美国地球透镜计划中“地形学和构造学”的进展＊

2012-12-25盛艳蕊

地震科学进展 2012年8期

1 地形学和构造学：阐明岩石圈形变的时空模式

构造地貌学提供了103～106年时间尺度范围的资料，弥补了大地测量和传统地质在时间尺度上的差异，将会为人类对岩石圈变形认识做出重大贡献。地表形貌的数字化表示、地表特征的同位素测年技术、控制整个地表物质运动规律的定量化表示等方法的不断发展，使得过去十年中对地形学的研究发生了巨大变革。同时，沉积学也给地表运动带来了重要的制约因素。地球透镜计划将提供更多新的信息，用于探测地幔、地壳和地表过程之间的耦合。

1.1 应变速率的时空变化

活断层新技术的研究揭示了横跨美国西部的断层形变速率的时空变化。激光雷达采集的高分辨率地形与宇宙放射性核素（主要是10Be，26Al和36Cl）测年技术相结合，使得104～105年时间尺度的断层滑动速率资料的迅速扩展得以实现。与“地震、断层和岩石圈流变学”这一节所述的加州东部的现代应变率相比，这些速率显示了时间和空间的显著变化。对洛杉矶南部板块边界断层的地质滑动率的分析，显示了圣安德烈亚斯和圣哈辛托断层区滑动的一致性变化。这种差异可能源于下地壳或上地幔中依赖时间的剪切变化，也可能是由岩石圈脆性断裂的相互作用引起，由此对远场板块运动驱动稳定断层滑动的传统观念产生质疑。最终，决定北美断层系的非稳定变形的驱动机制，将会引起对断层滑动的驱动过程和地震孕育过程有更深入的认识。

1.2 美国的地形演化

地形变化的速率和模式也可以为地表长波长变形提供主要的制约因素，地表长波长变形对应地球深部变化过程。特别是，河流系统对于地形抬升不同速率的调整，允许估计整个变形区域大致的变形模式。此外，这些系统对海平面相对变化的瞬态响应，可以产生穿越构造活动区的河流切口的相关预测模式。对这些地表变形信息的定量分析，结合侵蚀速率的测量（受宇宙同位素和／或低温热年代学测年技术限制）可以揭示地形抬升的波长和模式。例如，河流剖面的演化可以揭示加利福尼亚伊尼欧山（Inyo Mountains）隆起的系统模式，该模式受由10Be测年得到的抬升速率制约（图1）。

大陆范围的地球透镜计划数据，可以用来研究整个地幔范围区域抬升的驱动力。由地球透镜数据产生的地壳和地幔结构的层析成像，能够确定速度异常体的几何结构，异常导致动态地形下陷或者隆起。这些异常包括下插到地幔边界的俯冲板块，岩石圈消减损耗和下沉的新形式，上升到黄石热点的异常物质。随着移动台阵向东迁移，在大陆较古老的断裂下方可能会发现类似的特征，引发关于动态地形和构造发展相互作用的新问题。

地球动力学模型表明，大陆西部边缘下方的岩石圈俯冲不仅影响西部内陆海道的淹没，在白垩纪时期（65～145百万年前），美国西部是沉淀物沉积的中心地区，岩石圈俯冲也可能解释新生代时期（65百万年前）沿东海岸的沉降异常（图2）。深部地幔和地表的这种明显联系引起了有趣的问题：地幔流如何影响内部克拉通盆地的发展，北美被动边缘沉降，甚至是存留的古老的阿巴拉契亚造山带地形。但是，解释地球深部和地表关系需要将应用地球物理数据的盆地分析与地形变化、侵蚀和近海区沉积物的研究密切结合。由于许多数据和石油／天然气工业的盆地演化等专业知识相关，因此，应该鼓励与工业界密切合作。

图1 约束地形隆起的构造地貌示意图。伊尼欧山西部的加州盐湖流域，被右旋、斜滑正断层包围，这些断层是加州东部断层的一部分。沿伊尼欧山脉东侧的河流渠道的排泄显示出不均衡的剖面，不均衡性以分离附近山前的高梯度、低梯度河段的裂点为特征。裂点发生在沿山脉海拔相对统一的地区，与岩性接触无联系，仅发生在通过边界断层排泄的断层。裂点上方和下方的渠道梯度指数的系统差异，与平均侵蚀速率的差异有关，而平均侵蚀速率由现代沉积物中的10 Be决定。系统差异表明，下游陡峭的不断调整反映基准面断层下降的增加。沉积物的重构表明，在过去的0.7～1.0百万年前，基准面下降了800～1 000 m（本图由宾夕法尼亚大学，E.Kirby提供）