具有机械各向异性的岩石圈变形：一个数值模型及其在大陆裂谷作用中的应用

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Lithospheric Deformation With Mechanical Anisotropy: A Numerical Model and Application to Continental Rifting

岩石各向异性对大陆裂谷变形的影响研究

　　地球的岩石圈在不同地质深度常表现出一定的结构特征，这些特征导致其在受到外力作用时呈现出方向依赖的机械性质，这种现象被称为机械各向异性。机械各向异性在地壳扩张过程中对岩石圈的变形方式和强度有着重要影响，但其在控制岩石圈强度和变形样式中的具体作用机制仍存在许多未解之谜。为了更深入地理解这一现象，科学家们通过二维数值模型研究了机械各向异性如何影响岩石圈在构造扩张中的变形行为。这些模型引入了非线性、横向各向同性的岩石力学参数，考虑了粘性与塑性流变行为的方向依赖性，并利用方向矢量方法追踪岩石结构的演化过程。研究发现，机械各向异性在大陆裂谷的形成中扮演了关键角色，不仅影响裂谷盆地的结构特征，还显著降低了裂谷所需的驱动力。此外，研究还探讨了扩张速率对裂谷系统演化的影响，发现其作用相对次要，而地幔各向异性相较于地壳各向异性在裂谷演化中更为显著。研究进一步量化了大陆裂谷所需的驱动力，并通过与地质记录的对比，验证了这些驱动力值的合理性。

机械各向异性可以分为外在和内在两种类型。外在各向异性通常由岩石层理结构形成，这种结构在地壳和地幔中普遍存在，从沉积岩覆盖层到基底岩石，再到地幔岩石，都能观察到这种层状结构。这些层状结构可能源于沉积作用、构造变形或岩浆活动等过程，形成了周期性交替的岩层。在地壳条件下，泥岩等岩石的物理特性差异会导致显著的机械各向异性。而在地幔条件下，橄榄石的塑性变形会形成晶体取向（CPO），这种取向与岩石的机械性质密切相关。通过将这些各向异性特征纳入模型，科学家们能够更准确地模拟岩石圈在扩张过程中的行为。

此外，机械各向异性还可能源于岩石的内部结构，例如矿物排列或晶格取向。这种内在各向异性通常由沉积、变质或岩浆过程形成，并在构造变形过程中进一步发展。岩石的各向异性特性不仅影响其强度，还决定了其在不同方向上的流变行为。因此，为了更好地理解岩石圈的变形机制，科学家们采用了横向各向同性的流变模型，并通过方向矢量方法来追踪各向异性结构的演化。这些模型能够有效模拟岩石在不同方向上的强度差异，从而揭示其在构造扩张中的关键作用。

在研究中，科学家们还发现，机械各向异性对裂谷驱动力的影响远大于扩张速率。这一发现表明，岩石圈的各向异性可能是控制裂谷形成过程的关键因素。通过调整各向异性强度和初始结构方向，模型能够展示出裂谷系统的不同演化路径。例如，当各向异性强度较低时，裂谷系统呈现出对称的结构特征，而在较高强度的情况下，裂谷呈现出显著的不对称性。这表明，岩石圈的初始结构和各向异性特性在裂谷演化中具有决定性作用。

在模拟过程中，科学家们还探讨了不同类型的流变行为，包括粘性流变和塑性流变，这些行为在各向异性条件下表现出不同的响应。例如，在粘性流变模型中，各向异性强度会影响岩石的流动强度，而在塑性流变模型中，摩擦角和粘塑性参数的变化也对岩石圈的变形行为产生重要影响。通过将这些参数纳入模型，科学家们能够更全面地模拟岩石圈在扩张过程中的行为，并揭示各向异性对裂谷系统结构和演化路径的具体影响。

研究还发现，各向异性强度的变化对裂谷系统的驱动力有显著影响。当各向异性强度为10时，裂谷所需的驱动力可减少至原来强度的三分之一，这一结果与地质记录中的估计值相符。这表明，各向异性在裂谷形成过程中可能起到了关键作用。同时，研究还指出，初始结构方向的变化对裂谷系统的几何特征有重要影响，不同的初始方向会导致裂谷结构的显著差异。例如，当初始结构方向与主应力方向一致时，裂谷系统的不对称性会更加明显，而在其他方向上，裂谷系统可能呈现出对称的特征。

通过分析不同各向异性强度和初始结构方向下的模型结果，科学家们进一步探讨了地壳和地幔各向异性在裂谷形成中的相对贡献。研究发现，地幔各向异性在裂谷演化过程中发挥着更为重要的作用，而地壳各向异性的影响相对较小。这一结论与之前的地质研究相吻合，强调了地幔内部结构在裂谷形成中的关键作用。此外，研究还发现，裂谷系统的驱动力不仅与各向异性强度有关，还受到初始结构方向和扩张速率的影响。尽管扩张速率在裂谷演化中起到一定作用，但其影响相对次要，而各向异性参数则对裂谷系统的驱动力和变形模式有更直接的影响。

在模拟过程中，科学家们采用了一系列参数来描述岩石圈的流变行为，包括粘性强度、塑性强度、各向异性因子等。这些参数在不同的地质条件下表现出不同的特征，例如在地壳条件下，各向异性因子可能受到温度和压力的影响，而在地幔条件下，流变行为则主要由粘性流变主导。通过调整这些参数，科学家们能够模拟不同地质条件下岩石圈的变形过程，并揭示各向异性在裂谷形成中的具体作用。

研究还指出，机械各向异性对裂谷系统的驱动力具有显著的非线性影响。随着各向异性强度的增加，裂谷所需的驱动力会逐渐降低，甚至可能达到地质记录中的估计值。这一发现对于理解大陆裂谷的形成机制具有重要意义，因为它表明，各向异性可能是控制裂谷形成过程的关键因素。此外，研究还发现，各向异性强度的变化不仅影响裂谷系统的驱动力，还会影响其演化速度和最终形态。例如，当各向异性强度较低时，裂谷系统的演化速度较慢，而在较高强度的情况下，裂谷系统的演化速度会加快。

在模拟中，科学家们还考虑了地壳和地幔各向异性的相对贡献。研究发现，地幔各向异性在裂谷形成过程中起到主导作用，而地壳各向异性的影响相对较小。这一结论支持了之前的研究观点，即地幔内部结构在裂谷演化中具有关键作用。同时，研究还指出，地壳和地幔各向异性在裂谷形成中的相互作用可能对裂谷系统的整体演化产生重要影响。例如，地壳各向异性可能影响裂谷系统的初始结构，而地幔各向异性则可能决定裂谷系统的最终形态。

通过这些模拟，科学家们不仅揭示了机械各向异性在裂谷形成中的关键作用，还为理解大陆裂谷的形成机制提供了新的视角。研究结果表明，机械各向异性能够显著降低裂谷所需的驱动力，使得裂谷过程在较低的外力作用下也能发生。这一发现对于解释地质记录中的裂谷现象具有重要意义，因为它表明，各向异性可能是裂谷形成过程中的一个关键因素。此外，研究还指出，机械各向异性在裂谷系统的演化过程中可能影响其不对称性，从而改变裂谷盆地的结构特征。

未来的研究可以进一步探讨机械各向异性在不同地质条件下对裂谷形成的具体影响。例如，可以通过调整各向异性强度和初始结构方向，模拟不同地质背景下的裂谷演化过程。此外，还可以考虑更复杂的各向异性模型，例如三维各向异性模型，以更全面地模拟岩石圈的变形行为。同时，研究还可以结合实验数据和实际地质观测，验证模拟结果的可靠性，并进一步优化模型参数。

总之，机械各向异性在大陆裂谷的形成和演化过程中起到了关键作用。通过二维数值模型，科学家们揭示了各向异性对裂谷系统结构和驱动力的具体影响，并为理解岩石圈的变形机制提供了新的视角。这些发现不仅有助于解释地质记录中的裂谷现象，还为未来的地质研究和模拟提供了重要的理论基础和实践指导。