况的有效检验，而非分析过程中的偶然副产品。其次，更为重要的是，用于划分不同岩石圈深度范围的五个光谱带源自互不重叠的波数窗口，因此在每个频段内计算得到的虚拟变形场都是该深度范围内扰动势场的独立表现形式，各频段之间不存在人为设定的连续性。即便在多个独立获得的深度频段之间仍观测到变形极性的连贯过渡，这种垂直耦合现象本身就体现了岩石圈在结构上具有机械连接性且处于活跃耦合状态，这是传统单层次重力解释所无法实现的。在后续讨论中，我们将运用这一内在标准来区分那些处于活跃耦合状态的异常与那些受深度限制、成分固定的构造结构。

为了为这项分析奠定坚实基础，首先使用EIGEN?6C4模型（F?rste等人，2014）中的大地势系数，通过GRAFLAB软件（Bucha和Janák，2013）计算出扰动势场，随后再利用径向平均功率谱（RAPS）技术将其分解为不同的岩石圈深度切片。通过为每个得到的光谱带计算虚拟变形参数，我们旨在揭示驱动主要变形带的力学耦合机制，包括北安纳托利亚断层带的深部根系、安纳托利亚西部伸展区的软流圈运动，以及安纳托利亚东部的碰撞驱动型构造分段。这项研究是首次尝试将该区域与RAPS技术结合产生的伪深度切片与虚拟变形张量分析相融合，从而构建出一个全新的多尺度分析框架，有助于区分深部地幔驱动因素——如板块撕裂、岩石圈熔融以及软流圈流动——与那些常常在全频段重力数据中被掩盖的浅层地壳变形模式。

章节节选
土耳其的构造框架
土耳其地处欧亚板块、非洲板块和阿拉伯板块的关键交汇处，特提斯洋盆的多次扩张与闭合在此形成了由多个大陆块和缝合带组成的复杂结构（?eng?r和Kidd，1979；Seng?r和Yilmaz，1981；Jolivet等人，1999；Okay和Tüysüz，1999；Bozkurt和Mittwede，2001；Moix等人，2008；G?ncüo?lu，2010）。地质和地球物理数据表明，此处存在多个特提斯盆地，其中包括古特提斯盆地以及其若干分支。

扰动静态重力势场
在质量体外部某一点——具体而言，是在由纬度φ和经度λ确定的地球心坐标点上——的重力势场用T表示，其数学表达式为：
Tr,φ,λ=GMr∑l=2∞∑m=0lRrlCl,m′cosmλ+Sl,msinmλPl,msinφ。
在此公式中，GM是引力常数G与地球质量M的乘积，其中已包含了大气带来的影响。变量r表示从计算势场的点出发的径向距离，而R则是地球的赤道半径。

光谱深度分界面的确定
观测到的重力场是由来自上地幔到近地表不同深度的各种源所产生的重力效应叠加而成的复合信号。为了解除这些叠加信号的干扰，提取与土耳其复杂地球动力框架相关的特定构造特征，本研究对WGM2012（Bonvalot等人，2012）布格异常数据应用了径向平均功率谱（RAPS）技术进行光谱分解。

安纳托利亚西部的板块撕裂、软流圈涌动与地壳流变
在WAEP下方LAB区域（n=66–230）观测到的显著虚拟膨胀带，正是Jolivet等人（2013）所描述的板块撕裂和海沟后退机制的典型重力构造标志。这一深部伸展异常具有持续的南北走向，且从LAB区域一直延续至结晶基底层（n=481–1274），在地球动力学上与俯冲-转换边缘传播断层（STEP断层）的几何形态相对应，从而为相关构造机制提供了有力证据。

结论
将光谱分解技术应用于虚拟变形分析，有效地揭示了土耳其与深度相关的地球动力结构，成功区分了深部地幔驱动因素与浅层地壳变形现象。我们的分析发现了安纳托利亚西部下方存在的俯冲-转换边缘传播断层（STEP断层）的深部垂直通道，该通道将上地壳的伸展运动与软流圈的涌动联系在了一起。在北部边缘区域，我们则明确了北安纳托利亚断层深厚的岩石圈根系结构。

作者贡献说明
?lkin ?zs?z：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，软件应用，资源准备，方法论设计，研究实施，正式分析，概念构建。Bülent Oru?：撰写——审阅与编辑，结果验证，研究监督，项目管理，方法论制定，资金筹集。

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
在撰写本文时，作者们使用了Gemini工具来提升文本的可读性。在使用该工具之后，作者们对内容进行了仔细的审阅和修改，并对最终稿件承担全部责任。

利益冲突声明
作者们声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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