《Remote Sensing of Environment》：Revealing buried tectonic structures in the Gulf of Mexico using SWOT-derived marine gravity
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研究人员利用SWOT测高技术以约10 km的分辨率恢复海洋重力。SWOT重力相较于多任务测高表现出约8%更低的均方根偏差(RMSD)。相对于SIO V32.1，沿海重力精度提升了多达13%。SWOT重力梯度揭示了墨西哥湾埋藏的构造结构。宽刈幅测高绘制了厚沉积物
研究人员利用SWOT测高技术以约10 km的分辨率恢复海洋重力。SWOT重力相较于多任务测高表现出约8%更低的均方根偏差(RMSD)。相对于SIO V32.1，沿海重力精度提升了多达13%。SWOT重力梯度揭示了墨西哥湾埋藏的构造结构。宽刈幅测高绘制了厚沉积物下的构造结构。
【研究背景与意义】
地表水与海洋地形(Surface Water and Ocean Topography, SWOT)任务于2022年12月16日发射，开创性地利用Ka波段雷达干涉测量技术测量120公里宽刈幅内的海面高度(SSHs)，其中包含20公里的星下点间隙。除了实现观测亚中尺度(<100 km)涡旋和波动的海洋学目标外，SWOT海面高度观测具有推导海洋重力场的独特二次应用。由于海面坡度（即垂线偏差, DOVs的负值）对海底质量分布有响应，SWOT的宽刈幅、高精度测量能够恢复重力异常和垂向重力梯度，提供比30年常规星下点测高更精细的空间细节。近期多项研究证实了这一潜力。墨西哥湾(GoM)是评估SWOT测高揭示海洋盆地构造结构能力的理想天然实验室。其由一对共轭被动陆缘组成，中心带为侏罗纪洋壳，西边界为转换陆缘。构造框架包含已灭绝的扩张洋脊段、转换断层/破裂带、外缘凹陷和洋壳基底阶状抬升。然而，大部分构造被埋藏在厚沉积层和广泛盐岩区之下，现有测深和重力模型无法提供足够精度或分辨率来可靠解析这些埋藏结构。因此，构造特征的识别主要依赖昂贵且耗时的地震和航磁测量，限制了全盆地构造框架约束，导致海湾张开历史和板块运动学关键问题仍存争议。为了改善沉积盖层下地壳结构探测和制图，亟需基于卫星测高恢复高精度、高分辨率海洋重力模型。该研究评估了SWOT反演海洋重力精度和分辨率，并探讨其揭示常规测高模型中模糊或缺失构造特征的能力，为沉积覆盖被动陆缘成像提供新遥感工具，研究成果发表在《Remote Sensing of Environment》。
【关键技术方法】
研究人员使用了美国国家环境信息中心(NCEI)1968至1994年间的44条船测重力数据作为验证参考。在处理SWOT Level 2 KaRIn低速率海面高度(L2_LR_SSH)产品时，采取了异常值去除、扣除海面异常(SLA)以隔离大地水准面信号、以及校正横滚和基线等干涉误差的数据处理策略。研究采用移去-计算-恢复策略，利用EGM2008模型移除长波信号以获取剩余大地水准面高。针对密集数据引起的协方差矩阵病态问题，采用Tikhonov正则化与L曲线法(Tikhonov-LSC)稳定估计北、东向大地水准面梯度分量。最后，利用逆Vening-Meinesz(IVM)公式反演网格上的重力异常，并数值微分求得垂向重力梯度。
【研究结果】
Tikhonov-LSC估计的北向和东向大地水准面梯度分量
研究人员通过计算23个周期SWOT数据的平均剩余沿轨和跨轨道大地水准面梯度(GGs)，清晰分辨出佛罗里达陡崖和坎佩切陡崖等海底构造特征。针对密集数据导致的协方差矩阵不适定问题，Tikhonov-LSC方法有效解决了病态问题，产生了稳定的剩余北向和东向梯度分量解。北向分量主要描绘东西走向的海底结构，而东向分量反映南北走向的结构。SWOT跨轨道大地水准面梯度提供了沿轨梯度无法捕获的补充信息，改善了东向梯度分量估计，从而更清晰地表达海底构造。在缺乏SWOT观测的空白区域，梯度分量通过周围数据插值获取，精度较低。
SWOT数据处理策略的有效性
研究评估了SWOT数据处理策略在科学阶段数据中的有效性。倾斜校正有效减轻了刈幅级的系统误差，呈现出与SWOT刈幅布局一致的条纹模式差异。去除CMEMS SLA的差异揭示了海洋变率对重力恢复的影响，明显突出了洋流锋面和大尺度涡旋。尽管网格状图案在重力差异中可见，但其对推导重力场影响有限，未明显传播至最终重力异常场。在全研究区尺度上，倾斜校正和SLA去除对整体重力均方根偏差(RMSD)改善有限，但在洋流等海洋动力学活跃的子区域，RMSD从2.06 mgal降至2.03 mgal，表明这些校正的益处在动态海洋区域更为明显。
SWOT对海洋重力精度和分辨率的提升
SWOT显著提高了海洋重力场的精度。基于1.5年SWOT数据反演的重力场实现了3.20 mgal的RMSD，优于基于30年常规测高的SIO V32.1重力模型（3.49 mgal），精度提升了8.3%。SWOT反演的重力场以空前的清晰度捕捉海底形态，清晰描绘了盐盆、陡崖和外缘凹陷等特征，并在剩余异常和最内带计算中进一步锐化南北和东西走向结构。在沿海区域，星下点测高覆盖稀疏且精度下降，长期限制重力恢复；而SWOT宽刈幅提供的密集覆盖使得精度提升尤为显著，在距岸8 km范围内，RMSD从约10 mgal降至9 mgal以下，精度提升高达13.3%。通过均方相干性(MSC)方法评估，SWOT达到了9.6 km的空间分辨率，显著优于SIO V32.1的13.0 km，能在更短波长上保持相干性，解析常规测高模型中模糊的基底尺度构造特征。
SWOT重力梯度揭示的埋藏构造结构
研究人员通过SWOT反演的垂向重力梯度清晰地勾勒出墨西哥湾盆地中已灭绝的中生代扩张洋脊段及转换断层和破裂带的痕迹。例如，SWOT在西部盆地揭示了洋脊跃移导致的双洋脊几何形态，并探测到仅在航磁数据中识别出的破裂带南部走向变化。沿坎佩切陆缘，外缘凹陷及其洋壳基底阶状抬升被SWOT清晰界定。SWOT垂向重力梯度还以极高保真度捕捉了盐盆形态，准确表示了复杂的盐穹和微型盆地，其空间趋势与地震数据映射结果高度吻合。在墨西哥湾西部，首次通过SWOT测高清晰表达了墨西哥脊重力拆离褶皱带，甚至包括缺乏地形起伏的埋藏褶皱。尽管经历了6500万年的碳酸盐沉积，希克苏鲁伯撞击坑的海洋部分依然可见，并发现了一条南北走向的线性特征。
【讨论与结论】
研究表明，SWOT测高显著提升了海洋重力场精度和分辨率，实现了约10 km的波长敏感度，并在沿海8 km范围内大幅提升重力精度，克服了星下点测高的长期局限。在墨西哥湾，SWOT反演的垂向重力梯度锐化了已灭绝扩张洋脊段、外缘凹陷和盐盆形态的表达，并揭示了测深和常规测高中缺失的特征。结合现有地震、磁力和地质证据，SWOT反演的垂向重力梯度为沉积覆盖海洋盆地提供了独立的地球物理约束，为评估盆地张开期间的欧拉极移、岩浆丰富的陆缘裂解以及撞击过程相关的变形等假说提供了新证据。随着SWOT任务的推进，更多周期数据将进一步提升信噪比，使SWOT不仅成为物理海洋学的突破性任务，也成为固体地球和海洋地球动力学研究的有力遥感平台。
