地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (5): 2449-2455   PDF    
引用本文
尹文笋, 张建中. 陆地和海底地形对海洋重力异常的影响[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(5): 2449-2455, doi: 10.6038/pg20140569  
YIN Wen-sun, ZHANG Jian-zhong. The effect of Terrestrial and submarine topography on the marine gravity anomalies. Progress in Geophysics, 2014, 29(5): 2449-2455, doi: 10.6038/pg20140569   
陆地和海底地形对海洋重力异常的影响
尹文笋, 张建中     
中国海洋大学海洋地球科学学院, 青岛 266100
收稿日期: 2014-1-14 修回日期: 2014-4-15 .
基金项目：国家自然科学基金( 41074077)和高等学校博士学科点专项科研基金(20130132110023)联合资助.
作者简介：尹文笋,男,1989年生,硕士研究生,从事地球物理学研究.(E-mail: sunger7@163.com)
通讯作者：张建中,男,1963年生,博士,教授,博士生导师,主要从事地震层析成像,重磁正反演和解释,探地雷达信号处理与成像等研究.(E-mail: zhangjz@ouc.edu.cn)
摘要：本文利用ASTER GDEM全球数字地形数据和GEBCO的海底地形数据,分别计算了陆地地形和海底地形对我国渤海、黄海、东海、南海区域的海洋重力响应值,也计算了重力响应值的剩余异常与梯度异常.我们将周围地形分为近、中、远三个区域,其中近区和中区采用不同尺度的矩形棱柱,远区采用扇形球壳块模型,同时推导了中区与远区间扇形块重力响应的计算公式.结果表明,在渤海北部、黄海北部、东海南部、北部湾和南海四周距海岸线约100 km以内海域,陆地地形的重力响应较大,幅值大于1×10-5 m/s2,且陆地地形在海域产生局部重力异常;海底地形对海洋重力异常的影响很大,因此海洋地质调查应使用进行了地形校正的布格重力异常.
关键词： 海洋重力异常     陆地地形     海底地形     地形校正    
The effect of Terrestrial and submarine topography on the marine gravity anomalies
YIN Wen-sun, ZHANG Jian-zhong     
College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
Abstract: Using the global digital terrain data (ASTER GDEM) and the submarine topography data (GEBCO), the effects of the land terrain and bathymetry on the marine gravity in the Bohai Sea, the Yellow Sea, the East China Sea, and the South China Sea have been calculated, respectively. The residual gravity anomalies and the gradient anomalies of the effects are then calculated. The terrain surrounding each gravity station is divided into the inner, the middle, and the outer zones. The inner and the middle zones are discretized by rectangular prisms, while the outer zone is divided by fan-shaped columns. Meanwhile, the formula for calculating the gravity effect of the terrain between the middle and outer zone was derived. The computation results show that in the northern Bohai Sea, the northern Yellow Sea, the southern East China Sea, the North Bay, and the South China Sea, within the area of 100 kilometers offshore, the amplitude of gravity effect of land terrain is larger than 1×10-5 m/s2, and the residual gravity anomalies are yielded by the land terrain in these seas. The sea floor topography effects greatly on the marine gravity anomaly. Thus, terrain correction must be applied to the Bouguer gravity anomaly in marine geological surveys.
Key words: marine gravity anomaly     land topography     sea-floor topography     terrain correction    
0 引 言

陆地重力勘探都会考虑地形对重力异常的影响，并通过地形校正消除重力异常中的地形效应.在海洋重力勘探中，一般认为重力测点距离陆地地形较远，不考虑陆地地形的影响；在近海海底地形起伏较小，在深海重力测点与海底距离较大，在对重力异常精度要求较低的情况下，海底地形的影响也常常被忽略.我国《海洋调查规范》(中华人民共和国行业标准，2007)和《区域重力调查规范》(中华人民共和国国土资源部，2007)都没有要求对海洋重力资料进行地形改正.人们已经认识到获取精度更高的海洋重力异常有必要消除海底地形影响(吕川川等，2009).(陈洁等2012)认为南海的海岛海山等正向高地均与自空重力高异常相对应，并认为这些重力高可能与形成这些海岛海山的玄武岩、花岗岩、变质岩等相对高密度物质有关.(李刚等2011)也认为南海自空重力异常与海底地形呈明显的正相关，而布格异常与地形之间的负相关关系十分明显.由于这些异常没有进行海底地形校正，所以，这些重力异常必定包括海底地形变化的影响.当海底地形变化的重力效应较大时，将导致对这些重力异常地质解释的偏差.

我国《海洋调查规范》要求小于150万重力调查的自由空气重力异常均方根误差不得大于3 ×10-5 m/s2，大于150万重力调查的自由空气重力异常均方根误差不得大于2×10-5 m/s2，加速开展的海洋地质调查和海底资源勘探对重力异常精度提出了更高的要求.现有的海洋重力仪，在复杂海况情况下观测精度能够达到1×10-5 m/s2，在平静海况条件下能达到0.01×10-5 m/s2(黄谟涛等，2005)，通过考虑更多外部影响因素和提高重力外部改正精度，可以进一步提高海洋自由空气重力异常和布格重力异常的精度.那么，人们通常不考虑的陆地地形和海底地形，对海洋重力异常究竟有多大影响？海洋重力异常有没有必要进行大陆地形校正和海底地形校正？

本文利用ASTER GDEM(http://www.gscloud.cn/)(ASTER Global Digital Elevation Model)的全球数字地形数据和GEBCO(http://www.gebco.net/)(The General Bathymetric Chart of the Oceans)的海底地形数据，计算了我国渤海、黄海、东海、南海附近陆地地形及海底地形对这些海域的重力响应值，展示了该重力响应值的变化特征，分析了不同海域大陆地形和海底地形对重力异常的影响.

1 地形资料来源

陆地地形资料源于国际科学数据服务平台(International Scientific Data Service Platform)的“全球30m分辨率数字高程数据”，即先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(ASTER GDEM).ASTER GDEM按照1°×1°经纬网格进行划分，在每一个网格再按照30 m×30 m的网格进行细分，给出了每一网格节点上的地形高程数据，其中海洋区域的地形高度置为0.本文使用ASTER GDEM(V1)的数据.该数据中存在一些数据空白区或数据 异常点，其值被赋为-9999(赵海涛等，2011).我们利用邻近的有效高程数据对这些异常数据进行了内插填补(王涛等，2006).

海底地形资料来源于大洋地势图GEBCO，其数据网格为30″×30″.海洋深度数据是通过船舶测深数据整理得到，陆地及岛屿高程利用了SRTM30的数字高程数据.本文在计算海底地形的重力效应时将陆地高程数据置为0.

2 地形重力响应的计算

地形校正的高程数据范围理论上应该是覆盖全球的，一般考虑166.7 km(Mikuka et al., 2006)范围就能兼顾地球曲率与截断的影响.重力勘探地形校正值的计算一般分为近、中、远三个区域进行，三个区域的地形与计算点的距离不同，对计算点的影响不同，要求的计算精度也不同.文中在计算大陆地形和海底地形的重力响应时，也采用与陆地地形改正类似的计算方法.取地形范围的最大半径(Nowell，1999)为166.7 km，近区采用较密的矩形棱柱离散模型，中区采用较稀的矩形棱柱(张克非，1990)模型，远区采用扇形球壳模型，如图 1所示.

图 1 近区、中区、远区地形分区图. 外层的三圆环表示远区的三个区域 Fig. 1 The inner，middle and outer zones for terrain correction. The outer three rings represent the far zone

近区、中区地形响应值计算公式.如图 1，O点为计算点，其周围地形在该点产生的重力值为每个矩形棱柱体产生的重力值之和.每个直立棱柱重力值的计算公式为(曾华霖，2005)

其中，G为万有引力常数，在计算大陆地形时，ρ为地壳平均密度，约为2.67×103 kg/m3，在计算海底地形时，ρ为地壳平均密度与海水平均密度之差，约为1.64×103 kg/m3.(x，y，z)为计算点的坐标，(ξ，η，ζ)为任意质量点的坐标，r=(ε-x)2+(η-y)2+(ζ-z)2 .

远区地形响应值计算公式.远区为图 1的外层三圆环，地形被分割为球壳扇形，如图 2所示，球壳扇形的重力表达式为(雷受旻，1984; 周聪等，2010)

图 2 扇形球壳块示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the fan shaped spherical crustal block

经推导得

其中，R为地球的平均半径，h为该球壳域内的平均地形高度，θ1为靠近测点的球壳边界的地心角，θ2为远离测点的球壳边界的地心角，z为计算点高程.这种模型方法，兼顾地球曲率对地形响应值的影响.

中、远区接口问题.在中区方域与远区扇形域之间存在四个扇形块，如图 1中阴影部分，每个扇形一半的重力响应计算公式为

其中，R为扇形块的半径，H为扇形块一半范围内相对于计算点的平均高程差.

地形分区方式及其范围.在陆地地形响应计算时，近区范围置为0~900 m，网格大小为30 m×30 m，中区范围为900~9900 m(William，2008)，网格大小为450 m×450 m.每个扇形块外弧半径为14 km，并分成两半分别计算.远区从14 km(曾华霖，2008)至166.7 km，将远区划分成3个部分，半径分别为14~25 km，25~80 km，和80~166.7 km，这3个圆环区域又分别分割成16、24和28个扇形球壳.

在海底地形(韩革命等，2012)响应计算时，由于海底地形数据稀疏，计算时将地形改正范围分割为近区、扇形补偿区域、远区.近区地形离散网格为30″×30″，计算中将网格近似看做矩形网格，网格尺寸近似为900 m×900 m，近区范围为9900 m×9900 m.远区球壳域半径为14~166.7 km，被分割成3个环带，半径分别为14~25 km，25~80 km和80~166.7 km，这3个区域也分别分割成16、24和28个扇形球壳，中间的扇形区域补偿办法与陆地地形计算一致.

3 陆地和海底地形在我国海域的重力响应特征

分别计算了陆地地形和海底地形在我国渤海黄海区域(N31-N41，E117-E127)、东海区域(N23-N33，E117-E131)和南海区域(N5-N22，E109-E122)的重力响应.为了更充分显示地形重力响应值在各海区的变化特征，又计算了这些重力响应的局部异常值和特定方向的导数值.在各海区地形重力响应与局部异常单位为10-5 m/s2，各方向导数值的单位为E；彩色背景表示陆地和海底地形高程，黄色和红色表示陆地，高程大于0；蓝色表示海洋区域，高程小于0；陆地海拔与海洋深度的单位为m.

3.1 渤海黄海区

图 3为渤海黄海区域大陆地形重力响应及其北东向梯度和局部异常的等值线图.在渤海区域，由于北西方向大陆地形较高，大陆地形响应为-0.1×10-5～-5×10-5 m/s2.在我国黄海，大陆地形响应幅值小于0.5×10-5 m/s2，但在靠近朝鲜半岛一侧，因大陆地形剧烈变化，大陆地形响应幅度大于0.5×10-5 m/s2，最大值可达4×10-5 m/s2.在渤海和黄海东部存在明显的重力梯度异常，渤海属于内海，受周围大陆地形及其走势的影响，北东向梯度异常幅度最大可达4E，在黄海区域靠近朝鲜一侧，最大梯度异常幅度可达8E，在黄海近山东半岛侧，则由于地势平缓，梯度异常很小，在黄海近韩国一侧，梯度异常幅度可达4E，韩国南部的岛屿在图 3a中无明显的重力响应表现，而在梯度异常图中的梯度异常幅度达3E，韩国东部海域也存在一些岛屿，在这些岛屿处，也存在幅度达2E的梯度异常.在该区地形响应局部异常总体较小，但在渤海北西一侧和黄海靠近朝鲜半岛一侧及黄海中部，也有幅度约0.25×10-5 m/s2左右的剩余重力异常，在韩国东部岛屿处，也有幅度为0.01×10-5 m/s2左右的剩余重力异常.

图 3 渤海黄海陆地地形重力响应(a)及其北东向梯度图(b)和局部异常图(c). Fig. 3 Terrestrial terrain gravity effect of the Bohai Sea and the Yellow Sea(a)，north-east gradient map(b) and local anomaly map(c).

图 4是渤海黄海区域海底地形重力响应值及其东南向梯度异常和局部异常等值线图.在渤海区域，水深变化不大，海底地形的重力响应为1～5×10-5 m/s2，在黄海，海底地形的重力响应从海岸带附近的3×10-5～4×10-5 m/s2，增大到中心地带12×10-5 m/s2，且沿我国一侧重力等值线宽缓，沿朝鲜半岛一侧等值线相对密集.在梯度异常图上，沿海岸带与水深剧烈变化带具有较大的梯度值，渤海与黄海西部海底地形平缓，其最大梯度值约为4E，在黄海东部的岛屿处，由于海底地形的突变，在其附近形成了等值线圈闭，最大梯度值约6E.渤海黄海区域的海底地形重力响应的局部异常分布很多，比陆地地形的复杂得多，其剩余异常幅值可达1×10-5 m/s2.

图 4 渤海黄海海底地形重力响应(a)及其东南向梯度图(b)和局部异常图(c). Fig. 4 Seabed terrain gravity effect of the Bohai sea and the Yellow sea(a)，south-east gradient map(b) and local anomaly map(c).
3.2 东海区

图 5是东海大陆地形重力响应及其东西向水平梯度和局部异常等值线图.在东经124度以东，大陆地形产生的重力异常很小，异常幅值小于0.1×10-5 m/s2，剩余异常基本为0，在除岛屿处，梯度异常幅值也基本为0.在琉球群岛处海拔较小，产生的重力异常很小，却有明显的水平梯度异常，幅值达0.1E.在台湾海峡及台湾岛附近海域，大陆和台湾岛地形产生很大的重力异常，台湾海峡幅度达5×10-5 m/s2以上，在台湾岛右侧，远离陆地110 km以外，陆地地形产生的重力异常幅度也有1×10-5 m/s2.在台湾海峡和台湾岛附近及东经124度以西地区，陆地地形产生很强的重力水平梯度异常，同时也存在幅度大于0.01×10-5 m/s2的剩余异常.

图 5 东海陆地地形重力响应(a)及其东西向梯度(b)和局部异常图(c). Fig. 5 Terrestrial terrain gravity effect of the East China Sea(a)，east-west gradient map(b) and local anomaly map(c).

图 6是东海海底地形重力响应及其东西向梯度和局部异常等值线图.东海海底地形引起很强的重力响应，从海岸线附近的6~8×10-5 m/s2向深水区不断增大，至台湾岛及琉球群岛一带重力异常大于120×10-5 m/s2，向外继续增大.在台湾岛及琉球群岛一带为梯度变化很大的重力梯级带，宽度约600 km，梯度异常达200E.在该带以北和以南，重力场变化宽缓，剩余异常和梯度异常也不大.在沿台湾岛及琉球群岛一线300 km宽的范围内，分布有幅度很强的两高夹一低的南北向到东西向的剩余异常和梯度异常带，剩余异常幅值可达20×10-5 m/s2，梯度异常可达80E.显然，这些重力效应变化特征与台湾岛和沿琉球群岛分布的一系列的岛屿密切相关.

图 6 东海海底地形重力响应(a)及其东西向梯度图(b)和局部异常图(c). Fig. 6 Seabed terrain gravity effect of the East China Sea(a)，east-west gradient map(b) and local anomaly map(c).
3.3 南海区

中国南海被中国大陆南部及越南、印尼、菲律宾等周边国家陆地包围，且南海中岛屿众多，南海大部地区受陆地地形的影响较大，如图 7所示.在北部湾和海南岛南部海岸附近，陆地地形重力响应幅度大于2×10-5 m/s2，在越南东部海岸陆地响应幅度大于4×10-5 m/s2，在菲律宾和印尼西部海岸线附近，陆地响应幅度大于6×10-5 m/s2，远离海南岛大陆约100 km、越南大陆约100 km、菲律宾大陆约200 km和印尼大陆约100 km，大陆地形的重力效应幅度影响减小到0.1×10-5 m/s2，在四周距海岸线200 km以内也存在有明显的剩余重力异常和水平梯度异常.在南海4个群岛中，由于他们的陆地地形海拔较小，除了西沙群岛与南沙群岛的最大陆地地形重力响应较小，幅度约为0.1×10-5 m/s2，中沙群岛和东沙群岛的陆地地形重力响应较小，幅度在0.05×10-5 m/s2左右，但他们的水平梯度均变化剧烈，西沙群岛、南沙群岛梯度异常幅值最大可达0.1E，另外两群岛梯度异常幅值约为0.01E，另外，4大群岛的剩余异常也较小，西沙与南沙群岛剩余异常幅度可达0.01×10-5 m/s2，中沙与东沙群岛剩余异常幅度可达0.001×10-5 m/s2.从图 7等值线可以了解到，南海四周陆地和大面积岛对南海重力影响较大，他们在重力异常图、梯度图与局部异常图上都能有所响应，而小岛屿地形的重力效应则较小，可忽略不计.

图 7 南海陆地地形重力响应(a)及其东西向梯度图(b)和局部异常图(c). Fig. 7 Terrestrial terrain gravity effect of the South China Sea(a)，east-west gradient map(b) and local anomaly map(c).

图 8是南海海底地形重力响应及其东西向水平梯度和局部异常图.由于南海水深较大，海岛海山分布众多，海底地形变化复杂，海底地形重力响应值大且变化复杂.在东沙群岛以北、中沙群岛以西、南沙群岛以南及黄岩岛以东，海底地形重力响应值表现为很强的且较宽的梯级带，幅值从岸边的40×10-5 m/s2左右到中部深水区的280×10-5 m/s2以上，在东沙群岛附近、西沙群岛南部、中沙群岛南部和曾母暗沙北部分布有明显的较大的局部重力高.在剩余异常图上，南海分布有众多的、大小不等的局部异常，并与南海的岛屿、海山等相对应.在东西向水平梯度图上，南海周边及中部都分布有很明显的梯度异常.图 8表明，海底地形包括海岛海山对重力异常及重力梯度的影响较大.(李刚等2011)也认为“南海空间重力异常与海底地形呈明显的正相关，而布格异常与地形之间的负相关关系十分明显”.该文的布格异常仅作了中间层校正而没有进行地形校正，仍然含有海底地形的影响.因此，对于海底以下地质构造调查及勘探和研究地壳深层构造(张训华，1998)等工作，应使用进行了海底地形校正的布格重力异常.

图 8 南海海底地形重力响应(a)及其东西向梯度图(b)和局部异常图(c). Fig. 8 Seabed terrain gravity effect of the South China Sea(a)，east-west gradient map(b) and local anomaly map(c).
4 结 论 4.1

在渤海北部、辽东半岛东南部50 km以内、台湾海峡及台湾岛周围200 km以内、北部湾、海南岛-越南海岸线100 km以内以及黄岩岛-南通礁以东50 km海域外，陆地地形的重力响应较大，幅度大于1×10-5 m/s2左右，这些区域的重力调查，应该考虑陆地地形的影响.另外在黄海西部、台湾岛200 km以北的东海海域及南海远离大陆200 km海域，陆地地形的重力响应很小，一般幅值小于0.1×10-5 m/s2，海岛也能产生幅度小于0.1×10-5 m/s2的重力响应，可根据实际的勘探精度考虑他们的影响.

4.2

相对于陆地地形，海底地形在海域产生很大的重力异常响应值，水深越大，该响应值越大，如黄海最大值12×10-5 m/s2以上，东海最大值100×10-5 m/s2以上，南海最大值260×10-5 m/s2以上.海底地形在海域周边产生很强的重力梯级带，海底地形的变化以及海岛海山往往产生很大的局部重力异常.因此，海洋重力调查有必要考虑海底地形的影响.

4.3

在海陆交接区域，陆地地形和海底地形常常产生很强的重力梯级带和局部重力异常，在重力异常的地质解释时值得注意.

4.4

目前的海洋重力调查一般计算自由空气重力异常或不进行地形校正的布格重力异常，未考虑陆地地形和海底地形的影响.鉴于陆地地形，特别是海底地形对重力异常的较大影响，建议进行海底地形校正，并在上述陆地地形响应较大的海区进行陆地地形校正，获取消除海底地形或/和陆地地形效应的布格重力异常，用于推断海底地质构造，以及海陆重力资料的统一拼接和解释.

致 谢 本文所用的数据来自于国际科学数据服务平台和GEBCO.

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