地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (6): 2504-2509   PDF    
引用本文
姜永涛, 张永志, 王帅, 刘宁. 2014. 全球岩石圈结构的快速求算及其结构特征[J]. 地球物理学进展, 29(6): 2504-2509, doi: 10.6038/pg20140604  
JIANG Yong-tao, ZHANG Yong-zhi, WANG Shuai, LIU Ning. 2014. A rapid method to map the global lithosphere heterogeneities and its feature analysis. Progress in Geophysics, 29(6): 2504-2509, doi: 10.6038/pg20140604   
全球岩石圈结构的快速求算及其结构特征
姜永涛1,2, 张永志1 , 王帅1, 刘宁1    
1. 长安大学地质工程与测绘学院, 西安 710054;
2. 南阳师范学院, 环境科学与旅游学院, 南阳 473061
收稿日期: 2013-12-21 修回日期: 2014-05-15 .
基金项目：国家自然科学基金项目(41374028,41274083,41304013)和国土资源大调查项目(1212010914015)联合资助.
作者简介：姜永涛, 男, 1985年生, 山东菏泽人, 长安大学在读博士生, 主要研究方向为地壳形变与地球动力学.(E-mail:1212203jiang@sina.com)
通讯作者：张永志, 男, 1961年生, 陕西西安人, 博士, 教授, 主要从事地壳形变的教学与研究.(E-mail:cadxzyz@263.net)
摘要：确定岩石圈结构对研究其起源和进化特征,解释不同岩石圈结构对其下部地幔对流和周边板块构造运动的浅层响应有着重要的作用.本文基于1D岩石圈均衡理论,推导了一种快速求算岩石圈结构的方法,利用最新发布的CRUST1.0地壳模型,计算了全球岩石圈结构.通过与岩石圈已有研究结果的对比分析,得出如下结论:(1)海洋地区的岩石圈厚度与洋壳地质年龄呈正关系,距离洋中脊越远,地质年龄越大,对应的岩石圈就越厚;(2)大陆岩石圈结构更具复杂性,稳定的克拉通具有较厚的岩石圈根,厚度约120~220 km,且厚度分布与岩石圈地质年龄有近似的正关系.除北美科迪勒拉山造山带岩石圈厚度较薄外,其余造山带具有较厚的岩石圈根;(3)同一类型岩石圈的Moho与LAB深度有一定的回归关系;不同类型的岩石圈,其回归关系不同,这可能与岩石圈形成年代、长时期所处的构造环境和地幔熔融过程等因素有关.
关键词： 岩石圈结构     均衡理论     CRUST1.0     海洋岩石圈     克拉通    
A rapid method to map the global lithosphere heterogeneities and its feature analysis
JIANG Yong-tao1,2, ZHANG Yong-zhi1 , WANG Shuai1, LIU Ning1    
1. School of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, China;
2. School of Environment Science and Tourism, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China
Abstract: The determination of lithosphere thickness is not only useful for the study of its origination and evolution character, but also very helpful for the explanation of its shallow response to different underlying mantle convection and surrounding plate tectonic. We present a rapid method based on the assumption of lithosphere local isostasy and use CRUST1.0 model to map the global lithosphere thickness. By comparing with the latest research results of global thermal lithosphere and regional seismic lithosphere thickness, it is conformed that our results has some practical significances. The distribution of global lithosphere thickness shows the following properties: (1) The thickness of oceanic lithosphere has positive relationship with the geological age of oceanic crust. Around mid-oceanic ridge, the youngest lithosphere on earth has a lithosphere thickness of about 40 kilometers. The farther the distance from mid-ocean ridge, the older of oceanic geological age, and the thicker of corresponding lithosphere thickness, when the oceanic geological age is of 120 million years, the corresponding lithosphere thickness reach 110 kilometers. The cooling plate model is a perfect model to explain the distributing characteristic of oceanic lithosphere. (2) The lithosphere heterogeneity is more complicate in the continental area. Generally, the stable craton has a thicker lithosphere root ranging from 120 to 220 kilometers, and the lithosphere thickness of craton has a nearly positive relationship with its geological age, like in Africa, the Archean craton has the thicker lithosphere root than that of Precambrian craton. But in Australian the situation is different, that is the Precambrian craton has the thicker lithosphere root than Archean craton. The relationship of lithosphere thickness between craton and its adjacent orogenic belts is not clear, in North America the lithosphere thickness of craton is thicker than its adjacent Cordillera Mts orogenic belts, but in South America the lithosphere thickness of craton is shallower than its adjacent Andes orogenic belts. (3) By analysing the linear relationship of Moho depth and LAB(Lithosphere Asthenosphere Boundary) depth, We find that, for the same type of lithosphere, the Moho depth and LAB depth has a clear linear relationship, but for different type of lithosphere, the linear relationship is different. The reason for these may be associated with lithosphere forming times, its long-period tectonic environment and mantle melting process et al.
Key words: lithosphere heterogeneity     local isostasy     CRUST1.0     oceanic lithosphere     craton    
0 引 言

确定岩石圈结构，不仅有助于研究其起源和进化特征，而且可以用来解释不同岩石圈结构对其下部地幔对流和周边板块构造运动的浅层响应(Afonso et al., 2008).精细的岩石圈结构信息也可用于地表位场特征(地形、大地水准面、重力异常)的深部成因解释(林淼等，2012).对海洋岩石圈和克拉通的研究表明，岩石圈地幔物质成分与覆盖其上的地壳岩层成分相似，即地壳及其岩石圈地幔的形成过程是统一的(Griffin et al., 1999)，因此有必要将地壳和岩石圈地幔作为一个整体来研究.

岩石圈包括地壳和上地幔高速盖层，对岩石圈进行定量研究时，基于不同的物理化学性质有岩石圈的不同定义，所得到的岩石圈厚度存在差异，具有的地球动力学意义也可能不同(安美建和石耀霖，2006；魏荣强和臧绍先，2012).弹性岩石圈是在负载作用下，百万年时间尺度上表现出完全弹性的地球外层部分(Watts and Burov， 2003).Tesauro 等(2012，2013)基于不同的流变学模型研究了全球岩石圈有效弹性厚度Te，表明大洋岩石圈的有效弹性厚度基本接近岩石圈内某些温度等温线的位置，与岩石圈的力学性质具有一定的相关性(Burov and Diament， 1995)；而大陆岩石圈有效弹性厚度的物理意义较为复杂，如在青藏高原地壳，Te与整个岩石圈没有直接关系，而是取决于岩石圈的热状态、大地构造、地壳的组成和壳幔耦合程度等，可见，岩石圈有效弹性厚度往往受到多种因素的影响，且在某些地区只与岩石圈内的某一部分岩石层有关(Burov and Diament， 1995).

热学岩石圈是具有热传导温度梯度的地球外壳，其底界面定义为热传导地温线与地幔绝热地温线相交的位置.岩石的物理性质主要取决于其成分、压力和温度，在地幔矿物成分均匀的假设下，由于压力是基本知道的，岩石的物理性质主要受温度的影响，因此常用地幔中某一等温线作为热学岩石圈底界，通常取1300 ℃(Artemieva and Mooney， 2001).Artemieva(2006)利用最新的地表热流数据，研究了全球大陆岩石圈的温度分布和热学厚度.孙玉军等(2012)利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构及热学厚度.热学岩石圈厚度与地幔岩石物理性质密切相关，因此理论上更合理，但是，有限空间和时间采样的地幔包体所反映的地幔特征的程度及温压数据和地幔平衡状态的关系还不清楚(Carlson et al., 2005)，受地表热流观测数据误差的影响，壳幔热导率、生热岩层厚度和生热率的计算也有很大的不确定性(An and Shi， 2006)，因此求得的热学岩石圈厚度的精度也很有限.

地震学岩石圈厚度是利用上地幔盖层波速高于其下方低速带的特征，通过人为定义的波速变化条件来估计岩石圈的厚度.朱介寿(2007)根据欧亚大陆及边缘海地区的天然地震层析成像、人工地震剖面数据等资料，以特定波速值作为地震学岩石圈的底界，建立了欧亚大陆及其边缘海岩石圈模型.不同岩石圈底边界波速条件下，同一波速分布数据计算的岩石圈厚度将有一定的差别，因此地震学岩石圈厚度只具有某种程度的相对意义(安美建和石耀霖，2006).随着地震层析成像的迅速发展和岩石实验数据的积累，Goes等(2000)提出利用地震波波速反演上地幔温度，再利用热学岩石圈定义获得地震-热学岩石圈厚度；利用该方法，An和Shi(2006)计算了中国大陆的地震-热学岩石圈厚度，杨嵩等(2013)研究了华北地区上地幔温度结构及岩石圈厚度分布.

局部均衡理论可用于中长波(波长大于200 km)地壳和岩石圈结构特征的研究(Watts，2001；Hasterok and Chapman， 2007).Fullea等(2006，2007)应用1D模型由地形和大地水准面资料对直布罗陀构造弧岩石圈特征进行了研究，其将Moho深度和岩石圈软流圈界面LAB(Lithosphere Asthenosphere Boundary)同时作为待求参数，且假设地壳密度为常数，所求的岩石圈1D模型结果与该区较精细的岩石圈结构(Fullea et al., 2010)存在较大差距.本文利用新发布的CRUST1.0地壳模型(Laske et al., 2013)约束地壳结构参数，基于1D岩石圈局部均衡理论，推导了一种快速求算岩石圈结构的方法，对全球岩石圈结构进行了计算，最后分析了全球岩石圈结构特征及其与上部地壳类型的关系.

1 数据和方法 1.1 地壳模型CRUST1.0

CRUST1.0(Laske et al., 2013)于2013年发布，是覆盖全球空间分辨率为1°间隔的地壳模型.模型中Moho深度取最新全球地震研究资料得到的地壳厚度数据的1°窗口平均值，对南极洲等地震研究资料缺乏的区域，Moho深度由重力反演得到.

CRUST1.0将地壳分为8层，从上至下依次是水层、冰层、上、中、下沉积层和上、中、下结晶地壳，给出了1°间隔的各层的厚度、密度及波速Vp、Vs数据.其中大陆地形、海深和冰盖数据来源于ETOPO1；上、中、下沉积层的厚度和密度数据主要来源于全球沉积层模型；上、中、下地壳的厚度和密度数据主要来自于地震资料.此外，CRUST1.0模型经过全球最新地震面波数据的验证和改正，是至今空间分辨率和精度最高的全球地壳模型.

1.2 岩石圈结构的求算方法

经典板块构造理论认为，在较长时间尺度下，岩石圈代表若干漂浮于软流圈之上的，保持刚性的块体(板块)，而其下面的软流圈则表现出了流动性，可以提供重力均衡补偿(Hasterok and Chapman， 2007；Barrell，1914).

图 1 岩石圈局部均衡理论 Fig. 1 Lithospheric local isostasy theory

如图 1，岩石圈局部均衡理论假设一系列的刚性岩石圈柱体LC(Lithosphere Column)自由地浮在软流圈液体中，且在软流圈中深度大于某个补偿深度的平面上压力处处相等.这种假设不考虑岩石圈垂直柱体之间的连接(剪切力)，即存在关系式为

其中zbottom为均衡补偿深度，取值要大于区域最大岩石圈深度；ztop为地球表面，陆地地区为地表，海洋地区为0；Δρ(z)为深度z处岩石圈柱体密度与参考密度的差值.

在岩石圈局部均衡条件下，LC单元柱体的垂直高程E反映岩石圈柱体的浮力(Lachenbruch and Morgan， 1990；Afonso et al., 2008)：

其中∫LC表示对岩石圈柱体积分，不包含海水层；E表示LC固体部分上表面高程；ρa、ρw分别为软流圈和海水密度；ρLC(z)表示深度z(向下为正)处的岩石圈柱体密度；Π为高程校准常数，本文采用180 Ma的海洋冷却的岩石圈密度模型(Kaban et al., 1999)计算Π，该模型包括密度1030 kg/m3厚6.4 km的海水层、平均密度2850 kg/m3厚7.2 km的海洋地壳和平均密度为3350 kg/m3厚106.4 km的岩石圈地幔，利用(2)式，当软流圈平均密度ρa=3200 kg/m3时，可得Π=140 m.

如图 1所示，(2)式等号右端的积分式物理含义为岩石圈柱体在软流圈“液体”中的漂浮高度(相对于自由软流圈界面的高度)，由于岩石圈柱体的地壳厚度、密度可由CRUST1.0精确获得，将该积分式离散表达为

式中zLAB、zMoho分别为岩石圈柱体的LAB和Moho深度，zMoho取自CRUST1.0；ρm为岩石圈地幔的平均密度，ρm=3350 kg/m3(Kaban et al., 1999，2003)；ρi、di分别为CRUST1.0地壳模型的第i层密度和厚度，注意计算时不考虑海水层.

(3)式右端第一项可由CRUST1.0模型求出，综合公式(2)、(3)可以得出岩石圈柱体单元深度zLAB的表达式为

给定所需参数，根据公式(4)就可以求算LAB深度，即得到均衡岩石圈结构.

2 计算结果及分析 2.1 全球岩石圈结构特征

根据本文公式，计算了全球1°×1°间隔LAB深度，并对Moho深度、LAB深度数据进行0.5°网格化处理，得到的结果如图 2、图 3.

图 2 全球Moho深度图 Fig. 2 Global Moho depth

图 3 全球LAB深度图 Fig. 3 Global LAB depth

从全球Moho深度分布图(图 2)来看，大陆地区的Moho深度明显大于海洋地区，全球Moho深度图明显勾画出海陆边界.海洋地区的Moho深度分布规律性明显，以洋中脊为中心，向外随着洋壳地质年龄(Müller et al., 2008)由约5 Ma(百万年)增加到约160 Ma时，Moho深度从约8 km逐渐增加到14 km，说明洋壳厚度与其地质年龄成正关系.大陆地区的Moho深度分布具有较复杂的特点，结合全球大陆岩石圈热构造年龄图(Artemieva，2006)分析可知：

(1)克拉通Moho深度位于35~50 km之间，如西伯利亚克拉通的Moho深度约40~50 km，北美克拉通Moho深度为40~45 km，华北克拉通深度约35~40 km，澳大利亚中西部克拉通Moho深度为40~45 km；

(2)短期的大陆或地体碰撞造山带因地壳缩短和加厚而呈现出高地形、深Moho的特征，如喜马拉雅造山带的Moho深度达60~75 km，南美安第斯山脉造山带Moho深度达45~55 km；

(3)长期处于活动状态的造山带，却有着较浅的Moho深度，如北美科迪勒拉山造山带Moho深度仅25~35 km.

由岩石圈厚度分布图(图 3)可以看出，大陆地区岩石圈厚度明显大于海洋地区.从海洋地区LAB深度分布可以明显的区分出洋中脊位置.海洋地区岩石圈厚度约40~120 km，且厚度分布具有规律性，即岩石圈厚度与洋壳地质年龄呈正关系，在洋中脊附近，洋壳地质年龄小，对应的LAB深度就浅，约40 km；距离洋中脊越远，岩石圈地质年龄 越大，对应的LAB深度就越大，当洋壳地质年龄达到120 Ma时，其岩石圈厚度约为110 km.海洋岩石圈在传导冷却作用下，随着年龄的增加，其岩石圈温度逐渐降低，厚度逐渐增加，密度逐渐增大，因此，冷却板块模型(cooling plate model)可以较好的解释海洋岩石圈厚度分布特征(Hillier and Watts， 2005).

与海洋岩石圈相比，大陆岩石圈结构更具复杂性.结合全球大陆岩石圈热构造年龄图(Artemieva，2006)，稳定的克拉通(>1000 Ma)具有较厚的岩石圈根，厚度约120~220 km，且厚度分布与岩石圈地质年龄有近似的正关系(Artemieva and Mooney， 2001)，这种关系在非洲大陆岩石圈结构中表现最为明显，非洲大陆太古代克拉通岩石圈厚度140~180 km，而前寒武纪克拉通的岩石圈厚度为100~140 km.但在澳大利亚大陆(南半球)的太古代克拉通厚度100~140 km，而该区的前寒武纪克拉通却拥有相对较厚的岩石圈，厚度约为130~160 km.在北美洲，克拉通岩石圈厚度约为130~180 km，明显大于西侧的厚度约80~110 km科迪勒拉山造山带.在南美洲，厚度约为130~160 km的克拉通却小于其西侧的安第斯山脉造山带，后者岩石圈厚度可达140~180 km.

欧亚大陆是岩石圈结构最为复杂的大陆，它由约三十多块尺度不同，结构特性相异，以及动力学过程不同的岩石圈板块或地块，经历长期演化在新生代拼合形成(朱介寿，2007).分析欧亚大陆的岩石圈结构特征可以发现：

(1)长期稳定的巨型克拉通具有较厚的岩石圈，东欧地块岩石圈厚度可达150~220 km，西西伯利亚地块岩石圈厚度约140~170 km，西伯利亚地块岩石圈厚度为140~180 km，哈萨克斯坦地块厚约140~160 km；

(2)小型克拉通地块厚度约为140~160，如塔里木地块、扬子地块等；

(3)陆-陆碰撞的青藏高原岩石圈急剧增厚，约160~200 km；

(4)显生宙造山带岩石圈厚度为90~140 km，如欧洲加里东构造带及华力西构造带为90~120 km，阿尔卑斯构造带为120~140 km；

(5)华北克拉通(3500~1800 Ga)岩石圈厚度约100~120 km，比同时期的其他克拉通岩石圈减薄约40 km.

为了验证本文计算结果的可靠性，将本文结果与Artemieva(2006)得到的全球大陆热学岩石圈厚度和朱介寿(2007)得到的欧亚大陆及边缘海的地震学岩石圈厚度做了对比分析，结果见表 1.本文计算结果与热学岩石圈厚度和地震学岩石圈厚度具有相似的分布特征，但数值上存在差异，原因可能是由于岩石圈定义的不同造成的，热岩石圈厚度是通过岩石绝热线来确定的，地震学意义上的岩石圈厚度主要是依靠地震波速度跳变处的深度来确定的，而本文得到的岩石圈厚度是基于岩石圈局部均衡原理得到的，反映的是长时间尺度下达到均衡状态时的岩石圈厚度.此外本文模型中岩石圈地幔密度和软流圈密度等参数的选取对结果也有一定的影响.

表 1 不同定义的岩石圈厚度值 Table 1 The lithosphere thickness of different definition
2.2 不同地壳类型的岩石圈结构分析

为了更好的分析大陆区域岩石圈结构与其上部地壳类型的关系，本文从CRUST1.0提供的36种地壳类型(划分依据是上中下地壳及其下部地幔的P波速、S波速、密度，以及上中下地壳厚度分别占地壳总厚度的比重)中选择具有代表性的4类大陆性地壳，进行了Moho-LAB的一维拟合(y=ax+b)分析，结果如下：

图 4 四类地壳类型的Moho-LAB分布关系及一维拟合结果 Fig. 4 The Moho-LAB linear relationships for four crustal type

从图 4可看出，显生宙(<545 Ma)地块的Moho深度主要分布在28~44 km，其LAB深度与Moho深度关系较好的满足zLAB=3.527×zMoho－0.447；元古代(545~2500 Ma)早中期地块的Moho深度主要分布在32~48 km，其LAB深度与Moho深度关系较好的满足zLAB=3.772×zMoho－16.89.可以看出，元古代早中期地块岩石圈与显生宙(地质年龄相对较小)相比Moho-LAB斜率较大、截距较小，说明相同厚度的薄地壳条件下，这两类岩石圈厚度差距不大，而在相同厚度的厚地壳条件下，元古代地块岩石圈厚度要明显大于显生宙岩石圈厚度，结论佐证了岩石圈厚度与其地质年龄成正关系(Artemieva and Mooney， 2001)的观点.

对于太古代(2500~3600 Ma)晚期地壳类型的岩石圈，其Moho深度主要分布在30~47 km，其LAB深度与Moho深度关系较好的满足zLAB=3.425×zMoho－5.385，拟合斜率小于较年轻地质区域，但截距大于元古代早中期岩石圈的-16.89，小于显生宙岩石圈的值-0.447，这种关系的产生可能是由于太古代晚期岩石圈经历了较长时期的构造运动和长时期地幔熔融过程等因素的缘故.

对于地台类型岩石圈，其Moho深度主要分布在30~45 km，其LAB深度与Moho深度关系较好的满足zLAB=3.026×zMoho+26.713，这种Moho-LAB关系说明地台类型的岩石圈LAB深度随Moho深度的变化要小于上述三类地质年龄较大的克拉通地壳.

3 结 论

本文基于1D岩石圈局部均衡理论，推导了一种快速求算岩石圈结构的方法，利用最新发布的CRUST1.0地壳模型，计算了全球岩石圈厚度.通过与已有研究结果的对比分析可以发现，以CRUST1.0模型作为约束得到的均衡岩石圈厚度在数值上虽与热学岩石圈厚度、地震学岩石圈厚度稍有差别，但在反映全球大陆岩石圈厚度分布特征上却与它们极其相似，表明本文得到的均衡岩石圈厚度有一定的实际意义，可以作为研究岩石圈精细结构时的初始模型.全球均衡岩石圈结构有如下特征：

(1)海洋地区岩石圈厚度与洋壳地质年龄成正关系，在洋中脊附近，地球上最年轻的岩石圈厚度约为40 km；距离洋中脊越远，洋壳地质年龄越大，对应的岩石圈就越厚，当洋壳地质年龄达到120 Ma时，其岩石圈厚度可达110 km.海洋岩石圈在传导冷却作用下，随着年龄的增加，其岩石圈温度逐渐降低，厚度逐渐增加，密度逐渐增大，因此，冷却板块模型(cooling plate model)可以较合理的解释海洋岩石圈厚度分布特征.

(2)与海洋岩石圈相比，大陆岩石圈结构更具复杂性.稳定的克拉通具有较厚的岩石圈根，厚度约120~220 km，且厚度分布与岩石圈地质年龄有近似的正关系，如在非洲大陆地区太古代克拉通岩石圈厚度要大于该区的前寒武纪克拉通，但这种近似正关系也有例外，如澳大利亚大陆的前寒武纪克拉通具有较太古代克拉通厚的岩石圈根.克拉通与其相邻的造山带岩石圈厚度的关系没有一定的规律性，北美洲的克拉通岩石圈厚度明显大于西侧科迪勒拉山造山带，而在南美洲的克拉通岩石圈厚度却小于其西侧的安第斯山脉造山带.

(3)通过对4类大陆岩石圈的Moho-LAB深度关系分析可知，对同一类型岩石圈，其Moho与LAB深度有一定的回归关系；对于不同类型的岩石圈，其回归关系不同，这可能与岩石圈形成年代、长时期所处的构造环境和地幔熔融过程等因素有关.

致 谢 感谢审稿专家提出的宝贵修改意见.
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