有关岩石圈强度的相关问题

Some Issues on the Strength of the Lithosphere

Shun-ichiro Karato（周春银 译）

《Journal of Earth Sciences》2011年第2期出版了“Multiple-Scale Geodynamics of Continental Interiors”专辑，讨论了多尺度大陆动力学研究的相关问题，这也是2010年在中国地质大学（武汉）举行的“多尺度大陆地球动力学国际研讨会”（International Workshop on Multiple-scale Geodynamics of Continental Interiors）的论文专辑。

专辑下载地址:

Springer：http://www.springerlink.com/content/1674-487x/22/2/

中国知网：http://en.cnki.com.cn/Journal_en/A-A011-ZDDY-2011-02.htm

笔者选择了国际流变学专家Shun-Ichiro Karato（耶鲁大学）的一篇简短综述并翻译如下，感兴趣的朋友可以参考阅读。

本文PDF文档下载（或者在以上地址专辑中下载）：Some Issues on the Strength of the Lithosphere.pdf

另外，给大家推荐一个Karato2009年的一个幻灯片，讲述的是类似的岩石圈流变学的相关问题，有兴趣的请点击以下地址“另存为”：www.eurispet.eu/docs/Granada/download/Eurispet-Karato.ppt（文件大小12.7M，不便上传，请大家直接下载）

摘要：大洋岩石圈和大陆岩石圈的强度对于地球上的许多重要地质学过程具有重要的控制作用，包括板块构造的运行机制以及大陆根(continental roots)对长期稳定性。但是，根据有关岩石强度的实验和理论研究来解释这些地质学特征仍然具有相当的挑战性，目前有关岩石圈强度的一些现有的模型并不能很好地解释这些重要的地质观测。本文对这些领域内最近的进展进行了综述，并强调了实验研究的重要性。

介绍

岩石圈强度对于地球动力学作用具有重要的影响。有关岩石圈强度方面有两个重要的地质观测需要解释。首先，作为板块构造中的一个关键因素，大洋岩石圈的俯冲作用只有在的当其适当软化时才是可能的，否则地球上就会产生所谓的“stagnant-lid”对流模型。其次，根据地球化学研究，大陆根（~200-300km）在~30亿年时间里几乎没有变形过。这要求大陆根相对于周围地幔具有非常高的黏度(viscosity)。

但是，利用流变学特征来解释这两个重要观测并不是如此直接的，通常会假设大洋岩石圈是“干”的橄榄石主导的流变学性质以及塑性域为均匀变形，而“湿”的大陆岩石圈模型(e.g., Kohlstedt et al.,1995, 见Fig.1)并不能解释地球动力学方面这两个最重要的问题，即板块构造的运行机制和大陆根的长期存留问题。本综述的目的就是来总结这些重要的结论。有关大陆岩石圈强度更广泛的讨论，请参考Karato(2010)文献，大洋岩石圈请参考Ohuchi et al.(2011)。

Figure 1. Models of the strength-depth profiles proposed by Kohlstedt et al. (1995). Note that in this model, the peak strength in the oceanic lithosphere exceeds ~600 MPa, while the continental lithosphere is assumed to be “wet” and has weak strength in its deep portion. These two features are inconsistent with the known operation of plate tectonics and the long-term survival of the deep continental roots.

大洋岩石圈强度

大洋岩石圈的强度必须适度以满足板块构造的运行(e.g. Richards et al.,2001; Tackley, 2000; Solomatov and Moresi,1997)，对于大洋岩石圈强度的估计及其对板块构造的意义，见Zhong et al.,1998)。符合板块构造的大洋岩石圈的临界强度可以根据能量方面的考虑来估计，塑性变形所产生的能力消耗和俯冲作用所释放的重力能是平衡的(e.g. Conrad and Hager,1999)。根据重力能释放的相关参数值，符合板块构造的大洋岩石圈临界强度(平均强度)为~200 MPa。如果大洋岩石圈强度超过这个值，对流方式将会是“stagnant-lid”对流，这种对流方式被认为在许多其他类地行星上存在，如金星、火星和月球。

有许多方法被用来估计岩石圈强度。Goetze and Evans(1979)的开拓性研究引入了“强度包络线”(strength envelope)的概念，它兼收了浅部的脆性破裂和深部的塑性流动。根据这一指导原则，Kohlstedt et al.(1995)提出了大洋和大陆岩石圈强度模型。在这个模型中，岩石圈的地幔部分被模拟假设它的强度主要是由橄榄石控制的，并且大洋岩石圈被认为是“干”的(不含水)。在该模型中，变形作用在脆性域(集中于断裂面上) 呈局部分布，但是在塑性域变形作用则假设为均匀分布。因此，在脆性域根据摩擦定律(Beyrlee’s law)，在塑性域根据稳态变形作用的塑性蠕变强度，来推算出强度剖面。他们的模型显示大洋岩石圈最高强度为~600 MPa或更高。注意他们的模型中在强度峰值附近具有主观不确定的界限(“cut-off”)值，如果这一值去掉的话，峰值强度将会超过1000 MPa。即使保留这一界限值，该模型中的最高强度对于板块构造的运行来说仍然太高。

已经有大量的研究来解释地球上板块构造的运行机制。关键问题在于为什么实际的大洋岩石圈强度比这样的简单模型所预测的要弱得多。例如，Bercovici及其研究小组利用一个“破坏”(damage)模型开展了大量的研究来模拟剪切局部化(shear localization)(e.g. Bercovici and Richad,2005; Bercovici,2003)。但是，在他们的研究中一个“破坏”的物理过程并没有很清楚的模拟出来。一个尤其重要的方面就是在动态重结晶中微小颗粒的作用。Karato(2008)提出了这样一个两相混合物变形初始模型，但是具体仍需研究，包括重结晶的动力学作用和应力-应变分布的作用。Korenaga(2007)则提出热破裂(thermal cracking)作用可以穿透到大洋岩石圈中(大约~20km)并产生一个软化区。但是深部破裂能否产生仍然不清楚，因为大洋岩石圈内的大部分地震作用都显示压应力状态(Sykes and Super,1973)。

最近由Ohuchi et al.(2011)的研究表明，在上地幔中含量居第二位的斜方辉石在低温条件下具有更低的强度。这是在几乎“干”的(不含水)斜方辉石中发现的。正如Karato(2008)所讨论的，水的软化作用对于斜方辉石来说可能比对橄榄石的作用更强(但是，尽管这一观点还尚未被实验所证实)。当大洋岩石圈在洋中脊位置形成时，由于部分熔融作用其大部分都是缺水的(Karato,1986)。部分熔融作用所产生的缺水程度取决于矿物，根据水溶性热动力学模型，我们推测斜方辉石在部分熔融作用之后可能比橄榄石具有更高的含水量(详细讨论见Dai and Karato,2009)。因此，在冷大洋岩石圈中，斜方辉石(至少对于那些更加定向的来说)强度估计比橄榄石的低。如果斜方辉石引起上地幔中局部变形作用，那么大洋岩石圈的平均强度将会比由橄榄石主导的均匀变形模型所预测的要低很多。为了解释该模型中大洋岩石圈较弱的强度，需要研究这个由较弱和较强两相所构成的混合物变形时较弱相的作用。尤其是这一较弱相在促进局部变形中的作用需要认真研究。Fig.2卡通图显示了较弱的斜方辉石的可能作用。这一模型的可行性目前在我的实验室中得到了研究。

Figure 2. Cartoon showing the mechanisms of shear localization in (a) an olivine-dominated case, and (b) a case where weak orthopyroxene promotes connection of weak regions. Weak orthopyroxene might help shear localization thereby the operation of plate tectonics possible. Experimental studies are underway in Karato’s lab to test this hypothesis. oli. Olivine; opx. orthopyroxene.

一个与Kohlstedt et al.(1995)模型所预测的大陆岩石圈强度相反的问题由此产生。在这个模型中，深部大陆岩石圈被认为是“湿”的，即水饱和的。在这些条件下，与周围地幔温差不大的深部大陆根(200km或更深)将会比周围地幔黏度低，而且相应地，深部大陆根不会在对流侵蚀(connective erosion)中保留下来(e.g. Lenardic and Moresi,1999; Shapiro et al.,1999)，而这与地球化学观测是不一致的(e.g. Carlson et al.,2005)。

Figure 3. A diagram illustrating the range of uncertainties if only low-pressure data are used to estimate the viscosity of the deep upper mantle under “wet” conditions (from Karato, 2010) (V*wet is the activation volume of wet olivine). At low pressures (<0.5 GPa), the fugacity effect dominates and viscosity is reduced with pressure. At high pressures (>1 GPa), the activation volume term can also be important for a reasonably large activation volume. Both effects need to be characterized, but the activation volume effect can be determined only from data at pressures exceeding ~1 GPa. If only data below ~0.5 GPa are used, activation volume (V*_wet) is unconstrained that leads to large uncertainties in estimating the viscosity in the deep upper mantle.

在深部上地幔条件下，变形局部化是不太可能的，这集中在近稳态条件下岩石的蠕变强度。同样在高温条件下斜方辉石会比橄榄石强度高。因此，深部上地幔的强度是由稳态条件下橄榄石的强度所代表的。有两个问题是认识深部上地幔流变学的关键。这就是压力和水对流变学性质的影响作用。Karato(2010)综述了最近有关水和压力对橄榄石流变学性质的影响作用的研究，并讨论有关深部大陆根存留的关键问题。有个解释深部大陆根长期稳定性的模型假设，当大陆岩石圈形成时，由于大范围的部分熔融作用它是缺水的。如果这是实际情况，那么由于含水量的差异，大陆根将具有相当的强度(相对于周围富水的地幔)。实际上，正如Carlson et al.(2005)的综述，有大量证据显示存在大范围的部分熔融作用以及由此所形成的氢(水)和其他不相容元素的亏损。但是，要定量确定水在变形中的作用并不是一件容易的事，能够运用到深部上地幔的结果直到最近才获得(Kawazoe et al.,2009; Karato and Jung,2003)。关键问题是，能够外推到深部上地幔条件(>50km)的有关水和压力作用的实验结果必须是在超过至少~1GPa的高压条件下完成的(Karato and Jung,2003)。来自高分辨率Paterson装置0.5GPa条件以下的结果，如Mei and Kohlstedt(2000a,b)，并不能直接外推到岩石圈或软流圈主体部分条件下，因为水的热动力学性质在大约0.5GPa会有重大改变(Fig.3)。Hirth and Kohlstedt(2003)根据低压下(<0.5GPa)获得的实验数据讨论了一直到~300km深部的上地幔流变学特征，并利用随机选择的活化体积值将数据外推到高压条件下。正如Karato(2010)所强调的，在Kawazoe et al.(2009)研究之前活化体积值并不十分清楚(对“干”橄榄石所报道的活化体积值从~0到~27cm³/mol不等)，因此Hirth and Kohlstedt(2003)的论点缺乏物理基础支持。在估计深部上地幔中缺水对岩石强度影响作用时，压力对缺水岩石强度改变的影响作用同样也需要估计。这样的研究需要新技术来定量研究在类似深部上地幔的高温高压条件下的流变学性质。最近在同步辐射X光设施上利用RDA(rotational Drickamer apparatus)开发的新技术，Kawazoe et al.(2009)在温压分别高达~10GPa和~2000K条件下确定了“干”橄榄石的流变学性质，结合Karato and Jung(2003)有关“湿”橄榄石的研究，我们提出了深部上地幔流变学性质的定量模型(Karato,2010)(Fig.4)。

Figure 4. The influence of water-depletion on the change in viscosity (from Karato, 2010). The yellow region shows the likely water contents in the typical oceanic asthenosphere in the continental margin. V*_dry is the activation volume of dry olivine. If V*_dry is larger than ~10×10^-6 m³/mol, and if the water content in the continental roots is as low as shown by an orange region in this figure, the viscosity contrast between the continental roots and the surrounding deep upper mantle is large enough to maintain the deep continental roots undeformed for billions of years. The recent experimental study by Kawazoe et al. (2009) showed that V*_dry=(15–20)×10^-6 m³/mol, but the water content in the deep continental root is controversial. For more detailed discussion, see Karato (2010).

以上这些研究表明了新技术的开发对于研究地球深部流变学性质的重要性(e.g. Karato and Weidner,2008)。在这里必须强调，尽管在低压下(<0.5GPa)获得了高精度的数据，但是这些低压下的数据并不能直接外推到~50km以下的上地幔中，因为水的热动力学行为在大约0.5GPa时会有重大改变。同样，一些矿物如斜方辉石只有在超过0.5GPa压力条件下(在相对高温条件下)保持稳定。除了技术开发之外，我们仍需要更好的剪切局部化理论模型来认识大洋岩石圈的强度，在那里局部变形决定了它的强度。

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