西太平洋雅浦-卡羅琳海區(qū)海山多尺度地形特征

甘雨，馬小川，欒振東，宋永東，徐濤，張建興，閻軍

中國科學(xué)院海洋研究所，海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

作為廣泛且不規(guī)則地分布于海底的一類地貌，自第一座海山于1946年被發(fā)現(xiàn)以來[1]，其形態(tài)及分布規(guī)律的研究便受到了地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。傳統(tǒng)上，海山被定義為從基準(zhǔn)面到頂點(diǎn)高度大于1 000 m的水下孤立火山建造[2]，其中具有平緩山頂?shù)囊活惐环Q作平頂海山或桌山[3]。海山的分布廣泛，從洋中脊到地幔柱活躍的板塊內(nèi)部，再到板塊俯沖邊界的島弧體系中均有發(fā)現(xiàn)[4]?；谌蛐l(wèi)星測高數(shù)據(jù)，Kim和Wessel[5]識別出了約25 000座高度大于100 m的潛在海山構(gòu)造。在對海山的形態(tài)研究中，Batiza和Vanko[6]指出，海山形態(tài)的主控因素包括海山基巖的年齡、上覆沉積物厚度、巖漿活動以及巖石圈結(jié)構(gòu)。Smith[7]分析了太平洋中85座海山的剖面形態(tài)，并選擇使用底面寬度、頂面寬度、最大高差、平坦度、坡度和寬高比6個參數(shù)來描述海山形態(tài)。近年來的研究更多地關(guān)注海山地形和火山、構(gòu)造及沉積-侵蝕作用之間的復(fù)雜關(guān)系。例如，基于高分辨率DEM數(shù)據(jù)，Passaro等[8]對意大利第勒尼安海中的Palinuro海山進(jìn)行了研究，分析了如環(huán)狀火山口，崩塌等小尺度火山構(gòu)造的產(chǎn)生原因；Palomino等[9]利用多波束數(shù)據(jù)與單道地震數(shù)據(jù)，分析了加那利海山群的火山過程與滑坡作用對地貌形態(tài)的影響；Bijesh等[10]利用高分辨率水深地形圖研究了印度西南大陸邊緣的海山形態(tài)及其與熱點(diǎn)火山作用的聯(lián)系；針對地中海Graham淺灘上的現(xiàn)代火山噴發(fā)過程，Spatola等[11]綜合測深數(shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)分析了其地貌學(xué)特征。

由于海底地形地貌在發(fā)育和演化過程中，受到了不同的時(shí)間-空間尺度中構(gòu)造活動、沉積作用、海水運(yùn)動和生物過程的影響，多尺度分析方法成為了研究海底地形地貌特征的有效工具[12]。其中，以頻譜分析為代表的多尺度地形分析方法業(yè)已廣泛應(yīng)用于地貌學(xué)的研究之中。Hubbard等[13]提出，通過計(jì)算傅里葉變換功率譜密度函數(shù)的定積分，可以定量分析不同尺度區(qū)間內(nèi)地形剖面的粗糙度。Lyons等[14]利用二維傅里葉變換得到了二維功率譜，并分析了海底底床形態(tài)的多尺度空間特征。在此基礎(chǔ)上，Perron等[15]將二維傅里葉變換方法引入DEM數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，并用該方法分析了準(zhǔn)周期性丘陵地貌的演化過程。在前人對地形地貌多尺度特征的研究中，常常將地形數(shù)據(jù)功率譜的形態(tài)變化，以及不同尺度下地形粗糙度的突變，歸因?yàn)椴煌叨认滤茉斓孛残螒B(tài)的主控過程的改變[16]。如Shepard和Campbell[17]在對夏威夷島熔巖流地貌的研究中指出，厘米級尺度的粗糙度變化主要受控于風(fēng)化與侵蝕作用，而米級尺度的粗糙度變化則受流體侵位作用的控制；Perron等[15]將DEM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化功率譜中大、小尺度間振幅的相對強(qiáng)弱變化歸因于小尺度侵蝕作用強(qiáng)度的改變；通過對美國西部地形和地殼應(yīng)變速率數(shù)據(jù)的多尺度分析，Bomberger等[18]指出，造成大、小尺度地形起伏的原因分別為巖石圈深部的粘性過程以及地殼表層的彈性斷裂。

雅浦-卡羅琳海區(qū)位于西太平洋，地處太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊的交界處，前人對此海域的地球物理特征、巖石學(xué)特征以及構(gòu)造演化背景進(jìn)行了廣泛的研究[19-21]。然而，由于缺乏高分辨率的海底地形數(shù)據(jù)，前人研究未對區(qū)域內(nèi)海山地貌的形態(tài)學(xué)及多尺度特征進(jìn)行定量分析。近年來，中國科學(xué)院海洋研究所依托“科學(xué)”號科學(xué)考察船，對雅浦-卡羅琳海區(qū)的地形地貌、地球物理特征、水文及生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及科學(xué)研究[22-26]。借助于“科學(xué)”號搭載的全水深多波束測深系統(tǒng)采集的高分辨率海底地形數(shù)據(jù)，本文對雅浦-卡羅琳海區(qū)42座海山的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并利用頻譜分析方法對其地形的多尺度參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對該海區(qū)海山形態(tài)特征、演化過程以及多尺度地形特征進(jìn)行了定量分析與討論。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊交匯處（圖1）。此區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動活躍，形成了諸如海溝、島弧、海脊和海槽等特殊的板塊邊緣地貌，具有重要的地貌學(xué)研究價(jià)值。區(qū)域最深處位于馬里亞納海溝南部的挑戰(zhàn)者深淵（11 034 m），雅浦島弧及卡羅琳海脊處較淺，有多個出露于海面的島嶼及礁盤，如雅浦島、法斯島、恩古魯環(huán)礁和烏利西環(huán)礁等。宮士奇[26]結(jié)合高分辨率水深地形數(shù)據(jù)，對區(qū)域內(nèi)的地貌特征進(jìn)行了詳細(xì)描述。其中，雅浦海溝西側(cè)的帕里西維拉海盆地勢較為平坦，其上分布著許多孤立的海山，且大部分海山集中在南部。雅浦海溝西側(cè)和馬里亞納海溝南側(cè)為卡羅琳海脊，索羅爾海槽將卡羅琳海脊分割為南北兩部分，其中北部被稱作卡羅琳群島海脊，南部被稱作西卡羅琳海隆?？_琳群島海脊由眾多海山組成，地形變化復(fù)雜；而西卡羅琳海隆地勢平坦，其上僅存零星的地形突起。中部的索羅爾海槽水深較大，且分布有眾多海山。

區(qū)域內(nèi)太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊間相互作用復(fù)雜。其中，作為太平洋板塊和菲律賓海板塊的邊界，馬里亞納海溝西南部長約150 km的區(qū)域可能表現(xiàn)出走滑斷層性質(zhì)[19]。卡羅琳海脊正在向雅浦海溝之下俯沖，雅浦海溝近似南北走向，在8°N以北形態(tài)筆直，而在最南端發(fā)生彎曲，類似“J”字形，長度約為 700 km，最深點(diǎn)（8 964 m）位于海溝北部?？_琳海脊被索羅爾海槽分隔為南北兩部分，導(dǎo)致雅浦海溝南北的俯沖特征不同：北部表現(xiàn)出擴(kuò)張邊界的特征；而南部俯沖板塊與島弧受到擠壓應(yīng)力的影響[20]。整體而言，雅浦海溝具有極慢的俯沖速率，以及較小的島弧-海溝間距[25]。索羅爾海槽作為太平洋板塊與卡羅琳板塊的邊界，大致呈北西-南東走向，西部寬約150 km，向東南逐漸變窄，整體表現(xiàn)出走滑-擴(kuò)張的板塊運(yùn)動特征[21]。

圖1 研究區(qū)域位置和水深地形圖（A）及研究區(qū)域構(gòu)造綱要圖[25]（B）其中，地形圖數(shù)據(jù)來源：GEBCO，https://www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/；紅色實(shí)線為板塊邊界，紅色三角形指向上覆板塊，藍(lán)色虛線為擴(kuò)張中心，黑色矢量指示板塊運(yùn)動方向和速率（mm/yr）。Fig.1 The location and bathymetry map of the study area（data from GEBCO）（A），the structural map of the study area[25]（B）Red lines refer to plate boundaries; Red triangles direct to the overlying plates; Black dotted lines refer to spreading centers;And black vectors show the direction and velocity（mm/yr）of plate motion.

前人對該區(qū)域的構(gòu)造演化歷史進(jìn)行了詳細(xì)的研究及分析，Dong等[22]結(jié)合前人研究及近年的觀測數(shù)據(jù)，認(rèn)為太平洋板塊向菲律賓海板塊下的俯沖發(fā)生于早始新世，并導(dǎo)致了古伊豆-小笠原-馬里亞納-雅浦（IBM-Yap）俯沖體系的形成以及帕里西維拉海盆的裂解。在約30 Ma時(shí)，由于帕里西維拉海盆中的弧后擴(kuò)張作用，俯沖帶北部向東發(fā)生位移，并導(dǎo)致了古雅浦海溝的斷裂。在晚漸新世，卡羅琳板塊上的熱點(diǎn)作用導(dǎo)致在卡羅琳海的漸新世洋盆基底上形成了卡羅琳海脊?？_琳海脊與雅浦海溝的碰撞始于晚漸新世至中中新世期間，這一碰撞事件大大減慢了板塊的俯沖速度，并且導(dǎo)致了雅浦島弧火山活動的終止。此外，該碰撞事件也極有可能影響到了帕里西維拉海盆中弧后擴(kuò)張的方向，使其在約20 Ma時(shí)由原本的東西向擴(kuò)張轉(zhuǎn)為北東-南西向。在晚中新世，由于走滑-擴(kuò)張環(huán)境的影響，卡羅琳海脊裂解為南北兩部分，并導(dǎo)致了索羅爾海槽的形成。與此同時(shí)，年輕的索羅爾海槽的俯沖可能導(dǎo)致了雅浦島弧中島弧玄武巖的產(chǎn)生，而卡羅琳海脊的突出地形和脆弱的流變學(xué)特征則導(dǎo)致了俯沖區(qū)大量地壘地塹和正斷層構(gòu)造的產(chǎn)生。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

本研究采用的高分辨率水深地形數(shù)據(jù)均由“科學(xué)”號搭載的SeaBeam 3 012全水深多波束測深系統(tǒng)采集，包括：① 2014—2015年采集的雅浦海溝兩側(cè)約1.1×105km2水深地形數(shù)據(jù)，②2016年采集的馬里亞納海溝北側(cè)約7×103km2水深地形數(shù)據(jù)，以及③ 2017及2019年采集的馬里亞納海溝南側(cè)約5×103km2水深地形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在CARIS HIPS&SIPS軟件軟件中進(jìn)行處理，主要處理步驟包括潮位校正、聲速校正、船體吃水與傾角校正和異常值剔除等，處理后的結(jié)果經(jīng)空間插值得到了網(wǎng)格分辨率分別為200 m（數(shù)據(jù)① ）及100 m（數(shù)據(jù)②、③）的DEM柵格數(shù)據(jù)。本研究提取并分析了其中42座海山的DEM數(shù)據(jù)，其分布如圖2所示。在馬里亞納海溝南北兩側(cè)分布有兩座海山（M2和M4），雅浦島弧上一座（Y3），索羅爾海槽內(nèi) 12座（S1—S12），西卡羅琳海隆上3座（W1—W3），帕里西維拉海盆中24座（P1—P24）。

海山的基本形態(tài)參數(shù)包括了底面寬度（或底面半徑rb）、頂面寬度（或頂面半徑rs）、高度h和山坡傾角dip等（圖3）。由這些參數(shù)可計(jì)算得到海山的寬高比R=h/rb、平坦度f=rs/rd、平均坡度slope=arctan（2h/（rb-rs））和體積v= πh（rb2+rs2-rbrs）/3[7]。海山的形態(tài)參數(shù)可以區(qū)分不同形態(tài)特征的海山，而不同形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系則可以揭示海山的演化模式[27]。因此，本研究對不同構(gòu)造環(huán)境中海山的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：利用未知方差t檢驗(yàn)，對來自不同構(gòu)造環(huán)境海山的形態(tài)參數(shù)均值是否相等進(jìn)行了判斷；通過線性回歸方法，對海山不同形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了研究。本研究中選取P值＜0.05作為判斷結(jié)果顯著性水平的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 本研究中42座海山位置Fig.2 Locations of 42 seamounts in this study

本研究采用頻譜分析方法對海山的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分析（圖3）。對于每一組DEM數(shù)據(jù)，首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢處理，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用二維離散傅里葉變換（2DDFT）算法獲取其二維功率譜[15]。通過計(jì)算二維頻譜中每一振幅值所對應(yīng)的徑向頻率，可以將二維功率譜進(jìn)行降維，并得到功率譜振幅值A(chǔ)關(guān)于徑向頻率f變化的一維功率譜。一維功率譜的斜率絕對值β與地形數(shù)據(jù)的赫斯特指數(shù)H之間的關(guān)系：H=β/ 2 - 1。H是一個被廣泛應(yīng)用的多尺度參數(shù)，常被用來表征地表粗糙度的大小，并反映了大、小尺度地形起伏間的相對強(qiáng)弱[16,28-29]。對于自然界的真實(shí)地形數(shù)據(jù)而言，其一維功率譜形態(tài)往往符合指數(shù)衰減趨勢，并體現(xiàn)出“紅噪聲”的特性，因此，需要在原始的一維功率譜中消除具有指數(shù)衰減趨勢的背景功率譜，并得到標(biāo)準(zhǔn)化一維功率譜（即標(biāo)準(zhǔn)化功率譜）。Bomberger等[18]指出，背景功率譜可以用原始一維功率譜的滑動平均值代替。在標(biāo)準(zhǔn)化功率譜中，可以通過顯著性檢驗(yàn)驗(yàn)證功率譜波動的非隨機(jī)性。一般選取1.96σ（σ為標(biāo)準(zhǔn)化功率譜標(biāo)準(zhǔn)差）作為顯著性水平95%的界限，即有足夠的把握認(rèn)為超過該數(shù)值的功率譜波動并非隨機(jī)擾動。功率譜非隨機(jī)波動所對應(yīng)的尺度范圍是該DEM數(shù)據(jù)的“特征尺度”，而DEM數(shù)據(jù)中多個不同的特征尺度則反映了影響地形演化的物理過程的轉(zhuǎn)變[18,30]。

圖3 研究方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the methodology applied in this study

3 結(jié)果

3.1 雅浦-卡羅琳海區(qū)海山的形態(tài)特征

本文對研究區(qū)域內(nèi)42座海山的底面半徑rb，頂面半徑rs，高度h，山坡傾角dip以及頂面水深進(jìn)行了測量，并計(jì)算了其寬高比R，平坦度f，平均坡度slope和體積v，結(jié)果如表1所示。海山的個體間形態(tài)參數(shù)差別較大，且在不同構(gòu)造環(huán)境下形成的海山，形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征亦有明顯差別。整體而言，研究區(qū)域內(nèi)海山的平均高度為1 768 m，頂面平均深度為1 969 m。其中以海溝附近的M2、M4和Y3三座海山的高度最大，頂面深度最淺。M2的最淺處僅有41 m，而其高度則達(dá)到了5 187 m。高度最小的海山W1位于西卡羅琳海隆上，僅有761 m；頂面最深的海山是位于索羅爾海槽內(nèi)，接近雅浦海溝的S1，深達(dá)3 304 m。42座海山的平均體積為289 km3，體積最大的M2達(dá)到了3 641 km3，而最小的P7僅有29 km3。研究區(qū)域內(nèi)海山的寬高比為0.21±0.06，與Smith[7]統(tǒng)計(jì)的西太平洋海山寬高比為0.21±0.08，以及宮士奇[26]統(tǒng)計(jì)的雅浦海山區(qū)海山寬高比R= 0.19類似。研究區(qū)域內(nèi)海山的平坦度為0.16±0.12，略小于Smith[7]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果0.31±0.18，但不同構(gòu)造環(huán)境中的海山，平坦度差別十分顯著，如對于帕里西維拉海盆內(nèi)的海山而言，平坦度的均值為0.07，表現(xiàn)為尖頂海山的特征；但西卡羅琳海隆上海山W1—W3的平坦度平均為0.41，表現(xiàn)出明顯的平頂海山特征（圖 4A, B, E）。

由于帕里西維拉海盆（N1= 24）和索羅爾海槽（N2= 12）中的海山樣本量較大，因此，本研究對兩區(qū)域中海山的寬高比、平坦度和平均坡度進(jìn)行了對比，并利用方差不等t檢驗(yàn)的結(jié)果判斷兩組海山間的形態(tài)差異是否顯著（圖5）。結(jié)果表明，兩者的寬高比（P＜0.01）、平坦度（P＜0.05）和平均坡度（P＜0.01）均有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。帕里西維拉海盆中的海山具有較大的寬高比和平均坡度（平均值分別為0.25和15°），而位于索羅爾海槽的海山則具有較高的平坦度（平均值0.17）。因此，索羅爾海槽中的海山具有平頂海山的性質(zhì)，同時(shí)海山的坡度較緩（圖4C, D）；而帕里西維拉海盆中的海山則具有尖頂海山的性質(zhì)，且具有較陡的坡度（圖4A, B）。

3.2 雅浦-卡羅琳海區(qū)海山的多尺度地形特征

本研究通過頻譜方法分別獲取了帕里西維拉海盆、索羅爾海槽、西卡羅琳海隆和海溝附近海山群的平均標(biāo)準(zhǔn)化功率譜（圖6），并對不同地貌單元中海山多尺度特征的差異及其成因進(jìn)行了分析和討論。從標(biāo)準(zhǔn)化功率譜可以看出，除帕里西維拉海盆內(nèi)的海山只有小特征尺度信號更為顯著之外，其他區(qū)域的海山地貌均具有大、小兩個顯著的特征尺度信號。不同地貌單元內(nèi)海山的小特征尺度范圍大致類似，為400～4 000 m。不同地貌單元的大特征尺度范圍不盡相同，其中，索羅爾海槽與西卡羅琳海隆的大特征尺度范圍大約為6 000～11 000 m，而海溝附近海山的范圍可達(dá)10 000～14 000 m。由于大特征尺度約為海山rb的2～3倍，顯然大特征尺度表征了海山山峰的空間尺度大小。此外，前人研究表明地形數(shù)據(jù)小特征尺度的產(chǎn)生與小尺度的動力過程有關(guān)，如河谷系統(tǒng)的發(fā)育[31]，與冰川、海洋或生物作用有關(guān)的沉積-侵蝕過程[13-14,32]，以及小尺度的構(gòu)造活動[30]等。結(jié)合本研究數(shù)據(jù)（圖4）和前人對海山環(huán)境中形成的小尺度地貌的報(bào)導(dǎo)，在400～4 000 m的尺度范圍內(nèi)，既存在由重力流和滑坡作用造成的侵蝕地貌[8-9]，又有火山活動形成的諸如破火山口、次級火山錐和熔巖流等火山成因地貌[11-12]。因此，本研究中海山的小特征尺度是在火山過程與外源侵蝕過程的共同作用下形成的。

表1 研究區(qū)域內(nèi)海山的形態(tài)參數(shù)Table 1 Shape parameters of seamounts in the study area

續(xù)表1

圖4 海山P1，P20，S4，S8，W1和M4的典型水深剖面圖Fig.4 Typical bathymetric profiles of Seamount P1, P20, S4, S8, W1 and M4

圖5 帕里西維拉海盆（PVB）及索羅爾海槽（ST）中海山寬高比、平坦度和平均坡度的箱線圖Fig.5 Box plots of R, f and slope of seamounts in the Parece Vela Basin (PVB) and the Sorol Trough (ST)

圖6 不同構(gòu)造環(huán)境下海山地形的標(biāo)準(zhǔn)化功率譜灰色虛線表示顯著性水平95%的區(qū)間，粉色和青色區(qū)域分別為大、小特征尺度。Fig.6 Normalized power spectra of seamount landforms in different tectonic environmentsGray dotted lines represent for the significance level of 95%, pink and cyan blocks refer to large and small characteristic scales respectively.

4 討論

4.1 海山形態(tài)的演化過程

海山形態(tài)特征的演化同時(shí)受到內(nèi)源的火山建造作用與外源的侵蝕破壞作用影響[33]。由于海洋環(huán)境下侵蝕作用的強(qiáng)度相對較弱，影響范圍有限[34-35]，海山的大尺度形態(tài)特征主要受到了火山建造作用的塑造。因此，前人常采用海山群的形態(tài)特征變化規(guī)律來分析區(qū)域內(nèi)海山的演化模式[27,36-37]。在火山建造的形態(tài)參數(shù)中，高度h與底面半徑rb往往具有線性關(guān)系，且不同構(gòu)造環(huán)境下形成的火山建造具有不同的h-rb關(guān)系[7,26,37]。研究區(qū)域內(nèi)海山的h-rb關(guān)系表明（圖7c），位于西卡羅琳海隆、海溝附近以及帕里西維拉海盆的海山的h-rb具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系，而位于索羅爾海槽中的海山的線性相關(guān)性則較差（R2= 0.02）。帕里西維拉海盆和索羅爾海槽兩區(qū)域內(nèi)海山的寬高比也有顯著差異（帕里西維拉海盆寬高比R= 0.25，索羅爾海槽寬高比R= 0.16）。

Castruccio等[38]的數(shù)值模擬結(jié)果表明，地球內(nèi)部巖漿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是火山形態(tài)特征的決定性因素，在地表觀測到的火山底面寬度與高度的變化，揭示了深部巖漿系統(tǒng)的基本屬性，尤其是巖漿房的大小與深度。同時(shí)，研究區(qū)域位于太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊交匯處，復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境同樣會對海山的形成及演化過程產(chǎn)生影響。前人研究表明，索羅爾海槽形成于晚中新世，表現(xiàn)出走滑-擴(kuò)張的應(yīng)力特征并導(dǎo)致了卡羅琳海脊的裂解[22]。對索羅爾海槽中巖石樣品的地球化學(xué)分析表明，海槽中巖石為形成于約7.0±1.0 Ma的大洋中脊玄武巖[39]。索羅爾海槽的多道地震剖面顯示，海槽內(nèi)的海山包含有大量碟狀反射層，且可見侵入體對原有沉積層的破壞現(xiàn)象[40]。由此可見，在走滑-擴(kuò)張的應(yīng)力背景下，巖漿的多期次噴發(fā)導(dǎo)致了索羅爾海槽內(nèi)海山的形成。由于洋中脊巖漿黏度較低易于擴(kuò)散，該區(qū)域海山表現(xiàn)出了較大的底面寬度和較低的寬高比，而多期次的巖漿噴發(fā)以及巖漿侵入體對原有地形的破壞，則可能是索羅爾海槽內(nèi)海山h-rb相關(guān)性交叉的原因。

圖7 海山的形態(tài)參數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationships between morphologic parameters of seamounts

相較于索羅爾海槽，帕里西維拉海盆內(nèi)海山的成因尚不明確。本研究中所選海山主要位于海盆南部，即索羅爾海槽軸線以南區(qū)域。該區(qū)域具有俯沖擠壓的應(yīng)力背景，且與海盆北部地貌差異較大，主要表現(xiàn)為海盆南部海山數(shù)量更多，而缺失了海盆北部大量存在的北東向和北東-南西向斷裂帶[41]。據(jù)前人研究推測，帕里西維拉海盆的擴(kuò)張發(fā)生于約30 Ma前，而卡羅琳海脊與雅浦俯沖帶的碰撞導(dǎo)致了帕里西維拉海盆洋殼向雅浦海溝上的逆沖活動，這使得在研究區(qū)域內(nèi)，原帕里西維拉海盆擴(kuò)張中心西側(cè)的海盆消失，僅殘留了東側(cè)部分[41]。巖石學(xué)證據(jù)表明，雅浦島弧區(qū)域以虧損型島弧玄武巖為主可能是弧后地幔作用所致，且經(jīng)歷了一定的變質(zhì)作用[42]。由此可見，帕里西維拉海盆中海山形成的應(yīng)力背景、巖漿類型和構(gòu)造機(jī)制均與索羅爾海槽內(nèi)海山截然不同，這導(dǎo)致了兩組海山在寬高比和h-rb關(guān)系上的顯著差異。然而，對帕里西維拉海盆內(nèi)海山成因的深入研究，仍需要更多地球物理及巖石學(xué)證據(jù)的進(jìn)一步支撐。

前人研究表明，火山的形態(tài)演化有4種不同模式：（1）火山的高度與底面寬度同時(shí)成比例增大，而坡度保持不變，即rb-v和h-v均為正相關(guān)，而dip-v不相關(guān)；（2）以頂部堆積為主，火山的高度與坡度增大，底面寬度保持不變，即dip-h為正相關(guān)關(guān)系，而dip-rb不相關(guān)；（3）以側(cè)向堆積為主，火山的底面寬度增大，坡度變小，高度保持不變，即dip-rb負(fù)相關(guān)，而dip-h不相關(guān)；（4）頂部堆積與側(cè)向堆積過程交替發(fā)生[36,43]。

研究區(qū)域內(nèi)的海山主要分布于帕里西維拉海盆與索羅爾海槽中，為分析它們的形態(tài)特征演化規(guī)律，本研究首先對它們的dip-v、rb-v和h-v關(guān)系進(jìn)行了線性回歸（圖7D, E, F），結(jié)果顯示，索羅爾海槽內(nèi)海山的dip-v不具有明顯的線性關(guān)系（R2= 0.04），而盡管帕里西維拉海盆中海山的dip-v關(guān)系具有較弱的線性相關(guān)性（R2= 0.21），但該線性關(guān)系P＞0.05，不能排除該線性關(guān)系的隨機(jī)性。此外，兩個地貌單元中海山的rb-v和h-v關(guān)系有著較強(qiáng)的線性正相關(guān)性，這說明帕里西維拉海盆與索羅爾海槽中海山的形態(tài)演化類似于模式（1），即在火山活動活躍時(shí)期，兩地貌單元內(nèi)的海山經(jīng)歷了多期次的間隔式噴發(fā)，同時(shí)導(dǎo)致了海山頂部與側(cè)翼火山碎屑或巖漿堆積體的發(fā)育[44]。然而，兩個地貌單元內(nèi)海山的演化過程也存在一定的差異（圖7A, B）。對位于帕里西維拉海盆的海山而言，其dip-rb有一定的線性相關(guān)性（R2= 0.31），但其 dip-h的線性相關(guān)性很差（R2= 0.05），即該地貌單元內(nèi)海山的dip大小與rb呈負(fù)相關(guān)，而與h不相關(guān)。這意味著帕里西維拉海盆內(nèi)的海山演化過程有模式（3）的特征，其發(fā)育以側(cè)向堆積過程為主。而位于索羅爾海槽的海山則具有dip-h間的線性相關(guān)性（R2= 0.43），dip-rb沒有線性相關(guān)關(guān)系（R2= 0.02）。因此，索羅爾海槽的海山形態(tài)演化更傾向于模式（2），即火山建造的發(fā)育以頂部堆積為主，dip-h呈正相關(guān)，而與rb不相關(guān)。由此可以看出，盡管帕里西維拉海盆與索羅爾海槽中的海山形態(tài)演化中均存在側(cè)向與頂部的堆積增生過程，但前者以側(cè)向堆積過程為主，而后者則以頂部堆積過程為主。

4.2 小尺度地貌過程對海山地形的塑造作用

大、小特征尺度間功率譜振幅A的相對大小表征了對應(yīng)的地貌過程對地形塑造作用的強(qiáng)弱[15]，因此可以通過地形數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化功率譜圖像研究小尺度地貌過程對海山地形的塑造能力。在圖6中，帕里西維拉海盆中海山的大特征尺度不明顯，而小特征尺度的振幅較大，可能有兩個原因?qū)е逻@個現(xiàn)象的產(chǎn)生：首先，由于帕里西維拉海盆中海山的樣本量較大（N1= 24），且海山的形態(tài)參數(shù)離散型較大（圖6），海山的平均標(biāo)準(zhǔn)化功率譜中，大特征尺度對應(yīng)的振幅因平均效應(yīng)而被削弱了，因此，本研究僅將其結(jié)果與索羅爾海槽海山（N2= 12）的平均標(biāo)準(zhǔn)化功率譜進(jìn)行了比較。此外，這一現(xiàn)象揭示了相較于其他區(qū)域，該區(qū)域的海山地形受小尺度地貌過程的影響更為劇烈。帕里西維拉海盆中的海山群可能形成于15～30 Ma前的海盆擴(kuò)張階段及雅浦海溝形成時(shí)期，而索羅爾海槽內(nèi)的海山則形成于7～17 Ma的卡羅琳海脊裂解事件中[19]。帕里西維拉海盆中的海山形成時(shí)間更早，經(jīng)受小尺度侵蝕過程影響的時(shí)間更長。在海山形成之后，由于卡羅琳海脊的碰撞與雅浦俯沖帶形成，帕里西維拉海盆的構(gòu)造環(huán)境發(fā)生改變，形成了多組不同走向的斷裂帶[41]，因此該區(qū)域內(nèi)海山的小尺度地形特征受到了多期次構(gòu)造活動的影響。此外，帕里西維拉海盆中，海山表現(xiàn)出尖頂、坡度較陡的形態(tài)特征，相比于索羅爾海槽中坡度較緩的海山，該區(qū)域內(nèi)海山形態(tài)更不穩(wěn)定，易發(fā)生重力作用引起的滑坡、崩塌等小尺度地貌過程[45]。

赫斯特指數(shù)H常被用來表征地形數(shù)據(jù)的多尺度特性。H的取值介于[0, 1]，H越大，大尺度的地形起伏越明顯，地表更為光滑；H越小，小尺度的地形起伏越劇烈，地表不規(guī)則性增大[16]。H的計(jì)算結(jié)果表明，相比于索羅爾海槽（H1= 0.82±0.08），帕里西維拉海盆的海山（H2= 0.79±0.07）具有更精細(xì)的小尺度結(jié)構(gòu)，即地形更為粗糙，這與標(biāo)準(zhǔn)化功率譜的結(jié)果一致。實(shí)際應(yīng)用中，H往往與其他表征地表粗糙度的參數(shù)具有相關(guān)性，如地形的標(biāo)準(zhǔn)差、坡度和不規(guī)則度等[46-47]。為了揭示H在研究區(qū)域內(nèi)的地貌學(xué)意義，本研究計(jì)算了H與海山形態(tài)參數(shù)間的線性相關(guān)性。結(jié)果顯示，對索羅爾海槽內(nèi)的海山而言，H與海山體積v具有一定的線性正相關(guān)性（R2=0.36，P＜0.05）（圖 8A）。然而，H-v之間的線性規(guī)律僅在索羅爾海槽的海山中存在，在帕里西維拉海盆中兩者沒有明顯的線性關(guān)系（R2= 0.01）。此外，由于地形數(shù)據(jù)功率譜的“紅噪聲”特性，H的大小更易受到小尺度振幅變化的影響。因此，H與v之間的線性相關(guān)性不能推知為因果性，海山體積的大小不是H大小的決定性因素。值得注意的是，索羅爾海槽中海山的體積與其所在位置有較強(qiáng)的相關(guān)性（R2=0.51）（圖8B）。海山在近東西走向的索羅爾海槽中隨機(jī)分布，但海山的體積和海山所在位置的經(jīng)度有著明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。近年來對熱點(diǎn)巖漿作用形成的海山鏈的研究指出，此類海山鏈中海山的形態(tài)參數(shù)具有空間變化規(guī)律[10]。此外，海山鏈中海山體積的大小指示了熱點(diǎn)活動強(qiáng)弱以及板塊運(yùn)動速度的變化[48-49]。在對卡羅琳海脊裂解過程的研究中，Altis[19]指出，卡羅琳海脊與雅浦海溝的碰撞導(dǎo)致在卡羅琳海脊處形成了拉張應(yīng)力場，并引發(fā)了海溝處洋殼的破裂，最終形成索羅爾海槽。同時(shí)，地貌學(xué)證據(jù)[21]表明，索羅爾海槽由西北向東南逐漸變窄（圖1B）。由此可以推知，索羅爾海槽內(nèi)海山是自西北向東南隨卡羅琳海脊的不斷裂解所形成的，西北側(cè)的海山形成時(shí)間更早，受小尺度地貌過程改造的時(shí)間更久、強(qiáng)度更大，具有更為粗糙的地形。因而H與海山體積間的線性關(guān)系，極有可能反映了海山形成時(shí)間與海山地形粗糙度之間的變化關(guān)系。由于帕里西維拉海盆中海山的形成時(shí)間較早，且在形成后可能經(jīng)歷了新的構(gòu)造及火山作用，因此，其H與海山形成時(shí)間之間的相關(guān)性較弱，在H-v圖中未表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性。

索羅爾海槽中海山的赫斯特指數(shù)與海山體積具有線性相關(guān)性，可能反映了海山形成時(shí)間與海山地形粗糙度之間的變化關(guān)系。兩個區(qū)域內(nèi)海山地形多尺度特征差異產(chǎn)生的原因可能有：（1）帕里西維拉海盆中的海山形成時(shí)間更早，經(jīng)受侵蝕過程影響的時(shí)間更長；（2）在海山形成之后，由于卡羅琳海脊的碰撞與雅浦俯沖帶形成，帕里西維拉海盆的構(gòu)造環(huán)境發(fā)生改變，造成該區(qū)域內(nèi)海山的小尺度地形特征受到了多期次構(gòu)造活動的影響；（3）帕里西維拉海盆中海山的寬高比較大、平坦度較低的形態(tài)特征，表明該區(qū)域內(nèi)海山形態(tài)不穩(wěn)定性高，易發(fā)生重力作用引起的滑坡，崩塌等小尺度地貌過程。

圖8 海山的赫斯特指數(shù)H與體積之間的關(guān)系（A）及索羅爾海槽內(nèi)海山體積與所在位置經(jīng)度的關(guān)系（B）Fig.8 （A）Relationship between Hurst exponents H and volumes of seamounts;（B）Relationship between longitudes and volumes of seamounts in the Sorol Trough

5 結(jié)論

（1）雅浦-卡羅琳海區(qū)內(nèi)海山平均高度1 768 m，平均體積289 km3，寬高比為0.21±0.08。不同構(gòu)造環(huán)境下形成的海山群，形態(tài)特征有著顯著不同。相比于索羅爾海槽，帕里西維拉海盆中的海山具有更大的寬高比與更小的平坦度。

（2）兩區(qū)域內(nèi)海山形態(tài)亦具有不同的演化過程：帕里西維拉海盆內(nèi)海山的底面半徑與山坡傾角線性相關(guān)，指示該區(qū)域內(nèi)海山的形態(tài)演化以側(cè)向堆積過程為主；索羅爾海槽中海山的高度與山坡傾角線性相關(guān)，指示該區(qū)域內(nèi)頂部堆積過程在海山形態(tài)演化中更為常見。

（3）海山地形的多尺度分析結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)海山的大特征尺度（6 000～14 000 m）與海山的底面寬度大致吻合，小特征尺度（400～4 000 m）對應(yīng)的地形起伏是在火山過程與外源侵蝕過程的共同作用下形成的。帕里西維拉海盆中的海山地形頻譜分析結(jié)果缺失大特征尺度信號，揭示了該區(qū)域內(nèi)海山地形受小尺度地貌過程的影響更大。

（4）索羅爾海槽中海山的赫斯特指數(shù)與海山體積具有線性相關(guān)性，可能反映了海山形成時(shí)間與海山地形粗糙度之間的變化關(guān)系，即較早形成的海山受到了更多構(gòu)造活動及小尺度地貌過程的影響，進(jìn)而形成了更加粗糙的表面特征。

致謝：感謝中國科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)”號科考船團(tuán)隊(duì)在出海工作及數(shù)據(jù)采集過程中給予本文作者的幫助和支持。