長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈熱流變結(jié)構(gòu)和深部動力學(xué)

孫玉軍，吳中海，賈鳳琴

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.海南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，?？?570216)

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長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈熱流變結(jié)構(gòu)和深部動力學(xué)

孫玉軍1，吳中海1，賈鳳琴2

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.海南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，?？?570216)

通過Crust 2.0模型構(gòu)建有限元三維數(shù)值模型，以地表觀測溫度、深部反演溫度和地表熱流作為約束，計算了長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈溫度結(jié)構(gòu)；在溫度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過GPS觀測數(shù)據(jù)得到的地表應(yīng)變率和選取代表性巖石物性，計算了長江經(jīng)濟(jì)帶巖石圈流變強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)。結(jié)果表明：長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈表現(xiàn)出明顯的橫向不均勻性，其中四川盆地表現(xiàn)為低溫、高強(qiáng)度和高粘滯性的特征，相同深度，四川盆地核心區(qū)比周圍地塊的溫度低100～300 ℃，強(qiáng)度和粘滯性分別比周緣高1～2個數(shù)量級；在溫度、強(qiáng)度和粘滯性的過渡地帶構(gòu)造活動性比較強(qiáng)烈。結(jié)合深部地球物理觀測綜合分析認(rèn)為，長江經(jīng)濟(jì)帶東、西部分別受到太平洋板塊深俯沖和印度-歐亞大陸板塊碰撞的影響，其深部影響范圍分別達(dá)到四川盆地的東、西邊界，深部動力學(xué)過程可能導(dǎo)致了巖石圈的橫向不均勻性。

長江經(jīng)濟(jì)帶；巖石圈；熱流變結(jié)構(gòu)

1 研究背景

長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)主要是指長江干流及其支流流經(jīng)的區(qū)域，依托黃金水道建設(shè)長江經(jīng)濟(jì)帶是我國未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略目標(biāo)之一。從構(gòu)造地質(zhì)角度看，長江經(jīng)濟(jì)帶與華南大陸的大部分相重合，包含了揚(yáng)子地塊的主體以及華夏地塊和華北地塊的部分地區(qū)，有著復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造演化歷史[1～2](見圖1)。中新生代以來，該區(qū)處于青藏高原形成及擴(kuò)展、太平洋板塊西向俯沖和印度-澳大利亞板塊北向差異運動的共同作用下，因此構(gòu)造變形強(qiáng)烈，動力學(xué)演化過程復(fù)雜[1,3]。對長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)的巖石圈熱流變結(jié)構(gòu)和深部地球物理特征進(jìn)行研究不僅有助于理解該區(qū)域的動力學(xué)演化機(jī)制，同時可以對新構(gòu)造和活動構(gòu)造調(diào)查提供深部約束。

箭頭代表相對于穩(wěn)定的歐亞大陸板塊，該區(qū)域及周緣的GPS觀測速度值[4～5]，紅色實線代表活動斷裂[6]圖1 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)構(gòu)造背景圖(據(jù)文獻(xiàn)[4～6]修編)Fig.1 Tectonic setting map around the Yangtze River Economic Belt

為獲取該區(qū)域的巖石圈熱流變結(jié)構(gòu)，本研究基于Crust 2.0模型構(gòu)建了合理的三維數(shù)值模型，以地表觀測溫度、深部反演溫度和地表熱流作為約束計算長江經(jīng)濟(jì)帶巖石圈的深部溫度結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，通過GPS觀測數(shù)據(jù)得到的地表應(yīng)變率，選取不同深度代表性巖石物性，計算了長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈流變強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)。基于這些結(jié)果結(jié)合深部地球物理研究結(jié)果對長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)的巖石圈特征及深部動力學(xué)過程進(jìn)行了綜合分析。

2 計算方法

2.1 溫度場

根據(jù)Crust 2.0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(qiáng)有力的深部約束[7～8]。采用此方法，An and Shi[9～10]計算了中國大陸及鄰區(qū)巖石圈上地幔溫度。本文選取他們在100 km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%[11])，本文中計算巖石圈蠕變強(qiáng)度中需要的溫度采用此結(jié)果，詳見文獻(xiàn)[12]。

2.2 巖石圈強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)

巖石圈強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)是巖石圈流變結(jié)構(gòu)的2個基本參數(shù)。一般來說，巖石的失效形式有摩擦滑動、脆性破裂和蠕變，而這3種形式也被用來定義巖石圈的強(qiáng)度[13]。

①摩擦滑動：假定2σ2=σ1-σ3，孔隙壓力為0，本文采用走滑斷層的強(qiáng)度表達(dá)式來計算巖石圈的摩擦滑動強(qiáng)度[14～16]。

(1)

式中：τf為摩擦滑動強(qiáng)度；z為深度，km；σ1、σ2和σ3和分別為最大、中間和最小主應(yīng)力，MPa。

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，則巖石的整體強(qiáng)度需要用脆性破裂來約束[13]。這種強(qiáng)度機(jī)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[15～18]：

(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(qiáng)度與溫度、應(yīng)變率和巖石屬性密切相關(guān)。蠕變強(qiáng)度可以采用下式計算[19～21]：

(3)

在一定溫度和壓力下，以上3種強(qiáng)度機(jī)制中的一種將會占主導(dǎo)地位。本文在計算巖石圈強(qiáng)度的過程中，3種強(qiáng)度機(jī)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(qiáng)度，即：

(4)

得到巖石圈的強(qiáng)度后，巖石圈的等效粘滯性系數(shù)可以表達(dá)為如下形式[22]：

(5)

在溫度計算[12]的基礎(chǔ)上，通過GPS觀測數(shù)據(jù)得到的地表應(yīng)變率[23]，選取不同深度代表性巖石物性[24]，計算得到了長江經(jīng)濟(jì)帶巖石圈流變強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)。

3 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈熱流變結(jié)構(gòu)

3.1 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)特征

不同深度的溫度結(jié)果(見圖2)顯示，長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)的四川盆地在相同深度的溫度較低，與之相鄰的松潘—甘孜地塊、印支地塊、華夏地塊和中朝地塊在相同深度溫度均較高。從具體溫度數(shù)值來看，在相同深度，四川盆地核心區(qū)比周圍地塊的溫度低100～300 ℃。溫度場結(jié)果顯示，四川盆地巖石圈呈現(xiàn)冷而厚的特征，這使其構(gòu)造變形弱，相對穩(wěn)定；而在四川盆地與其他地塊的過渡地帶，構(gòu)造變形均較強(qiáng)烈，這與地表活動構(gòu)造分布基本一致。從垂向剖面(見圖3a)看，四川盆地的巖石圈下部(大于80 km)溫度整體較低，而處于其兩側(cè)的青藏高原和華夏地塊巖石圈下部溫度較高。長江經(jīng)濟(jì)帶下游的華夏地塊和中朝地塊的深部高溫區(qū)可能與太平洋板塊俯沖引起的巖石圈減薄因素有關(guān)，而上游的印支地塊可能與印度板塊的俯沖有關(guān)，松潘—甘孜地塊的高溫區(qū)可能與青藏高原物質(zhì)東向運移有關(guān)。因此，該結(jié)果顯示揚(yáng)子地塊的東、西兩部分溫度分布特征差異較大。

圖2 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈不同深度溫度場Fig.2 Temperature distribution at different depths of the lithosphere in the Yangtze River Economic Belt

圖3 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)各個剖面巖石圈溫度、強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)分布(剖面位置見圖1)Fig.3 Distributions of temperature, strength and viscosity of the lithosphere at different profiles in the Yangtze River Economic Belt

3.2 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈流變結(jié)構(gòu)特征

巖石圈的強(qiáng)度顯示出明顯的橫向不均勻性(見圖4)。在淺部(深度小于60 km)，青藏高原周緣的巖石圈強(qiáng)度較低(小于10 MPa)，揚(yáng)子地塊、華夏地塊和中朝地塊巖石圈強(qiáng)度都較高(大于10 MPa)，而四川盆地及周緣地區(qū)的巖石圈強(qiáng)度最高，基本處于100 MPa左右。在深部(深度大于60 km)，只有四川盆地及周緣地區(qū)巖石圈強(qiáng)度高于1 MPa，其他地區(qū)均低于該值。不同地塊之間存在比較明顯的強(qiáng)度過渡帶，特別是在40 km深度處青藏高原和四川盆地之間的過渡帶比較明顯，強(qiáng)度差異大(見圖4b)，同時該過渡帶與重力梯度帶、地形階梯帶、地震波速變化帶和構(gòu)造活動性的過渡帶也相對一致。垂向上看(見圖3b)，青藏高原的巖石圈強(qiáng)度整體較低，即相比周緣地塊，其地殼和巖石圈地幔強(qiáng)度均較低，而且在60 km以下基本都低于1 MPa；在四川盆地及周緣100 km以上巖石圈強(qiáng)度基本都高于1 MPa，地殼和地幔巖石圈頂部強(qiáng)度最高，在10～100 MPa；其他區(qū)域地殼和地幔巖石圈頂部強(qiáng)度也較高，但巖石圈地幔深部(大于80 km)，巖石圈強(qiáng)度明顯降低至0.1 MPa左右。這與這些地區(qū)的溫度分布特征比較相似。計算得到的強(qiáng)度剖面也顯示了明顯的分層性(見圖3b)，巖石圈強(qiáng)度呈現(xiàn)出脆-韌性相間分布的特征，下地殼均呈現(xiàn)出韌性特征，而且弱強(qiáng)度的下地殼廣泛存在于研究區(qū)，下地殼的流變強(qiáng)度一般比上地殼和巖石圈地幔上部低1～2個數(shù)量級。

圖4 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈不同深度的強(qiáng)度分布Fig.4 Lithospheric strength distribution at different depths in the Yangtze River Economic Belt

巖石圈等效粘滯性分布特征與巖石圈強(qiáng)度的分布特征比較一致。橫向上看(見圖5)，在淺部(深度小于60 km)，青藏高原的等效粘滯性系數(shù)(一般低于1023Pa·s)比揚(yáng)子地塊、華夏地塊和中朝地塊(一般高于1023Pa·s)要低；在深部(深度大于60 km)，只有四川盆地及周緣巖石圈強(qiáng)度高于1022Pa·s，其他地區(qū)均低于該值。不同地塊之間粘滯性系數(shù)也存在比較明顯的過渡帶。垂向上看(見圖3c)，上地殼、中地殼和巖石圈地幔上部的等效粘滯性系數(shù)較高，下地殼的等效粘滯性系數(shù)較低，厚而“弱”的下地殼在青藏高原的特征最為明顯；從量級上看(見圖3c)，下地殼的等效粘滯性系數(shù)一般比上地殼和巖石圈地幔的要低1～2個數(shù)量級。青藏高原的上地殼和中地殼等效粘滯性系數(shù)在1021～1022量級，而揚(yáng)子地塊、華夏地塊和中朝地塊的上地殼和中地殼的等效粘滯性系數(shù)在1023～1024量級；青藏高原的下地殼等效粘滯性系數(shù)只有1019～1021Pa·s，而揚(yáng)子地塊、華夏地塊和中朝地塊的下地殼等效粘滯性系數(shù)在1021～1022量級。

3.3 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)深部地球物理特征

從長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)的深部地震層析成像結(jié)果(見圖6)來看，所獲取的熱流變結(jié)構(gòu)與其有較好的一致性。高精度P波層析成像結(jié)果[25～26]顯示，揚(yáng)子地塊的東、西部有較大差異。在揚(yáng)子地塊西部，主要以四川盆地的低速異常為主，巖石圈厚而穩(wěn)定，受其西部印度板塊俯沖的影響，四川盆地下部的軟流圈表現(xiàn)為低速異常，但是在400 km深度之上整體為低速異常，與本文所獲取的溫度場、巖石圈強(qiáng)度和等效粘滯性比較一致，因此，印度板塊俯沖對揚(yáng)子地塊的影響可能只限于四川盆地及以西地區(qū)。在揚(yáng)子地塊中東部，除了揚(yáng)子地塊東部100 km深度以上部分表現(xiàn)為高速異常外，其他400 km深度以上區(qū)域均表現(xiàn)為明顯的低速異常，這可能是由于太平洋板塊深俯沖引起的，地幔深部層析成像結(jié)果顯示深俯沖的太平洋板塊在410～660 km深度范圍內(nèi)可能一直延伸至四川盆地以東區(qū)域，使得其上覆地幔加熱擾動而呈現(xiàn)低速異常，該結(jié)果顯示太平洋板塊的深俯沖可能向西影響到四川盆地的東邊界。從本文所獲取的巖石圈熱結(jié)構(gòu)和流變特征來看，與深部地震層析成像結(jié)果比較一致。

圖6 長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)及周緣深部地震層析成像結(jié)果[25](剖面沿著北緯30°)Fig.6 Deep seismic tomography results in the Yangtze River Economic Belt and adjacent area

4 討論和結(jié)論

本文通過構(gòu)建三維數(shù)值模型，結(jié)合地表溫度觀測、熱流觀測和深部巖石圈地幔溫度約束，獲取了長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈溫度場結(jié)果；在此基礎(chǔ)上根據(jù)巖石圈分層結(jié)構(gòu)和實驗室獲取的典型代表性巖石的流變參數(shù)，依據(jù)合理的流變強(qiáng)度機(jī)制約束，計算分析了長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)巖石圈強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)。所獲取的巖石圈溫度、強(qiáng)度和粘滯性系數(shù)雖然存在一定的不確定性[12,24]，但與深部地震層析成像獲取的結(jié)果具有較好的一致性。

相對于青藏高原，揚(yáng)子地塊和華夏地塊整體表現(xiàn)為低溫、高強(qiáng)度和高粘滯性的特征。但揚(yáng)子地塊東部和西部在溫度、巖石圈強(qiáng)度和等效粘滯性系數(shù)等特征上存在較大差別，四川盆地及其周緣地殼和地幔巖石圈整體表現(xiàn)為低溫、高強(qiáng)度和高粘滯性的特征，構(gòu)造穩(wěn)定變形弱；而揚(yáng)子地塊中、東部地區(qū)表現(xiàn)為高溫、低強(qiáng)度和低粘滯性的特征。結(jié)合深部地震波層析成像結(jié)果初步認(rèn)為，印度-歐亞板塊的碰撞動力作用可能僅僅影響到四川盆地以西地區(qū)，而太平洋板塊的深俯沖影響可能一直延伸至四川盆地的東邊界，長江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)東、西方向受到這兩大動力作用影響，在溫度、巖石圈強(qiáng)度和粘滯性方面表現(xiàn)出較大差異性。

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LITHOSPHERIC THERMAL-RHEOLOGICAL STRUCTURE AND DEEP GEODYNAMICS IN THE YANGTZE RIVER ECONOMIC BELT

SUN Yu-jun1, WU Zhong-hai1, JIA Feng-qin2

(1.Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;2.HainanProvinceGeologicalEnvironmentalMonitoringStation,Haikou570216,China)

Constructing the finite three-dimensional numerical model through Crust 2.0, under constraints of the surface temperature, deep inversion temperature and surface heat flow, we have calculated the thermal structure of the continental lithosphere beneath Yangtze River Economic Belt and adjacent regions. On the basis of 3D thermal structure, deriving surface strain rates from GPS observation, and selecting representative rock physical properties, we have calculated the strength and effective viscosity of the continental lithosphere. The results show that there is obvious lateral heterogeneity in the Yangtze River Economic Belt. The Sichuan basin has low temperature, high strength and high viscosity. In the same depth, temperature beneath the Sichuan basin is lower than ambient region for 100～300 ℃. Strength and viscosity is lower for 1～2 orders of magnitude. The transition zone of temperature, strength and viscosity has strong active tectonics. Combining with deep geophysical observation, the study proposed that the Pacific Plate subduction and India-Eurasia Plate collision played important roles in the deep dynamic process respectively in the eastern and western parts of the Yangtze River Economic Belt. The effective sphere reach the eastern and western boundaries of Sichuan basin, deep dynamic process may lead to the horizontal heterpgeneity of the lithosphere.

the Yangtze River Economic Belt; lithosphere; thermal-rheological structure

1006-6616(2016)03-0421-09

2016-03-06

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“長江經(jīng)濟(jì)帶活動構(gòu)造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性調(diào)查”(DD20160268)

孫玉軍(1983-)，男，博士，副研究員，主要從事地球動力學(xué)方面的研究。E-mail：sunyujunabc@163.com

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