大陸巖石圈強度研究

熊 熊 王英杰 李永東

1 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢市魯磨路388號，430074

大陸巖石圈變形在力學(xué)上可視為巖石圈介質(zhì)對各種動力作用的響應(yīng)，因此其取決于兩個因素：作用力和介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)。巖石圈的力學(xué)強度是巖石圈最主要的力學(xué)性質(zhì)，控制著巖石圈對地質(zhì)時間尺度載荷的響應(yīng)和大陸板塊的演化過程及空間構(gòu)型，是巖石圈流變性和大陸動力學(xué)研究的核心內(nèi)容之一[1-2]。與年齡不超過2億年、可用半無限空間冷卻模型描述的大洋巖石圈相比，大陸巖石圈幾乎經(jīng)歷了地球全部的演化歷史。因此，對大陸巖石圈結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、力學(xué)行為等進行分析有助于解譯地球的演化歷史。而對巖石圈強度的研究可以幫助理解巖石圈地幔的構(gòu)造熱年齡[3]、板塊熱結(jié)構(gòu)[4]和非彈性性質(zhì)[5]、板塊應(yīng)力[6]、殼幔耦合[7]、地表及內(nèi)部負載[8]、板塊物質(zhì)組分和幾何形態(tài)[9]等諸多大陸動力學(xué)的關(guān)鍵問題。因此，大陸巖石圈強度一直是巖石圈流變性和地殼、巖石圈動力學(xué)研究的核心內(nèi)容之一[1-2]

對大陸巖石圈強度的研究可追溯至均衡理論的提出。自Walcott[9,12-15]在20世紀70年代發(fā)表系列論文以來，大陸巖石圈強度的研究已取得很多重要成果，形成了較為系統(tǒng)的理論和方法。鑒于相關(guān)的綜述性論文已不少見，本文將重點從歷史角度梳理巖石圈強度研究的沿革脈絡(luò)、各種方法發(fā)展的邏輯關(guān)聯(lián)，并對目前學(xué)者普遍關(guān)注的3個前沿問題進行討論。如前所述，由于通常采用巖石圈Te來描述巖石圈強度，文中這兩個概念是等同的，不同地方采用不同的表述只是出于易讀性考慮。

1 巖石圈強度研究的歷史沿革

19世紀中期，有研究顯示靠近喜馬拉雅山的兩個測點上大地測量方法測定的緯度差與天文方法得到的結(jié)果存在差異。為解釋這一差異，Airy和Pratt分別提出各自的均衡模型，即Airy均衡和Pratt均衡，并就哪種均衡模式更合理產(chǎn)生了激烈的爭論。

19世紀下半葉，有學(xué)者采用均衡思想來解釋地質(zhì)現(xiàn)象。美國地質(zhì)學(xué)家Dutton首次提出“均衡”概念，并基于此概念用沉積和剝蝕來解釋淺水區(qū)的沉積和山脈的漸進式隆起。在這些工作的啟發(fā)下，地質(zhì)學(xué)家致力于尋找均衡假說的地質(zhì)學(xué)證據(jù)，但直到19世紀末仍然一無所獲，而最終的證據(jù)卻來自大地測量學(xué)。

19世紀末，美國建設(shè)全國大地測量網(wǎng)，Hayford負責(zé)調(diào)整不同的三角測量時發(fā)現(xiàn)，假設(shè)地形以Pratt模式均衡，局部地形改正的誤差會減小90%。20世紀初， Heiskanen負責(zé)歐洲大地測量工作，他采用Airy均衡模型，同樣可有效減小三角測量的閉合誤差。雖然歐洲和美國采用不同均衡模型的原因至今眾說紛紜，但顯然Airy模型和Pratt模型均可給出地球外層密度分布的合理解釋?，F(xiàn)在的問題是分析不同均衡模型的地質(zhì)意義。

大地測量學(xué)家Bowie認為，地質(zhì)學(xué)家認識均衡圖像存在困難，為此他設(shè)計實驗以檢驗?zāi)姆N模型更符合實際。實驗并未得到預(yù)期的結(jié)果，但Bowie提出一個重要的問題，即無論哪種均衡模式均假設(shè)地殼柱體是分離的，彼此間無相互作用，而真實的地殼物質(zhì)間存在相互關(guān)聯(lián)和阻礙運動，即地殼具有強度。這是首次提出地殼強度的思想，盡管只是定性描述，但邁出了從地殼均衡到地殼強度認識的關(guān)鍵一步。那么地殼強度究竟在多大尺度上阻礙地殼的均衡運動，這些均衡模型到底蘊含著哪些地殼性質(zhì)和地質(zhì)過程機理?正是對這些問題的持續(xù)探索，推動著大陸地殼、巖石圈強度和現(xiàn)代均衡研究的不斷發(fā)展。

Gilbert是較早認識到地殼強度重要性的學(xué)者之一。1890年，Gilbert對Bonneville湖水卸載后地殼的隆升量進行研究，發(fā)現(xiàn)Airy模型的預(yù)測值比觀測值大2.5倍。由此，Gilbert認識到均衡模型忽略了地殼強度，而正是地殼的強度阻滯了地殼的上升，使其未達到均衡模型預(yù)測的隆升量。在論文注腳中，Gilbert利用觀測到的隆升量估算出地殼力學(xué)強度部分的厚度對應(yīng)50 km厚的彈性板，但遺憾的是，他并未給出詳細的計算過程。

1914～1915年，Barrel發(fā)表了8篇主題為地殼強度的系列論文，系統(tǒng)闡述了其關(guān)于地殼強度的認識，奠定了現(xiàn)代均衡理論的基礎(chǔ)。Barrel提出，重力異常更多地是源于地殼密度不均勻?qū)е碌妮d荷，由此提出埋藏載荷的概念，并發(fā)展成為現(xiàn)代均衡理論的一個基本概念——內(nèi)部載荷。Barrel將地球剛性外層稱為巖石圈，下伏軟弱層稱為軟流圈。盡管巖石圈這一概念由Dana于1896年首次提出，但當(dāng)時是用以區(qū)別水圈和大氣圈，而Barrel則賦予了巖石圈力學(xué)屬性。同時，Barrel首次提出軟流圈，而這一概念后來被板塊構(gòu)造學(xué)說所采用。隨后，Barrel提出一種利用重力異常計算應(yīng)力差的方法，并得到重要的結(jié)果：相對短波長的載荷由淺部支撐，而長波長載荷由深部支撐，巖石層和軟流層均參與支撐地表負荷。

Hayford和Vening-Meinesz分別完善了Pratt和Airy均衡模型，使其明確包含巖石圈強度的影響。同時，美國地質(zhì)學(xué)家Gunn提出Airy、Pratt均衡假說均處于理想狀態(tài)，他獨立定義了均衡的概念，并給出了模擬巖石圈區(qū)域均衡的數(shù)值算法[16]。

1968年，地磁學(xué)、地震學(xué)等學(xué)科的成果催生了地學(xué)史上一場偉大的革命——板塊構(gòu)造學(xué)。板塊構(gòu)造學(xué)的核心之一是假定板塊內(nèi)部是剛性的，變形主要集中在板塊邊界。顯然，地球外層的剛性和巖石圈強度的概念是構(gòu)成板塊構(gòu)造學(xué)說的主要觀點之一。由此也產(chǎn)生了新的科學(xué)問題：剛性板塊的剛性強度如何?由哪些因素控制?而回答這些問題需要對巖石圈強度或有效彈性厚度Te進行定量研究。

2 巖石圈Te的研究方法進展

基于簡單的彈性板模型，Walcott[9,12-15]采用空間域正演模擬法，通過將觀測的地形和重力異常與模型預(yù)測值進行比較，估算沉積盆地、海山及俯沖帶等載荷比較明確地區(qū)的巖石圈Te，并證實了采用彈性板撓曲模型解釋重力場及地下密度異常較傳統(tǒng)的局部均衡模型更合理[9,17-18]。Walcott的成果是區(qū)域均衡及巖石圈強度研究的里程碑，其闡釋了板塊在地質(zhì)時間尺度下表現(xiàn)出足夠剛性這一板塊構(gòu)造學(xué)說的基本假設(shè)。盡管此前Vening-Meinesz和Gunn也估算了巖石圈強度，但Walcott是最先精確確定巖石圈板塊強度并指出其力學(xué)性質(zhì)時空變化范圍的學(xué)者，并且Walcott發(fā)現(xiàn)巖石圈強度與載荷加載時的巖石圈年齡存在明顯的相關(guān)性。Walcott的理論得到了地震學(xué)和地?zé)釋W(xué)研究結(jié)果的支持，由此掀起了對巖石圈撓曲和巖石圈強度研究的熱潮，這股熱潮貫穿了整個20世紀70年代，并持續(xù)了幾十年。

盡管如此，上述研究主要還是局限于特殊的構(gòu)造單元，更為深入的認識需要確定更為普遍的構(gòu)造域的巖石圈強度。Dorman和Lewis[19-21]將傅里葉變換引入到均衡研究，此后McKenzie等[22]通過構(gòu)建彈性板模型，發(fā)展了更普適的頻譜域?qū)Ъ{反演法，實現(xiàn)了巖石圈強度的定量反演?；谠摲椒?，很多學(xué)者估算了不同地區(qū)的大洋巖石圈Te，其幅值大致在幾千米至幾十千米之間[17-18,23]。這些研究證實了Walcott關(guān)于大洋巖石圈Te與其年齡呈明顯統(tǒng)計相關(guān)性的結(jié)論。尤其在海山地區(qū)，巖石圈強度隨海山加載時巖石圈年齡增加而增加的相關(guān)性更為顯著[24]，且Te主要分布在350～600 ℃等溫線之間[5]。而海底深度越深，巖石圈年齡相對也越老，這些證據(jù)表明海洋巖石圈整體強度、流變性主要受控于其熱結(jié)構(gòu)。由于大洋巖石圈熱結(jié)構(gòu)可用半無限空間冷卻模型進行描述，因此海洋巖石圈Te的分布特征簡單，動力學(xué)含義較為明確。

但使用同樣的方法研究大陸巖石圈時，得到的結(jié)果卻與預(yù)期截然不同。起初估算的大陸巖石圈Te，甚至包含大陸核的克拉通地區(qū)均呈現(xiàn)低值。McNutt等[25]采用該方法計算得到的澳大利亞克拉通巖石圈Te只有約1 km。Banks等[23]假設(shè)所有載荷均來自巖石圈頂部地形和地殼薄層的質(zhì)量加載，采用導(dǎo)納法得到北美大陸的巖石圈Te值在5～10 km之間，這意味著即使是前寒武紀的地盾都可能沒有強度。顯然，這與板塊構(gòu)造理論假設(shè)的剛性板塊不符。針對這一問題，不同學(xué)者對估算巖石圈Te的理論模型、方法及實測數(shù)據(jù)處理等進行了大量的深入研究。

Forsyth[6]認識到前人估算巖石圈Te時都只考慮了外部載荷，這對外部載荷占主導(dǎo)地位的大洋巖石圈較為合理[1]。但對大陸而言，巖石圈載荷可能包括來自淺部的地殼組分不均、盆地沉積、巖漿侵入等，以及較深部的由底侵作用、熱異?；蛳嘧兊纫鸬拿芏犬惓?如Moho面等)而產(chǎn)生的內(nèi)部載荷，即大陸巖石圈撓曲可能是外部載荷與內(nèi)部載荷綜合作用的結(jié)果。Forsyth[6]通過構(gòu)建內(nèi)外部載荷綜合作用的撓曲模型，證實同時考慮內(nèi)外部載荷時估算的大陸巖石圈Te可達數(shù)十千米至上百千米。相反，如果不考慮內(nèi)部載荷，得到的巖石圈Te值則要小數(shù)倍。為此，F(xiàn)orsyth建議使用布格異常與地形間的相關(guān)性來反演大陸巖石圈Te。基于該方法重新反演獲得的澳大利亞克拉通巖石圈[26]和北美板塊克拉通巖石圈[27-28]Te值均大于100 km。內(nèi)外部載荷模型逐漸被廣泛接受，基于該方法解算的巖石圈Te也為諸多大陸構(gòu)造演化研究提供了定量約束和參考，如沉積盆地的形成機制[29]、湖泊演化[30-32]、俯沖帶或陸前造山帶的支撐機制[18,33-34]等。

但是，基于二維傅里葉譜分析的反演法只能獲得某一區(qū)域(數(shù)據(jù)窗口)的巖石圈平均強度信息，無法解譯更為細致的動力學(xué)過程，由此掩蓋了大陸巖石圈動力學(xué)的細節(jié)信息。隨著地球物理、大地測量觀測技術(shù)的發(fā)展和觀測數(shù)據(jù)分辨率的提高，對大陸動力學(xué)的認識也不斷深入和細化，而巖石圈強度空間分辨率低的問題日益凸顯。為此，一些學(xué)者發(fā)展了多窗口傅里葉譜分析法[34-39]、小波分析法[40-44]等以提高巖石圈Te的空間分辨率。

多窗口譜分析法計算巖石圈Te存在窗口大小和分辨率相互制約的缺陷，并且每個窗口反演巖石圈Te的能力受最大波長限制，當(dāng)轉(zhuǎn)換波長接近或超過窗口尺度大小時，該方法反演巖石圈Te的能力明顯下降(圖1(a))。為此，Pérez-Gussinyé等[37]通過數(shù)值實驗確定每一個窗口可反演的最大巖石圈Te，應(yīng)用該信息對多個窗口反演的結(jié)果進行修正、整合，以獲得相對準(zhǔn)確的巖石圈Te橫向變化信息。小波分析具有同時解析空間和頻率信息的優(yōu)勢，基于小波分析技術(shù)的Fan小波分析法可有效克服多窗口譜方法的缺陷(圖1(b))，無需考慮窗口與波長的相互制約[2,41,44-45]。隨著研究的不斷深入，解算巖石圈Te時使用不同方法和數(shù)據(jù)的適用性也逐漸清晰。

黑線為理想的反演結(jié)果，帶誤差棒(標(biāo)準(zhǔn)偏差)的彩色線為實際反演結(jié)果[23]圖1 模型巖石圈Te值與不同方法反演獲得的巖石圈Te值Fig.1 Lithosphere Te values of models and lithosphere Te values inversed by different methods

McKenzie[46]認為自由空氣異常與地形相關(guān)，使用自由空氣導(dǎo)納能更好地估算巖石圈Te值。對于大洋巖石圈，地表負載占主導(dǎo)地位，重力異常主要來源于地形和其產(chǎn)生的均衡補償，因此以自由空氣異常作為數(shù)據(jù)源能更合理地估算巖石圈Te值。將同樣的方法和數(shù)據(jù)應(yīng)用到大陸，得到的巖石圈Te值普遍小于25 km，這一厚度甚至小于地震的孕震層厚度，促使部分學(xué)者以此為依據(jù)之一，提出大陸巖石圈強度僅存于地殼中，而下伏的巖石圈地幔是弱的[47-48]。該推論顯然與已有的大陸巖石圈“三明治”流變結(jié)構(gòu)[49]相矛盾，因而引起地學(xué)界的廣泛關(guān)注。但 “三明治”流變結(jié)構(gòu)已得到微觀巖石實驗和宏觀裂谷等拉張構(gòu)造的驗證，這使得人們不得不重新審視自由空氣異常導(dǎo)納方法在大陸的適用性。如前文所述，大陸巖石圈組構(gòu)相對復(fù)雜，需要同時考慮巖石圈內(nèi)、外部載荷[6]。布格重力異?？煞从硯r石圈內(nèi)部的密度異常，是內(nèi)部載荷的積分表達。因此，布格重力異常與地形的相關(guān)性也就同時考慮了內(nèi)、外部載荷的共同作用，能更合理地反映大陸巖石圈Te的時空特征。Pérez-Gussinyé等[37]對自由空氣導(dǎo)納和布格相關(guān)性計算過程進行統(tǒng)一、重新修訂及消除潛在的估計偏差時發(fā)現(xiàn)，無論是布格相關(guān)性還是自由空氣導(dǎo)納獲得的大陸巖石圈Te均可達上百公里[42,50-51]，結(jié)合理論模擬和實際研究證實了兩種方法可獲得穩(wěn)健的一致性結(jié)果，使對大陸巖石圈強度及流變結(jié)構(gòu)的認識趨于統(tǒng)一。但有學(xué)者認為部分地質(zhì)過程(如地表沉積、侵蝕及深部地幔動力作用等)也可能引起巖石圈Te解算的偏差[35,46,52]，特別是在古老的克拉通地區(qū)，沉積或侵蝕會削弱地下載荷的地表地形響應(yīng)，使得地形與這些載荷產(chǎn)生的重力異常并不相關(guān)，因此，采用Forsyth提議的布格相關(guān)性求取的巖石圈Te僅為大陸巖石圈強度的上限。目前該問題仍在探討中。

3 與大陸巖石圈強度相關(guān)的地球動力學(xué)問題

大陸巖石圈強度包含豐富的地球動力學(xué)信息，是地球動力學(xué)的核心研究課題之一。本文就目前學(xué)者比較關(guān)注的殼幔耦合、巖石圈有效彈性厚度與地震孕震層厚度的關(guān)系以及巖石圈有效彈性厚度各向異性等熱點問題進行初步討論。

3.1 巖石圈強度與殼幔耦合

圈層耦合是地球動力學(xué)的重要問題，涉及圈層間物質(zhì)與能量的交換、動力作用的傳遞等過程。對大陸巖石圈而言，圈層耦合主要強調(diào)殼幔耦合。在力學(xué)機制上，其會影響深部動力作用向淺部的有效傳遞。從效應(yīng)上分析，上層地殼和下伏地幔解耦可能導(dǎo)致地殼和地幔變形的差異或運動方向和速率的不一致。顯然，殼幔耦合對大陸巖石圈的構(gòu)造動力學(xué)過程具有重要影響。

很多學(xué)者將青藏高原東部獨特的構(gòu)造特征歸因于殼幔解耦，并從不同方面尋找相關(guān)證據(jù)。地震層析成像結(jié)構(gòu)顯示的中下地殼的地震波速度低速層、GPS確定的地表運動場與地震各向異性(SKS)揭示的下伏地幔和軟流圈運動方向的差異性、各層地震波各向異性(如方位角各向異性)的變化等均被認為是殼幔解耦的表象。這些推斷的依據(jù)可為認識青藏高原東部的殼幔解耦問題提供參考，但殼幔是否解耦終究是一個介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的問題，并且地震波速度等間接證據(jù)缺乏明確的定量判斷依據(jù)。巖石圈強度和巖石圈的流變結(jié)構(gòu)可能為解決此問題提供新的線索。

從力學(xué)角度分析，巖石圈撓曲是通過彎曲應(yīng)力所產(chǎn)生的力矩來支撐加載于其上的載荷。巖石圈強度取決于構(gòu)成巖石圈巖石的彈性屬性，而真實巖石圈變形包含彈性變形和非彈性變形。巖石力學(xué)實驗表明，巖石非彈性變形機制主要包含脆性和韌性，其中脆性變形服從Byerlee定律[53]。隨著溫度的升高，巖石變形表現(xiàn)出服從冪次定律的韌性特征。不同深度的巖石變形程度取決于該深度的最小屈服應(yīng)力[4,54]，其沿深度分布形成一個包絡(luò)面(YSE，也稱Brace-Goetze failure envelopes)，該包絡(luò)面可有效限定巖石圈彈性彎曲所產(chǎn)生的彎曲力矩[28]。

殼幔解耦的條件要求撓曲產(chǎn)生的剪切應(yīng)力在殼幔邊界處大于巖石的屈服應(yīng)力[5]。對于通常條件下的巖石圈，其流變結(jié)構(gòu)為典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，巖石圈未必解耦(圖2(a))。對于地殼厚度正常、組分較強的巖石圈，通常呈現(xiàn)出殼幔完全耦合的狀態(tài)(圖2(c))。但如果存在構(gòu)造應(yīng)力作用，彎曲應(yīng)力參考軸會發(fā)生偏移，使得殼幔邊界處的強度不足以支撐彎曲力矩而發(fā)生解耦(圖2(b))。此外，隨著地殼增厚，中下地殼會因溫度升高而喪失強度，發(fā)生殼幔解耦(圖2(d))。

(a)和(c)中殼幔邊界處的彎曲應(yīng)力(淺藍色陰影)未超過其脆塑性屈服應(yīng)力(橙色對應(yīng)地殼，紅色對應(yīng)地幔，虛線表示殼幔分界面(Moho面))，該情形下殼幔處于耦合狀態(tài)；(b)和(d)中殼幔邊界處的巖石圈彎曲應(yīng)力大于屈服應(yīng)力，殼幔發(fā)生解耦，其中(b)為構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生解耦，(d)表示地殼增厚，中下地殼逐漸喪失屈服強度而使殼幔解耦。圖中所用巖石流變參數(shù)來源于文獻[55]圖2 殼幔耦合與巖石圈撓曲及Te的關(guān)系Fig.2 Relationship between crust-mantle coupling and lithospheric flexure and Te

3.2 巖石圈Te與孕震層厚度Ts

地震孕育是彈性應(yīng)力積累的過程，而地震破裂則是積累的彈性應(yīng)力釋放的過程，因此地震活動通常被認為是巖石圈強度的一個直觀體現(xiàn)。另一方面，大陸巖石圈地震活動揭示出巖石圈在力學(xué)上具有強上地殼、弱下地殼和強上地幔的“三明治”流變結(jié)構(gòu)[49]。由此，地震震源深度所刻畫的孕震層厚度(Ts)與巖石圈Te必然存在某種關(guān)聯(lián)性。兩者的相互關(guān)系一度被認為不僅有助于解釋大陸巖石圈內(nèi)地震的發(fā)生機理，同時也能幫助認識真實巖石圈運動學(xué)模型及流變機制。最初，對全球地震深度分布[47]和巖石圈Te的重新評估表明[35]，大陸巖石圈Te與Ts一般比較接近。基于此，Maggi等[47]通過研究巖石圈Te與Ts的相互關(guān)系，提出巖石圈強度主要集中于殼內(nèi)的孕震層，并且?guī)r石圈地幔相對較弱，巖石圈強度的空間變化可能與巖石圈的溫度結(jié)構(gòu)和少量水的存在有關(guān)。這顯然有異于大陸巖石圈的“三明治”結(jié)構(gòu)，從而使一些學(xué)者重新審視大陸巖石圈流變結(jié)構(gòu)，考證這些模型的合理性。

近年來的研究表明，巖石圈Te與Ts是兩個不同的物理量。首先在時間尺度上，巖石圈Te表征的是巖石圈在地質(zhì)時間尺度內(nèi)的強度，而地震活動性反映的是短時間尺度下彈性或彈塑性變形。由于地震應(yīng)變速率無法激活地質(zhì)時間尺度內(nèi)的塑性蠕變，因此Ts與巖石的塑性強度并無關(guān)聯(lián)[56]。巖石圈Te與Ts在垂向空間尺度下反映的過程也不同。Ts標(biāo)志著巖石圈由脆性向塑性轉(zhuǎn)變的深度[65]，通常反映的僅是上地殼對地震和斷層作用具有響應(yīng)的脆性層厚度。而巖石圈Te并不對應(yīng)某個深度，是巖石圈綜合強度的反映。由于巖石圈Te與Ts在時間尺度上存在很大差異，且大陸巖石圈Te與Ts在不同構(gòu)造域呈現(xiàn)不同的相關(guān)性[60-61]，所以兩者本質(zhì)上不存在直接的物理關(guān)系，反映了巖石圈對空間和時間尺度內(nèi)多變的載荷響應(yīng)方式的本質(zhì)不同。

3.3 巖石圈Te各向異性

通常認為，巖石圈Te是各向同性的。各向同性的假設(shè)通過在譜域內(nèi)對方位角信息進行平均而將問題簡化為一維[66]。但研究表明，巖石圈Te不僅在空間上存在橫向變化，而且也隨方位角的變化存在差異，即巖石圈Te具有各向異性。

Stephenson等[67]首次發(fā)現(xiàn)巖石圈對負載的均衡響應(yīng)在不同方向上存在差異。之后，他們采用正交各向異性薄板模型，在對方位角進行平均前將導(dǎo)納因子分解為NS和EW兩個方向，得出澳大利亞中部巖石圈Te存在顯著的各向異性[68]。Lowry等[28]通過反演不同方位角上經(jīng)二維平均簡化為一維的響應(yīng)函數(shù)對美國西部地區(qū)進行研究，結(jié)果表明，巖石圈Te隨方位角變化而變化。Simons等[69]利用多窗口方法獲取地形與重力異常的二維相關(guān)性對澳大利亞中部地區(qū)巖石圈Te進行研究，同樣發(fā)現(xiàn)明顯的各向異性，并且長波長與短波長的相關(guān)性一致，均顯示NW-SE為低Te方向[36]。Rajesh等[70]對東喜馬拉雅-青藏高原的巖石圈Te進行研究，結(jié)果表明，巖石圈Te在NS向強度最弱，僅20 km左右，遠小于地殼厚度，且對強度的貢獻主要來自上地殼而非上地幔，表明高原殼幔形變并非直接耦合。Audet等[39]對加拿大地盾巖石圈Te的各向異性進行研究發(fā)現(xiàn)，在短波長上巖石圈Te各向異性與地震及大地電磁各向異性具有很好的相關(guān)性，表明地殼和地幔在最后一次構(gòu)造運動中受到同樣的應(yīng)力場作用。Kirby等[41]采用Fan小波對澳大利亞巖石圈Te的各向異性進行分析，發(fā)現(xiàn)巖石圈Te各向異性與75～175 km深度上的地震SV波各向異性具有很強的相關(guān)性，表明前寒武時期地震波速各向異性與巖石圈Te各向異性同源。而在克拉通區(qū)域，地殼和地幔強烈耦合，巖石圈的強度主要集中在上地幔。

從巖石圈物質(zhì)組成來看，無論是組分不均勻分布的多相礦物顆粒的形態(tài)擇優(yōu)取向，還是存在強度各向異性晶體的晶格擇優(yōu)取向，均能產(chǎn)生強度的各向異性結(jié)構(gòu)[71]。事實上，各向異性現(xiàn)象在地球上普遍存在。巖石圈Te各向異性的力學(xué)涵義是在載荷作用下，巖石圈抵抗變形的能力在不同方向上的差異。從物理角度來看，巖石圈在構(gòu)造歷史中受到的構(gòu)造力、溫度和組分等的綜合效應(yīng)會在應(yīng)力應(yīng)變積累過程中被“記憶”下來，影響其晶格排列的空間取向，即晶格的排列在空間上具有各向異性[71]。微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出宏觀效應(yīng)，體現(xiàn)在地震波的傳播上，沿不同晶格排列方向其速度存在差異，因而導(dǎo)致橫波分裂；體現(xiàn)在介質(zhì)變形上，其抵抗變形的能力沿不同方向是不一樣的，其結(jié)果是在同樣載荷作用下，巖石圈的變形存在優(yōu)勢取向。

巖石圈Te各向異性可彌補諸如大地電磁、SKS和地震徑向各向異性等深部各向異性與地表地質(zhì)間相互聯(lián)系缺失的空白，蘊含著豐富的動力學(xué)涵義，為巖石圈及地球深部動力學(xué)研究提供了獨立的證據(jù)。

首先在構(gòu)造分區(qū)上，巖石圈Te各向異性反映了負載下巖石圈優(yōu)先變形的方向，是巖石圈抵抗形變最弱的方向，也是巖石圈優(yōu)先補償?shù)姆较?。巖石圈具有繼承性，穩(wěn)定的大陸塊體會繼承先存構(gòu)造以及最后一次大構(gòu)造事件的信息，表現(xiàn)出整體一致的各向異性特征。因此，巖石圈Te及其各向異性的橫向變化有助于劃分大的構(gòu)造單元，如加拿大地盾[44]、鄂爾多斯塊體、河淮盆地[72]、柴達木盆地[62]等均屬于較穩(wěn)定的構(gòu)造塊體。另一方面，穩(wěn)定的大陸塊體相對縫合帶、斷裂帶以及塊體邊界等構(gòu)造活躍區(qū)有利于構(gòu)造應(yīng)力的傳輸，在后期構(gòu)造事件中更難發(fā)生變形，巖石圈強度及其各向異性信息也就更容易被繼承。此外，長波長的巖石圈Te各向異性反映的是巖石圈深部構(gòu)造信息，短波長則反映的是淺部沿斷層等均衡調(diào)整的信息[37]。巖石圈Te各向異性與斷裂帶、構(gòu)造邊界具有近似垂直的關(guān)系[41,44,62,73]，且?guī)r石圈Te及其各向異性涵蓋的不僅是最后一次大構(gòu)造事件至今的巖石圈信息，還包括了巖石圈在先前大構(gòu)造活動中繼承下來的信息。因此，構(gòu)造塊體間的Te及其各向異性的關(guān)系可為認識巖石圈構(gòu)造演化歷史提供依據(jù)。

巖石圈Te各向異性也為探究巖石圈變形機制提供了新線索。Silver[74]給出兩種經(jīng)典的殼幔變形運動學(xué)模型：殼幔強烈耦合的垂直連貫變形模型和源于板塊運動的簡單軟流圈流動模型(圖3)。按照巖石圈垂直連貫變形模式，地震波快軸方向垂直于巖石圈形變的壓縮方向，而該方向也是單位地形加載所能引起的最大變形方向[41]，是巖石圈力學(xué)強度最弱的方向，因此巖石圈Te的弱軸與壓縮方向平行，而與地震波快軸垂直。從巖石學(xué)角度來看，在巖石圈變形過程中，橄欖石慢、快波軸分別與最大壓應(yīng)力方向(最短軸)和最大張應(yīng)力方向(最長軸)趨于一致。據(jù)此，通過比較巖石圈Te各向異性與不同深度上地震各向異性，可獲得巖石圈垂直連貫性變形的深度，以及巖石圈不同圈層耦合程度信息，從而進一步判斷巖石圈變形模式。如澳大利亞前寒武紀巖石圈Te各向異性方向與不同深度的地震波快波方向近似垂直[41]，表明該地區(qū)巖石圈殼幔耦合，變形模式趨于垂直連貫變形，且Te各向異性與地震波各向異性同源。

圖3 巖石圈變形模式示意圖Fig.3 Diagram of lithospheric deformation patterns

此外，巖石圈Te各向異性與地震波各向異性信息將巖石圈結(jié)構(gòu)與演化歷史動態(tài)地聯(lián)系在一起，其相互關(guān)系可揭示部分動力學(xué)信息：1)巖石圈Te各向異性與SKS間的關(guān)系是判斷巖石圈變形模式以及巖石圈Te各向異性的貢獻是否主要來自巖石圈地幔等問題的有力依據(jù)。2)Rayleigh面波方位各向異性有橫向分辨率和垂向分辨率，其與巖石圈Te各向異性間的關(guān)系可以解釋巖石圈Te各向異性主要源自哪個深度以及巖石圈各層的耦合程度。如圖4所示，松潘-甘孜地塊巖石圈Te各向異性與不同周期(深度)的Rayleigh面波方位各向異性均近似平行[58]，由此可推斷其源于地殼物質(zhì)的側(cè)向流動。3)地震波徑向各向異性是指兩種偏振特性不同的地震面波(Rayleigh波和Love波)在介質(zhì)中的傳播速度存在差異，通常被認為是地殼上地幔介質(zhì)的各向異性效應(yīng)所引起的[75]。一般而言，若存在下伏板塊、地殼流等剪切運動的“剪切流”區(qū)域，則VSH>VSV；而對于地幔對流、下伏擴張中心及俯沖帶等與“徑向運輸”作用有關(guān)的區(qū)域，則VSH

圖4 青藏高原東北部巖石圈Te各向異性與Rayleigh面波方位各向異性[63]Fig.4 Lithosphere Te anisotropy and Rayleigh wave azimuthal anisotropy in the northeastern Tibetan Plateau

4 結(jié) 語

20世紀初，Barrell系統(tǒng)闡述了其關(guān)于地殼強度的創(chuàng)新認識和研究成果，并提出巖石圈是上覆于軟流圈的剛性層概念。巖石圈具有強度是板塊構(gòu)造學(xué)說的基本思想之一，在經(jīng)過持續(xù)推進和發(fā)展后，巖石圈強度研究已發(fā)展成為融合大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)、地球動力學(xué)、大陸動力學(xué)等諸多學(xué)科的前沿領(lǐng)域，顯現(xiàn)出鮮明的多學(xué)科交叉特點。一方面，多學(xué)科新元素的注入使這項古老的課題不斷擴展其外延、豐富其內(nèi)涵，始終保持勃勃生機；另一方面，其發(fā)展也不斷促進其他學(xué)科形成新認識，并進而提出新的問題。尤其是巖石圈強度的各向異性為巖石圈變形歷史及機制研究提供了新的獨立線索，為認識地球內(nèi)部補償變形過程和這些過程如何通過地表地形和重力場得以顯現(xiàn)，以及其蘊含的動力機制開拓了新視野。盡管目前研究方法已經(jīng)比較成熟，但對其與不同各向異性參量間的機理聯(lián)系還缺少定量研究和深入分析，而各學(xué)科觀測數(shù)據(jù)的不斷豐富、新方法的不斷發(fā)展和各學(xué)科的深度融合，無疑有助于更充分解譯大陸巖石圈強度各向異性的地球動力學(xué)涵義，提升對大陸巖石圈演化的認識。

總體而言，盡管歷史悠久，大陸巖石圈強度的研究并未因日趨成熟而走向沉寂，它在新技術(shù)條件的推動下，通過多學(xué)科間大跨度的交叉融合，不斷提升我們對地球動力過程和機理的認識，展現(xiàn)出廣闊而燦爛的發(fā)展前景。

也許，激動人心的研究才剛剛開始。