孫玉軍，董樹文，范桃園，張 懷，石耀霖＊

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

2 中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037

3 中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點實驗室，北京 100049

1 引 言

隨著對大陸巖石圈的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)板塊構(gòu)造理論并不能完全應(yīng)用到大陸內(nèi)部［1］.大陸和大洋巖石圈的流變結(jié)構(gòu)存在著重要差別，在大陸巖石圈中存在部分強度軟弱層［1－2］.20世紀(jì)70年代以來許多學(xué)者對巖石圈的流變結(jié)構(gòu)特別是巖石圈的強度做了大量研究［2－7］.基于這些流變結(jié)構(gòu)的研究，分析了大陸巖石圈的力學(xué)行為，Chen and Molnar討論了青藏高原地區(qū)的震源深度和巖石圈強度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)韌性變形占主導(dǎo)地位的下地殼地震相對較少［8］.Royden等提出低黏滯性的下地殼在造山過程中產(chǎn)生了重要作用［9］.Meissner and Mooney也提出弱強度的大陸下地殼為拆沉、抬升和擠出的發(fā)生提供了重要條件［10］.因此，合理獲取大陸巖石圈的流變結(jié)構(gòu)對理解大陸巖石圈的變形特征及大陸動力學(xué)有重要參考意義.

中國大陸及鄰區(qū)位于歐亞板塊的東南部，北靠古老的西伯利亞塊體，其他三面為太平洋板塊、菲律賓海板塊和印度洋板塊，前寒武紀(jì)形成的地塊主要有中朝、揚子和塔里木克拉通（圖1）［11］.該地區(qū)具有全球最典型的大陸巖石圈特征，如青藏高原.關(guān)于中國大陸及部分穩(wěn)定塊體的流變結(jié)構(gòu)前人已經(jīng)做了不少研究［9，12－15］.但是，這些工作大部分都是小尺度范圍內(nèi)基于一維或者二維模型計算得到的，很難用來分析不同塊體之間的相互作用.因此，要詳細(xì)研究大陸巖石圈的三維變形特征需要合理估計大陸巖石圈的三維流變結(jié)構(gòu).

圖1 中國大陸及鄰區(qū)構(gòu)造背景圖黑色虛線內(nèi)為模型計算的范圍，藍(lán)色實線為各剖面的位置（圖4和圖7），紅色方塊為選取不同分析地點的位置（圖2，圖5和圖8）.Fig.1 The tectonics features in Chinese continent and adjacent regionsThe black dashed line shows the research region in this paper.The profiles labeled as AA′，BB′，CC′，DD′，EE′and FF′are shown in Fig.4and Fig.7.The red squares indicate the sites location for Fig.2，F(xiàn)ig.5and Fig.8.

基于Crust2.0地殼結(jié)構(gòu)模型，我們建立了中國大陸及鄰區(qū)巖石圈三維有限元模型，以地震波波速得到的上地幔溫度和氣象臺站記錄的地表溫度作為約束，利用目前可得到的巖石圈熱參數(shù)計算了中國大陸及鄰區(qū)巖石圈三維熱結(jié)構(gòu)［16］.本文中，基于此三維巖石圈模型和溫度結(jié)果，利用GPS觀測數(shù)據(jù)得到的應(yīng)變率，參考一定的巖石圈物性分層結(jié)構(gòu)，我們計算了中國大陸及鄰區(qū)巖石圈的三維流變結(jié)構(gòu)，包括巖石圈強度和等效黏滯性系數(shù).該結(jié)果可以為研究中國大陸及鄰區(qū)巖石圈構(gòu)造變形和解釋部分地球動力學(xué)問題提供參考.

2 巖石圈強度

巖石圈強度和等效黏滯性系數(shù)是巖石圈流變結(jié)構(gòu)的兩個基本參數(shù).一般來說，巖石圈的強度可以用以下三種機制來進(jìn)行約束：摩擦滑動、脆性破裂和蠕變［2］.

2.1 摩擦滑動

基于大量實驗數(shù)據(jù)，拜爾利得出巖石在沿著破裂面滑動過程中，剪應(yīng)力τ和正應(yīng)力σn近似為線性關(guān)系，即拜爾利定律［17］：

臧紹先等經(jīng)過推導(dǎo)，采用主應(yīng)力來表達(dá)拜爾利定律，并在Aderson斷層系統(tǒng)下給出了正斷層、逆斷層和走滑斷層三 種 斷 層 的 摩 擦 滑 動 強 度 公 式［14，18－19］.本文中為表達(dá)一般性，我們采用走滑斷層的強度表達(dá)式來計算巖石圈的摩擦滑動強度，假定2σ2＝σ1－σ3.孔隙壓力的存在一般會降低巖石圈的強度［19］，但目前還很難定量考慮其影響程度，為簡單化，本文中暫未考慮孔隙壓力的影響.根據(jù)剪應(yīng)力、正應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系可以將拜爾利定律改寫為［14，19］：

τf為摩擦滑動強度，z為深度，σ1，σ2和σ3分別為最大、中間和最小主應(yīng)力.

2.2 脆性破裂

如果所考慮的巖石預(yù)先并不存在破裂面或者在破裂面之間完整巖石的尺寸比較大，那么巖石的整體強度需要用脆性破裂來約束［2］.這種強度機制與巖石樣品的尺度，所處的溫度、壓力和應(yīng)變率密切相關(guān).在溫度為800℃以下可以表示為如下形式［14，19－21］：

τb是脆性破裂強度.B0，K，m，α，β，γ分別是巖石樣本在大尺度下（1m尺度），溫度T，靜巖壓力σc情況下的巖石樣本參數(shù)，參考溫度T0和參考應(yīng)變率分別為25℃ 和10－5s－1.

表1 巖石圈部分代表性巖石的脆性破裂強度參數(shù)［14，19－20］Table 1 Brittle fracture parameters for some representative rocks（large sample）in the lithosphere［14，19－20］

2.3 蠕 變

當(dāng)巖石圈溫度和壓力足夠高時，蠕變往往占主導(dǎo)地位.蠕變強度與溫度、應(yīng)變率和巖石屬性是密切相關(guān)的.蠕變強度可以采用下列表達(dá)式［4，6，22］：

τd是蠕變強度.

在一定溫度和壓力下，以上三種強度機制中的一種將會占到主導(dǎo)地位.在本文計算巖石圈的強度過程中，三種強度機制都進(jìn)行了計算，在一定溫度和壓力條件下，選取其中最小的一個作為巖石圈的強度，即：

在得到巖石圈的強度后，巖石圈的等效黏滯性系數(shù)可以表達(dá)為如下形式［5］：

3 流變結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

3.1 溫 度

溫度是影響巖石圈流變結(jié)構(gòu)非常重要的參數(shù).前人基于地表熱流觀測數(shù)據(jù)，通過一維或者二維熱傳導(dǎo)方程對中國大陸部分地區(qū)的熱結(jié)構(gòu)開展了很多研究［14，23－27］.然而，一維或者二維熱模型忽略了溫度的橫向熱傳遞，沒有考慮巖石圈熱參數(shù)的橫向不均勻性.而且，根據(jù)地表熱流觀測數(shù)據(jù)向深部遞推，隨著深度的增加誤差也在逐漸增大.

本研究根據(jù)Crust2.0模型和地表地形數(shù)據(jù)，在球坐標(biāo)系下建立了中國大陸及鄰區(qū)巖石圈三維有限元模型.通過地震波波速獲取的巖石圈上地幔溫度為計算巖石圈熱結(jié)構(gòu)提供了強有力的深部約束［28－29］.采用此方法，An and Shi計算了中國大陸及鄰區(qū)巖石圈上地幔溫度［30－31］.我們選取他們在100km深度的溫度結(jié)果作為計算巖石圈熱結(jié)構(gòu)的深部約束.同時將中國大陸地區(qū)195個地表氣象臺站提供的地表地溫數(shù)據(jù)作為地表的溫度約束.根據(jù)三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，考慮到熱參數(shù)的各向不均勻性，計算了中國大陸及鄰區(qū)巖石圈三維熱結(jié)構(gòu).該計算結(jié)果與地表熱流觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，其中89%的數(shù)據(jù)誤差控制在20%以內(nèi)（熱流實際觀測的誤差為20%［32］），本文中計算巖石圈蠕變強度中需要的溫度即采用此結(jié)果，由于篇幅限制，這里不再贅述，詳見文獻(xiàn)［16］.

3.2 應(yīng)變率

早期在計算蠕變強度時一般采用常應(yīng)變率［2，6，33］.隨著大地測量技術(shù)的發(fā)展，中國大陸及鄰區(qū)的 GPS觀測數(shù)據(jù)也越來越豐富［27，34－35］.GPS觀測數(shù)據(jù)能更好地為蠕變強度計算過程中的應(yīng)變率提供約束［36－37］.由于缺乏深部應(yīng)變率的約束，該模型計算中我們假定巖石圈深部與地表具有相同的應(yīng)變率，在計算中統(tǒng)一采用由GPS觀測得到的應(yīng)變率.本文計算中我們采用Zhu and Shi根據(jù)GPS觀測數(shù)據(jù)計算得到的中國大陸及鄰區(qū)地表應(yīng)變率結(jié)果［35］.

3.3 蠕變參數(shù)

流變分層是巖石圈流變結(jié)構(gòu)計算中非常重要的觀點，本文中，我們考慮了巖石圈物性材料的垂向分層［6］.由于選取不同的巖性對計算出來的巖石圈流變結(jié)構(gòu)有很大的影響，因此，在前人對各層的代表性巖石進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，本文中針對每層選取代表性的巖石流變參數(shù)進(jìn)行計算，特別說明的是這里我們選取的巖石模型是其流變參數(shù)與各層代表性巖石接近，并不一定是各層的主要巖石成分.Rudnick和Fountain通過對全球大陸地殼研究的綜合分析認(rèn)為，中地殼由角閃巖相的偏中性物質(zhì)混合構(gòu)成，包含重要的K，Tu和U成分；下地殼以麻粒巖為主要組分，平均組分以基性的鎂鐵質(zhì)麻粒巖為主，在全球的范圍內(nèi)也有少數(shù)地方存在以中性麻粒巖為主要組分的下地殼［38］.Christensen和Mooney從全球地震波速度結(jié)構(gòu)方面分析了大陸地殼的成分，認(rèn)為上地殼主要由變質(zhì)巖和硅質(zhì)片麻巖為主；中地殼以英云片麻巖和花崗片麻巖為主；下地殼在化學(xué)成分上與輝長巖比較一致，而在波速方面與鎂鐵質(zhì)麻粒巖一致［39］.通過12條地學(xué)大斷面和6條折射地震剖面資料，Gao等獲得了中國除塔里木以外的9個大的構(gòu)造單元的地殼結(jié)構(gòu)，其結(jié)果表明除塔里木和秦嶺造山帶外，中國各構(gòu)造單元地殼結(jié)構(gòu)可以分為上地殼、中地殼、下地殼上部和下地殼下部4層，并給出了地殼結(jié)構(gòu)組成模型［40］.上地殼主要為花崗巖和低級變質(zhì)巖；中地殼主要為TTG和花崗片麻巖；下地殼大致分為兩層，以長英質(zhì)麻粒巖為代表的下地殼上部和以鎂鐵質(zhì)麻粒巖為代表的下地殼下部，但中國東部下地殼整體組成是偏中性的（長英質(zhì)成分為主）.這樣的地殼結(jié)構(gòu)成分也與全球的下地殼成分有差別，因為從全球的下地殼成分來看是以鎂鐵質(zhì)麻粒巖為主的［38－39］.本文中，根據(jù)每一層的物質(zhì)組分選擇合適的能代表各層流變性質(zhì)的巖石，高溫高壓物理實驗得到的各層巖石的流變參數(shù)如表2所示，對于地殼各層分別選取兩種代表性巖石來看流變參數(shù)對巖石圈強度的影響（圖2）.從中國大陸不同地區(qū)選取的6個地點來看，對于上地殼，選取花崗巖的流變參數(shù)比選取花崗巖（濕）計算得到的巖石圈強度稍高；對于中地殼，選取斜長巖的流變參數(shù)比選取石英閃長巖計算得到的巖石圈強度偏高；對于下地殼，選取鎂鐵質(zhì)麻粒巖的流變參數(shù)比選取長英質(zhì)麻粒巖計算得到的巖石圈強度明顯偏高.因此，上地殼和中地殼巖石流變參數(shù)的選取對結(jié)果影響不太大，而下地殼流變參數(shù)的選取對巖石圈強度的計算影響比較大.在本文的計算結(jié)果中，為了顯示各個地區(qū)的流變特征，我們采用Gao等人的地殼結(jié)構(gòu)組成模型［40］，巖石圈物性結(jié)構(gòu)分為上地殼、中地殼、下地殼上部、下地殼下部和巖石圈地幔5層，其中下地殼上部和下部的厚度比例為2∶1，各層的流變參數(shù)分別選取花崗巖、斜長巖、長英質(zhì)麻粒巖、鎂鐵質(zhì)麻粒巖和橄欖巖（濕）的巖石流變參數(shù)（表2）.

表2 模型計算中采用的巖石圈各層流變參數(shù)Table 2 Rheological parameters used in the model for each layer in the lithosphere

圖2 不同流變參數(shù)對巖石圈強度的影響藍(lán)色實線為上、中、下地殼分別采用花崗巖、斜長巖和長英質(zhì)麻粒巖計算得到的巖石圈強度；黑色虛線為上、中、下地殼分布采用花崗巖（濕）、石英閃長巖和鎂鐵質(zhì)麻粒巖計算得到的巖石圈強度；紅色虛線為溫度；紫色虛線為上地殼、中地殼和下地殼底邊界（數(shù)據(jù)來自Crust2.0模型）.Fig.2 The effect of creep parameters on the strength of lithosphereThe blue lines show the lithospheric strength adopting granite，anorthosite，felsic granulite and peridotite in the upper crust，middle crust，lower crust and lithospheric mantle，respectively.The black dashed lines show the lithospheric strength adopting wet granite，quartz diorite，mafic granulites and peridotite in the upper crust，middle crust，lower crust and lithospheric mantle，respectively.The red dashed line represents temperature.Three purple dot lines in each figure show the bottom of upper crust，middle crust and lower crust，respectively（from Crust2.0）.

4 計算結(jié)果

4.1 巖石圈強度

基于三維有限元模型計算得到的熱結(jié)構(gòu)、GPS觀測數(shù)據(jù)得到的應(yīng)變率和巖石圈結(jié)構(gòu)及組分，通過式（6）可以計算得到巖石圈的流變結(jié)構(gòu).巖石圈的強度顯示出明顯的橫向不均勻性（圖3）.在淺部（小于60km），中國大陸西部除塔里木外，特別是青藏高原，比中朝地塊、揚子地塊和印度板塊的巖石圈強度要低，中國大陸西部（除塔里木外）巖石圈的強度一般小于10MPa，而中朝地塊、揚子地塊和印度板塊一般都要高于該值.這個強度過渡帶在40km深度處比較明顯（圖3b），并且與重力梯度帶、地形階梯和地震波速的過渡帶都比較一致.值得注意的是，中國大陸東西部的強度過渡帶與我們南北地震帶也比較一致（圖3b），這可能因為強度的不均勻性更容易造成應(yīng)力集中.在深部（60km以上），只有四川盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯和印度板塊強度約高于1MPa，其他地區(qū)均低于該值；而在青藏高原，貝加爾湖地區(qū)，中國東北東部，華北東部和云南地區(qū)存在明顯的弱強度層（低于0.1MPa），貝加爾湖地區(qū)的拉張環(huán)境會使得地幔物質(zhì)上涌，而青藏高原、中國東北東部、華北東部和云南地區(qū)的俯沖帶脫水熔融，都會使得溫度升高而強度降低［44－45］.

垂向上整體看（圖4—5），青藏高原的巖石圈強度低而厚，即在80km以下強度沒有明顯的降低，而在華北、華南、四川盆地和鄂爾多斯等地80km以下，巖石圈強度明顯降低.這與這些地區(qū)的溫度分布特征比較相似.計算得到的強度剖面也顯示了明顯的分層性（圖4）.從每一點的巖石圈強度包絡(luò)線來看，巖石圈強度呈現(xiàn)出脆－韌性相間分布的特征.從所選擇的幾個強度包絡(luò)線來看，下地殼均呈現(xiàn)出韌性特征，而且弱強度的下地殼廣泛存在于中國大陸及鄰區(qū)，下地殼的流變強度一般比上地殼和巖石圈地幔上部低1～2個數(shù)量級，厚度最厚、強度最弱的下地殼存在于青藏高原，強度約為0.1MPa，厚度為20～30km.這與青藏高原地震波低速帶的分布和震源深度顯示的韌性變形下地殼特征基本一致［8，46］.

4.2 巖石圈等效黏滯性系數(shù)

圖5 不同地點的巖石圈強度和溫度隨深度變化曲線紅色虛線為溫度；藍(lán)色實線為巖石圈強度；紫色虛線為上地殼、中地殼和下地殼底邊界（數(shù)據(jù)來自Crust2.0模型）.Fig.5 The lithospheric strength and temperature vary with depth at different sitesThe red dashed lines indicate the temperature.The blue lines show the lithospheric strength.Three purple dot lines in each figure show the bottom of upper crust，middle crust and lower crust，respectively（from Crust2.0）.

圖8 不同點的等效黏滯性系數(shù)和溫度隨深度變化曲線紅色虛線為溫度；藍(lán)色實線為巖石圈等效黏滯性系數(shù)；紫色虛線為上地殼、中地殼和下地殼底邊界.Fig.8 The effective viscosity and temperature vary with depth at different sitesThe red dashed lines indicate the temperature.The blue lines show the effective viscosity.Three purple dot lines in each figure show the bottom of upper crust，middle crust and lower crust，respectively（from Crust2.0）.

巖石圈等效黏滯性分布特征與巖石圈強度的分布特征比較一致.橫向上看（圖6），在同一深度（深度小于40km），中國大陸西部（除塔里木外）的等效黏滯性系數(shù)比中朝地塊、揚子地塊、中國東北和印度板塊的要低，對于中朝地塊、揚子地塊、中國東北和印度板塊，巖石圈等效黏滯性系數(shù)一般大于1022Pa·s，而同一深度中國大陸西部（除塔里木外）一般低于該值.對于四川盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯和印度板塊這些穩(wěn)定地塊，其等效黏滯性系數(shù)要高于周邊地區(qū)，特別是在深度大于60km處.垂向上（圖7），上地殼、中地殼和巖石圈地幔上部的等效黏滯性系數(shù)較高，下地殼的等效黏滯性系數(shù)較低，厚而“弱”的下地殼在青藏高原的特征最為明顯.從量級上來看（圖8），下地殼的等效黏滯性系數(shù)一般比上地殼和巖石圈地幔的要低1～2個數(shù)量級.塔里木盆地和青藏高原的上地殼和中地殼等效黏滯性系數(shù)在1021～1022Pa·s量級，而華北、華南、四川盆地和鄂爾多斯的上地殼和中地殼的等效黏滯性系數(shù)在1023～1024Pa·s量級，青藏高原的下地殼等效黏滯性系數(shù)只有1019～1021Pa·s，該結(jié)果支持青藏高原存在弱的下地殼模型［47－48］.

5 討論和結(jié)論

需要指出的是影響巖石圈流變結(jié)構(gòu)的因素有很多，包括溫度、應(yīng)變率、物性參數(shù)和地殼結(jié)構(gòu)等.石耀霖和曹建玲詳細(xì)分析了溫度和應(yīng)變率對計算流變結(jié)構(gòu)帶來的影響，指出當(dāng)由地震波計算得到的溫度在1000℃時，減小或者增加150℃，計算得到的等效黏滯性系數(shù)會為原來的4倍或者0.25倍的誤差；如果給定的GPS速率誤差增加1個數(shù)量級，等效黏滯性系數(shù)會減小為原來的0.2倍［15］.本文所獲取的巖石圈地幔上部100km深度處的溫度誤差約為150℃，該深度的溫度基本在1000℃以上；而由GPS觀測得到的應(yīng)變率，其相對誤差最大地區(qū)也可以達(dá)到1個數(shù)量級左右［30，35］.因此，通過本文的計算所獲取的巖石圈等效黏滯性系數(shù)，由于溫度和應(yīng)變率帶來的誤差分別可能會達(dá)到1個數(shù)量級左右.由于深部溫度和應(yīng)變率本身估計較為困難，會包含許多不確定性，所以在研究巖石圈流變結(jié)構(gòu)時需要多種方法的結(jié)合，如通過震后形變反演的方法等.另外，本文通過分析中國大陸及鄰區(qū)巖石圈分層結(jié)構(gòu)和物性，選取了幾種代表性的巖石來計算巖石圈的流變結(jié)構(gòu)，雖然這樣會存在一定的誤差，但是目前在分析巖石圈整體流變結(jié)構(gòu)特征和地震活動性時有一定的指導(dǎo)作用.同時我們只考慮了垂向上的分層，橫向上不同塊體的巖性劃分需要在今后的工作中詳細(xì)考慮.地殼結(jié)構(gòu)在計算巖石圈流變結(jié)構(gòu)中也非常重要，但是目前關(guān)于中國大陸及鄰區(qū)詳細(xì)的地殼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)還非常有限.本文中選取的Crust2.0數(shù)據(jù)雖然較為粗糙，但整體上代表了整個巖石圈的地殼結(jié)構(gòu)特征.同時，本研究中建立的有限元模型有很好的擴展性，如果部分地區(qū)有較高精度的巖石圈結(jié)構(gòu)可以很方便地加入模型中進(jìn)行約束，使之不斷完善和提高.

通過計算我們主要得到以下結(jié)論：

“弱”強度和低黏滯性的下地殼在中國大陸及鄰區(qū)普遍存在，并且下地殼的流變強度和等效黏滯性系數(shù)一般比上地殼、中地殼和巖石圈地幔上部低1～2個數(shù)量級；青藏高原存在著厚度最大、強度和等效黏滯性系數(shù)最低的下地殼，厚度為20～30km，強度約為0.1MPa，等效黏滯性系數(shù)只有1019～1021Pa·s；從巖石圈強度和等效黏滯性系數(shù)來看，中國大陸西部（除塔里木）特別是青藏高原比中朝地塊、揚子地塊和印度板塊要低，在淺部它們之間的分界線比較明顯，大致與板塊邊界、地形階梯一致，同時也與重力梯度帶和地震波速過渡帶比較一致.

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