综述：非洲大陆地壳和地幔结构的重力场分布图

非洲岩石圈结构研究通过整合卫星和陆地重力数据，生成高分辨率多层级重力异常图，揭示东非大裂谷非碰撞起源及南部边界模糊特征，并分析非洲超肿和刚果盾地沉降的深部机制。

Franck Eitel Kemgang Ghomsi|Robert Tenzer|Wenjin Chen|Alexey Baranov|Ojima Isaac Apeh|Tan Xiaolong|Hong Guoqing|Julienne Stroeve

加拿大曼尼托巴大学地球观测科学中心（CEOS），温尼伯

摘要

非洲大陆具有复杂的构造和地质历史，其当前的地貌形态是由前寒武纪克拉通的聚集以及元古代和古生代活动带的相互作用形成的。关于其岩石圈结构的认识主要来源于分布稀疏且不规则的地震勘探数据，这限制了对该大陆进行全局性分析。为了解决这一问题，我们利用卫星数据（如GOCE、GRACE）和地面重力观测数据，并结合岩石圈结构模型，编制了一套5′×5′地理网格的重力图。这些自由空气重力图、布格重力图、去壳层重力图、去地幔层重力图和次地幔层重力图，使我们能够详细解读非洲的岩石圈构造。我们的方法通过应用先进的地形、海底地形、沉积物、地壳和岩石圈密度不均匀性的校正，增强了传统的重力研究，从而揭示了更深层次的构造特征。自由空气重力图显示了地形和上地壳密度变化的特征：在高地地区（例如埃塞俄比亚高原）出现正异常（+50至+150 mGal），而在沉积盆地地区（例如刚果盆地）出现负异常（-50至-150 mGal）。布格重力图突出了构造和火山活动特征，反映了地壳厚度的变化；克拉通区域处于等静力平衡状态，而像东非大裂谷系统（EARS）这样的大陆裂谷区域则处于非平衡状态。去壳层重力图反映了莫霍面（Moho）的几何形态，清晰地显示了薄海洋地壳和厚大陆地壳之间的差异。地幔重力图显示了热力特征：东非和西非大裂谷系统的活跃扩张边缘处重力值较低，而古老的太古代克拉通区域则重力值较高。布格重力图和地幔重力图的综合分析证实了东非大裂谷系统中山脉的非碰撞起源。值得注意的是，东非大裂谷系统南部缺乏明显的热力特征，这表明该区域的变形可能是由分散的板块边界引起的。这些发现，加上非洲超级隆起（African Superswell）和刚果克拉通沉降的迹象，为非洲的地质动力学演化提供了新的见解，有助于未来的地球物理和资源勘探工作。

引言

大陆岩石圈是地球地质历史的主要记录载体，它记录了数十亿年的地壳生长、构造演化和地幔演变过程。非洲大陆由古老的太古代克拉通构成，这些克拉通通过元古代活动带相互连接（Abdelsalam等人，2002年；Begg等人，2009年），为研究控制板块构造的基本地质动力学过程提供了理想的天然实验室——从大陆的稳定到裂谷的形成（图1）。非洲岩石圈的构造和成分特征不仅决定了其长期的地形演化及地震风险，还控制着其丰富自然资源的分布。然而，尽管其重要性不言而喻，但建立一个全面的高分辨率非洲岩石圈结构模型仍是现代地球科学面临的重大挑战之一。我们对非洲岩石圈的理解主要基于数十年的地震勘探数据（Fairhead和Girdler，1971年；Henry等人，1990年；Nyblade和Langston，2002年；Begg等人，2009年；Fishwick和Bastow，2011年；Durrheim等人，2013年）。尽管这些研究提供了宝贵的高分辨率信息，但它们的地理分布极为稀疏且不规则。大多数高质量地震数据集中在少数几个具有构造意义的区域：阿特拉斯山脉、东非大裂谷系统（EARS）、地质稳定的坦桑尼亚克拉通、研究充分的卡普瓦尔克拉通以及神秘的喀麦隆火山带（Baranov等人，2023年）。因此，大陆的大片区域，尤其是中部和北部内陆地区，仍然缺乏详细的数据支持，难以建立一个真正具有全球覆盖范围的高精度岩石圈模型。

重力测量提供了一种强大且互补的方法来填补这些观测空白。地球的重力场能够连续且敏感地反映从浅层地壳到深层地幔的密度变化（Braitenberg等人，2006年；Tenzer等人，2009a，2009b；Álvarez等人，2012年）。然而，要充分发挥重力数据的潜力，需要采用严格和系统的方法。历史上，对非洲大陆规模的重力研究往往仅限于对简单布格重力异常的解释（例如Slettene等人，1973年；Brown和Girdler，1980年；Fairhead，1988年；Tedla等人，2011年），这些解释仅基于自由空气重力数据，并忽略了地形起伏、地形密度变化以及地球的扁球形状。此外，还建议应用海底地形和海洋沉积物重力校正，以提高沿海地区布格重力图的解释质量。然而，这种方法仍然不够全面，因为布格重力场是一个复合信号，受到近地表密度不均匀性的显著影响（Rathnayake等人，2020年）。厚沉积盆地、复杂的莫霍面地形以及地壳内的横向密度变化会掩盖来自岩石圈深处的微妙信号，而这些信号对于理解大陆的地质动力学机制至关重要。正如在其他构造环境中所证明的那样，如果不对这些地壳效应进行综合校正，对深层结构的解释可能会模糊甚至具有误导性（Braitenberg等人，2006年；Tenzer等人，2009a）。

在这项研究中，我们通过生成一套新的5′×5′分辨率的非洲大陆重力异常图，克服了这些限制。我们的方法基于一种新颖而严格的前向建模技术，系统地“剥离”了各个岩石圈层的重力贡献。通过整合XGM2019模型（Zingerle等人，2020年）提供的先进卫星重力数据，以及地球地壳模型1（ECM1；Mooney等人，2023年）和LITHO1.0全球岩石圈模型（Pasyanos等人，2014年）提供的丰富辅助信息，我们应用了一系列先进的基于物理的校正方法。这一迭代剥离过程产生了一系列独特的气体产品（包括自由空气重力图、布格重力图、去壳层重力图、地幔重力图和次地幔层重力图），每种产品都旨在逐步分离并增强由不同地质动力学过程形成的深层结构的重力特征（Tenzer和Chen，2019a，2019b）。

通过分析这些高精度的新地图，我们旨在解决非洲地质动力学中的几个长期存在的基本问题：

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  努比亚板块和索马里板块之间的边界具有怎样的精确重力特征？南部缺乏明显的热力特征是否支持分散板块边界区的模型（Chu和Gordon，1999年；Stamps等人，2008年）？
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  精细的地幔重力异常能否为东非大裂谷系统中山脉的起源提供新的约束，从而区分碰撞驱动和火山驱动的抬升作用？
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  非洲超级隆起和刚果克拉通长期沉降的深层重力表现是什么？它们对地幔流动和潜在的岩石圈分层有何启示（Downey和Gurnis，2009年；Lithgow-Bertelloni和Silver，1998年）？

通过提供非洲重力场的新颖、高分辨率和多层次视图，本研究为未来的跨学科研究提供了基础数据集。这些地图有望成为约束构造模型、指导资源勘探以及加深我们对这个地质多样性最丰富的洲上深层地幔动力学与地表表现之间复杂相互作用的理解的强大工具。研究结构如下：第2节概述了以往的地球物理研究；第3节描述了非洲的地质和构造背景；第4节详细介绍了用于计算重力图的数据和方法；第5节展示了结果；第6节对结果进行了解释；第7节总结了主要发现并提出了结论性意见。

前人工作

研究非洲大陆的深层结构是地球科学半个多世纪以来的核心课题。这一研究主要依赖于两个互补的地球物理学科：地震学（提供高分辨率但地理范围有限的速度结构数据）和重力测量（提供连续但分辨率较低的地密度结构数据）。本节总结了这两个领域的重要贡献，为后续研究奠定了基础。

地质和构造背景

非洲板块是由多个古代克拉通通过元古代活动带连接而成的镶嵌体，这种构造对其后续的构造-热历史产生了深远影响，包括显生代裂谷系统和火山活动的分布（Abdelsalam等人，2002年；Collins和Pisarevsky，2005年）。非洲大陆的基本构造由太古代至新生代的地质单元构成，如图1a（地形）和1b（地质）所示。

重力测量前向建模

本研究中呈现的大陆尺度重力图是通过光谱域中的重力测量前向建模技术编制的，该技术利用球谐分析和重力及岩石圈结构模型的合成。本节简要介绍了单个重力图的计算过程，详细内容见附录。

方法论

本研究中的重力图是通过在一致的前向建模框架内整合先进的全球模型编制的。我们的主要数据来源包括XGM2019全球重力模型（Zingerle等人，2020年）、Earth2014地形、海底地形和地形数据集（Hirt和Rexer，2015年），以及地球地壳模型1（ECM1）（Mooney等人，2023年），后者提供了所有地壳校正所需的参数。

结果

所有重力计算都在非洲大陆研究区域内5′×5′的球形网格上进行，该网格的海拔高度恒定为5公里，范围覆盖经度20°W至60°E和纬度35°N至35°S之间的区域。重力校正结果见图4，应用单个重力校正后的中间重力图见图5。重力校正和重力异常的统计信息分别列在表2和表3中。

结果解释

在前一节对非洲大陆重力图的一般描述基础上，本文讨论了在构造、火山活动以及岩石圈热状态和等静力状态背景下的主要发现。为了更好地理解应用单个重力校正后重力图的变化，我们首先分析了自由空气重力图中的主要特征。

总结与结论

我们应用了岩石圈密度结构的重力测量前向建模方法，编制了非洲大陆的重力图，并对其含义进行了解释。尽管重力建模存在固有的非唯一性，且可能存在来自地壳和岩石圈模型的误差传播，但我们的结果稳健地再现了已知的重大构造和火山特征，与理论预期和地震观测结果一致。

未引用的参考文献

Fishwick, 2010

Franke等人，2015

Ghomsi等人，2020b

Jelsma和Dirks，2002

Kwega Ghomsi等人，2025

Laske等人，2013

Ritsema和van Heijst，2000

Ritsema等人，2010

Tenzer和Gladkikh，2014

Tenzer等人，2018

Villeneuve，2005

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的个人关系或商业利益冲突。

致谢

F. Ghomsi和J. Stroeve感谢加拿大C150研究计划（资助编号：50296）的资助。F. Ghomsi还获得了Schmidt Sciences, LLC的支持。R. Tenzer由
香港理工大学的
土地测量与地理信息学系
资助（项目编号：P0054667）。图谱制作中使用了Crameri等人（2024年）提供的色彩盲安全调色板以及Generic Mapping Tools（GMT）。