大陆岩石圈流变学研究及其在伸展
盆地动力学中的应用^*

史卜庆　周瑶琪　朱岳年

摘　要：大陆岩石圈流变性是伸展盆地动力学研究中的一个重要方面。大陆岩石圈具有多种流变学特征，控制着不同的岩石圈变形样式以及盆地形态、沉降/上隆、沉积样式和岩浆岩分布等岩石圈变形在伸展盆地中的表现形式。大陆岩石圈流变学研究在伸展盆地运动学和动力学模拟中的应用现状和最新进展表明，尽管大陆岩石圈的流变性非常复杂，其在伸展盆地动力学分析中起到了非常重要的作用，应该加以足够重视和深入研究。
关　键　词：大陆岩石圈；流变性；伸展盆地；动力学模拟
中图分类号：P54　文献标识码：A　文章编号：1001-8166(1999)05-0446-06

THE STUDY ON CONTINENTAL LITHOSPHERIC RHEOLOGY
AND ITS APPLICATION TO EXTENSIONAL
BASIN QUANTITATIVE ANALYSIS

SHI Buqing, ZHOU Yaoqi， ZHU Yuenian
(Petroleum Resources and Environmental Geology Research Institute,
University of Petroleum, Dongying, Shandong　257062，China)

　　Abstract：Continental lithospheric rheology is one of the most important aspects in basin geodynamic analysis. Continental lithosphere has multiple rheology characteristics which control different deformation patterns of lithosphere and its representative forms in extensional basins, such as basin configurations, subsidence/uplift history, sedimentary patterns and distributions of magmatic rocks, etc. The current situation about researches on complicated continental lithospheric rheology, rheological structure and deformation mechanisms related to different rheology are discussed. This paper also introduces the applications of continental lithospheric rheology to the kinetics and dynamics modeling of extensional basin formation and development. Even though we still have many difficulties to grasp the actual rheology of continental lithosphere, we should pay more attentions to its importance in basin research and take more efforts to apply it to basin modeling.
　　Key words：Rheology; Continental lithosphere; Extensional basin; Dynamics modeling.

1　引　言

　　流变学是研究物体流动与形变的科学。随着沉积盆地动力学研究的日益发展，人们已经越来越重视大陆岩石圈流变性在盆地动力学研究中的作用。现今无论是伸展盆地动力学模型还是挤压盆地动力学模型，都明确地以整个岩石圈的总体流变性描述及其变形机制的运动学描述为基础^〔1〕。本文以伸展盆地为例，讨论大陆岩石圈流变性在沉积盆地动力学分析中的作用以及研究进展。
　　伸展盆地是由大范围的岩石圈拉伸导致的地表沉降形成的，沉降机制包括部分地壳被高密度地幔岩石取代（地壳减薄）、岩石圈的热沉降、沉积负荷引起的岩石圈挠曲、岩石圈俯冲或拆沉作用引起的软流圈动力学效应、地壳物质相变以及地下岩浆作用和成岩作用引起的密度增大等^〔2〕。在伸展盆地演化过程中，地壳减薄、岩石圈的力学和热沉降以及沉积充填等作用同时发生，是整个大陆岩石圈不同流变性之间相互作用的结果^〔1〕。盆地形态、沉降/上隆速率、沉积/剥蚀速率、沉积样式以及岩浆岩分布等均是岩石圈变形在伸展盆地中的表现形式，它们直接与大陆岩石圈的变形样式有关。岩石圈的变形受偏应力的作用，而最终起控制作用的是岩石圈的流变性质^〔3〕。因此加强对伸展盆地形成和演化的认识，就必须全面搞清大陆岩石圈在不同尺度上的物理性质^〔1〕并进行完整的动力学描述，在这方面除岩石圈所受的驱动力之外，地壳和地幔的流变学信息是一个非常重要的参数。

2　大陆岩石圈的流变结构特征

　　在过去十几年中，人们对大陆岩石圈总体流变性控制因素的认识有了很大进步^〔4〕。大陆岩石圈的流变性总体上是岩石圈结构、温度、压力以及应力状态的函数，强烈受控于其热结构；纵向上可视为具有牛顿或非牛顿流变性的粘性层或为弹性-粘性-塑性流变的成层介质^〔3〕，具体应据不同深度上的主要岩石类型而定；而岩石圈流变性在横向上的明显变化已经在多个地区被发现^〔4〕，这主要取决于地壳厚度的变化以及岩石圈热-构造年龄的变化。在伸展盆地动力学分析中，依据具体地区的岩石圈条件以及研究目的和精度不同，可以将大陆岩石圈的流变性结构假定为多种模式，如Kusznir等^〔5〕将大陆岩石圈伸展作用的基本变形分为双层结构，即脆性上地壳（发生简单剪切作用）和塑性变形的下地壳+地幔（发生纯剪切作用）；Pedersen^〔6〕将大陆岩石圈分为4个流变性层，即脆性变形的上地壳、韧性变形的下地壳、发生韧性断裂的上地幔和在较低偏应力下韧性变形、而在高于100 Mpa的应力作用下发生Dorn塑性变形的下地幔；此外还有3层流变结构和多层流变结构^〔7〕等。这些大陆岩石圈的成层流变性模型不同程度上对实际情况进行了简化。要建立更为实际的大陆岩石圈流变结构模型，就必须进一步认识大陆岩石圈的结构、热状态及其内部所受的应力状态。岩石圈的强度剖面（Strength envelope或Reological profile）这一概念最早由Geotze等提出，可以在盆地模拟中较好的约束岩石圈流变性（图1）^〔8〕。强度剖面（S）的计算公式为：

　　σ_xx和σ_zz为水平和垂向应力分量，L为岩石圈厚度，z指深度。其中

ρ为岩石圈的密度；σ_xx取决于假定的岩石圈流变结构。
　　但是强度剖面往往作出许多假设而产生多种不确定性因素，所以难以精确描述岩石圈的流变性，从而影响了盆地形成和演化的最终模型。Fernndez等将这种不确定性因素分为两类，即操作不确定性因素和方法不确定性因素^〔9〕。如果已知岩石圈的结构和组分，那么前者的原因是岩石圈的温度、流变参数及孔隙流体压力的不确定性；而后者的不确定程度可能会更大，关键在于建立岩石圈强度剖面时对岩石圈流变性所做的基本假设。

图1　岩石圈的典型强度剖面
(据M.Fernndez和G.Ranalli,1997，有修改)
Fig.1　Type rheological profile of lithosphere
(from M. Fernandez and G. Ranalli,1997,with modification)

3　具不同流变性的大陆岩石圈变形样式

　　根据实验结果，任何岩石的变形作用都可以分为两部分：脆性区和韧性区。前者受Coulumb-Navier剪切破裂准则控制，后者受控于幂次定律的蠕变方程。如果岩石的应变速率一定，当摩擦强度等于韧性强度时为韧性-脆性过渡区。大陆岩石圈在应力作用下，不同的流变性所导致的变形样式不同，总体上可以分为脆性变形、韧性变形和脆性-韧性变形3种基本样式。
3．1　脆性变形样式
　　在低温低压条件下，岩石圈表现为脆性变形特征，控制因素为微裂隙的相互作用与生长、摩擦滑动等，这种变形与压力有关而与时间无关。微观上表现为岩石圈的多相性和重结晶性形成的内部应力非均质体位错导致的成核作用、生长作用以及聚结作用；在盆地范围上表现为大陆岩石圈最上部的断裂作用和断裂间的相互作用。
　　目前大部分伸展盆地动力学模型均以假设盆地范围内岩石圈具脆性流变性为基础，并且在脆性区内应力和应变都均匀分布。岩石圈的这种本构性质遵循Byerlee定律，即：脆性应力σ_b=gBz。其中g为重力加速度；B为张应力条件下的脆性破裂常量（k/gm³）；z为深度(m)。Brace等^〔10〕估计孔隙压力为0时，在伸展作用下gB≈22 Mpa/km，而在静水压力条件下含孔隙水时gB>12 MPa/km。
　　在上地壳5 km范围内，这个经验定律与岩石圈应力幅度符合得较好。但是当围压和温度较高时，这个定律的有效性还有待于进一步研究^〔1〕。同时有研究表明，Byerlee定律并非都满足脆性变形作用^〔11〕，因此如何将该定律更好地综合运用于大陆岩石圈总体流变性的描述仍将是一个重要的研究方向。在大陆岩石圈的脆性变形样式上，Starostenko等^〔8〕独辟蹊径认为大陆岩石圈是具有结构性的非连续介质，假设岩石圈为双层结构，上层为脆-弹性（H=25 km，ρ_c=2.64 g/cm³）,下层为流性体（ρ_m=3.3 g/cm³）。上层由一系列弹性六角形块体组成，两个块体之间的距离为3.2 km，中间有一薄层“席状”构造分隔，二者的物质结构相同，但存在速度不连续面^〔12〕。Starostenko等使用Dantlenko等^〔13〕给出的一种描述地球物理介质内不同构造单元运动的偏微分方程组进行数值模拟，取得了较好的结果。但是上述方法没有考虑岩石圈的深部过程，仅对地壳的物理性质进行了结构化。
3．2　韧性变形样式
　　在高温高压条件下，岩石圈表现为韧性变形，包括位错攀移和颗粒边界滑动作用，控制因素为一系列外部和内部参数，如流体压力、化学效应（与流体有关）、颗粒大小和形状、微观结构不稳定性（如相变、重结晶、颗粒生长）等。韧性变形为热驱动作用的结果，与时间有关而可能与压力无关。
　　对于单相集合体，如石英和橄榄石，稳态蠕变是众所周知的韧性变形特征。蠕变应变速率∈与应力σ_d之间遵循以下经验本构方程^〔8〕：
　　∈=Aσⁿ_b exp (-Q/RT)
其中A为指数前的常数（pre-exponential constant）（1/MPa^3.s），T为温度（℃），n为应力指数（无量纲），R为通用气体常数（8.314×10^-3 J/mol），Q为活化能（kJ/mol）。对于多重结晶集合体，其变形特征取决于其化学组分以及不同的稳定矿物相，稳态蠕变规律也遵循上式。依据组成集合体的具体矿物不同，Q、A和n的常量值也不同。
　　Newman^〔9〕根据全球显生宙沉积盆地的沉降曲线确定出了应变速率∈在地质历史中的瞬时变化，并以此约束大陆岩石圈在伸展作用期间的流变性质。结果表明大陆岩石圈的流变性质遵循幂次定律的蠕变规律，应力指数n=3，活化能Q≈500 kJ/mol（即橄榄石的幂次定律蠕变参数）^〔9〕，从而证实了Kirby等^〔14〕所做的实验室观测的正确性。
　　目前沉积盆地形成和演化的模拟大多数假设下地壳和地幔为均质、稳态以及各向同性的韧性变形模式。但是最近地壳岩石露头和地震剖面资料表明，岩石圈的韧性变形是具有非均质性的，这种非均质性不能简单地认为是岩石圈物质的化学非均质性造成的，而应与岩石圈的变形机制有关^〔1〕。
3．3　脆-韧性变形样式
　　这种变形样式是脆性变形样式和韧性变形样式以及岩石圈化学非均质性相互作用的结果。其在大陆岩石圈的一定压力、温度范围内普遍存在。在中等压力、温度条件下，岩石内部可以发生微裂缝、位错、颗粒边界滑动等多种作用，具体取决于单个矿物相的化学组分和物理性质。岩石的复合结构可以形成非均质分布的内部应力，尤其是在高围压或挤压作用下，岩石内部可以形成张应力，这意味着在压性环境中可能有微裂隙的存在及其相互作用，而同时又存在着韧性变形机制。

4　大陆岩石圈流变性对于伸展盆地分析的重要意义

4．1　伸展盆地的运动学模型
　　伸展盆地的运动学模型能够成功地模拟许多盆地的形成和演化，但是在岩石圈伸展作用驱动力的成因和幅度以及岩石圈的流变性等动力学方面有诸多不符之处，只是通过自由地改变输入参数来得到相对接近实际的盆地伸展因子（β）、沉降/上隆曲线以及热史曲线。 Mckenzie^〔15〕的一维瞬时伸展模型、Bass等^〔16〕的一维非瞬时伸展模型、Royden等^〔17〕的双层非均匀伸展模型以及后来进行诸多改进的纯剪切模型^{〔18～20〕}，均假设岩石圈为局部均衡补偿，即岩石圈不受垂向剪切应力，任何垂向作用力均被岩石圈的浮力所补偿。从流变学角度考虑，这种假定意味着岩石圈在受垂向负荷下是具零剪切力的固体，同时具有水平强度以阻止水平应力梯度导致的变形作用。因此这种岩石圈局部均衡作用的假设难以与任何岩石圈的流变性相一致。
　　若假设岩石圈具有一定强度，则会导致区域均衡补偿，最简单的模型就是薄层弹性板块。由于大陆岩石圈与大洋岩石圈不同，其有效弹性厚度Te不仅与温度和年龄有关，还与地壳厚度、岩石圈厚度以及它们在岩石圈变形期间的相互作用等复杂因素有关。从流变学角度上看，将岩石圈视为线弹性板块所计算出的应力会比由岩石圈强度剖面推出的结果高，而且岩石圈对沉积负载的响应最初为弹性应力，随时间的变化将逐渐产生粘性应力成分，这也影响了岩石圈应力的计算结果。
　　伸展盆地的简单剪切模型^〔21,22〕以及挠曲悬臂模型^〔5〕考虑了岩石圈的断层作用以及拆离面的作用，但是断层和拆离面所起到的作用仅是滑动斜面，模型并未考虑产生这种滑动面所需的应力。
　　总之，伸展盆地的运动学模型尚未很好地拟合假定的岩石圈变形样式与其实际力学性质。采用一种新的方法可以评价岩石圈的流变性对其变形样式的控制作用，得到岩石圈变形样式、应变速率、初始地热和壳/幔厚度之比等因素之间的关系，Fernndez等称之为“后门（backdoor）流变学模型”^〔9〕。这种方法是以岩石圈的某些流变性模型为基础，将拉伸后的岩石圈总强度剖面与相当于未变形的岩石圈强度剖面进行对比，不需知道岩石圈的真实变形，引入的是岩石圈流变性对变形样式的控制作用。这一方法已经成功地运用于分析岩石圈的流变性对构造应力和变形样式的响应中^{〔23，24〕}，最近也有人利用这一方法根据岩石圈强度剖面约束岩石圈变形所需的初始条件^〔25〕。
4．2　伸展盆地的动力学模型
　　尽管“后门流变学模型”能够进一步将岩石圈的流变性与伸展盆地的运动学模型结合起来，仍需要二、三维动力学模型来更完整地考虑岩石圈的变形作用（目前多为二维模型），从而定量分析上地壳变形（表现为伸展盆地的构造样式和演化）、下岩石圈变形（反映了区域或全球构造事件）及其相互作用。伸展盆地的动力学模型由一系列描述岩石圈流变性的本构方程组组成，包括弹性、粘性、塑性、粘塑性等物质的本构方程，将有关运动学参数（应变和应变速率）与动力学参数（应力）联系起来。Fernndez等将岩石圈伸展的动力学模型分为平面应变模型和平面应力模型两类^〔9〕。
　　平面应变模型假定任一处的流动都与一个平面平行，与第三方向轴无关。该模型常应用于具伸长构造的岩石圈剖面。随着岩石物性实验方法的进步以及计算手段的提高，允许在平面应变模型中考虑岩石圈更为真实的流变性。通过求解岩石圈不同流变性的本构方程组，可以进一步说明岩石圈的伸展变形、流变性和边界条件间的关系。通常平面应力模型模拟结果表明，应变速率不是决定伸展变形样式的唯一因素，还应包括岩石圈流变性因素，即初始地热、岩石圈结构对最终岩石圈变形样式具有控制作用。
　　平面应力模型假定水平速度的垂向梯度小于横向梯度，不存在岩石圈上、下的偏应力。模型将岩石圈视为一薄层席状板块，通常假设为一粘性单层或粘塑性层，岩石圈为局部均衡作用支撑，热传导方向垂直，并且考虑韧性流动和断层表面的摩擦滑动。这显然是对岩石圈实际流变性的简化，但是单层的幂次定律流变性足以描述岩石圈变形的主要特征。如果考虑地壳或岩石圈厚度变化形成的纵向重力应力，那么该模型就可以突破单层模型的限制而更理想地描述岩石圈变形特征。为模拟壳幔之间的拆离作用，模型也可以假定岩石圈为双层结构^〔26〕。
　　在伸展盆地的动力学模型中，岩石圈的实际结构、组分和流变性的不确定性加之本构方程组的高度非线性，使模拟结果对模型的初始条件和边界条件非常敏感。因此有必要进行更为复杂的岩石圈流变性研究来建立本构关系更为理想的盆地动力学模型。
　　总之，伸展盆地的运动学模型认为盆地形成时的岩石圈强度有限，而动力学模型不管与岩石圈细颈化深度有关的力学性质，直接考虑岩石圈总体强度随深度的分布，通过假设岩石圈不同的流变性模拟伸展盆地的形成和演化。但是动力学模型严格地受到对大陆岩石圈流变性认识程度的限制。
　　目前对岩石圈流变性研究的最好方法是有限元法，它对岩石圈流变结构进行了简化，但是可以检验岩石圈的基本性质对变形样式的影响以及岩石圈变形样式控制因素的相对重要性。为了研究在地质时间尺度上岩石圈的断裂作用和塑性流动性质，还需用有限元法对岩石圈进行大应变分析。拉格朗日方法对大应变问题的数值精度较高，可以处理应力随时间的变化，但不能准确地把握大流动问题；而欧拉方法可以处理大应变问题，但难以结合时间因素^〔27〕。因此将二者结合起来可以更好地解决岩石圈的大应变问题。

5　结　语

　　大陆岩石圈的流变性非常复杂，它强烈取决于岩石圈的结构、厚度、温度和压力等多种因素。不同的流变性所造成的变形响应不同，遵循不同的经验定律。随着伸展盆地定量化分析由运动学模型向动力学模型发展，大陆岩石圈的流变性已经逐渐受到重视并得到了越来越广泛的应用。但是核心问题在于需要进一步精确描述大陆岩石圈的实际流变结构以及其演化历史，才能建立更为接近真实的岩石圈强度剖面，在伸展盆地模型中取得更为理想的结果。因此这是今后大陆岩石圈流变学研究的一个发展方向，也是伸展盆地以及所有沉积盆地动力学分析中亟待解决的一个课题。为了实现这一目标，一方面需要结合岩石实验室物理测量、深部地球物理测量（包括地震、重、磁、电）和岩石圈中流体动力学研究等多种手段来精确研究大陆岩石圈的实际流变结构，由原始的一维模型向二、三维模型发展；另一方面需要将伸展盆地动力学的正演和反演模拟结果相结合以确定出大陆岩石圈流变性的演化，得出大陆岩石圈流变性的演化规律，为今后的伸展盆地动力学模拟提供参考。

^*石油大学重点科研基金项目“用玄武岩中REE丰度反演伸展盆地的形成和演化”部分成果。

作者简介：史卜庆，男，1973年9月出生，石油大学（华东）博士生，从事盆地动力学研究。

作者单位：石油大学油气资源与环境地质研究所，山东　东营　257062

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