细尺度水下观测：熔岩流分布揭秘

与海底扩张轴相关的熔体产生和所产生的火山活动通常取决于扩散速率。由于板块运动过程的影响，沿着弧后脊，扩散速率和火山活动之间的相关性更加复杂。Taylor和Martinez系统地分析了全球弧后盆地玄武岩，并提出沿着弧后脊的熔体产生随着与火山锋的距离而显著变化，主要是由于碰撞引起的地幔组成变化而不是海底扩张率本身。南马里亚纳海槽的扩张中心显示出类似于快速扩张的山脊的轴向高形态，尽管其中间扩散速度缓慢。尽管火山前缘在12°30′N以南并不清楚，但弧后扩散中心非常接近该区域的火山弧。

虽然以前的研究表明南马里亚纳海槽的岩浆预算很高，但是之前还没有研究过伏式（火山产物的分布）和熔岩形态及地质的关系。在TAIGA项目期间，研究团队使用AUVUrashima进行了精细的声学观测，并使用潜水的Shinkai6500在南马里亚纳海槽的热液区进行了目测观测。其中一个目标区域是弧后扩展的轴向区域，可以观察到最近的火山活动和活跃的水热通风口。在本节中，将展示AUV收集的微观水深测量和侧扫声呐的映射图像以及潜水期间拍摄的照片，基于此，研究团队描述了该地区的火山活动和构造特征。此项实验提供了第一个亚米级规模的观测，沿着南马里亚纳海槽进行了地面考察，使研究人员能够在电弧火山活动的巨大影响下，更好地获得对在弧后扩散中心火山活动的理解。

研究团队的研究区域是轴向的新火山区，介于12°56′30″N和12°57′30″N之间（图13.11中的方框区域）。该区域是沿着扩散轴的最膨胀部分。在该研究区域，有两个已知的热液活动地点：Snail站点和Yamanaka站点如图13.12。Snail站点（12°57′12″N，143°37′12″E）是由美国科研人员使用遥控航行器Jason发现的。该场地的特点是具有几个高温和低温热液喷口，露出的裂缝中有清澈的流体。Yamanaka站点（12°56′42″N，143°36′48″E）位于Snail站点西南约1 km处，由日本团队使用Shinkai6500发现。在Yamanaka站点观察到不活跃的烟囱和低温煨。

图13.11　南马里亚纳海峡的区域地图

在R／VYokosuka上使用Sea Beam2112系统在巡航YK09-08上获得的水深数据叠加在ETOPO1数据集上。插图显示了沿黑线110的横截面。

图13.12　通过安装在AUV Urashima上的400 kHz多波束系统获得的水深测量图

轮廓间隔为1 m，三角形表示两个热液点的位置。

附有AUV的400 kHz多波束声呐收集的微测深图如图13.12所示。调查区的西北部以断裂发育为特征；相反，东南部较浅，以火山构造为主。此后，根据Yoshikawa等人的命名法，将这些部分称为西部和东部地区（2012）。120 kHz侧扫声呐数据的映射图像及其地质解释分别如图13.13a和图13.13b所示。西部地区约占调查区域的30%。侧扫声呐图像显示了广泛线性特征的存在。这些线性特征（有时与声学阴影相关）通常被解释为断层，裂缝，熔岩流动通道和堤坝。一个30 m高的矩形山丘位于该区域（图13.12），并由线性特征切割，线性特征的取向通常是NNESSW到NESW，并且与脊轴的取向很好地对应。侧扫声呐强度和SBP数据均表明该区域的沉积物覆盖非常薄或不存在。

图13.13　测深图

较暗的颜色表示较低的反向散射强度，轮廓显示测深。提供了地面参考的9个潜水轨道，图a和图b分别表示图13.14a、b的位置；图b显示侧扫声呐图像解释的地图，高反向散射的凹凸地形和低后向散射地形分别用紫色和黑色表示，橙色区域表示相对较大的山丘，灰色区域表示平滑的地形，框表示与图a中相同的区域。

东部地区约占调查区域的70%。测深图（图13.12）显示该区域由几个土墩，环形陨石坑和小隆起组成。这些火山构造大部分由断层形成，并在NNESSW方向排列，形成新火山区。这些特征的相对高度为5～10 m。在侧扫声呐图像上，研究团队识别出几个与声学阴影无关的线性特征（图13.13）。通常，这种线性特征被解释为具有小的垂直投掷的断层或裂缝。两个热液位于东部地区（图13.12）。研究团队无法识别snail站点周围的任何类似烟囱的结构（图13.14a）。在Yamanaka站点的声呐图像上观察到类似烟囱的小特征（图13.14b中的三角形）。Yamanaka站点位于一个约25 m高的平顶丘（图13.12），与西南部的另一个平顶丘相邻。在两个土墩之间也发现了其他几个类似烟囱的结构（图13.14b中的圆圈）。这些土墩的表面对应于声呐图像上的高背向散射和凹凸不平的地形。侧扫声呐强度和SBP数据都表明该区域的沉积物覆盖非常薄或不存在。

图13.14　两个热液点的120 kHz侧扫声呐图像（左）和400 kHz多波束测深（右）

地图的位置如图13.13a中的方框所示；橙色三角形表示通过目视观察识别的活跃的热液区域；底部圆圈（山中站点）表示研究团队在声呐图像上识别出几个类似烟囱的结构的位置。

13.4.2.1　高后向散射和平滑的地形(www.xing528.com)

研究团队将高后向散射地形分为两组：凹凸不平的地形和平滑的地形。图13.15显示了这些地形在声呐图像上的典型相，这些地形的分布如图13.13b所示。块状地形的特点是密集的小尺度凸起（块状）（图13.15d，图13.15g）。每个凸起的典型尺寸为20～30 m，起伏小于几米。对于每个凸起或分布图案，不识别主导方向。块状地形占据了东部地区的大部分地区。

平滑的地形是表现出光滑表面和更精细点的区域（图13.15e，图13.15h）。地形显示出相对较高的后向散射强度，并且在声呐图像上没有突出的图案，光滑的地形覆盖了西部的大部分地区（图13.13b）。

13.4.2.2　低后向散射地形

图13.15　侧扫声呐图像上的块状，平滑和低后向散射地形

400 kHz侧扫声呐图像上的白色虚线表示条带的边缘。

图13.16　低后向散射地形的测深特征的详细视图

从左到右，面板显示多波束水深测量图，侧扫声呐图像，侧扫声呐图像的解释图像，以及侧扫声呐图像上显示的线的强度。地图的位置如图13.12所示；图中的红色和灰色区域分别表示声影和低后向散射地形的位置。水平轴和垂直轴是像素数和灰度强度，较暗的阴影表示较低的数字。

图13.17　潜水器拍摄的各种各样的熔岩形态和相应的侧扫声呐图像

研究团队在侧扫图像上识别出至少49个具有低后向散射特征的光滑表面位置（图13.13b）。这些地点称之为低后向散射地形，可以与块状地形区分开来（图13.15f，图13.15i）。低后向散射地形看起来像一个非常精细和均匀的图案，几乎没有声学阴影。低后向散射地形和凹凸不平的地形之间的界限在某些地方是不同的，但在其他地方则是模棱两可的。这种变化可能归因于它们之间的年代或形态有关的差异。观测区域内低后向散射地形与凹凸地形的相对比例约为10%。在东部和西部地区都观察到了低背向散射的地形（图13.13b）。图13.16显示了低后向散射地形的近视图，这些地形具有跨越这些地形的声呐强度分布。在具有各种形态的区域中观察到低后向散射地形：在顶部和几个山丘的斜坡、小脊，以及环形陨石坑的斜坡和底部。

13.4.2.3　载人潜水器Shinkai6500目视观察

沿着研究团队观察到的Shinkai6500潜水的九个横断面，海底大部分被球状枕状熔岩覆盖，散落着混乱，皱纹或部分断裂（或破裂）类型的熔岩。尽管沿着快速蔓延的东太平洋崛起经常观察到这些特征，但没有观察到轴向顶峰槽，柱子或坍塌特征。

声呐图像上的凹凸地形对应于扁平分布的球状枕状熔岩（图13.17a）。研究团队在由低后向散射地形组成的区域发现了混乱或皱褶的熔岩，可以在光滑的地形中识别碎片枕形熔岩。仔细研究了低后向散射地形与视觉记录中的凹凸地形之间的界限，仍然无法识别这些地形之间的年代差异（图13.17d，图13.17e）。由于两个地形上几乎没有沉积覆盖，因此，后向散射强度的差异可能与熔岩表面形态的差异相对应。

西部山区的一个小山上的线性特征（图13.13b）是断层，它取代了周围的枕形熔岩。在西部地区的海底处，使用SBP观测未发现的薄沉积盖层。虽然在山脚下观察到浑浊热液，但在西部地区没有发现任何热液特征。

东部地区的沉积物很少。在snail站点，一个热液羽流似乎从大型岩石露头的裂缝中出现，但没有找到任何类似烟囱的结构。sniail站点位于一个被三个小土丘环绕的山谷中。山谷中平顶山丘由顶部的球形枕头和斜坡上的细长枕头覆盖。这些地质特征与研究团队对声学观测的解释是一致的。