安达曼-尼科巴俯冲带中的库利深度（Curie depth）与莫霍面（Moho interface）地壳结构：对其地热活动及地震活动的制约因素

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Curie depth and gravity Moho architecture in the Andaman-Nicobar subduction zone: Constraints for its geothermal regime and seismicity

　　

Jensen Jacob | Richards Nelson | Maria Ana Desa | Gopi Krishna Seemala | Saif Ali Khan | Deeraj Chembodi

印度果阿CSIR-国家海洋学研究所，邮编403004

摘要

本研究利用海洋磁数据和重力数据，探讨了安达曼-尼科巴俯冲带（ANSZ）的地下地热状况和构造特征。通过对磁数据进行径向平均功率谱分析，我们估算了居里点深度（CPDs）。分析结果显示：阿尔科克海隆和西韦尔海隆的居里点深度约为9-16公里；前弧地区的居里点深度较深（约22-26公里），而默格伊大陆区域的居里点深度为14-22公里；后弧和火山弧地区的居里点深度较浅（约7-14公里）。由于存在厚层沉积物和缅甸微板块（BMP），前弧地区的莫霍面（Moho）位置更深（约22-35公里）。与后弧地区的居里点深度相比，前弧地区的莫霍面较浅（约5-10公里），这表明上地幔具有磁化特性。后弧区域以及西韦尔海隆西侧的热流较高（100-200 mW/m2），而前弧地区和默格伊区域的热流较低（45-70 mW/m2）。此外，高热流表明A扩张段存在活跃的岩浆活动。相比之下，B和C扩张段的热流较为适中，这可能是由于这些区域沉积物较厚的缘故。阿尔科克海隆可解释为属于缅甸微板块的拓展或变薄的大陆地壳，而西韦尔海隆则属于增厚的火山/海洋地壳。

引言

地球内部温度较高，其热状态受地表热损失的控制。通过海洋盆地 dissipated 的热量占比高达73%（Verhoogen, 1980），主要发生在洋中脊和火山活动区域。地壳的热状态对控制地质动力学过程（如板块构造、地震活动和热点火山作用）具有重要意义（Bansal et al., 2011）。通过研究地壳温度的空间变化，可以更好地理解地下热条件。

区域热流是评估地壳温度变化的主要指标。直接测量热流的方法通常通过钻孔、海洋中的热探头以及深层沉积物样本实现（Pollack et al., 1993）。然而，这些方法存在局限性，如受深度限制且钻孔分布不均匀。此外，这些方法成本高昂、耗时较长，因此难以应用于大规模或全球范围的研究（Tanaka et al., 1999; Bansal et al., 2011）。

在直接测量方法不可行的情况下，可以采用多种间接方法（如地球化学和地球物理方法）来测量热流。磁测法和地震法属于间接地球物理方法，只能指示热流的峰值和低值（例如，Ibrahim et al., 2022）。然而，对磁数据的光谱分析可以有效地估算热状态。这种分析能够计算出磁矿物失去磁性的深度，即从铁磁性转变为顺磁性的临界温度。这个温度称为居里温度，相应的深度称为居里点深度（CPD，Nagata and Kobayashi, 1961）。

在Spector和Grant（1970）的开创性研究中，他们通过分析磁数据光谱计算了居里点深度，假设磁异常源呈垂直棱柱形。该方法后来不断得到改进，包括径向平均光谱分析（Okubo et al., 1985）、质心法（Tanaka et al., 1999）、磁化分形建模（Maus et al., 1997）、修正质心法（Li et al., 2013）以及去分形法（Salem et al., 2014）等。

上述居里点深度估算方法已在多个研究区域得到应用（Bhattacharyya and Leu, 1975b; Shuey et al., 1977; Okubo et al., 1985; Okubo et al., 1989; Tanaka et al., 1999; Rajaram et al., 2009; Li et al., 2013; Campos-Enriquez et al., 2019），包括俯冲带领域，以了解地热状况。然而，这些方法在印度洋地区的应用尚不广泛。因此，本研究尝试将这些方法应用于安达曼-尼科巴俯冲带（ANSZ）这一构造活跃的区域（图1）。

ANSZ是长达5000公里的弧-海沟系统的一部分，形成于印度板块向东南亚板块北部移动的过程中（图1）。俯冲作用主要发生在三个海沟段：爪哇海沟、苏门答腊海沟和安达曼-尼科巴海沟。爪哇海沟处的俯冲近乎垂直，而苏门答腊海沟至安达曼-尼科巴海沟的俯冲角度逐渐增大（Nielsen et al., 2004）。ANSZ包含多个重要构造单元，如增生楔、前弧高地、前弧盆地、火山弧和后弧盆地（Curray et al., 1979; Kamesh Raju et al., 2004; Curray, 2005; Singh and Moeremans, 2017）（图2a）。持续的斜向俯冲过程导致ANSZ地区地震活动频繁，包括近年来发生的最大规模地震（Lay et al., 2005）。

章节节选

关于居里点深度（CPD）和热流的以往研究

基于磁数据光谱分析生成的居里点深度热模型有助于理解全球各种构造过程、地震活动和岩浆作用。这些模型的成功应用验证了这种分析方法的有效性。

构造背景

ANSZ由下沉的印度洋板块、大陆流体缅甸微板块（BMP）以及后弧区域组成（图1, 图2）（Kamesh Raju et al., 2004; Curray, 2005; Singh and Moeremans, 2017）。此外，尼涅西亚海岭（NER）与印度板块一起斜向俯冲至缅甸微板块下方（Curray et al., 1979）。印度板块的年龄约为80-105百万年（Muller et al., 2008; Desa et al., 2024）。海沟位置位于北纬10度以南的深度图中（图2a）。

数据

本研究使用的海洋磁数据来自印度果阿的CSIR-国家海洋学研究所（NIO）和国家环境信息中心（NCEI）。CSIR-NIO数据库中的磁数据自上世纪90年代以来一直被用于各种科学研究。数据的空间覆盖范围见图3。数据质量分析结果与其与EMAGV3全球数据（Maus et al., 2009）的比较结果如下：

居里点深度（CPD）的估算与分辨率

利用4×4°（图5）和3×3°（图S5）窗口尺寸对磁数据进行的光谱分析结果表明，居里点深度的范围分别为6-32公里和8-28公里。4×4°的窗口尺寸能够满足达到预期最大深度目标的要求（约400公里）。3×3°的窗口尺寸虽然也能提供类似的CPD分布，但无法深入默格伊区域。因此，本研究选择了4×4°的窗口尺寸。

讨论

利用径向平均功率谱方法对磁数据进行分析，可以全面了解研究区域的地下地热状况（图5, 图7）。ANSZ中不同构造要素与居里点深度/热流之间的复杂关联已在下文解释。

结论

通过分析海洋磁数据的径向平均功率谱，我们详细了解了ANSZ各构造单元的地下地热结构。分析显示，前弧和默格伊区域的居里点深度较深，而火山弧和后弧区域的居里点深度较浅。阿尔科克海隆和西韦尔海隆的居里点深度处于中等水平，表明这些区域的地壳较为增厚。

作者贡献声明

Jensen Jacob: 负责写作、初稿撰写、可视化展示、数据验证、软件选择、资源协调、项目管理、研究方法制定、资金申请、正式数据分析及概念构思。Richards Nelson: 负责软件开发、研究方法制定及数据管理。Maria Ana Desa: 负责文稿审阅与编辑、数据验证、项目监督及研究方法制定。Gopi Krishna Seemala: 负责研究方法制定及数据管理。Saif Ali Khan: 负责文稿审阅与编辑、软件应用及研究方法制定。Deeraj:

Guillaume et al., 2021

Jacob et al., 2021

Michael, 2005

Reguzzoni and Sampietro, 2015

Yang et al., 2018

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关系：Jensen Jacob指出其研究得到了印度科技部-科学工程研究委员会的财政支持；Richards Nelson的研究得到了印度科技部-科学工程研究委员会的财政支持；Maria Ana Desa的研究也获得了相同机构的财政支持。

致谢

作者感谢果阿国家海洋学研究所（NIO）在研究期间提供的便利和支持。同时，感谢匿名审稿人细致的评审意见，这些意见有助于提升论文质量。此外，也感谢印度科技部-科学工程研究委员会（CRG/2021/006807）项目的财政支持。本研究中的图表使用GMT软件生成（Wessel and Smith, 1991）。