岩石圈塑性流动与大陆板内构造变形研究进展评述

岩石圈塑性流动与大陆板内构造变形

研究进展评述

周永胜

(中国地震局地质研究所,北京,100029)

摘　要　人们对大陆板内构造变形机制有两种不同认识,即“刚性”板块通过弹性实现应力远程传递和岩石圈通过下层塑性流动实现应力远程传递。通过对岩石圈各层变形属性和塑性流动的研究,认为通过处于塑性状态的下地壳和岩石圈地幔的塑性流动实现应力远程传递和控制板内构造变形更为合理。

关键词　岩石圈;塑性流动;构造变形;变形属性

1　大陆板内构造变形机制的两种构造观

1.1　单层构造变形与“刚性”板块通过弹性实

现应力远程传递

关于大陆岩石圈内部构造变形,无论槽台说或板块构造说,就其原意而言,都建立在大陆内部是相对稳定的“刚性”块体的基础上。表现为大陆以相对稳定的古老地台、地盾、地轴等陆核或“刚性”的板块为核心,构造变形主要集中于它们的边缘地带,形成地槽、造山带、褶皱系,或者各种类型的板块边界,板块之间的相互作用通过“刚性”板块的弹性来实现应力远程传递。为了解释大陆内部构造变形,科学家们对槽台说和板块说提出了众多修改和补充,或者使得地槽、地台扩大化和复杂化,提出“准地台”、“准地槽”、“地台活化”、“地洼”等假设;或者把板块之间的各种边界移到板块内部,认为大陆内部存在古、今板块边界带;或者放宽大陆板块边界。典型的例子是把裂陷盆地作为板块汇聚边界或新生边界,或者解释为弧后盆地,或者解释为大陆裂谷。面对大陆内部构造变形的大量事实,人们逐渐开始注意大陆内部的可变形性和深浅部构造关系的复杂性,对大陆内部是“刚性”的观点提出质疑(王绳祖,1997;马宗晋,1997)。1.2　岩石圈多层构造和延性下层塑性流动实

现应力远程传递

随着对大陆岩石圈探测程度的提高,人们认识到岩石圈是多层次的、非均匀的,不同层次具有不同的变形属性和特征。特别是岩石圈下层塑性流动观点的提出,是对“刚性”岩石圈的最大挑战,为大陆岩石圈构造变形研究提供了新的思路。早在70年代初,麦肯齐(M cKenzie,1972)就提出地壳流动在板块内部构造变形中的作用。莫尔纳等(M olnar et al., 1975,1977)和塔波尼耶(Tapponnier et al., 1976)关于板块内部滑移线场和岩石圈下层流动的构想以及后续的研究,无疑是对“刚性”板块说的一种挑战。80年代以来,越来越多的研究成果表明,下地壳或包括岩石圈地幔的流动作用对大陆板块内部变形具有重要意义。王绳祖(1985,1993a、b,1994,1997;Wang,S-z, 1991,1993a、b)在前人研究的基础上,综合高温高压岩石力学实验、地质、地球物理等研究成果,提出岩石圈多层构造和塑性流动网络的观点。该观点更明确地指出大陆板块内部是可变形体,板块内部变形是多层次的,岩石圈下层(包括下地壳和岩石圈地幔)的塑性流动网络不仅实现板块边界推挤力的远程传递,而且控制上部脆性层的构造变形、地震、岩浆作用等地质、地球物理过程。这些研究成果揭示

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了大陆内部构造变形以及深浅构造关系的实质,为大陆板内构造变形研究提供了新的思路和方法。

2　岩石圈各层变形属性

对单层构造变形和“刚性”板块弹性传递应力的挑战与岩石圈多层构造与延性下层流动传递应力观点的提出,首先是从认识岩石圈各层变形属性开始的。

近年来,随着高温高压岩石力学实验及深部地质、地球物理探测的深入,人们逐渐认识到岩石圈从浅到深,岩石的破坏形式是由脆性向脆延性过渡;岩石的变形属性由弹性向粘(塑)性转变(Byerlee,1968;Carter et al.,1987; Tsenn et al.,1987;王绳祖,1985,1993b, 1995)。然而,由于受到理论认识和探测、反演技术等限制,人们对于岩石圈的变形属性,仍然有不同的看法。

2.1　岩石圈为弹性,软流圈为粘性

在应变传播研究中采用的双层模型假设岩石圈为弹性,软流圈地幔为粘性(牛顿流动)、弹粘性、粘弹性,或它们的组合(Bott et al., 1973,1979;M eyer et al.,1988;Sato, 1989);在板块俯冲的模拟研究中,把岩石圈看成弹性(Shemenda,1992;Shem enda et al., 1992),或者把岩石圈上层(地壳和最上部地幔)和下层(靠近底面的部分)分别按弹性和线粘性处理(Tao et al.,1992)。

2.2　整个岩石圈为粘塑性

在大规模和长距离的构造变形研究中,如大陆岩石圈构造变形和青藏高原隆升机制的模拟,都把岩石圈看成符合牛顿流动或幂次流动的粘性流,软流圈为无粘性的流体(England and M cKenzie,1982;Eng land,1983);或者在研究盆岭地区时把岩石圈看成薄层连续介质的塑性体,下伏粘性流动体,其粘度随深度减小(Fletcher and Hallet,1983)。在地幔对流计算中,较广泛地假设地幔属于粘性流动(牛顿流动)(Zhang et al.,1994;洪汉净等,1994;白武明,1994)。2.3　岩石圈内存在多个弹性层和粘性层

在地壳、上地幔应力极限研究中,以地壳中某一深度为界,区分为弹性上层和粘性下层,分别按库仑-莫尔摩擦律和非牛顿流动的幂次流动律估计应力极限随深度的变化,并得出地壳中部形成极限应力峰值的认识(Brace et al., 1980;M eissner et al.,1982)。考虑到不同深度层次岩石粘性的差别,研究人员还指出上地幔顶部存在另一峰值的可能,或者在岩石圈深度范围内甚至可能存在多个峰值(M olnar et al.,1981;Dunbar,1989)。戴维和科博德等(Davy and Cobbold et al.,1991)也同意岩石圈极限应力值呈双峰式(上地壳和岩石圈地幔为极限应力峰值),并以此为依据,设计了4层模型实验(脆性中上地壳、延性下地壳、脆性岩石圈地幔和延性软流圈),来模拟岩石圈构造变形。史密斯和布鲁恩(Sm ith and Bruhn, 1984)在研究美国贝森和兰奇地区的地壳结构和脆延性变形中,把地壳分成相间的3个脆性层与延性层。3个脆性层处于极限应力峰值段,而且极限应力峰值随深度增加。脆性层以摩擦为特征,延性层以准塑性流动为特征,脆性层与延性层之间通过低角度铲式断裂或层间滑脱实现伸展。

2.4　中上地壳为弹性,下地壳和岩石圈地幔为

粘(塑)性

在下地壳横向流动及岩石圈伸展或挤压隆升的模拟研究中,有些学者假定上地壳为弹性(脆性)体,下地壳为符合牛顿流动或幂次流动律(非牛顿流动)的粘性流体(Bird,1991;Block and Roy den,1990;Gans,1987;Zhao and M or-g an,1987;Kruse et al.,1991);或者把上地壳看成弹性(脆性),下地壳和岩石圈地幔都看成延性或粘性(M olnar and T apponnier,1975, 1977;Tapponnier and Mo lnar,1976)。在研究稳定大陆岩石圈伸展和岩石圈规模断裂形成机制时,把上地壳作为弹性(脆性)层,下地壳和岩石圈地幔作为粘性层(Gov ers and Wor-tel,1995);王绳祖(1993)在岩石圈多层构造和塑性流动网络的研究中,将大陆岩石圈分为

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脆性、半脆性上层(上部地壳)和半延性(下地壳)、延性下层(岩石圈地幔和软流圈),上下层之间是非连续分布的壳内软夹层(低速、高导层)。

上述认识的分歧主要是下地壳和岩石圈地幔的变形属性。事实上,岩石的强度和粘度不能完全等同,强度是变形形式的衡量指标,粘度是变形属性的衡量指标。

王绳祖(1995)认为,岩石圈的变形属性与时间尺度有关。在漫长的地质作用过程中,不仅下地壳和岩石圈地幔属于粘性,中上地壳也可能处于粘性流动状态;在仅仅延续数十年的情况下,上地壳以及岩石圈地幔都可能呈弹性状态;延续时间介于两者之间时,通常上地壳为弹性,下地壳和岩石圈地幔为粘性或滞弹粘性。马克斯维尔和凯尔文(Max w ell and Kelvin)流变模型的松弛期倍数可作为岩石圈变形属性的判据,松弛期倍数大于2.3,则为粘性流动(王绳祖,1995)。

在岩石圈构造变形过程中,一般持续时间从数百万年到上亿年,因此,可以认为上地壳为弹性,下地壳和岩石圈地幔为粘性。

3　岩石圈塑性流动研究现状及认识上的分歧

在大陆板内构造变形研究中,越来越多的研究者逐渐认识到了岩石圈下层的流动性,更多的人强调地幔流动在岩石圈构造变形中起了重要作用,但由于对岩石圈各层变形属性认识的分歧,对岩石圈的流动作用也就有不同的认识。

3.1　壳内(下地壳)流动

地壳流动对构造变形的影响最早是由麦肯齐(1972)提出的。他在研究地中海及中东地区时提出,由于下地壳粘性流动的牵引作用,产生了一系列的微板块,这些微板块在构造变形中起到了重要的作用。此后,众多的研究者也注意到了岩石圈的流动。

周玖和黄修武(1980,1985)提出由于青藏高原隆升,在重力作用下高原内部储存着巨大的能量,它通过地壳内柔性物质流动释放能量,并控制地壳构造运动和地震活动。其中西南地区存在由青藏高原向东南流动的西南地壳物质流;在华北地区,地势西高东低,地壳西厚东薄,以青藏高原为中心,形成由西南向东北水平扩展的地壳物质流。

地球物理探测结果显示,地壳内有近水平的反射层,这种水平的层状构造被认为是地壳不同层次粘塑性流动的具体反应(Meissner et al.,1986,1987a、b,1988,1989,1991;Kusznir, 1986,1987,1988;Kusznir and M eissner,1986; Kusznir et al.,1988;Strehlau et al.,1987, 1991)。

伯德(Bird,1991)认为下地壳软弱带(包括水平拆离、垂直断层和横向流动)对众多构造过程起了重要的作用,其中横向流动是最主要的一种,但在不同地区所起作用不尽相同。因为下地壳流动的驱动力与莫霍面形态及地表起伏形态等因素有关,在稳定地盾或地台区,下地壳流动对构造变形有一定影响,但不是主要的;在相对隆升区,下地壳流动对构造变形有重要影响;在强烈隆起的高原和高热区,下地壳的流动是构造变形的主要动力。例如在贝森和兰奇地区,伸展构造受到下地壳横向流动的控制,由于下地壳流动,莫霍面形态不能长时间维持,现今探测到的莫霍面形态不能代表盆地形成时的地幔特征。又如,由于印度板块推挤,青藏高原下地壳粘性流动层类似于一个水库,储存着巨大的流动能量,促使高原抬升(Zhao and Mor gan,1987;Bird,1991)。

克鲁泽等(Kruse et al.,1991)在研究盆岭构造和科罗拉多高原后认为,下地壳存在符合牛顿流动或幂次流动的塑性流动通道,它决定上地壳的伸展减薄程度以及重力异常和地形起伏等,并通过通道流的调节作用,减小地壳厚度的不连续性,使强伸展区和弱伸展区地壳总厚度产生微小的差别。地壳的伸展程度还与通道厚度和长度有关,而通道流的类型由粘度决定。例如在贝森和兰奇地区,10～25km厚的通道流粘度约为1018～1020Pa.s,在10M a内

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伸展率达到2.4～3.0(伸展量500km);短距离(150km)的通道流要求粘度约1021Pa.s,这符合幂次流动律;长距离通道流要求粘度更低,这就需要地壳温度增加到700°C,并且依赖于物质成分与变形特性,它基本符合线性流动。

布洛克和罗伊登(Block and Roy den, 1990),研究贝森和兰奇地区的岩石圈时,假设弹性岩石圈覆盖于符合牛顿流动的软流圈上,计算结果表明该地区的山脉比现在要高3～5 km,与实际情况不符;假设上地壳为弹性,下地壳为粘性,通过下地壳区域性塑性流动调节莫霍面形态和地壳厚度,不仅可以产生拆离断层和伸展构造,而且构造格局基本与该地区的实际情况相符。

布蒂利耶和凯恩(Boutilier and Keen, 1994)通过数值模拟表明,大规模断裂的存在可以产生地壳塑性流动,从而引起细颈化伸展。

3.2　岩石圈内存在多层流动

史密斯和布鲁恩(1984)研究贝森和兰奇地区伸展构造时提出,大陆地壳由多个脆性变形(摩擦)和准塑性流动层组成,其中热塑性层的流动在伸展构造中起到至关重要的作用。他们认为,上地壳大型低角度反射层不符合传统的脆性破裂理论,而代表具有相对较高的延性和较低剪应力的拆离正断层。

李扬鉴(1996)提出层控构造假说。该假说明确提出地球内部可分成若干圈层,不同层次脆性层下伏软弱层,形成相应层次的层控构造:软流圈对岩石圈的控制,形成板块构造;莫霍面对地壳的控制,形成过渡壳构造;中地壳塑性层对上地壳的控制,形成厚皮构造;结晶基底上覆软弱层对盖层的控制,形成薄皮构造。中地壳塑性层在大陆构造演化过程中起到关键性作用:它向上控制盆—山系和冲叠造山带厚皮构造,向下引起莫霍面、软流圈上拱和下地壳、岩石圈地幔张裂、分离、下滑、扩张,使厚皮构造发展成过渡壳构造和板块构造。

3.3　下地壳和岩石圈地幔流动

莫尔纳等(1975,1977)和塔波尼耶等(1976)关于板块内部滑移线场和岩石圈“压力计”式的流动传递应力的构想,以及其后关于亚洲中东部地区构造变形的研究,都强调下地壳和岩石圈地幔由西向东的粘性流动在岩石圈构造变形中起主导作用。尽管在后来的物理模拟实验中忽略了延性层的流动,只能通过脆性剪切破裂实现驱动力的远程传递。

齐格勒(Ziegler,1992)强调地幔对流对岩石圈底部和下地壳的摩擦牵引力,以及岩石圈下部和软流圈部分熔融产生的流体在岩石圈伸展中的重要性。

拉金(Lar kin,1997)以贝森和兰奇地区为例,强调幔源岩浆贯入下地壳,形成壳幔过渡带,使莫霍面形态起伏,在伸展过程中起到重要作用。

王绳祖(1985,1993a、b,1995;Wang, 1993a、b)在岩石圈多层构造和塑性流动网络的研究中,将大陆岩石圈分为脆性、半脆性上层(上部地壳)和半延性(下地壳)、延性下层(岩石圈地幔和软流圈),上下层之间是非连续分布的壳内软夹层(低速、高导层)。脆性上层进一步划分为张性破裂构造层和剪切破裂构造层,前者表现为铲式断裂和裂陷盆地等张性构造,后者则表现为大陆多震层;半延性下地壳—延性岩石圈地幔主要以塑性流动网络构造为特征;软流圈以均匀粘性流动(牛顿流动)为特征。大陆板块边界驱动力主要通过延性层网络状流动实现远程传递,并控制板内构造变形、岩浆活动、地震活动等。根据这一观点设计的双层模型成功地模拟了在板块边界推挤和重力势联合作用下,靠延性层网络状流动实现边界驱动力的远程传递,并牵引上层构造变形这一动力学过程,模拟了在大陆板块边缘驱动作用下,亚洲中东部地区构造变形的构造格局(李建国等,1997,1998)。

3.4　岩石圈整体处于流动状态

英格兰(England)和麦肯齐(1982)、英格兰(1983)在研究大规模和长距离的构造变形(如模拟大陆岩石圈构造变形和青藏高原隆升机制)时,把岩石圈看成符合牛顿流动或幂次流动的粘性流,软流圈为无粘性的流体。弗

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莱特和哈利特(Fletcher and Hallet,1983)在研究贝森和兰奇地区时把岩石圈看成薄层连续介质的塑性体,下伏幂次流动的粘性流动体,其粘度随深度减小。这种流变模型产生强烈的不稳定伸展细颈化,伸展细颈化强的区域形成盆地,伸展细颈化弱的区域形成山岭,即盆岭构造。

虽然对岩石圈流动有不同的认识,但它们从不同侧面揭示了岩石圈多层构造变形的特点,在解释板块内部构造变形时,比“刚性”板块和弹性变形观点具有许多优越性。在众多岩石圈流动观点中,笔者认为下地壳和岩石圈地幔塑性流动更合理,中深变质岩和深源火山岩包体中的塑性流动组构就是下地壳和岩石圈地幔塑性流动的直接体现,它为大陆板内构造变形研究提供了新的思路。

本文是在王绳祖研究员和张流研究员指导下完成的,两位老师详细审阅了初稿,并提出许多宝贵的意见和建议,在此向他们表示诚挚的谢意。本文得到地震科学联合基金(85080103和196065)资助。

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(收稿日期:1998-09-11)—

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Review on the Progress in Studies on Plastic Flow of Lithosphere and Continental Intraplate Tectonic Deformation

Zhou Yongsheng

(Institute of Geolog y,CSB,Beijing,100029)

Abstract　There are tw o different opinions about the mechanics o f continental intraplate tec-to nic defor matio n:the far-rang e stress transmission of“rigid”plate is carried out by elasticity;and the far-rang e stress tr ansmissio n o f lithospher e is carried out by plastic flow in the ductile lay-er.According to the studies on the defor matio n attr ibute and plastic flow of various layers of litho sphere,the author sugg ests that it is mo re r easonable that far-r ang e str ess transmission is dr iv en by the plastic flow of the low er crust and lithospheric m antle w hich is in a plastic state,and thus co ntro l the intraplate tectonic defo rmation.

Key words　lithosphere;plastic flo w;tectonic deform ation;defor matio n attribute

前兆异常与地震相关性评价中的不确定性 ——V AN方法讨论引起的思考

郑兆

(安徽省地震局,合肥,230031)

摘　要　从国际地震界关于VAN方法预测效能引发的大辩论出发,讨论了在前兆异常与地震相关性评价中的不确定性问题。在对前兆与地震相关性进行统计检验时,涉及到对地震孕育、发展和前兆基础的理论研究及认识,以及将预测转换成具体操作程序时遇到的许多不确定性问题。文中对这些不确定性逐一进行了介绍。“地震界需要一套评估地震预报方法的基本方案”是在辩论后达成的共识,亦应成为中国学者的一项重要研究内容。

关健词　前兆异常;相关性;统计检验

《地球物理通讯》杂志1996年第23卷第11期刊登了44篇文章,围绕希腊科学家VAN 研究组用“地震电信号”方法预测地震的效能评价问题进行了讨论。《世界地震译丛》1997年1～3期全文刊登了中译文[1]。这是自地震预报探索开始以来,首次在国际范围内就某种地震前兆方法预测效能进行评价而展开的大辩论。不少著名的地震学家都发表了看法,不同意见直接交锋,尽管其中不乏个别言辞和观点带有明显的偏见,但从这场辩论中我们中国地震分析预报人员可以得到不少有益的启示,吸取其

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本研究得到地震科学联合基金重点项目95-07-431的资助。