华北地区岩石圈力学结构特征

如题所述

我们以构造单元的平均传导热流值作为基本数据,在一维稳态地温线的计算结果的基础上,根据岩石力学实验得到的岩石蠕变率计算岩石圈垂向剖面应力屈服强度包络线(Yield Stress Envelope,YSE),进而求得岩石圈累积强度F和壳幔累积强度比Fc/Fm。具体各构造单元内部结构分层,生热率、热导率取值和岩石流变率参数等请参见有关文献(汪洋,1999a;Wang Yang,2001)。计算结果列于表7.5。

华北各构造单元岩石圈流变学强度与热结构分布格局之间有很好的空间对应关系(表7.5)。在热流值较高的“热”区和“温”区,岩石圈流变学强度低。华北盆地岩石圈流变学强度很低,其挤压条件下累计强度仅1.9×1012 N/m,而在伸展条件下的累计强度小于1.2×1012 N/m,有效弹性层厚度为14km。该盆地的一个显著特点是其下地壳相当软弱。苏北盆地岩石圈累计强度比华北盆地大,有效弹性层厚度为16km。汾渭地堑的岩石圈强度特征与华北盆地相似,有效弹性层厚度为15km。

在热流值低于60 m W/m2的“冷”区,其岩石圈流变学强度大。例如:南华北盆地的平均热流值为49 m W/m2,其岩石圈累计强度在挤压条件下为5.0×1013 N/m;燕山-阴山造山带岩石圈累计强度在挤压条件下为1.6×1013 N/m。

表7.5 华北主要构造区热-流变学特征参数

综合上述,华北地区的岩石圈流变学强度的空间分布格局可以形容为:以相对刚性的燕山-阴山造山带和南华北盆地及大别山造山带为边,中间为软弱的新生代裂陷盆地。同时,华北地区多数构造单元均表现出存在相对软弱的中下地壳,这是因为华北地区下地壳的成分较典型的克拉通中下地壳在成分上偏中性,而中性岩的强度是低于辉长岩/辉绿岩的。

在整体上,华北地区岩石圈流变学强度较低,因此它是刚性的扬子克拉通和西伯利亚之间的一个相对软弱的构造域。华北地区较为韧性的岩石圈,尤其是韧性下地壳的存在导致其内部分布式变形的广泛发育。这种分布式变形(distributed deformation)可以有效调节华南地区与西伯利亚之间大尺度活动构造变形。

对秦岭和渭河裂谷的活动构造研究表明,扬子克拉通与戈壁-蒙古(Gobi-Mongolia)构造带之间存在左旋走滑位移,代表华南地区第四纪以来相对于西伯利亚正在发生向东的构造挤出(Mercier et al.,1996)。其总位移速率为12.5 mm/yr,其中渭河裂谷和秦岭地区活断层的变形速率共约8.5 mm/yr,其余由鄂尔多斯周边发生的伸展变形导致鄂尔多斯地块本身的反时针旋转所调节(Mercier et al.,1996)。然而,秦岭山前活断层的左旋走滑位移量向东逐渐减少(Wang and Ma,1995; Mercier et al.,1996)。Mercier等(1996)认为是大别山南北两侧的活断层和其内部的北东-南西向右旋走滑断层导致的“书斜式”变形,即地壳块体绕垂直轴的旋转,吸收了秦岭以东的华南地区相对于西伯利亚的左旋位移。大别山地区的岩石圈流变学强度大,这支持了“书斜式”变形的观点;同时,大别山地区有6级地震活动(Yan et al.,1996),也表明该地区的地壳现今具有较强烈的构造活动性。但是,大别山地区存在强度非常大的上地幔,而且下地壳与上地幔之间在力学上耦合。高强度的上地幔难以发生变形,这就意味着该地的活断层不是岩石圈尺度的大型断裂。大别山地区没有7级及其以上大震活动,而渭河裂谷及其以西地区是中国大陆著名的强震活动带(Yan et al.,1996)。因而我们认为,华北和华南交界的东段地区现今不存在岩石圈尺度的透入性(penetrative)活断裂。我们认为,在鄂尔多斯以东地区,大别山地区的活断层只吸纳了华南地区与西伯利亚之间左旋位移量的一小部分;而大部分的位移量由山西地堑和华北盆地及其内部的变形所调节。这一认识得到山西和华北东部地区呈面状广泛分布的7级及其以上地震活动的支持(Yan et al.,1996)。

山西地堑和华北盆地的岩石圈流变学强度非常低,发育韧性下地壳,其地壳与岩石圈地幔在力学上几乎完全解耦。上地壳与其下部区中间层在力学上的解耦是上地壳块体能够发生绕垂直轴的旋转变形的一个必要条件(Wang Yang,2000a)。这种“书斜式”变形导致变形发生在一个相对广阔的变形域内,而非集中在某几条剪切带之上(England和Houseman,1986;England和Molnar,1990)。因此,华北地区东部与中国大陆西部的阿尔金断裂或美国西部的圣安得列斯断裂等大型走滑断层带不同,其构造变形不是仅集中在若干大的活断层上,当地震中的空间分布呈现面状弥散展布的特点(Yan et al.,1996),这表明其活动构造变形属于分布式变形。马瑾和陈开平(1994)对北京及其周边即首都圈地区的研究显示,华北盆地北部地区的地震活动和构造变形受制于一系列相互交切的活断层所围限的地壳小块体的绕垂直轴的旋转运动的制约。Ishikawa(1994,转引自Wei和Se-no,1998)亦指出,东北亚地区所谓的Amuria板块以南山西地堑到日本西南部的地区是一个宽广的活动变形域。

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