大陆岩石圈形变驱动力

简介

大陆岩石圈的应力、应变状态对理解地球的构造演化至关重要, 同时对防震减灾工作也有着重要意义. 文章系统地梳理了基于不同方法和大陆岩石圈结构的相关研究, 总结了目前对大陆岩石圈形变驱动力的认识, 并就未来研究方向做出了展望. 该文发表在《中国科学：地球科学》2024年第12期.

引言

大陆岩石圈应力与应变观测

大陆岩石圈形变驱动力

大陆岩石圈形变过程受控于其受力状态与流变结构. 因此, 如何计算岩石圈应力场、建立岩石圈流变结构是研究大陆岩石圈形变的重要基础. 目前, 相关研究多基于地球物理观测对岩石圈应力进行计算, 并通过与观测到的浅部应力状态进行比较, 对计算值的可靠性加以验证. 值得注意的是, 这一过程强烈依赖于所采用的岩石圈结构. 基于不同假设的研究会对大陆岩石圈结构进行不同程度的简化, 导致计算结果有较大差别. 同时, 在对大陆岩石圈结构进行简化时, 不同研究采用的流变结构也有所不同, 这使得岩石圈流变结构对其应力与应变有何影响也存有争议.

传统的岩石圈形变研究多采用薄板假设(图1a; Jones等, 1996; England和Molnar, 1997), 将三维动力学问题简化为二维动力学问题进行求解. 该假设认为在横向尺度远远大于垂向尺度时, 大陆岩石圈可近似为一个覆盖在有效黏度极小的软流圈之上的高黏度流体层. 在均衡假设下, 岩石圈内部的压强分布可通过对岩石圈密度结构从地表到补偿深度(compensation depth)的垂向积分得到, 进而转化为重力势能(Gravitational Potential Energy, GPE), 最终通过二维力平衡方程对板内的水平偏应力进行求解. 在薄板模型中, 岩石圈内部复杂结构带来的三维效应并未被纳入考虑.

图1 不同模型采用的岩石圈结构与应力计算方法示意图

早期岩石圈形变研究多关注于大陆变形区, 例如青藏高原及邻区(例如, England和Molnar, 1997; Flesch等, 2001; Ghosh等, 2006)和北美西部(例如, Jones等, 1996; Flesch等, 2000). 在计算岩石圈重力势能时, 这些研究大多假设大陆岩石圈严格满足均衡理论, 且有着全球一致的岩石圈-软流圈分界面(Lithosphere-Asthenosphere Boundary, LAB). 基于以上两个假设, 大部分研究将补偿深度定于海平面以下100km或其他固定深度, 并将该深度视为LAB界面(例如, Jones等, 1996; England和Molnar, 1997; Flesch等, 2000, 2001; Ghosh等, 2006). 一些研究基于地壳均衡假设对岩石圈重力势能进行计算(例如, England和Molnar, 1997; Flesch等, 2000, 2001), 另一些研究则基于岩石圈均衡假设对重力势能进行计算(例如, Jones等, 1996). 值得注意的是, 这两种方法得到的岩石圈重力势能区别仅有10%~20%, 不存在显著差别(Ghosh等, 2006).

在仅考虑岩石圈内部体力时, 早期研究表明在地形远高于周围的高原地区, 例如青藏高原地区(例如, England和Molnar, 1997)和美国西南部(例如, Jones等, 1996), 重力势能引起的偏应力场与观测到的地表形变有着较好的相关性, 并认为该应力源主导了相关地区的岩石圈变形过程. 当研究区域包含大陆变形区及周围板块边界时, 一些研究通过在板块边界处添加应力边界条件对大陆岩石圈的应力状态进行综合模拟(图1a), 并指出在板块边界附近, 例如印度-欧亚板块碰撞带(Flesch等, 2001)和太平洋-北美板块边界附近(Flesch等, 2000), 板块边界应力对大陆岩石圈的偏应力场也有着显著的贡献. 这些板块边界应力可能源于大洋岩石圈的重力势能梯度, 即洋脊推力, 也可能来源于地幔流施加于大洋板块底部的拖曳力. Ghosh等(2006)利用薄板模型计算了印度洋洋脊推力对印度板块北向运动和青藏高原构造变形的贡献, 指出印度洋洋脊推力不足以提供印度-欧亚碰撞带所需的板块边界应力, 并提出地幔流施加于印度板块底部的拖曳力也是重要应力源.

早期的薄板模型多关注于岩石圈应力分布的计算, 并利用计算得到的岩石圈应力与观测到的地表应变率对岩石圈平均有效黏度进行估计(例如, Jones等, 1996; England和Molnar, 1997; Flesch等, 2000, 2001). 相关结果显示, 在大陆变形区, 大陆岩石圈的平均有效黏度仅比软流圈高1~2个数量级. England和Molnar(1997)指出, 应当将大陆变形区的岩石圈与下方软流圈一起视作高黏度流体, 而非将岩石圈视作不易变形的刚性板块.

随着对地幔流场研究的深入和模拟能力的增强, 地幔流施加于岩石圈底部的应力得到了更多的关注. 薄板-对流地幔模型通过在薄板模型中增加来自地幔流的水平拖曳力来模拟地幔流对岩石圈形变的影响(图1b; 例如, Bird等, 2008; Ghosh和Holt, 2012; Ghosh等, 2019; Bahadori等, 2022; 张倩文等, 2024) . 此类模型通常用基于地震层析成像的大尺度对流模型(例如, Ghosh和Holt, 2012; Ghosh等, 2019; Bahadori等, 2022)、力矩平衡(例如, Bird等, 2008)或重力扰动方法(例如, 张倩文等, 2024)来计算地幔流在LAB处(100km或其他固定深度)产生的水平拖曳力, 并将其加入到二维力平衡方程中. 该类模型并未考虑由岩石圈厚度变化引起的岩石圈-软流圈相互作用及其相关的应力.

一些研究表明, 在全球尺度上, 由俯冲板片引起的大尺度地幔流施加于岩石圈底部的水平拖曳力是岩石圈偏应力的主要来源(例如, Bird等, 2008; Ghosh和Holt, 2012). 但在大陆变形区, 重力势能梯度引起的岩石圈内部体力占主导作用(Ghosh和Holt, 2012; Bahadori等, 2022; 张倩文等, 2024). 与之相反, 部分研究认为浅部小尺度地幔流施加于岩石圈底部的应力对陆内形变起主导作用, 并引起了局部的应变集中, 形成了板内地震带(例如, Faccenna和Becker, 2010; Becker等, 2015). 在构造活动不活跃的地区, 例如美国中东部, 大尺度地幔流施加于岩石圈底部的水平拖曳力被认为是岩石圈偏应力的主要来源, 并为陆内地震提供了驱动力(Ghosh等, 2019).

薄板-对流地幔模型能同时模拟岩石圈的应力与应变状态, 但其需要岩石圈有效黏度作为已知条件. 此类研究通常利用经验公式与观测到的地表应变率来计算岩石圈平均有效黏度(例如, Ghosh和Holt, 2012; Ghosh等, 2019). 一些研究指出岩石圈有效黏度的横向变化对岩石圈的应力与应变分布有着重要作用(例如, Ghosh和Holt, 2012; Ghosh等, 2019). 然而, 岩石圈的物理性质存在极强的三维不均一性, 通过上述方法得到的岩石圈平均有效黏度往往不能准确刻画岩石圈有效黏度在垂向上的变化(例如, Liu和Hasterok, 2016; Shinevar等, 2018; Cao和Liu, 2024), 可能低估了岩石圈有效黏度的三维效应.

近年来, 随着对大陆岩石圈三维结构的深入探索, 薄板模型的假设受到了越来越多的挑战. 大量研究表明大陆岩石圈厚度存在显著的横向变化(图2a). 在大陆岩石圈厚度突变处, 其与下方地幔流会产生复杂的相互作用. 这使得地幔流不仅可以对上覆岩石圈施加沿着LAB的水平拖曳力, 还可以沿着岩石圈厚度突增的界面对岩石圈施加正应力(图1c). 同时, 大量研究显示大陆岩石圈内部有着复杂的三维密度与黏度结构(例如, Liu和Hasterok, 2016; Shinevar等, 2018; Wang等, 2023; Bott等, 2024; Delph等, 2024), 可能对岩石圈内的应力与应变分布有着极强的影响(例如, Cao和Liu, 2021, 2024; Hightower等, 2024; 张倩文等, 2024). 此外, 地球动力学研究表明由地幔流引起的垂向应力对地表地形和岩石圈垂向应力也有着重要影响(例如, Cao和Liu, 2021). 然而, 上述对岩石圈形变起关键作用的三维因素并未被纳入到薄板模型或薄板-对流地幔模型中. 为了进一步研究岩石圈复杂结构带来的三维效应, 一些研究采用了三维岩石圈-对流地幔模型(例如, Cao和Liu, 2021, 2024; Hightower等, 2024). 该类模型将观测到的岩石圈三维精细结构加入到了动力学数值模拟中, 可以对岩石圈与对流地幔中复杂结构带来的三维效应展开定量研究.

图2 全球岩石圈厚度及三维岩石圈-对流地幔模型预测与美国西部地球物理观测资料对比

(a) 全球岩石圈厚度(Priestley等, 2024). (b)~(e)为三维岩石圈-对流地幔模型预测与地球物理资料对比(修改自Cao和Liu(2024)): (b) 150km深处模型预测的地幔流场与100km深处观测到的S波各向异性(Zhu等, 2020); (c) 模型预测(玫红色箭头)和基于GPS观测(黑色箭头)的地表速度场以及两者间的残差; (d) 模型预测的地壳应变率与陆内地震分布; (e) 模型预测的地壳应力场与高精度震源机制解. (b)~(e)中, 玫红色虚线为岩石圈厚度75km等值线, 近似地标志了美国西部岩石圈厚度突变处

为厘清大陆岩石圈三维结构对其形变有何影响, Cao和Liu(2024)基于多种观测资料, 搭建了一系列基于数据同化方法的三维岩石圈-对流地幔模型(图1c), 在同一个物理框架内对地幔流场与岩石圈形变进行了模拟. 在考虑了岩石圈与对流地幔三维精细结构的情况下, Cao和Liu(2024)不仅得到了满足地震波各向异性的地幔流场, 还再现了美国西部地区的地表速度场、陆内地震活动分布与地壳应力状态(图2b~2e). 数值模拟结果显示, 由位于北美东部下方正在下沉的法拉龙板块引起的朝向大陆内部的地幔流被科罗拉多高原与怀俄明高原下方厚度超过150km的克拉通岩石圈阻挡, 在局部地区产生了强烈的岩石圈与软流圈相互作用(图2b). 通过岩石圈与软流圈之间的相互作用, 地幔流对北美大陆岩石圈厚度突增处施加了额外的正应力, 导致该地区上方的地壳变形速率加快, 形成了北美西部活跃的板内地震带(图2d). 此外, Cao和Liu(2024)指出大陆岩石圈的三维密度结构与流变结构对大陆岩石圈内部的应力与应变分布有着重要作用. 类似的, 利用三维岩石圈-对流地幔模型, Hightower等(2024)证明了在美国中东部, 岩石圈三维流变结构尤其是板内薄软带, 对板内应力与应变分布、陆内地震的发生有重要作用.

结语

致谢

感谢两位审稿专家对本文提出的建设性修改意见.