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大陆裂谷的成因

 changyz001 2023-12-01 发布于河南

对于大陆裂谷的分类有不同的标准及其分类方案。上世纪70年代,将裂谷盆地划分为主动裂谷和被动裂谷。
 
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大陆裂谷分类
(修改自Beniest, 2017)

主动裂谷为在地幔柱作用下形成的裂谷(Sengör and Burke, 1978),其形成动力来自岩石圈底部,是由上升的地幔对流物质引起的,上升的地幔柱引起岩石圈减薄、地壳均衡隆起,岩石圈通过加热、吸附在软流圈表面而热减薄。其特征表现为早期地壳穹隆和大量的火山岩,后期发生地堑形成和沉积 (Merle, 2011)。
被动裂谷是指在远场力驱动下形成的裂谷(Condie, 1982),岩石圈的扩展是由位于岩石圈内部或边界处的区域应力造成的。在第一阶段表现为地堑形成和湖相甚至海相沉积,随后是火山作用。
从几何学方面考虑,裂谷可划分为纯剪切、简单剪切和混合剪切三类。
纯剪切模式(Pure shear)由McKenzie( 1978)年提出, 其特征是倾斜断层,广泛发育的地垒和地堑结构,具有较高的对称性,该模式在很大程度上受系统热状态的影响。
简单剪切(Simple shear)模式以低角度为边界的盆地发育为标志分离断层、不对称性和较低的热状态(Wernicke,1985)。当然是两个极端版本如此迅速地引入了一个中间扩展设置,称为“分层”设置(Lister et al., 1986)。该系统由低角度脱离断层组成,从变薄中心偏移的不对称和热沉降盆地。
从裂谷形态出发,裂谷盆地可分为窄裂谷、宽裂谷和变质核杂岩。
关于窄裂谷,前人研究较多,它在岩石圈尺度上具有集中性变形特征(变形范围一般为50-100km(Buck, 1991),其形成与强度较大的脆性上地幔有关,通常是在纯剪切机制下形成,窄裂谷内陆壳厚度梯度变化较大,典型窄裂谷是研究最早的东非大裂谷。
宽裂谷的变形区域很宽(可达1000km左右),内部常发育变质核杂岩,伸展变形主要发生在薄的脆性上地壳,岩石圈的其他圈层以大规模的韧性流动为主,盆岭省、爱琴海盆地是典型的宽裂谷。

二、大陆裂谷的构造演化

从裂谷演化阶段来看,完整的裂谷序列包括初始期、成熟期、过渡期、后裂谷期(Brune et al., 2023)。
在初始期,当张应力超过大陆岩石的强度时,裂谷会出现应变集中。此阶段变形可以通过脆性断层、韧性剪切带和岩浆岩脉来容纳。例如,在东非裂谷南东端的奥卡万戈裂谷和中欧埃格尔裂谷发生了潜在的裂谷。
在成熟期,邻近断层不断演化最终形成主控断层。裂谷宽度范围在几十至数百公里之间。受主控断层的滑动和下地壳的韧性变薄的影响,断层上盘下降从而形成沉积盆地。热的软流圈地幔上升以平衡岩石圈的变薄并引起减压熔融,这些熔体会快速迁移穿过岩石圈,产生岩浆岩脉、岩体和火山(Chenin et al., 2018)。
在过渡期,当地壳足够变薄时,变形逐渐集中并迁移到未来分裂的位置,由于裂谷中心减压熔融增强,会有更多的岩浆注入。最终,岩石圈破裂并被上涌的软流圈和玄武岩熔体所取代,过渡到中洋脊扩张(Peron-Pinvidic et al., 2018)。
在后裂谷期,一旦新形成的洋中脊,原来的裂谷就变成了一个断裂的大陆边缘,此边缘仍在继续变形:近岸边缘和远岸边缘的冷却速率不同,导致远离中心的部分稍微下沉得更快,引起边缘倾斜。相反,通过陆上河流网络输送的沉积物可以加重近岸边缘的负荷,从而导致沉降。

三、大陆裂谷的形成模式

大陆裂谷的构造样式最终取决于壳幔耦合程度,而壳幔耦合程度受多种因素的影响,如扩张速率、继承性构造、岩石圈组成、热结构、板片拖曳力、地表作用等(Clerc  et al., 2014;Lavecchia et al., 2016;Koptev et al., 2015)。
从是否有利于裂谷发育的角度来看可将之划分为驱动力、抑制力,驱动力包括俯冲相关力、岩石圈浮力、地幔拖曳力、重力势能梯度。抑制力包括岩石圈冷却、均衡作用、裂解强度等(Turcotte and Schubert, 2014;Summeren et al., 2014; Petersen et al., 2015; Molnar et al., 2015)。

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 大陆裂谷演化过程中关键控制因素
(修改自Brune et al.,2023)

所有板块的驱动力均源自于地球内部密度的横向变化(Hoggard et al., 2016),但上地幔中最大的密度梯度与冷岩石圈的俯冲有关,因此俯冲可能是大陆伸展的最大驱动力(Buck, 2006; Mulibo and Nyblade, 2013),然而俯冲能够为裂谷驱动提供多少力量取决于具体的板块构造环境,如与属于陆内裂谷的东非裂谷相比,受俯冲影响的红海裂谷扩张速率是其几倍。
当软流圈运动与岩石圈相互作用时,会产生垂直和水平的地幔牵引力(Molnar et al., 2015)。垂直牵引力往往与地幔柱有限,导致岩石圈打破平衡,造成地形上的起伏,如地幔对流运动作用下的动态隆升导致了东非裂谷的形成(Colli et al., 2016; Hoggard et al., 2016)。板块底部的水平牵引力是由于板块在软流圈上方移动或地幔上涌(如地幔柱)的横向扩散所引起的粘性阻力所产生的,具有厚岩石圈的板块上的水平牵引力可以影响岩石圈应力,但更可能抵抗而不是驱动裂谷形成(Yoshida and Yoshizawa, 2022)。同时在地幔柱作用下的岩熔及岩浆上升是加热并削弱岩石圈的一种非常有效的方法,有利于裂谷的发育(Courtillot et al., 1999)。
岩石圈浮力力源自于由于地形和/或岩石圈结构的横向变化而产生的GPE梯度,从而产生偏差应力(Zoback and Mooney, 2003; Stamps et al., 2021)。因此裂谷形成的最重要驱动力是与俯冲相关的力量和重力势能梯度,但在许多情况下,并不足以导致裂谷形成(Globig et al., 2016)。因此,利用遗传弱点和动态软化机制,如岩浆侵入和岩石圈颈缩,有利于在局部削弱岩石圈,使大陆断裂能够发生(Moucha and Forte, 2011)。
来自先前构造和/或岩浆事件的遗传结构在裂谷形成之前降低了岩石圈的静态强度,从而影响了从单个断层到整个岩石圈内延伸的不同尺度上新生裂谷的几何形状(Kirkpatrick et al.,2013; Hodge et al., 2018; Petersen et al., 2016),这些构造比周围岩石弱,因此裂谷倾向于在先前变形的岩石圈中发展,但并不都有利于促进裂谷发育(Stein et al., 2018),仅为利定向时会定位伸展变形,即使不利定向,这些继承性构造也可以调节分段、影响裂谷断层复杂性并局部扰动应力场(Schifer et al., 2020)。
裂谷形成的开始受屈服强度控制,地质过程对裂谷的演化起到不同的作用(Viti et al., 2018; Bayrakci et al., 2016),如应变软化、岩浆削弱和地表过程有助于应变集中,而等静力和冷却则导致裂谷强度增加,而不利于裂谷的发育(Chenin et al, 2018)。
地表过程,即剥蚀与沉积作用,使得地表起伏差异减小(Theunissen et al., 2019;Olive et al., 2022)。这种质量的再分配影响了岩石圈的应力和热状态,从而增强了应变局部化。因此,侵蚀和沉积实际上起到了额外的削弱作用(Neuharth et al., 2022)。

本文据(李江海,2023,地球动力学讲义)修改补充,限于篇幅,参考文献略

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