岩石圈流变结构研究进展

第二节　岩石圈流变结构研究进展

岩石圈流变学的目标是研究岩石圈物质的变形、流动及其机制。20世纪70年代以来高温高压岩石力学实验和地热研究的丰硕成果，推动了该分支学科的进展。Ranalli（1987）建立了7种岩石圈流变学剖面，论述了岩石圈的流变学分层特性。此后，一些学者对不同地区的岩石圈做了研究，创立岩石圈流变学分层理论。岩石圈的结构分层和流变性质控制了大陆构造的形成演化，尤其是大陆构造变形。岩石圈流变性取决于岩石圈的热状态、物质组成和结构，并量化为岩石圈总强度。

一、岩石圈流变学分层理论

Ranalli等（1987）认为岩石圈在垂向流变学剖面上具有分层性，并建立了7种岩石圈流变学剖面。这些模式清楚地反映了岩石圈的流变学分层及其与构造环境的相关性，得到了广泛应用。

继Ranalli（1987）之后，Molnar（1988）提出了大陆岩石圈的强度-深度结构剖面，认为大陆岩石圈具有由下地壳韧性层及其上、下两个脆性域构成的“果冻三明治”（jelly　sandwich）式结构。Maggi和Jackson（2000）及Jackson（2002）对大陆岩石圈生震层的分布层位特征、生震层厚度与有效弹性厚度的关系分析后，将原本Mackwell等（1998）应用于金星的“奶油布丁”（crème　brulee）式结构（即强地壳上覆于弱地幔）引进到了大陆岩石圈研究中来。Lowe和Ranalli（1993）对加拿大东南部的科迪勒拉地区，Fadaie和Ranalli（1990）对东非裂谷、Bodri等（1991）以及Bodri和Iizuka（1993）对日本东部的流变学研究结果，均反映了岩石圈的流变学分层特点。近年来，岩石圈流变学分层性的理论已被广泛接受。Burov（2011）则总结认为大陆岩石圈的垂向强度结构具有地区差异性，没有一种强度-深度结构剖面能够囊括表述所有地区的大陆岩石圈；近年来国内学者（刘绍文等，2008；汪洋和程素华，2011）对大陆岩石圈流变学结构的研究同样说明了这一点。

许多构造过程，均受岩石圈流变学分层直接或间接控制。运用岩石圈流变学分层性的理论和研究方法，能更深刻地解释岩石圈内近水平的大型拆离构造、推覆和滑覆构造、造山带和盆地的发育、裂谷、地堑和全球动力学问题。

自GGT计划实施以来，地球物理方法在研究岩石圈结构方面起到了巨大的作用。中、美、德、加合作研究项目“INDEPTH”，应用了深地震反射、宽角反射、垂直反射等新方法，对青藏高原中南部岩石圈结构的研究取得了许多新成果。喜马拉雅和拉萨地块的流变结构十分复杂，任何一个简单的陆-陆相互作用模式都不能描述实际情况。

德国大陆深钻KTB终孔层位已接近现今的脆韧性转换带，其在岩石圈流变学研究方面取得了许多新认识：地壳深部有大量的自由流体；否定了生热元素主要集中在上地壳的传统观点，实际上热产率受岩性控制，随深度的变化总体上只有很小的减少。这给我们认识大陆岩石圈提供了新的视点。我国的大陆科学钻探工程已正式启动，已经钻探江苏东海县毛北镇的超高压地质体，这对于研究超高压物质的形成和折返机制具有重要意义。

Zhang等（1996）基于地球物理和地质、地球化学研究提出了秦岭造山带现今“立交桥”式的几何结构和流变分层模型。

随着更高分辨率地球物理方法的应用，更多大陆科学钻探工程和大地测量的广泛开展与实施将会大大深化对岩石圈物质组成、流变结构和运动学的认识。在此基础上建立岩石圈流变结构的三维模型。

二、岩石圈流变演化模拟

这个领域的学者在流变演化的数值模拟方面做了不少工作。王思敬等（1992）应用流变学有限元法建立了韧性剪切带内的温度、应力、应变和位移之间的关系，并研究了加速蠕变和应变软化的流变学特征，描述了岩石递进变形的规律。刘少峰和李思田（1996）定量模拟了鄂尔多斯西南缘晚三叠世前陆盆地的挠曲变形过程，选取岩石圈为中间破裂的无限宽度线弹件薄板在水平挤压和垂向负荷作用下的挠曲力学模型，模拟再现了盆地沉降和沉积过程。

韩玉英和王维襄（1997）采用粘弹性模型推出了普遍性方程，这个方程能概括海沟地区大洋岩石圈俯冲挠褶流变演化，由此建立了岩石圈俯冲挠褶流变演化的广义解析理论。通过拟合运算马里亚纳的地形剖面，得到了马里亚纳海沟岩石圈的若干动力学参数：岩石圈黏性系数为1.01×10²³Pa·s，松弛时间为0.152Ma，抗弯刚度为1.53×10²³N·cm，岩石圈厚度为29.6km，水平挤压应力为5.64×10²MPa；模拟计算表明，大洋岩石圈的俯冲角在俯冲挠曲过程中随时间是不断变陡的，理论计算与实际观察一致。

为了数值模拟，Van　Wees和Beekman（2000）建立了欧洲4个内陆盆地的沉降数据模型。该模型还包括一些潜在的重要影响因素：热导率、沉积孔隙和成分等。通过完全而精确的分析，探索了构造历史、成分、流变学和热学参数存在容许变化的可能性。在上地壳，先前存在的断层的摩擦角减小可能导致盆地持续的消减作用。如果这种可能性外推到上地幔，则这种消减作用将对岩石圈的强度有十分明显的影响。

何丽娟（2002）采用粘弹性动力学模型，模拟研究了岩石圈流变性对拉张盆地构造热演化的影响。模拟研究发现，盆地的构造热演化特征与盆地、盆缘岩石圈强度对比相关，盆地岩石圈强度相对外缘岩石圈强度越弱，盆地沉降量越大。且在拉张结束与热沉降之间出现较大的基底抬升、热流持续高值；无论是初始岩石圈厚度、泊松比，还是下伏流体软流圈的负密度差，都是影响盆地构造热演化历史的因素；同时，拉张前断层的存在也是影响盆地基底形态的重要因素，其存在不仅会产生较大的基底落差，还会加深盆地中心的沉降。

计算机的改进、有限元方法的发展，为我们模拟岩石圈的三维流变性质提供了新的手段。这有助于定量地模拟、再现、反演流变演化过程，并估算相关流变学参数。

三、构造流变计反演岩石圈流变性质

目前提出的流变计主要有应变折射（含剪应变折射和应变差折射）、能干层褶皱、香肠构造、残斑翼尾样式、基质-块体构造。应变折射、能干层褶皱、香肠构造以及基质-块体构造流变计均已进入定量化研究阶段。构造流变计既可用来研究不同尺度地质体的流变结构，也可用来研究地质体的流变学演化，具有很好的发展前景。这也是建立岩石圈流变结构的三维数字模型的基础，目前工作有待全面展开。

四、岩石圈有效弹性厚度

McNutt（1990）定义岩石圈有效弹性厚度T_e为与岩石圈板块中实际应力所产生的弯矩相等的理论弯曲弹性薄板的厚度，它标志着在地质时间尺度内，岩石承受压力超过100MPa时发生弹性行为和流变行为转变的深度。付永涛等（2005）做了进一步解释：如果上覆在一软弱流体层（软流圈）上的岩石圈对地质时间尺度（＞1Ma年）的负载（包括地形、岩石圈内部负载和下部负载）所做出的响应，相似于上浮在流体层的薄层弹性板，此弹性板的特征厚度即为实际岩石圈的有效弹性厚度T_e。

Turcotte和Schubert（1982）、Burov和Diament（1995，1996，2011）等人相继提出了T_e的计算公式，并逐步完善之。目前，关于T_e的计算技术和研究方法还处于不断发展与完善的阶段。

大陆岩石圈有效弹性厚度概念的提出，及其与岩石圈流变学分层理论的结合，为我们定量认识岩石圈动力学特征提供了新的手段和思路。可以利用有效弹性厚度的概念，分析和理解岩石圈流变学结构特征，探索地壳增厚和隆升机制。

许敏和薛林福（1998）研究了辽西、辽北、松辽盆地南部岩石圈屈服强度包络面及岩石圈总强度。辽西、辽北、松辽盆地分属不同的板块构造单元，其岩石圈结构明显不同。辽西盆地群基底属华北板块型，其结构稳定，刚性强，岩石圈厚度大，平均为85km；辽北地区盆地基底属西拉木伦加里东造山带型，其结构复杂，稳定性差，岩石圈平均厚度65km；松辽盆地基底属兴蒙海西造山带型，其结构极不均匀，刚性弱，岩石圈厚度小，平均60km。

施小斌和周蒂（2000）通过计算南海北部陆缘3条深部地震剖面岩石圈热结构，利用玄武岩固相线获得“热”岩石圈厚度，利用线性摩擦破裂公式和幂律流变公式获得岩石圈的流变结构。其计算表明：“热”岩石圈厚度在大陆架区大约90km，往陆坡方向减薄，在下陆坡、洋壳及西沙海槽区域减薄为60～65km；在中西部陆架区及西沙台地区，岩石圈流变结构由上到下一般具脆-韧-脆-韧组合结构，海槽区因热地幔上拱、地壳与岩石圈减薄，上脆性层底界埋深仅16km；在东部陆架及上陆坡区，上脆性层底界埋深在20km左右，而在下陆坡及洋壳区表现为脆、韧两层结构，地壳与地幔顶部构成统一的脆性层，其底界埋深达30～32km。他们的分析表明流变结构计算结果与地震观测结果一致。这种流变分层特征暗示南海北部陆缘在拉张前，中、下地壳很可能也存在韧性层。韧性层的存在对南海北部陆缘的演化以及地壳脆、韧性层的差异拉张的影响不容忽视。

刘绍文等（2005）利用济阳坳陷油气勘探积累的大量地温资料和岩石热物性参数，结合地热学方法与流变学模拟，得出该地区的“热”岩石圈厚度为71～90km，有效弹性厚度T_e为24km，与力学强地壳（MSC）的厚度基本一致，发震层厚度T_s为10～25km。

基于最近的地壳与岩石圈模型，通过解析地壳与上地幔地热及流变学信息，Tesauro等（2009，2012）先后给出了欧洲地区和全球的岩石圈总体强度、有效弹性厚度等参数的分布图，并得出以下认识：岩石圈的总体强度与有效弹性厚度控制着其对构造与地表地质过程的响应，古老克拉通与受第三纪火山作用影响的岩石圈之间存在明显差异性：在以有效弹性厚度较小（约25km）、高地势（大于1km）、地震活跃为特征的显生宇地质省，岩石圈强度主要受控于地壳；在以有效弹性厚度较大（大于100km）、低地势（小于1km）、地震较少为特征的元古宇与太古宇克拉通，岩石圈强度主要受控于地幔。而欧洲地区岩石圈的总体强度与有效弹性厚度空间分布的差异性反映出：依据相应的岩石圈物理特征，“果冻三明治”和“奶油布丁”模式可能均是合理的。

五、岩石圈热结构研究

岩石圈蠕变强度与深度的变化和岩石圈地温分布具有密切关系，因此，确定岩石圈流变学剖面，需要以地热研究为基础。

岩石圈热结构主要是指热岩石圈的厚度及温度分布，它是了解岩石圈的物理性质、板块运动及板块动力学和地球动力学的基本参数。岩石圈热结构的研究，需要知道岩石的热传导率、岩石生热率以及大地热流分布。

高山和张本仁（1993）分析秦岭及邻区5　000多个样品的放射性后，计算了各构造层的热产率，建立了岩石圈的现代热结构模型。吴宗絮（1994）从岩石学模型推导了冀东陆壳的热结构，计算出早前寒武的地热梯度，认为热对流占主导地位，而且现代地温梯度在中地壳变化较大。徐义刚等（1995）利用地质温压计对中国东部的地幔包体实现了温压计算，重建了地温线，探讨了中国东部上地慢的热结构。林传勇等（1998）在对新生代尖晶石相和石榴石相二辉橄榄岩包体研究后建立了浙江上地幔的古地温线，并计算了地壳和岩石圈厚度。

施小斌和周蒂（2000）通过估算重力异常拟合以及地温场和流变性质，获得了西沙海槽的密度结构、热结构和流变结构。计算结果表明，海槽中部上地壳的密度比两侧低；“热”岩石圈底界在海槽中部埋深为54km，向南北两侧逐渐加深，在神弧隆起区为76km，在西沙—中沙地块达到70km；地壳热流贡献比地幔热流小，海底热流主要来自深部；在海槽中部地幔热流最高，并且具有较高的流变强度；研究区的流变学结构具有纵向分层性及横向变化的特点，向两侧韧性层变厚，脆性层逐渐减薄；地幔顶部的脆性层底界埋深大约为26km左右，相当于650℃等温线。

臧绍先等（2002a、b）利用两种平均大地热流资料，由观测资料和居里面反演得到的4种地壳岩石生热率模型，并计算了华北地区岩石圈的热结构，得出莫霍面的温度大约在450～750℃之间变化，岩石圈底部深度在60～180km之间变化，还发现大的构造断裂与热岩石圈底部的隆起相对应，震级MS＞6.5的地震大都发生在热岩石圈底部隆起区附近和莫霍面温度的高值区。

汪洋和程素华（2011）基于区域均衡的地热模拟，给出了中国东部岩石圈温度变化的估计，他们得出中国大陆东北部地区的深部地温高，而南部的扬子克拉通西部的深部地温低。在中国东部多数地区热岩石圈厚度小于140km。而扬子克拉通西部四川盆地的岩石圈厚度可达160km以上。刘绍文等（2008）的研究揭示了中西部各主要盆地的岩石圈具有厚度大、强度高、地温低等热力学特征，表现为刚硬块体，块体内部在构造运动中保持稳定；而盆地周缘和造山带地区却表现为温度高、强度低和厚度小等特征，是构造变形的易发区。

六、岩石圈流变学强度剖面

反演不同构造位置上岩石圈的流变学参数是研究岩石圈动力学的主要内容，也是揭示深部动力过程的有效方法，并可以得出无法直接获得的关于岩石圈流变动力学的信息（周辉，2000）。

在岩石圈中，由于温度和压力影响，岩石表现出不同的形变机制，主要有摩擦滑动、脆性破裂及蠕变。蠕变是发生于岩石圈中的主要变形形式。岩石圈上部地壳表现了脆性变形（破裂及摩擦滑动）的特征，其强度可用线性摩擦破裂公式表示（Sibson，1974）。在岩石圈下部，随着温度的升高，稳态蠕变逐渐成为岩石圈流变的主要方式。Kirby（1983，1987）总结出了实验室测定的地壳和上地幔岩石流变定律。

岩石圈流变性的垂向变化可由岩石圈流变剖面来表示，许多学者研究了大陆及大洋岩石圈的流变性，获得了典型地区的岩石圈流变剖面。该剖面提供了脆、韧性转换深度，岩石圈流变厚度及岩石圈总强度，以及“三明治”结构中软弱层的产状，这些软弱层常成为岩石圈伸展过程中的拆离带或滑脱带。

汪洋（1999）与Wang（2001）采用正演法计算了我国若干地区的岩石圈力学强度，研究表明，高热流地区岩石圈的强度低，即岩石圈强度和大地热流呈负相关，且壳幔强度比值高，应力主要由地壳承担，地震活动性强，如华北等地；热流低的地区力学强度高，壳幔强度比值小，应力主要由地幔承受，地震活动性弱，如塔里木等地。岩石圈强度的非均一性控制了活动构造变形格局。并且，他认为中国东部岩石圈强度的空间分布主要受地温线的影响，该区大部分的岩石圈流变学特征可以用“奶油布丁”型模式表示，而四川盆地以及华北克拉通的某些地区具有“果冻三明治”型流变学分层的岩石圈（汪洋和程素华，2011）。

许敏和薛林福（1998）研究辽西、辽北、松辽盆地后得出：辽西地区脆-韧性转换深度为25km左右，而松辽盆地为16km，在此之上，岩石圈强度随深度增加而增加。在此之下，韧性下地壳强度随深度增加而减小，并在莫霍面达到最低值。地壳中的软弱层在岩石圈地球动力学过程中起到重要作用，它是岩石圈内的滑脱层，可以看出上地幔上部存在高强度层，这就解释了某些地区深源地震的发生。

王良书等（2000）及刘绍文等（2005）分析了中国东部苏北盆地、渤海湾盆地济阳凹陷和西部塔里木盆地岩石圈热-流变学结构。研究结果表明：苏北盆地具有中、新生代拉张构造活动区的特征；其流变学剖面具有典型的大陆拉伸构造类型的特征，流变学剖面为“三层状”构造，两层软的韧性层夹在三层较硬的脆性层之间；岩石圈强度在1.7×10¹¹～4.3×10¹¹N/m之间，相对较低。渤海湾盆地也是主要的伸展盆地，其岩石圈热-流变学结构与苏北盆地相类似；浅部的脆-韧性过渡带大约出现在15～18km的深度，深部地壳的脆-韧性过渡带埋深为28km左右；塔里木盆地是大型克拉通内叠合复合盆地，新生代为挤压挠曲盆地；岩石圈脆-韧性过渡带深度相对较大，达到30km以上。两种类型盆地岩石圈热-流变学结构特征与构造演化的关系表明了岩石圈热-流变学结构特征，也直接反映了岩石圈的地球动力学特征。

臧绍先等（2002a、b）利用小标本岩石实验结果外推，用大标本实验结果作约束，得到岩石圈几种典型岩石的脆性破裂规律，分别得到鄂尔多斯和山西裂谷两个典型地区的流变强度随深度的变化。结果表明，以往的计算对岩石圈流变强度的估计过高，对脆性形变区估计不足，流变机制估计不对；岩石圈有力学分层的特性，但各地分层的深度范围不同，使得成层和力学作用变得复杂。并讨论了水、应变率以及多相矿物对流变强度的影响。两个不同地区的流变强度特征为：脆性区和延性区相间分布，在上地壳的脆性区中既有摩擦滑动又有破裂，上地壳中都存在着延性区，下地壳和壳下的岩石圈以延性形变为主。

刘俊来等（2009）从华北克拉通晚中生代典型伸展-拆离构造组合研究着手，结合对岩石圈结构不均匀性分析以及对于下地壳、上地幔岩石含水性及流变性研究成果的分析，研究表明晚中生代中上地壳拆离构造不均匀分布于华北克拉通地区（甚至东亚地区），这里的拆离构造的类型、切割深度及拆离断层带岩石的变形机制与流变性所表现出的区域性变化反映了深部壳幔耦合关系的不均匀性；在拟合的前新生代岩石圈结构中，尽管太行山并非截然的界线，但总体趋势是太行山以东具有显著的壳幔不耦合性，而以西地区二者耦合或微弱不耦合；该研究还建立了华北克拉通晚中生代岩石圈减薄的壳-幔多层拆离模型，并合理地解释了华北克拉通晚中生代岩石圈减薄的基本现象与深部过程。

Burov（2011）总结了岩石圈的流变强度特征，认为在相同条件下，大陆地幔的整体强度与大洋岩石圈的差别不大。地壳的强度和厚度的差异，可能会导致大陆地壳强于或弱于大洋地壳。具有韧性中下地壳的“一般果冻三明治”流变模式多对应于大多数造山带、某些克拉通、高原和大多数裂谷盆地等；具有较强下地壳的强“干果冻三明治”多对应地壳地幔动力学耦合的较老克拉通；“奶油布丁”的流变强度极弱，可能只能用于年轻或者复活的岩石圈抑或某些活动裂谷区。不管地壳强度如何不同，板块俯冲、造山运动及近于垂向发育的裂谷运动都需要较强的地幔层，因为较弱的地幔动力学不稳，从而易于与其上伏地壳脱层；一旦发生脱层，下部热的轻地幔软流圈物质就能朝上涌向莫霍面，这将使得莫霍面及其附近物质的温度升高，从而导致广泛的部分熔融和岩浆活动，且伴随有进一步的减弱作用发生（Karato，1986），例如板块俯冲运动受到抑制，地表地形在相对短时间内崩塌等。也就是说，“果冻三明治”流变模型在动力学上与长期的构造加载及主要的构造类型相符，对大陆岩石圈最为适用。

七、认识与展望

岩石圈流变学研究，近年来在国际上已取得较大进展。国内学者在岩石圈热结构、强度剖面和盆地流变学演化等方面取得了显著成果。特别是地球物理、大陆深钻等新的研究方法的应用，以及流变演化模拟等，获得了许多对岩石圈流变结构新的认识，也为我们指出了新的研究途径。

目前，许多构造流变计已进入定量化研究阶段。构造流变计可用来研究不同尺度地质体的流变结构和相应的演化特征。在岩石圈流变规律的探讨、岩石流变学实验、不同构造单元岩石圈结构和岩石圈地温分布、不同地质时期造山带的流变学剖面重塑等研究中，引入非线性理论，有利于客观准确地描述宏观地壳变形的流变定律，也有益于研究流体对流变过程的作用，还有助于探讨脆-韧性转换机制是渐变还是突变等地质命题。

定量计算和反演岩石圈的流变学参数是岩石圈动力学研究的需要。采用构造流变计方法建立相应地层序列的流变柱，以此为基础，借助先进的地球物理探测技术，可以最终建立与完善岩石圈流变结构的三维模型。借助有限元等先进技术，模拟研究岩石圈的流变性质，定量估算流变学参数，模拟、再现、反演流变演化过程，探索岩石圈动力学机制，这是岩石圈流变学的发展方向。