地殼滑脫層對(duì)大陸裂谷發(fā)育演化的影響
——基于數(shù)值模擬方法

范慶凱， 郭金瑞， 王炎陽(yáng)

中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083

0 引言

作為地球主要構(gòu)造特征之一和重要的離散型板塊邊界，全球大陸裂谷邊緣總長(zhǎng)度超過10萬 km，是現(xiàn)今洋中脊總長(zhǎng)度的兩倍以上(Bradley, 2008).這些裂谷型大陸邊緣大多上覆了巨厚的沉積層序，蘊(yùn)含了極為豐富的油氣資源.尤其在近20年的時(shí)間內(nèi)，被動(dòng)大陸邊緣海上深水盆地的油氣資源發(fā)現(xiàn)量呈顯著的增加趨勢(shì)，是全球油氣勘探開發(fā)的主要領(lǐng)域.

受巖石圈內(nèi)部流變性、溫度結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成等方面的非均質(zhì)性，以及巖漿作用、同裂谷沉積等因素的影響，裂谷型大陸邊緣形成了貧巖漿和富巖漿型裂谷(Whitmarsh et al., 2001; Doré and Lundin, 2015)、寬裂谷和窄裂谷(Buck, 1991)、對(duì)稱型和非對(duì)稱型裂谷(Lister et al., 1991; Ranero and Pérez-Gussinyé, 2010)等多種裂谷形態(tài)分類單元和不同的沉積充填結(jié)構(gòu)，并最終控制了烴源巖和儲(chǔ)層的發(fā)育規(guī)模與展布規(guī)律.流變學(xué)性質(zhì)是決定巖石圈強(qiáng)度和熱力學(xué)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)因素(Dai et al., 2020; Tao et al., 2020)，并影響了巖石圈的演化行為.各圈層的厚度、伸展速率、揮發(fā)組分含量(Li, 2022)等都直接改變了巖石圈的流變學(xué)結(jié)構(gòu).

依據(jù)巖石圈熱力學(xué)強(qiáng)度的垂向變化規(guī)律，地殼內(nèi)部往往至少發(fā)育一個(gè)脆-韌性轉(zhuǎn)換帶.因此，下地殼底部通常表現(xiàn)為韌性變形，而這種韌性變形帶可作為裂谷發(fā)育的潛在滑脫層，為裂谷中-后期的應(yīng)變集中和主拆離斷層的發(fā)育提供了有利條件，進(jìn)而也為上覆坳陷期沉積物的堆積提供了廣闊的可容納空間.巖石圈流變學(xué)性質(zhì)往往通過滑脫層的厚度變化來影響各圈層的耦合程度(Huismans and Beaumont, 2011; Manatschal et al., 2015; Svartman Dias et al., 2015)，從而間接控制裂谷演化過程中形態(tài)的變化.然而，滑脫層是普遍存在的，但裂谷形態(tài)卻千差萬別，如南大西洋中段被動(dòng)陸緣裂谷盆地具有不同的盆地規(guī)模、上盤斷塊(H-block)規(guī)模，以及兩岸不對(duì)稱性.因此，理解滑脫層與裂谷形態(tài)間的關(guān)系便成為必要.

對(duì)于裂谷演化過程中僅憑觀測(cè)難以評(píng)估的因素來說，數(shù)值模擬是有效手段之一(McKenzie, 1978; Braun and Beaumont, 1989; Brune et al., 2014, 2017; Svartman Dias et al., 2015)，幫助我們對(duì)裂谷構(gòu)造-巖漿作用和沉積演化過程等方面有了不斷深化的認(rèn)識(shí).前人的研究往往聚焦于裂谷類型和演化階段的劃分(Huismans and Beaumont, 2011; Svartman Dias et al., 2015)，以及溫度、應(yīng)變率等單物理因素對(duì)裂谷發(fā)育演化過程的影響(Brune et al., 2014, 2016, 2017; Manatschal et al., 2015).然而，滑脫層的發(fā)育與厚度變化受到多個(gè)因素的共同影響.因此，本文旨在聚焦多個(gè)物理因素來研究滑脫層的變化和分布規(guī)律，通過地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，研究不同厚度的地殼潛在滑脫層對(duì)裂谷伸展過程中巖石圈變形行為和裂谷形態(tài)的影響，并結(jié)合裂谷盆地實(shí)例來探討導(dǎo)致這種變化的本質(zhì)原因.

1 研究方法

我們采用有限差分的數(shù)值模擬方法，基于斯托克斯方程和非線性流變學(xué)方程，構(gòu)建了一個(gè)適用于多尺度應(yīng)變、強(qiáng)對(duì)比和復(fù)雜邊界條件的黏-彈-塑性二維模型(圖1)，以模擬實(shí)際存在的地質(zhì)單元.該模型通過迭代的方式不斷求解物質(zhì)守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程(Olive et al., 2016，方程(1)—(3))，獲得不同時(shí)間下的模型溫度、黏度、速度、應(yīng)力應(yīng)變、地形起伏等運(yùn)算結(jié)果.

圖1 模型初始設(shè)置Fig.1 Model initial setup

(1)

(2)

(3)

其中，vi、σ′ij分別對(duì)應(yīng)模型物質(zhì)在不同方向的速度和偏應(yīng)力，g為重力加速度，P、T、ρ分別為壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和密度場(chǎng)，cP為比熱容，k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，主要參數(shù)可見表1.

表1 數(shù)值模擬主要參數(shù)Table 1 Main parameters applied in simulations

在實(shí)際模型中(圖1)，長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)置為180 km，代表沿水平方向長(zhǎng)180 km的剖面；縱向深度為95 km，由空氣層(5 km)、上地殼(20 km)、下地殼(10 km)、地幔巖石圈(55 km)和軟流圈(5 km)組成.模型的彈性應(yīng)變受連續(xù)介質(zhì)彈性力學(xué)規(guī)律控制，斷裂活動(dòng)遵循安德森破裂原理(方程(4), Turcotte and Schubert, 2014)，黏性模型包含擴(kuò)散蠕變和位錯(cuò)蠕變兩種行為，各層的流變學(xué)參數(shù)分別設(shè)置為濕石英、濕鈣長(zhǎng)石/濕石英、濕橄欖石和干橄欖石(表1, Wilks and Carter, 1990; Gleason and Tulis, 1995; Hirth and Kohlstedt, 2004)，流變學(xué)性質(zhì)依據(jù)簡(jiǎn)化的流變學(xué)方程(5)計(jì)算.

(4)

(5)

主要參數(shù)可見表1.需要指出的是，為突出下地殼強(qiáng)度的變化，我們依次將下地殼的流變學(xué)參數(shù)設(shè)置為濕鈣長(zhǎng)石和濕石英，分別對(duì)應(yīng)較強(qiáng)和較弱的下地殼.

模型的左右兩邊為絕熱邊界，并分別作水平方向的滑動(dòng).將模型左右邊界賦予分別向外的恒定伸展速率(5 mm·a-1)，對(duì)應(yīng)地，頂界和底界分別作恒定速率的垂向滑動(dòng)，以確保模型總面積不變.在模型中，軟流圈物質(zhì)可在底部進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)充，且模型中的物質(zhì)可沿邊界自由流入和流出.軟流圈頂部溫度為定值1300 ℃，向下保持不變，通過調(diào)節(jié)巖石圈初始溫度結(jié)構(gòu)獲得不同的巖石圈強(qiáng)度結(jié)構(gòu)和潛在滑脫層分布范圍，從而研究巖石圈滑脫層對(duì)裂谷發(fā)育和演化的控制作用.另外，在模型中上部設(shè)置一個(gè)與其周圍保持屬性一致的“軟”楔子，以確保初始的裂谷中心位于模型中央.

2 數(shù)值模擬

2.1 模型初始設(shè)置——強(qiáng)下地殼

將下地殼流變學(xué)參數(shù)設(shè)置為麻粒巖屬性(濕鈣長(zhǎng)石，Wilks and Carter, 1990)，代表較高的下地殼強(qiáng)度.通過調(diào)節(jié)上下地殼分界面的溫度(TC=500 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃，圖2h)，獲得不同的巖石圈初始強(qiáng)度結(jié)構(gòu)和潛在滑脫層的厚度分布(圖2).洋殼內(nèi)部溫度越高，強(qiáng)度越低，上下地殼的潛在滑脫層厚度也分別逐漸增加.需要指出的是，上下地殼的潛在滑脫層是分別從對(duì)應(yīng)層位的底部開始，并逐漸向上發(fā)育、增厚的，指示上下地殼不同的應(yīng)變行為.其中，下地殼潛在滑脫層厚度從1.5 km(圖2a)逐漸增加至最高10 km，即全部下地殼均成為潛在的滑脫層(圖2g)；對(duì)應(yīng)地，上地殼下部潛在滑脫層厚度從0開始增加至6.6 km(圖2)；總的地殼滑脫層厚度也從1.5 km不斷增厚至16.6 km.在上述7組滑脫層厚度不同的模型設(shè)置下，通過足夠長(zhǎng)時(shí)間的模型運(yùn)算(～20-25 Ma，確保所有模型均已進(jìn)入漂移期，產(chǎn)生了新洋殼，從而包含裂谷演化全過程)，可了解滑脫層厚度作為變量對(duì)巖石圈破裂行為的控制作用.

圖2 強(qiáng)下地殼模型初始溫度與流變學(xué)設(shè)置(a) TC=500 ℃; (b) TC=600 ℃; (c) TC=650 ℃; (d) TC=700 ℃; (e) TC=750 ℃; (f) TC=800 ℃; (g) TC=850 ℃; (h) 圖(a—g)的初始溫度剖面.(a—g)中白色虛線為屈服應(yīng)力包絡(luò)線.Fig.2 Initial temperature and rheology for the strong-lower-crust model (h) Initial temperature profiles for figures (a—g). White dashed lines in (a—g) are yield strength envelops.

2.2 強(qiáng)下地殼數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在上述模型設(shè)置的背景下，所有模型都表現(xiàn)出一種上部脆性應(yīng)變(地殼內(nèi)部斷層活動(dòng))、下部韌性變形(下地殼、地幔韌性剪切)的主要特征(圖3).斷裂活動(dòng)從上地殼開始向下發(fā)育，刺穿下地殼并到達(dá)地幔巖石圈上部.軟流圈向上隆起，地幔巖石圈下部在軟流圈支撐下也發(fā)生韌性隆起.在裂谷發(fā)育過程中，裂谷前期彌散性應(yīng)變產(chǎn)生廣泛分布的高角度正斷層，之后，應(yīng)變集中于裂谷軸附近的單個(gè)斷層，在兩側(cè)依次順序發(fā)育，具體表現(xiàn)為每個(gè)時(shí)刻裂谷兩側(cè)斷層只有一側(cè)保持活動(dòng)(圖3b、3g).裂谷的伸展作用使活動(dòng)斷層產(chǎn)生離軸位移，巖石圈厚度離軸增大，斷層附近巖石圈的應(yīng)力積累逐步增加，保持該斷層持續(xù)活動(dòng)所需的摩擦力也逐漸增大(Forsyth, 1992; Buck, 1993).斷層的持續(xù)活動(dòng)不僅使其產(chǎn)生離軸的位移，還使斷層上下盤地殼發(fā)生撓曲變形(Lavier et al., 2000)，產(chǎn)生應(yīng)力積累.當(dāng)離軸位移產(chǎn)生的應(yīng)力增量超過新斷層產(chǎn)生所需的應(yīng)力時(shí)，在裂谷軸另一側(cè)產(chǎn)生新的活動(dòng)斷層，原活動(dòng)斷層停止活動(dòng)，并不斷循環(huán)往復(fù)，直至地殼完全斷開，地幔深部物質(zhì)剝露至地面.

圖3 TC=500 ℃時(shí)強(qiáng)下地殼模型數(shù)值模擬結(jié)果(a—e) 模型各層變形結(jié)果，其中黑色區(qū)域?yàn)閼?yīng)變集中帶； (f—j) 應(yīng)變率演化過程.Fig.3 Simulation results for the strong-lower-crust model with TC=500 ℃(a—e) The deformation of all model layers, where black zones bear localized strain; (f—j) The evolution of strain rate.

對(duì)比各模型中下地殼被完全錯(cuò)斷時(shí)的結(jié)果(圖4a—g)可得出，滑脫層越厚，指示地殼的強(qiáng)度越弱，由此引發(fā)的構(gòu)造變形越劇烈，下地殼被完全錯(cuò)斷所需的時(shí)間也越短(圖4h).另外，可以推測(cè)出的是，在相同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，相較于薄滑脫層的數(shù)值模擬結(jié)果來說，厚滑脫層的存在將使巖石圈下伏地幔流動(dòng)性物質(zhì)的上隆幅度更加明顯.需要指出的是，相較于上地殼和地幔來說，下地殼強(qiáng)度明顯更弱，滑脫層也更容易發(fā)育.因此，在裂谷不斷伸展的過程中，下地殼物質(zhì)率先在裂谷軸正下部形成最終的錯(cuò)斷，并且下地殼滑脫層的厚度越大，在地幔物質(zhì)開始剝露之時(shí)，下地殼的錯(cuò)斷距離也就越大(圖4a—g).另外，滑脫層越厚，斷裂的傾角越緩，裂谷形態(tài)也越平緩.

圖4 強(qiáng)下地殼模型數(shù)值模擬結(jié)果(a) TC=500 ℃，對(duì)應(yīng)圖2a； (b) TC=600 ℃，對(duì)應(yīng)圖2b； (c) TC=650 ℃，對(duì)應(yīng)圖2c； (d) TC=700 ℃，對(duì)應(yīng)圖2d； (e) TC=750 ℃，對(duì)應(yīng)圖2e； (f) TC=800 ℃，對(duì)應(yīng)圖2f； (g) TC=850 ℃，對(duì)應(yīng)圖2g； (h) 地殼滑脫層總厚度與H-block規(guī)模和下地殼完全錯(cuò)斷所需時(shí)間的關(guān)系.圖(a—g)中紅線為H-block邊界活動(dòng)斷層，黑線為不活動(dòng)邊界斷層.Fig.4 Numerical simulation results with a strong lower crust(a—g) have the same initial temperature settings with Figs.2 (a—g) respectively; (h) The relationship between the gross thickness of detachment layers and the size of H-blocks and time required to completely break the lower crust. Among (a—g), red and black lines represent boundary active and inactive faults of H-blocks respectively.

這一方面是因?yàn)殡S著滑脫層厚度的增加，斷層匯集的脆性應(yīng)變能夠到達(dá)的深度逐漸變淺，導(dǎo)致裂谷深度的減?。涣硪环矫?，滑脫層厚度的增加會(huì)減小軟流圈上隆的阻力，從而使深部熱物質(zhì)對(duì)裂谷中心的負(fù)地形產(chǎn)生更顯著的地形補(bǔ)償，使其橫向起伏變緩.

上盤斷塊(H-block)是指裂谷作用產(chǎn)生的滯留在邊界斷層上盤的原始地殼組分(Lavier and Manatschal, 2006; Péron-Pinvidic et al., 2017)，保存有前裂谷期的沉積層序.裂谷活動(dòng)期間，其變形主要取決于巖石圈組成、初始溫度結(jié)構(gòu)等方面的因素，不同的變形程度將產(chǎn)生不同形狀和規(guī)模的上盤斷塊.滑脫層厚度的變化對(duì)上盤斷塊的規(guī)模起到了明顯的控制作用，具體表現(xiàn)為隨著滑脫層厚度的增加，裂谷兩側(cè)的斷層不斷地向裂谷軸遷移，導(dǎo)致上盤斷塊的規(guī)模隨之越小，二者呈明顯的反相關(guān)關(guān)系，指示地殼更難完全破裂，巖石圈物質(zhì)也更難被剝露至地表.另外，數(shù)值模擬結(jié)果也顯示出，上/下地殼滑脫層厚度的變化對(duì)上盤斷塊的影響略有差異.在裂谷發(fā)育初期，下地殼滑脫層對(duì)上盤斷塊規(guī)模的控制作用更加明顯(圖5)；相反，在地幔物質(zhì)臨近剝露的時(shí)期，下地殼滑脫層對(duì)上盤斷塊規(guī)模的控制作用趨于微弱，上地殼滑脫層則發(fā)揮了更為重要的影響.

圖5 上/下地殼滑脫層對(duì)H-block規(guī)模的影響Fig.5 Influences of upper/lower crustal detachment layers on the size of H-blocks

2.3 模型初始設(shè)置——弱下地殼

將下地殼的流變學(xué)參數(shù)修改為更弱的濕石英屬性(Gleason and Tullis, 1995)，即使上下地殼在流變學(xué)上保持一致屬性.保持軟流圈頂界(1300 ℃)和莫霍面(750 ℃)溫度不變，通過調(diào)節(jié)上/下地殼分界面溫度(TC=300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃)，可獲得不同厚度的地殼潛在滑脫層(圖6).在這種模型初始條件下，地殼滑脫層從莫霍面開始發(fā)育，并逐漸向上擴(kuò)展.隨著上/下地殼分界面溫度的升高，地殼滑脫層的厚度從4.3 km逐步增長(zhǎng)到13.8 km，并從下地殼向上延伸至上地殼底部(圖6d、6e).其余邊界條件和初始設(shè)置與前文模型保持一致.在此背景下，將模型運(yùn)行至足夠長(zhǎng)的時(shí)間，可獲得當(dāng)下地殼整體強(qiáng)度較弱時(shí)，不同厚度的地殼潛在滑脫層對(duì)裂谷變形行為的影響(圖7)和其與強(qiáng)下地殼存在時(shí)(圖4a—g)裂谷形態(tài)上的差異.

圖6 弱下地殼模型初始溫度與流變學(xué)設(shè)置(a) TC=300 ℃; (b) TC=400 ℃; (c) TC=500 ℃; (d) TC=600 ℃; (e) TC=700 ℃.圖中白色虛線為模型初始屈服強(qiáng)度包絡(luò)線，實(shí)線為模型初始溫度結(jié)構(gòu).Fig.6 Initial temperature and rheology for the weak-lower-crust model White dashed lines denote the initial yield strength envelopes, and solid lines show the initial temperature structure.

圖7 弱下地殼模型數(shù)值模擬結(jié)果(a) TC=300 ℃，對(duì)應(yīng)圖6a； (b) TC=600 ℃，對(duì)應(yīng)圖6d.圖中紅線為活動(dòng)的裂谷邊界斷層，黑線為不活動(dòng)斷層.Fig.7 Numerical simulation results with a weak lower crust(a) TC=300 ℃, corresponding to Fig.6a; (b) TC=600 ℃, corresponding to Fig.6d. Red and black lines represent active and inactive rift boundary faults respectively.

2.4 弱下地殼數(shù)值模擬結(jié)果

在模擬結(jié)果中，選取裂谷初始伸展中心(裂谷軸)剛剛停止活動(dòng)，新的伸展中心即將開始活動(dòng)的時(shí)刻(對(duì)應(yīng)各模型的運(yùn)行時(shí)間為～6.3-6.5 Ma)，對(duì)比不同的數(shù)值模擬結(jié)果.對(duì)比結(jié)果顯示，相較于強(qiáng)下地殼的模擬結(jié)果(圖4)來說，較弱的下地殼會(huì)導(dǎo)致其自身產(chǎn)生更加復(fù)雜的形態(tài)變化，具體表現(xiàn)為下地殼厚度的側(cè)向劇烈變化和上/下地殼交界面復(fù)雜的起伏變化(圖7)，伴隨更大范圍的韌性應(yīng)變.在這種情況下，以斷層為主的脆性應(yīng)變集中發(fā)育于上地殼范圍內(nèi)，部分模型結(jié)果顯示斷層可沿下地殼頂界產(chǎn)生滑脫性位移.由于斷層發(fā)育范圍的局限性，其垂向的斷距也隨之減小，揭示出弱下地殼的存在使地面構(gòu)造變形的垂向起伏較強(qiáng)下地殼顯著變緩，相反，地面構(gòu)造變形的水平分布范圍則顯著擴(kuò)大.

與強(qiáng)下地殼存在的模型結(jié)果相比，下地殼強(qiáng)度的整體減弱可使裂谷的變形規(guī)律產(chǎn)生由上盤斷塊規(guī)模不斷減小(圖4)向裂谷軸產(chǎn)生側(cè)向的長(zhǎng)距離躍遷(圖7)的轉(zhuǎn)變，揭示出下地殼強(qiáng)度的減弱可使巖石圈變形更具不確定性.由于現(xiàn)今的裂谷躍遷往往伴隨著區(qū)域性熱點(diǎn)的存在(如冰島裂谷，Burke et al., 1973; Garcia et al., 2008)，且多伴隨發(fā)育復(fù)雜的向海傾斜反射層(SDRs)和巖漿型陸緣(Buck, 2017; Norcliffe et al., 2018)，指示更熱的巖石圈溫度結(jié)構(gòu)和更弱的下地殼，與本文的模擬結(jié)果相似.

以TC=300 ℃(圖7a)和TC=600 ℃(圖7b)的模擬結(jié)果為例，前者下地殼厚度側(cè)向變化可達(dá)～1.5-9 km，且新生擴(kuò)張中心離初始裂谷軸的距離為～53.3 km；對(duì)應(yīng)地，后者下地殼厚度變化程度更大，其初始擴(kuò)張中心的上地殼已完全剝離，下伏下地殼厚度可達(dá)14 km，而下地殼最薄的位置只有～4 km的厚度，且擴(kuò)張中心的側(cè)向躍遷距離增加至～68.5 km.對(duì)比所有模型結(jié)果可得，隨著地殼滑脫層厚度的不斷增大，裂谷軸的側(cè)向躍遷距離也顯著增加，二者呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，具體表現(xiàn)為從53.3 km逐步增加至79.3 km(圖8)，揭示出下地殼強(qiáng)度的減弱會(huì)導(dǎo)致構(gòu)造變形在地面表現(xiàn)出更大的尺度和規(guī)模.

圖8 滑脫層厚度與裂谷中心躍遷距離的關(guān)系Fig.8 The relationship between the thickness of detachment layers and the rift jump distance

3 討論

3.1 模擬結(jié)果應(yīng)用

完整的裂谷上盤斷塊發(fā)育在全球多個(gè)裂谷盆地上，如在南大西洋裂谷型被動(dòng)大陸邊緣，前人通過對(duì)地震反射資料的解釋在其中段的不同位置解釋出多個(gè)發(fā)育完整上盤斷塊的剖面(圖9a—c，Péron-Pinvidic et al., 2017).另外，在南大西洋之外的挪威Lofoten陸緣(Tsikalas et al., 2005)、東格陵蘭Jameson陸緣(Péron-Pinvidic et al., 2012)，以及紐芬蘭Brianconnais陸緣(Péron-Pinvidic and Manatschal, 2009)等區(qū)域也發(fā)育有相似構(gòu)造.

以南大西洋被動(dòng)大陸邊緣為例，剛果盆地位于南大西洋中段東側(cè)(圖9a)，其上盤斷塊規(guī)模巨大，側(cè)向?qū)挾取?13.1 km，垂向厚度可達(dá)～13 km，完全由地殼物質(zhì)組成(圖9b).上地殼發(fā)育密集的淺部正斷層，兩個(gè)邊界斷層可向下延伸至地幔巖石圈頂部，其中一支已演化為拆離斷層將深部地幔物質(zhì)剝露至地表.對(duì)應(yīng)地，坎波斯盆地剖面位于南大西洋中段西側(cè)的巴西陸緣(圖9a)，其上盤斷塊約78.9 km寬(圖9c)，其余構(gòu)造特征和剛果盆地相似.對(duì)比兩個(gè)盆地可知，剛果盆地的上盤斷塊規(guī)模相較于坎波斯盆地明顯更大(圖9d).結(jié)合本文的數(shù)值模擬結(jié)果可推測(cè)坎波斯盆地的地殼滑脫層較剛果盆地所占巖石圈比重更大.

圖9 南大西洋中段實(shí)例對(duì)比與差異分析(a) 南大西洋中段地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)Aslanian et al., 2009)； (b) 剛果盆地地質(zhì)剖面; (c) 坎波斯盆地地質(zhì)剖面(據(jù)Péron-Pinvidic et al., 2017修改，位置見圖(a))； (d) 剛果-坎波斯盆地H-block規(guī)模、伸展速率對(duì)比，其中柱狀圖展示H-block寬度，方框展示伸展速率，黑色方框和黑線分別代表剛果盆地，灰色代表坎波斯盆地.Fig.9 Case comparison and difference analysis of the central segment of South Atlantic(a) Geological sketch of the central segment of South Atlantic (Aslanian et al., 2009); (b), (c) Geological section of Congo Basin and Campos Basin (Péron-Pinvidic et al., 2017, see their locations in Fig.(a)); (d) Comparison of the size of H-blocks and extension rates between Congo Basin and Campos Basin. The histogram shows the width of H-blocks and boxes represent extension rates. Black boxes and lines represent Congo Basin, and the gray ones represent Campos Basin.

另外，前人的數(shù)值模擬結(jié)果(Brune et al., 2014)也揭示出在南大西洋中段研究區(qū)，裂谷軸的側(cè)向遷移距離向南逐漸增加的情況.對(duì)比前文的數(shù)值模擬結(jié)果(圖7)，預(yù)測(cè)了南大西洋中段南側(cè)的滑脫層厚度可能更厚，從而間接佐證了北部剛果盆地(圖9b)和南部坎波斯盆地(圖9c)之間上盤斷塊規(guī)模的顯著差距(圖9d).

3.2 滑脫層厚度差異產(chǎn)生的原因分析

針對(duì)上述南大西洋中段兩個(gè)盆地來說，二者位于相似的構(gòu)造背景下，但剖面形態(tài)具有規(guī)律性的變化，具體表現(xiàn)為裂谷的伸展速率、裂谷作用形成的被動(dòng)陸緣寬度、東西兩側(cè)盆地規(guī)模的不對(duì)稱性都展現(xiàn)出向南增大或增強(qiáng)的趨勢(shì)(Brune et al., 2014).然而，本文的研究結(jié)果表明，在南大西洋中段，裂谷上盤斷塊的規(guī)模卻表現(xiàn)出向南縮小的規(guī)律(圖9).依據(jù)前文數(shù)值模擬結(jié)果，兩個(gè)盆地上盤斷塊規(guī)模的規(guī)律性變化可揭示出兩個(gè)盆地裂谷期均發(fā)育較強(qiáng)的下地殼(圖4)，這種規(guī)律直接取決于下伏滑脫層厚度的變化.究其原因，潛在滑脫層的發(fā)育主要取決于巖石圈流變學(xué)性質(zhì)的變化，主要影響因素包括物質(zhì)組成、溫度結(jié)構(gòu)、應(yīng)變率(伸展速率)等(Svartman Dias et al., 2015).而由于兩個(gè)盆地均發(fā)育于剛果克拉通西側(cè)元古代基底之上(Bally et al., 2020)，并沿新元古代造山帶走向由南向北逐步裂開(Gray et al., 2008; Lovecchio et al., 2020).因此，可預(yù)測(cè)兩盆地基底巖石圈成分大致相似，沒有顯著差別.另外，相較于巖石圈溫度結(jié)構(gòu)的變化來說(圖2和圖6)，兩個(gè)盆地裂谷期伸展速率的差異幅度相似，但伸展速率的變化對(duì)巖石圈力學(xué)性質(zhì)的影響明顯更小(圖9d).因此，在對(duì)比兩處巖石圈力學(xué)性質(zhì)差異時(shí)，伸展速率的影響可以排除，造成兩個(gè)盆地地殼滑脫層厚度差異的原因更可能來自于二者溫度結(jié)構(gòu)的差異.

前人研究表明，南大西洋Tristan-Gough熱點(diǎn)在其開裂之前便已存在(Fromm et al., 2015).雖然熱點(diǎn)下伏高溫物質(zhì)并未涌至地面之上，但其高溫卻影響了周圍巖石圈的溫度結(jié)構(gòu).從空間分布上來看，坎波斯盆地臨近該熱點(diǎn)，受到的溫度影響顯然更大；剛果盆地距熱點(diǎn)更遠(yuǎn)，受到的影響理應(yīng)較坎波斯盆地更弱.因此，坎波斯盆地下伏巖石圈相對(duì)剛果盆地更弱，潛在滑脫層的厚度也更大，從而導(dǎo)致更小的上盤斷塊規(guī)模(圖4h).

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于強(qiáng)下地殼數(shù)值模擬結(jié)果來說，滑脫層厚度的增加會(huì)導(dǎo)致斷層上盤斷塊規(guī)模的減小，二者呈反相關(guān)關(guān)系.且在滑脫層有效厚度偏小時(shí)，以深部的殼-幔滑脫層對(duì)上盤斷塊的影響為主；反之，在滑脫層有效厚度偏大時(shí)，淺部殼間滑脫層的影響更大.

(2) 隨著巖石圈，尤其是下地殼強(qiáng)度的減弱，殼-幔或殼間滑脫層的厚度也逐漸增加，其產(chǎn)生的結(jié)果隨巖石圈強(qiáng)度的減小發(fā)生由上盤斷塊縮小到裂谷軸橫向躍遷的轉(zhuǎn)變，指示弱巖石圈更容易產(chǎn)生大規(guī)模的形變.

(3) 對(duì)于弱下地殼數(shù)值模擬結(jié)果來說，滑脫層厚度的增加直接導(dǎo)致了裂谷伸展中心的離軸躍遷，且滑脫層厚度越大，裂谷軸的橫向遷移距離也越顯著.

(4) 南大西洋中段兩側(cè)剛果盆地和坎波斯盆地的對(duì)比結(jié)果表明，兩個(gè)盆地的下地殼流變屬性相似，且相對(duì)上地殼偏強(qiáng).兩盆地上盤斷塊規(guī)模的差距揭示出坎波斯盆地滑脫層有效厚度要顯著大于剛果盆地，這種差異可能是由南大西洋裂谷期兩盆地距南端熱點(diǎn)、地幔柱活動(dòng)的距離不同導(dǎo)致的巖石圈溫度結(jié)構(gòu)差異引起的.