大陆岩石圈的力学性质

Question

如题所述

Answer 1

在考虑岩石圈岩石组成及物理化学环境的基础上，应用上述岩石力学性质影响因素知识可讨论岩石圈的力学性质。

在简化条件下，大陆岩石圈岩石组成可看作地壳由长英质岩石组成，地幔顶部由橄榄岩组成。

物理条件主要考虑温度和应变率的影响。针对两种类型的大地构造单元——地盾区和活动区来讨论。地盾区和活动区岩石圈的地温结构、莫霍面深度和构造运动的应变率，可参照Carter等（1981）的选取，即地盾区其大地热流值50mW/m²，平均地温梯度为16℃/km，莫霍面深度为40km，应变率为10^-15/s；活动区大地热流值为63mW/m²，平均地温梯度为20℃/km，莫霍面深度为40km，应变率为10^-14/s。上述应变率一般是指构造运动的长期速率，但地震作用瞬时应变率可很大。

在上述岩石圈组成、温度和应变率条件下，结合岩石力学实验和野外观察可得到以下基本认识。

1.岩石圈的脆性、半脆性和韧性变形领域

脆性变形主要出现于地壳上部10km范围内，半脆性变形主要出现在地壳中部10～20km范围内，20km以下部分基本上是韧性变形。例如，我们可以在地壳上部10km范围内看到脆性断层，而20km以下只能看到韧性剪切带或更均匀的流动变形，10～20km是两种变形的过渡地带。

2.岩石圈的弹性、塑性变形领域

在长期构造运动作用下，岩石圈20km以下部分的变形几乎都是塑性变形，20km以上部分通常包含弹性变形和塑性变形两部分，地震的产生即是这部分弹性变形的能量的释放。但地震时，在断层错动瞬间冲击力作用下产生的地震波传播时，整个岩石圈的变形都是弹性的。

3.岩石圈的强度分布

由于岩石圈的变形在最上部主要呈现脆性，而在中下部主要呈现韧性的变形特征，因此强度的使用在这里包含了两重的含义：①在最上部指破裂强度或已有破裂的岩石中的摩擦强度；②在中下部指屈服强度或流变强度。上部地壳岩石的摩擦强度已由Byerlee（1978）给出。岩石圈中下部岩石的流变强度由岩石稳态流动律给出。

根据金属及岩石流变性质研究，在高温条件下（T＞0.5T_m，T_m为熔点温度），材料的稳态流动律（以下简称流动律）表达了应变率、差应力（流变强度）和温度三者间的函数关系，有三种表达式。在低应力下，

=κΔσ（

为稳态流动应变率，κ为与材料性质及温度有关的常数，Δσ为差应力），这种稳态蠕变（流动）称扩散蠕变。在中等应力条件下，

=κΔσⁿ（n为与材料性质有关的常数，称应力指数），这种蠕变称幂函数蠕变。在高应力条件下，

=Jexp（βΔσ）（β为常数，与温度及材料性质有关），这种蠕变称为指数函数蠕变。扩散蠕变只有在颗粒极细的人造岩石样品中才可能观察到，一般岩石样品颗粒远大于扩散蠕变所需要的粒级，所以线性流动律不在考虑范围。在中等和高应力条件下，材料应变率与诸因素的一般关系式可写为Weertman 关系式：

=Aexp（-Q_c/RT）·f（Δσ） （3-42）

式中：A为常数；Q_c为蠕变活化能；R为气体常数；T为绝对温度；f（Δσ）为差应力的函数。f（Δσ）可表现为幂函数式、指数函数式，即式（3-42）可写成两种形式：

=Aexp（-Q_c/RT）Δσⁿ （3-43）]]

=Aexp（-Q_c/RT）exp（βΔσ） （3-44）

在以上两种类型构造单元的岩石圈温度及应变率条件下，由式（3-44）式可以得到其相应的强度值（差应力）。强度值绘于图3-53中。图上绘出了Byerlee摩擦定律限定的地壳上部强度-深度关系曲线，华北地台长英质麻粒岩和Westerly花岗岩流动律限定的地壳中下部强度-深度关系曲线，干纯橄榄岩及含11%水的纯橄榄岩的流动律限定的岩石圈上地幔的强度-深度关系曲线。长英质麻粒岩的曲线落在花岗岩曲线偏下的部位，表明其强度高于花岗岩。按照现代对大陆地壳成分的认识，其应为由酸性到基性的岩石组成。在简化的情况下，仍可看出大陆岩石圈强度的主要特点。从图可看出，大陆岩石圈存在两个高强度带，即上部地壳高强度带和地幔顶部高强度带。

图3-53 由岩石流变实验数据得到的地盾区（A）和活动区（B）岩石圈强度（差应力）剖面图

a—摩擦定律强度线（据Byerlee，1978）；b—花岗岩强度线（据Cater et al.，1987）；c—长英质麻粒岩强度线（据刘顺，1993）；d—含11%水纯橄榄岩强度线（据Cater et al.，1987）；e—干纯橄榄岩强度线（据Cater et al.，1987）