美國地球透鏡計劃中“地形學和構(gòu)造學”的進展＊

美國地球透鏡計劃中“地形學和構(gòu)造學”的進展＊

1 地形學和構(gòu)造學：闡明巖石圈形變的時空模式

構(gòu)造地貌學提供了103～106年時間尺度范圍的資料，彌補了大地測量和傳統(tǒng)地質(zhì)在時間尺度上的差異，將會為人類對巖石圈變形認識做出重大貢獻。地表形貌的數(shù)字化表示、地表特征的同位素測年技術、控制整個地表物質(zhì)運動規(guī)律的定量化表示等方法的不斷發(fā)展，使得過去十年中對地形學的研究發(fā)生了巨大變革。同時，沉積學也給地表運動帶來了重要的制約因素。地球透鏡計劃將提供更多新的信息，用于探測地幔、地殼和地表過程之間的耦合。

1.1 應變速率的時空變化

活斷層新技術的研究揭示了橫跨美國西部的斷層形變速率的時空變化。激光雷達采集的高分辨率地形與宇宙放射性核素（主要是10Be，26Al和36Cl）測年技術相結(jié)合，使得104～105年時間尺度的斷層滑動速率資料的迅速擴展得以實現(xiàn)。與“地震、斷層和巖石圈流變學”這一節(jié)所述的加州東部的現(xiàn)代應變率相比，這些速率顯示了時間和空間的顯著變化。對洛杉磯南部板塊邊界斷層的地質(zhì)滑動率的分析，顯示了圣安德烈亞斯和圣哈辛托斷層區(qū)滑動的一致性變化。這種差異可能源于下地殼或上地幔中依賴時間的剪切變化，也可能是由巖石圈脆性斷裂的相互作用引起，由此對遠場板塊運動驅(qū)動穩(wěn)定斷層滑動的傳統(tǒng)觀念產(chǎn)生質(zhì)疑。最終，決定北美斷層系的非穩(wěn)定變形的驅(qū)動機制，將會引起對斷層滑動的驅(qū)動過程和地震孕育過程有更深入的認識。

1.2 美國的地形演化

地形變化的速率和模式也可以為地表長波長變形提供主要的制約因素，地表長波長變形對應地球深部變化過程。特別是，河流系統(tǒng)對于地形抬升不同速率的調(diào)整，允許估計整個變形區(qū)域大致的變形模式。此外，這些系統(tǒng)對海平面相對變化的瞬態(tài)響應，可以產(chǎn)生穿越構(gòu)造活動區(qū)的河流切口的相關預測模式。對這些地表變形信息的定量分析，結(jié)合侵蝕速率的測量（受宇宙同位素和／或低溫熱年代學測年技術限制）可以揭示地形抬升的波長和模式。例如，河流剖面的演化可以揭示加利福尼亞伊尼歐山（Inyo Mountains）隆起的系統(tǒng)模式，該模式受由10Be測年得到的抬升速率制約（圖1）。

大陸范圍的地球透鏡計劃數(shù)據(jù)，可以用來研究整個地幔范圍區(qū)域抬升的驅(qū)動力。由地球透鏡數(shù)據(jù)產(chǎn)生的地殼和地幔結(jié)構(gòu)的層析成像，能夠確定速度異常體的幾何結(jié)構(gòu)，異常導致動態(tài)地形下陷或者隆起。這些異常包括下插到地幔邊界的俯沖板塊，巖石圈消減損耗和下沉的新形式，上升到黃石熱點的異常物質(zhì)。隨著移動臺陣向東遷移，在大陸較古老的斷裂下方可能會發(fā)現(xiàn)類似的特征，引發(fā)關于動態(tài)地形和構(gòu)造發(fā)展相互作用的新問題。

地球動力學模型表明，大陸西部邊緣下方的巖石圈俯沖不僅影響西部內(nèi)陸海道的淹沒，在白堊紀時期（65～145百萬年前），美國西部是沉淀物沉積的中心地區(qū)，巖石圈俯沖也可能解釋新生代時期（65百萬年前）沿東海岸的沉降異常（圖2）。深部地幔和地表的這種明顯聯(lián)系引起了有趣的問題：地幔流如何影響內(nèi)部克拉通盆地的發(fā)展，北美被動邊緣沉降，甚至是存留的古老的阿巴拉契亞造山帶地形。但是，解釋地球深部和地表關系需要將應用地球物理數(shù)據(jù)的盆地分析與地形變化、侵蝕和近海區(qū)沉積物的研究密切結(jié)合。由于許多數(shù)據(jù)和石油／天然氣工業(yè)的盆地演化等專業(yè)知識相關，因此，應該鼓勵與工業(yè)界密切合作。

圖1 約束地形隆起的構(gòu)造地貌示意圖。伊尼歐山西部的加州鹽湖流域，被右旋、斜滑正斷層包圍，這些斷層是加州東部斷層的一部分。沿伊尼歐山脈東側(cè)的河流渠道的排泄顯示出不均衡的剖面，不均衡性以分離附近山前的高梯度、低梯度河段的裂點為特征。裂點發(fā)生在沿山脈海拔相對統(tǒng)一的地區(qū)，與巖性接觸無聯(lián)系，僅發(fā)生在通過邊界斷層排泄的斷層。裂點上方和下方的渠道梯度指數(shù)的系統(tǒng)差異，與平均侵蝕速率的差異有關，而平均侵蝕速率由現(xiàn)代沉積物中的10 Be決定。系統(tǒng)差異表明，下游陡峭的不斷調(diào)整反映基準面斷層下降的增加。沉積物的重構(gòu)表明，在過去的0.7～1.0百萬年前，基準面下降了800～1 000 m（本圖由賓夕法尼亞大學，E.Kirby提供）

圖2 法拉龍板塊的演化和北美的動態(tài)地形。（a）不同深度板塊的幾何形狀，背景顏色代表左側(cè)不同深度的溫度，顏色輪廓表示板塊的邊界。（b）地形的動態(tài)變化。（c）使用1億年前的平坦大陸和哈克、卡塔尼（2005）海平面資料，預測的不同地質(zhì)年代的大陸沉浸（圖件來自Spasojevic等，2009。原圖為彩圖）

2 最新進展

（1）加州斷層運動的地質(zhì)學速率與大地測量學所得的速率不同，顯示了斷層活動處于非穩(wěn)定狀態(tài)。這種差異可能源于在下地殼或者上地幔依賴時間的剪切變化造成，或者源于易碎巖石圈中斷層互相作用，因此，對遠場板塊運動驅(qū)動穩(wěn)定斷層滑動的傳統(tǒng)觀念產(chǎn)生質(zhì)疑。

（2）高分辨率的地形和新的放射性測年技術的結(jié)合，使得過去的地質(zhì)歷史更精確，這樣可以反過來約束地球動力學模型（圖1）。

（3）地球動力學模型，包括耦合變形、侵蝕、隆起和氣候為復雜的造山演化提供了新的認識。

（4）對東海岸（新澤西州和特拉華州）的海平面評估顯示，動態(tài)地形變化可能與北美西部邊緣下方的巖石圈俯沖有關（圖2）。

3 未解決的問題

（1）控制主斷層系統(tǒng)（沿單個斷層和某一區(qū)域）滑動速率變化的因素是什么？

（2）地殼、地幔的浮力和流動，如何影響、解釋構(gòu)造活動活躍的美國西部的地形變化？

（3）整個地質(zhì)時期，俯沖到北美板塊西部邊界的巖石圈與整個大陸表面演化如何相互作用？

（4）為什么阿巴拉契亞地形依然存在？

（5）不同類型盆地（前陸，弧前／弧后，被動陸緣，克拉通，或拉分）對深部地殼及地幔結(jié)構(gòu)的反映和影響程度有多大？

譯自：An EarthScope Science Plan for 2010—2020：46－48

原題：Topography and tectonics：Elucidating time－space patterns of lithosphetic deformation

（河北省地震局預測研究中心 盛艷蕊譯；王曉山校）

（譯者電子信箱，盛艷蕊：shengyr2007＠sina.com）

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.08.002

2011－10－11。