斯匹次卑尔根岛（Spitsbergen）陆上地壳不均匀性：数据整合与势场数据的正演建模

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Crustal Heterogeneity Onshore Spitsbergen: Data Integration and Forward Modeling of Potential Field Data

重力磁法正演建模揭示斯瓦尔巴岛中部基底地形、Billefjorden断层带及HALIP岩浆体对场的影响，基底高解释东段正重力异常，浅层岩浆侵入体匹配短波磁异常，深层岩体形成长波磁信号。

　　
斯瓦尔巴群岛地质构造与地球物理特征解析

一、研究背景与核心问题
斯瓦尔巴群岛作为北极地区重要的地质样本，其地表地质研究较为成熟，但深部结构长期存在数据空白。科研团队通过整合2022年地面重力测量、2023年航空磁调查与既有地震反射数据，首次系统构建了中斯匹次卑尔根地区二维地球物理模型，重点解决三个科学问题：
1. 基底地形与密度分布如何影响区域重力场特征？
2. 断层带（如Billefjorden断层带）对基底结构有何改造作用？
3. 高北极大型岩浆省（HALIP）岩浆体的空间分布与地球物理响应机制。

二、关键地质框架
研究区域横跨约15°经度、7°纬度，覆盖以下地质单元：
- **基底构造**：由三个不同地质单元组成（图1b），包括：
- 西部基岩：晚太古代变质岩基底，局部存在超基性岩体
- 中部过渡带：古生代沉积岩系覆盖区
- 东部碳酸盐岩区：晚古生代沉积层序
- **主要构造**：呈现"多环带"结构，包含：
- Billefjorden断层带（ BFZ）：形成于寒武纪，贯穿研究区南北
- 西斯匹次卑尔根褶皱带（WSFTB）：新生代隆起带
- 其他次级断层带（如Lomfjorden断层带）

三、数据整合与创新
1. **新型数据获取**：
- 2022年地面重力测量：沿7条地震测线部署，点间距500-2000米，覆盖330公里
- 2023年航空磁调查：采用旋翼机平台，磁场分辨率达50纳特，垂直探测深度300米
2. **数据融合技术**：
- 重力数据向上延拓至500米深度，构建2×2公里网格
- 磁场数据经日变校正和向下延拓处理
- 地震测线通过合成记录重建三维结构

四、核心发现与模型验证
通过构建5个二维正演模型（图1c），揭示了以下特征：
1. **基底地形效应**：
- 西部重力高（+15米伽尔文）对应BFZ东侧抬升的基底构造
- 中部负重力异常（-40米伽尔文）反映Central Spitsbergen盆地深层沉积
- 模型显示基底密度差异可达2.8%-2.95g/cm3

2. **断层带影响**：
- BFZ导致基底东西密度差异（2.85-2.88 vs 2.82g/cm3）
- 断层带两侧磁化率差异达0.03SI（西部基岩0.003SI，沉积层0.001SI）

3. **岩浆体分布**：
- 中部Isfjorden区存在深部岩浆体（19-23公里，磁化率0.04-0.05SI）
- 浅层岩浆体（3-5公里）解释局部短波长磁异常
- 模拟显示岩浆体与沉积盆地形成"穹顶-盆地"结构

五、模型对比与地质解释
1. **模型验证结果**：
- 重力模型误差<5%，验证基底密度梯度（2.8-2.95g/cm3）
- 磁场模型误差<10%，揭示基底磁化率梯度（0.003-0.01SI）
- 断层带模型误差最小（<3%），显示精确构造控制

2. **地质意义**：
- BFZ作为古生代构造活动带，控制了基底物质东西差异
- HALIP岩浆体呈现"深部母体+浅层分支"结构
- 西斯匹次卑尔根褶皱带显示新生代构造抬升特征

六、研究局限与展望
1. **数据限制**：
- 地震数据分辨率不足（最大覆盖深度6公里）
- 磁场数据存在日变校正误差（±55纳特）
- 基底磁化率数据依赖稀疏样品

2. **改进方向**：
- 部署三维电磁测深（如MT）验证模型
- 增加地热测井约束基底岩性
- 开发机器学习反演算法处理混合数据

七、区域地质意义
本研究为北极地质演化提供了关键证据：
1. **基底演化**：揭示早古生代基底已存在东西分异
2. **构造动力学**：断层带活动贯穿寒武纪至新生代
3. **岩浆作用**：HALIP岩浆体控制区域磁场异常格局
4. **资源潜力**：基底密度差异指示可能存在热液矿床

本研究通过多学科数据融合，建立了区域地球物理模型与地质结构之间的一一对应关系，为北极地区深部资源勘探提供了新方法。后续研究建议采用跨学科观测网络（重力+磁力+地震+地热）进行三维建模，重点关注BFZ断裂带及Isfjorden岩浆侵入体区域。