岩石圈流变学特征

Question

如题所述

Answer 1

本节的目的在于阐明华北和华南地区岩石圈流变学特征及其横向非均匀性格局的概貌。计算结果列于表3-1和表3-2中。华北和华南地区主要构造单元和其他地区若干典型构造单元的应力屈服强度包络线(包括挤压和伸展两种状态)列于图3-1。

表3-1 华北和华南地区主要构造区热-流变学特征参数　Table3-1 Thermo-rheology parameters of major tectonic units in North and South China

注：Q为平均热流值，单位为mW·m^-2，括号内数字为构造单元内热流观测值的数目；Q_c/Q_m为壳幔热流比值；t_40km为40km深度温度；H为热岩石圈厚度；F为岩石圈累积强度(挤压环境)；F_c/F_m为壳幔累积强度比(挤压环境)；EET为岩石圈有效弹性层厚度。

由于深部地温计算相当于热流值的向下延拓，所以随着深度的增大其计算值的精度不可避免地降低；相应地EET的误差增大。据表3-1可知，岩石圈EET值的计算误差绝对值不超过20km，所有构造单元 EET 值的相对误差最大不超过33%；而且误差值大于14km的地区均属于地表热流值低的“冷”区，而热流值高的“热”区EET的误差值很小。这是因为“热”区F_c/F_m值大，上地壳“能干层”(competent layer)的厚度比例相对于“冷”区而言是比较大的，其厚度值受深部地温的影响也较小；而“冷”区F_c/F_m值小，岩石圈的能干层位主要是上地幔，该层位的厚度受深部地温值的影响大。由于深部地温的计算误差大于浅部，导致“冷”区EET值的误差较大。应该指出，根据地热方法确定的岩石圈有效弹性层厚度的精度不一定低于重力资料反演的结果。王勇和许厚泽(1996)应用重力资料反演得出的中国大陆若干地区EET值的误差绝对值在5～20km数量级，相对误差为10%～40%。注意到“热”区和“冷”区之间EET值的差异大于相应的误差值，表3-1给出的EET计算值能够反映华北和华南岩石圈热-流变学特征的横向变化格局。

表3-2 华北和华南地区构造单元岩石圈有效弹性层厚度　Table3-2 Effective elastic thickness of tectonic units in North and South China

对于华北和华南地区而言，岩石圈热状态是决定其岩石圈流变学强度的最主要因素，主要构造单元的流变学强度与地表热流值之间存在明显的反相关关系，而由于地壳厚度的不同所导致的岩石圈流变学强度的差异，其重要性相对较小。因此，华北和华南地区各构造单元岩石圈流变学强度、EET与热结构分布格局之间有很好的空间对应关系(表3-1)。

在热流值低于60mW·m^-2的“冷”区，其岩石圈流变学强度大(F值大)，F_c/F_m值小，EET值多大于30km，其中高强度地区的EET值明显大于其地壳厚度，岩石圈各圈层耦合(coupled)程度较高。例如：湘中地区的平均热流值为49mW·m^-2，其岩石圈累计强度在挤压条件下为6.4×10¹³N·m^-1，在伸展条件下为2.7×10¹³N·m^-1，EET值高达105km；四川盆地岩石圈累计强度在挤压条件下为1.6×10¹³N·m^-1，在伸展条件下为1.3×10¹³N·m^-1，EET值为55km；与湘中地区相比，四川盆地的下地壳相对软弱(图3-1)。

图3-1 华北和华南主要构造单元地温线和应力屈服强度包络线

Fig.3-1 Geotherms and YSEs of major tectonic units in North and South China

CX—楚雄盆地；CY—湘中地区；DB—大别山褶皱带；NC—华北盆地；OR—鄂尔多斯盆地；QN—秦岭褶皱带；SC—华南褶皱带；SH—四川盆地；SU—苏北盆地；应力屈服强度0刻度左侧的tension表示伸展；0刻度右侧的compression表示挤压

在热流值较高的“热”区和“温”区，岩石圈流变学强度低，F_c/F_m值普遍较大，EET值普遍小于25km，岩石圈各圈层在力学上非耦合(uncoupled)，而且多数地区上、下地壳之间也是非耦合的。例如：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1.9×10¹²N·m^-1，而在伸展条件下的累计强度小于1.2×10¹²N·m^-1，EET为14km；该盆地的一个显著特点是其下地壳相当软弱。苏北盆地的应力屈服强度包络线的形态与华北盆地不同，其下地壳强度相对大一些，岩石圈累计强度也比华北盆地大，EET为16km。汾渭地堑的岩石圈强度特征与华北盆地相似，EET为15km。华南褶皱带的应力屈服强度包络线显示出相对较强的上地幔部分，其岩石圈累计强度为5.6×10¹²N·m^-1(挤压条件)和3.8×10¹²N·m^-1(伸展条件)，EET为23km。鄂尔多斯的平均热流值为60mW·m^-2，其岩石圈累计强度为4.0×10¹²N·m^-1(挤压条件)和2.6×10¹²N·m^-1(伸展条件)，EET为28km，高于汾渭地堑和华北盆地；该地区的下地壳也相对较弱。秦岭造山带的应力屈服强度包络线形态与鄂尔多斯的相似，但其岩石圈累计强度为6.1×10¹²N·m^-1(挤压条件)和4.5×10¹²N·m^-1(伸展条件)，EET为38km。位于青藏高原东缘和东南缘的康滇构造带与楚雄盆地的平均热流值高于70mW·m^-2，其岩石圈强度很低，挤压条件下累计强度仅1.5×10¹²N·m^-1左右，其应力屈服强度包络线显示当地下地壳和上地幔几乎没有强度(图3-1)，EET仅10km左右。

值得注意的是，楚雄盆地与华南褶皱带的平均热流值均为72mW·m^-2，而前者的岩石圈强度明显低于后者(图3-1，表3-1，表3-2)。这是由于两地地壳厚度有显著差异，楚雄盆地为45km左右，而华南褶皱带为31～33km。由于地壳岩石的蠕变强度明显低于地幔橄榄岩，故而地壳厚度越大，其整体的岩石圈累计强度越低(参见Vauchez et al.，1998)。

华北和华南地区多数构造单元均表现出存在相对软弱的中下地壳，这是因为华北和华南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(参见 Li and Mooney，1998)，而中性岩的强度是低于辉长岩/辉绿岩的。

华北和华南地区构造单元的岩石圈强度与地震活动性之间呈现反相关关系。华北和华南地区内的强震区，如：康滇构造带、华北盆地等地，其岩石圈累积强度很低(一般F＜5×10¹²N·m^-1)，F_c/F_m值大；所以这些地区岩石圈易于变形，同时岩石圈所承受的应力主要由易于发生脆性破裂的地壳上部承担，导致这些地区地震活动性很强。相反，四川盆地、湘中地区等地区岩石圈强度很高，F_c/F_m值小，岩石圈不易变形，且应力主要由上地幔承受，故而其地震活动性很低。

总之，华北和华南地区岩石圈流变学强度及EET的横向变化格局主要受岩石圈热结构横向变化的影响。岩石圈深部热状态的空间变化格局导致岩石圈强度呈现“强弱相间”的镶嵌状展布格局。岩石圈流变学强度特征是影响华北和华南地区地震活动空间分布的重要因素之一(Wang Yang，2001)。