裂谷盆地構造－熱演化模擬中幾個問題的討論

劉瓊穎，何麗娟

1中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

2中國科學院大學，北京 100049

1 引言

沉積盆地構造－熱演化模擬是盆地模擬的主要內(nèi)容之一.構造沉降史與熱流演化史構成其兩大核心研究內(nèi)容.拉張模型在描述拉張盆地沉降和熱流演化方面取得了極大的成功，實現(xiàn)了構造和熱的完美結合（何麗娟和汪集暘，2007）.

McKenzie（1978）提出了一維瞬時均勻拉張模型.該模型認為，巖石圈的拉張在瞬時完成，由于巖石圈減薄，引起熱的軟流圈物質(zhì)被動上涌，導致巖石圈被加熱，在Airy均衡作用下形成初始沉降.拉張結束后，巖石圈進入熱冷卻階段，地表在初始沉降的基礎上繼續(xù)發(fā)生熱沉降.該模型是運動學模型的代表模型，能很好地預測盆地主要觀測數(shù)據(jù)，為以后研究拉張盆地構造熱演化奠定了基礎.考慮到巖石圈拉張不可能瞬時完成，學者們進一步提出有限勻速拉張模型（Jarvis and McKenzie，1980）.何麗娟（1999）提出了勻減速拉張速率模式，更接近實際情況.一些學者在均勻拉張模型的基礎上提出了縱向非均勻拉張模型，如雙層非均勻拉張模型（Royden and Keen，1980；Hellinger and Sclater，1983；Dehler et al.，1997）、與深度相關的拉張模型（Rowley and Sahagian，1986；Davis and Kusznir，2004；Kusznir and Karner，2007；Rosenbaum et al.，2008）.上述拉張模型多假設巖石圈拉張變形為純剪變形，但實際上變形并非總是對稱的.Wernicke（1985）提出了簡單剪切拉張模型，但迄今研究者并未觀測到切穿整個巖石圈的斷裂.為此，學者們用耦合的簡單剪切／純剪切模型來描述不對稱拉張的情形，具有一定的實用性（Kusznir and Ziegler，1992；Clift et al.，2002；Baur et al.，2010；Chen et al.，2013）.一些盆地在地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)歷過多期拉張，且具有繼承性，多期拉張模型由此被提出（Wang et al.，1996；Dehler et al.，1997；He et al.，2002；Lin et al.，2002）.White（1994）以及 White和Bellingham（2002）提出了利用沉降數(shù)據(jù)反演巖石圈拉張期間一維和二維應變速率的方法，該方法不需要知道巖石圈拉張持續(xù)時間、拉張期次等先驗信息，在一些地區(qū)得到了較好的應用（Xie et al.，2006；Shillington et al.，2008；Song et al.2010；Chen，2014）.考慮到盆地拉張過程中可能的構造反轉，研究者們進一步建立了適用于多期伸展和擠壓交替的復雜過程的數(shù)值計算模型（Negredo et al.，1999；He and Wang，2004；趙長煜等，2010）.以上模型均為運動學模型，巖石圈變形通過定義的速度場來實現(xiàn)，它們在預測盆地熱流演化方面具有優(yōu)勢，但巖石圈流變性隱含在其均衡補償模式中，無法反映巖石圈流變性及其變化對盆地構造熱演化的影響，在預測盆地幾何形態(tài)方面存在一定的缺陷（何麗娟，2000）.

而在拉張模型的另一類模型，動力學模型中，巖石圈流變性則是通過本構方程明確體現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱學與流變學的耦合，深入理解盆地動力學的基本過程（Fernàndez and Ranalli，1997）.根據(jù)其本構方程，動力學模型可分為平面應變模型（Braun and Beaumont，1989；Bassi，1991；Chéry et al.，1992；Huismans and Beaumont，2008；Van Avendonk et al.，2009；Huismans and Beaumont，2011）和平面應力模型（Sonder and England，1989；Bassi and Sabadini，1994；Polyansky，2002）.由于目前對盆地成因的動力學根本機制還不甚了解，以及模型初始擾動的給定、巖石圈流變學參數(shù)的不確定性等都在一定程度上阻礙了動力學模型的發(fā)展.

現(xiàn)有的拉張模型多采用固定的初始巖石圈、地殼厚度，軟流圈多被賦予和巖石圈地幔相同的熱參數(shù)，模型上邊界的給定存在爭議，且模型中較少地考慮沉積蓋層的熱效應.本文擬重點探討拉張模型中初始地殼、巖石圈厚度、軟流圈對流、模型上邊界對構造熱演化的影響，以及沉積蓋層存在的情況下拉張盆地側翼抬升的演化.文中的模擬均使用運動學模型，假定巖石圈為純剪變形，利用有限元方法，在拉格朗日坐標系下，通過求解二維瞬態(tài)熱傳導方程來模擬盆地構造位移發(fā)生變化的同時，溫度場和熱流在時間、空間上的演化歷史.

2 初始巖石圈、地殼厚度對構造熱演化的影響

多數(shù)拉張模型都假定拉張開始前模型的初始巖石圈厚度為125km （McKenzie，1978；Jarvis and McKenzie，1980；He et al.，2002；Lin et al.，2002；He and Wang，2004；陳林等，2008；Song et al.，2010；Chen，2014），這也是大洋巖石圈厚度的漸進值（Parsons and Sclater，1977），該值在拉張開始前巖石圈未經(jīng)歷拉張或破壞的情況下往往是適用的.然而，在一些地區(qū)拉張開始前巖石圈厚度已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，比如中生代的華北克拉通.這時，需要根據(jù)實際需要選取合適的初始巖石圈厚度.

對于初始地殼厚度的選取，往往依賴于現(xiàn)今的Moho面深度.Dehler等（1997）在計算加拿大西緣夏洛特皇后盆地的構造熱演化時使用的初始地殼厚度為34km，He和Wang（2004）在模擬濟陽坳陷的熱史時給定的初始地殼厚度是36km，Chen（2014）模擬南海白云凹陷時采用的初始地殼厚度為30km，這些模型預測的剖面現(xiàn)今Moho面深度都和實際觀測值接近.

圖1 初始地殼、巖石圈厚度對構造－熱演化的影響Fig.1 Effects of initial crustal and lithospheric thicknesses on tectono－thermal modeling

表1 模型中使用的參數(shù)Table 1 Parameters and values used in modeling

為了了解初始地殼、巖石圈厚度對構造熱演化的影響，本文建立了兩組模型（圖1）.圖1a和b固定初始地殼厚度為35km，模型拉張10Ma，拉張系數(shù)為1.5，熱沉降20Ma，計算不同初始巖石圈厚度下的構造沉降史及熱流演化史.圖1c和d是固定初始巖石圈厚度為110km，改變初始地殼厚度，計算構造沉降量及熱流值.模擬中使用的參數(shù)見表1.結果顯示，當初始地殼厚度恒定，初始巖石圈厚度從70km增加到120km時，計算得到的構造沉降量會隨之減小，最大差異達660m以上；熱流也隨著初始巖石圈厚度的增加而降低，最大差異近25mW·m－2.當初始巖石圈厚度恒定，初始地殼厚度從31km增加到41km時，構造沉降量隨之增大，最大差異超過900m；熱流也與初始地殼厚度成正比，但最大差異不到6mW·m－2.由此看出，初始巖石圈、地殼厚度的選擇，對構造熱演化的影響非常大，尤其是對構造沉降量的影響尤為顯著.

實際計算中，當拉張開始前的初始地殼、巖石圈厚度未知時，可給出多組初始厚度值.每給出一組初始地殼、巖石圈厚度值，通過模擬就可以計算得到一組現(xiàn)今熱流、Moho面深度及熱巖石圈厚度值，將計算值與觀測值相對比，通過不斷調(diào)整初始地殼、巖石圈厚度值，即可反推得到模擬剖面的最佳初始地殼、巖石圈厚度值.

3 軟流圈對流對構造熱演化的影響

大部分拉張模型是將軟流圈和巖石圈地幔賦予相同的熱導率，在計算中僅考慮熱傳導作用（McKenzie，1978；Keen and Dehler，1993；He et al.，2002；Lin et al.，2009；Chen，2014）.而 Lachenbruch（1978）首次指出了拉張背景下對流在熱傳遞中的重要性.Steckler（1985）、Buck（1986）、van Wijk等（2008）都進一步指出被動裂谷作用會引起軟流圈的小范圍對流，其作為額外的熱源會對沉降、抬升史及溫度場產(chǎn)生重要影響.

為了討論軟流圈對流對構造熱演化的影響，本文采用等效熱傳導率綜合考慮軟流圈熱傳導和熱對流因素（范桃園和安美建，2009）.事實上，通過在熱傳導方程中提高熱導率以等效模擬對流的熱效應的方法已廣泛被學者們采用（Morgan and Chen，1993；Chen，2001；Spinelli and Harris，2011；楊少華和石耀霖，2013；Schmeling and Marquart，2014）.在純對流的情況下，相對于正常的熱導率，提高的倍數(shù)往往為表征對流傳熱效率與單純的熱傳導效率之比的努塞爾特數(shù)，Nu（Morgan and Chen，1993；Chen，2001；Cochran and Buck，2001；楊少華和石耀霖，2013）.在研究Nu隨系統(tǒng)總體熱狀態(tài)變化特征中，實驗和數(shù)值模擬都給出如下規(guī)律（Schubert et al.，2001；Turcotte and Schubert，2002）：

式中，c，β為常數(shù)，β值一般在0.3左右，Ra為瑞利數(shù).研究表明，當Ra接近5×105～106時，c＝0.27，β＝0.3185（Schubert et al.，2001）.而在上地幔對流的情況下，Ra通常為106左右（Schubert et al.，2001；Jaupart and Mareschal，2011）.利用上式可以求得此時Nu接近22，也就是說，當認為軟流圈地幔以純對流的形式熱傳遞的話，其等效熱導率應近似為22倍的正常地幔熱導率，約為70W·m－1K－1.本文計算了軟流圈等效熱導率從3.2W·m－1K－1（純熱傳導，和巖石圈地幔熱導率相同）到70W·m－1K－1（等效于純熱對流）變化時的構造沉降量、熱流及溫度場.結果顯示，軟流圈等效熱導率對熱沉降期的構造沉降量及熱流影響很大，而在拉張期其影響相對微弱.考慮了軟流圈的對流效應之后，相比于單純的熱傳導模型，構造沉降量變小，而熱流則增大.對流越強，這種影響越明顯（圖2a和b）.在溫度場方面，整個過程中考慮軟流圈對流的模型其下地殼至模型底部的溫度明顯比僅考慮熱傳導的模型溫度高.在熱沉降階段，軟流圈純對流模型中溫度場變化甚微，而在軟流圈純熱傳導模型中則能明顯的觀察到溫度場的冷卻（圖2c）.

圖2 軟流圈等效熱導率對構造熱演化的影響（拉張期為10Ma，拉張系數(shù)為1.5，熱沉降期為20Ma）（a）構造沉降史；（b）熱流隨時間的變化；（c）溫度－深度曲線.Fig.2 Effects of asthenosphere equivalent thermal conductivity on tectono－thermal modeling（The extension lasts 10Ma with a stretching factor of 1.5，and then enters thermal subsidence until 30Ma）（a）Tectonic subsidence history；（b）Heat flow history；（c）Temperature－depth curve.

軟流圈純傳導模型的熱流隨時間的降低速度要比實際情況快得多，而軟流圈純對流模型計算的沉降量要比實際小得多，二者都與實際偏差較大.事實上，純傳導的固體巖石圈與純對流的流體軟流圈之間存在一過渡層，即流變邊界層（Sleep，2006；Artemieva，2011；圖3），其間傳導與對流共同作用來傳遞熱量.在拉張模型中，同時考慮軟流圈的熱傳導與對流更接近真實的情況，純傳導與純對流應作為其下限與上限.在模擬中，得知地幔對流的努塞爾特數(shù)Nu或瑞利數(shù)Ra時，可相應的判斷軟流圈等效熱導率的上限.流變邊界層的厚度對巖石圈本身的結構特征并不敏感，而主要受軟流圈黏性系數(shù)η控制，其厚度與lg（η）成正比（He，2014）.考慮到軟流圈對流的瑞利數(shù)Ra與黏性系數(shù)η成反比，而由式（1）可知努塞爾特數(shù)Nu正比于Raβ，由此可推斷地幔對流的努塞爾特數(shù)Nu越大，則流變邊界層的厚度越小.這也意味著在拉張模型中，流變邊界層厚度小的地方，流變邊界層中等效熱傳導率的上限變大，而其下純對流軟流圈的等效熱導率為Nu倍的正常地幔熱導率，也相應大于流變邊界層厚的地方的軟流圈等效熱導率.其對構造熱演化的影響由上述模擬結果可以得知，流變邊界層厚度小的地方，構造沉降量速率變慢，總構造沉降量變小，而熱沉降過程中熱衰減變緩，熱流降低的總幅度變小.

4 模型上邊界對構造熱演化的影響

圖3 溫度（T）、地溫梯度（G）隨深度的變化（純傳導的巖石圈與純對流的軟流圈之間為流變邊界層RBL，改自He，2014）Fig.3 Variations in temperature （T）and temperature gradient（G）with depth（The transition layer between the conductive lithosphere and the convective asthenosphere is the rheological boundary layer RBL，modified from He，2014）.

現(xiàn)有的拉張模型對其上邊界采用兩種處理方法.一種是整個過程一直固定上邊界，其并不隨計算出的沉降量而作調(diào)整（McKenzie，1978；Rowley and Sahagian，1986；Keen and Dehler，1993），是對模型的一種簡化；另一種則是根據(jù)均衡補償?shù)玫降臉嬙斐两盗繉δＰ蜕线吔缭诖瓜蛏喜粩噙M行調(diào)整，更真實的還原盆地的演化過程（Wang et al.，1996；He and Wang，2004；Wangen et al.，2008）.為了探討固定與移動邊界對構造熱演化的影響，我們建立了以下兩組模型.一組模型的拉張時間為10Ma，之后裂后熱松弛持續(xù)100Ma（圖4a和b）.另一組模型的拉張時間為40Ma，裂后熱沉降時間同為100Ma（圖4c和d）.兩組模型都在拉張系數(shù)分別為2、4和6時，對比固定與移動上邊界模型的計算結果.結果顯示，當拉張時間為10Ma時，固定與移動上邊界對拉張期的熱流及沉降量影響甚微；但當拉張時間增加為40Ma時，模型上邊界的處理方式對拉張期的熱流及初始沉降產(chǎn)生了明顯的影響，尤其是在拉張系數(shù)較大的情況下，但這種影響小于熱沉降期兩種模型的構造－熱演化差異.當拉張系數(shù)為6時，拉張結束時兩種模型的熱流差異為0.3mW·m－2，初始沉降量差異為30m（圖4c和d）.在熱沉降階段，無論拉張時間的長短，固定與移動上邊界模型的熱流及構造沉降的差異隨熱沉降的持續(xù)均逐漸變大，移動邊界模型的熱流大于固定邊界的，而構造沉降量小于固定邊界模型求得的值.但上述兩組拉張時間不同、熱沉降時間相同的模型在熱沉降結束時，由于上邊界處理方式不同造成的熱流、總沉降量及溫度場的差異相差并不大，以下結果以拉張時間為40Ma的一組模擬為例.拉張系數(shù)為2時，固定與移動上邊界模型的熱流及構造沉降的最大差值分別為0.7mW·m－2及85m；當拉張系數(shù)為4時，二者的熱流及構造沉降最大差異增大為1.7mW·m－2和162m；當拉張系數(shù)進一步增大到6時，兩種模型的熱流最大差異變?yōu)?.4mW·m－2，構造沉降量的最大差異為198m（圖4c和d）.在溫度場方面，從圖4e—g可以看出，固定與移動上邊界模型的溫度結構有著明顯的差別，尤其是在巖石圈部分，相同深度上，固定邊界模型的溫度比移動邊界模型的溫度高幾十到上百攝氏度.當拉張系數(shù)分別為2、4和6時，兩種模型在同一深度上溫度的最大差異分別為95、161及185℃.

總體上看，模型上邊界對構造熱演化的影響隨著拉張系數(shù)的增大而增強.相比于模型上邊界的給定對熱流及構造沉降量的影響，其對模型溫度場有著更為顯著的影響.從上述討論也可以看到，當計算主要針對熱流及構造沉降量時，在拉張系數(shù)小于2或是拉張時間小于10Ma且只關注于拉張期的熱流及構造沉降變化時，兩種模型的計算結果差異并不大，使用固定上邊界模型的計算結果也是可接受的.但在拉張強度較大的地區(qū)，如中國南海的鶯歌海盆地等（拉張系數(shù)大于4，He et al.，2002），使用簡化的固定上邊界模型將對計算帶來較大的誤差.

5 拉張盆地的側翼隆起

裂谷的側翼隆起常作為拉張盆地及張裂大陸邊緣的邊界，其是拉張盆地模擬的重要組成.學者們提出了多種機制來解釋拉張盆地的側翼隆起：（1）由拉張巖石圈向未拉張區(qū)域的側向熱傳導（Alvarez et al.，1984；Buck et al.，1988；Leroy et al.，2008）；（2）由拉張引起的小規(guī)模地幔對流造成的裂谷之下向側翼的熱傳遞（Keen，1985；Buck，1986）；（3）裂谷側翼之下相比于地殼減薄更強的巖石圈地幔減?。℉ellinger and Sclater，1983；White and McKenzie，1988；Dehler et al.，1997）；（4）拉張過程中通過向上撓曲對裂谷側翼的力學支持（Braun and Beaumont，1989；Weissel and Karner，1989；Chéry et al.，1992；Kooi et al.，1992；van der Beek et al.，1994）.一般認為裂谷的側翼隆起會在拉張結束后的幾百萬年內(nèi)隨著熱衰減而消失（Weissel and Karner，1989；ten Brink and Stern，1992）.而另有觀測數(shù)據(jù)顯示一些裂谷側翼的隆升可以長期維持，如非洲南部的大陡崖，有學者用具較大強度的巖石圈的撓曲均衡回彈來解釋這一現(xiàn)象（Weissel and Karner，1989；ten Brink and Stern，1992）.但這些模型是在空盆載水的前提下討論的，忽略了沉積物的熱效應.本文重點討論在載水及載沉積物兩種情況下由側向熱傳導造成的盆地邊緣抬升的差異.

圖4 固定與移動上邊界模型的構造熱演化結果對比圖a和b是拉張時間為10Ma、熱沉降時間為100Ma時的計算結果，圖c—g是拉張時間為40Ma、熱沉降時間為100Ma的結果，圖a和c為兩種模型計算的熱流差值的絕對值隨時間的變化，圖b和d為構造沉降量差值的絕對值，圖e—g為不同拉張系數(shù)下熱沉降結束時的溫度－深度曲線.Fig.4 Comparison of tectono－thermal evolution between fixed and moving upper boundary models（a）and（b）The extension lasts 10Ma.（c）—（g）The stretching period is 40Ma.In all figures，the thermal subsidence period lasts 100 Ma.（a）and（c）are absolute values of differences of the calculated heat flow between the two models.（b）and（d）are absolute values of differences of the calculated tectonic subsidence.（e），（f）and（g）are temperature－depth curves at the end of post－rift thermal subsidence stage with different stretching factors.

圖5 載水和載沉積物模型的盆地側翼隆起效應拉張時間為10Ma，拉張系數(shù)為a圖所示，圖b—d為不同模型的構造沉降演化圖，圖e和f分別為拉張前x＝－40km及x＝－30km處兩點的抬升量隨時間的變化.Fig.5 Rift flank uplift of water and sediment loading modelsThe extension lasts 10Ma.（a）Distribution of stretching factor.（b），（c）and（d）Graphs of tectonic subsidence history for different models.（e）and（f）Variations of uplift with time at two points x＝－40km and x＝－30km，respectively.

模擬采用二維非均勻拉張模型，拉張系數(shù)分布如圖5a所示，拉張10Ma，之后為熱沉降期.本文計算了載水、載熱導率分別為2.2W·m－1K－1及1.6W·m－1K－1的沉積物三組模型的構造沉降／抬升史.結果顯示，三組模型的盆地側翼隨著拉張逐漸抬升，但最大抬升量都并非出現(xiàn)在拉張剛結束時，而是在拉張結束后的6—10Ma內(nèi)側翼抬升到最高，之后慢慢消減（圖5b—f）.上述計算中，載水模型的盆地側翼最大抬升量為273m，小于載沉積物模型的側翼最大抬升量；而熱導率為1.6W·m－1K－1的沉積物模型比熱導率為2.2W·m－1K－1的沉積物模型的側翼最大抬升量略大，二者分別為497m及489m（圖5e）.模擬結果同時顯示，離拉張區(qū)域越遠，盆地側翼的抬升量越小（圖5e和f）.值得注意的是，載水模型的盆地側翼隆升會在200Ma左右消失，而考慮了沉積物的模型其側翼隆升則會在200Ma左右穩(wěn)定于某個數(shù)值，也就是說側翼隆升并沒有隨時間消失.沉積物熱導率為2.2W·m－1K－1的模型的盆地側翼隆升最終維持在180m左右，而沉積物熱導率為1.6W·m－1K－1的模型的側翼隆升量則會穩(wěn)定于約245m（圖5e）.這可能是由于沉積物與盆地基底熱導率差異產(chǎn)生的熱折射效應造成的.由于沉積物的熱導率較小，盆地基底的熱導率大于沉積蓋層的，隆起處的溫度低于凹陷區(qū)的溫度，凹陷處的熱會向相鄰隆起處轉移，使得盆地凹陷處的熱流降低，而隆起處的熱流增加（熊亮萍和高維安，1982；熊亮萍和張菊明，1984；Wang et al.，1985）.在沉積蓋層與基底的交界處，具有最大的水平熱流值.經(jīng)過長時間的熱松弛后，溫度場達到穩(wěn)定.載水模型的溫度場可以在一定時間的熱冷卻后恢復到初始值.而由于沉積層的熱效應，載沉積物的模型盆地邊緣的溫度明顯比載水模型的溫度高，在不考慮剝蝕的情況下，前者的盆地側翼抬升能維持在某一水平.沉積蓋層與基底熱導率差異越大，這種效應越明顯，也因此產(chǎn)生更大的盆地側翼抬升.

6 結論

（1）拉張模型中改變初始地殼、巖石圈厚度會對計算的構造沉降量及熱流值產(chǎn)生很大影響.模擬中可根據(jù)需要選取多組初始地殼、巖石圈厚度值，將模擬結果與觀測值進行對比以確定最佳初始值.

（2）軟流圈對流對構造熱演化的影響很大.軟流圈純對流及純傳導模型是拉張模型的兩種極限，在流變邊界層中應同時考慮熱傳導與對流.得知地幔對流的努塞爾特數(shù)Nu時，可相應的判斷軟流圈等效熱導率的上限.

（3）模型上邊界對構造熱演化的影響隨著拉張系數(shù)的增大而增強，固定與移動上邊界對熱沉降期的熱流及構造沉降量的影響比拉張期的大.兩種模型得到的溫度場有著較為明顯的差別.

（4）沉積蓋層的熱效應對裂谷盆地側翼隆起影響顯著.載沉積物模型的盆地邊緣抬升可以長時間維持，而載水模型的側翼抬升則會在拉張結束后逐漸消失.

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