《Tectonophysics》：Lithospheric thermal structure of the southwestern branch of the East African Rift: implications for a southwestward transition from mantle to crustal processes in rifting
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东非裂谷（EAR）西南分支（SWB）代表了正在活跃发育但尚处于初始阶段的大陆裂谷系统。研究人员利用布格重力异常和航磁数据的二维（2D）径向平均功率谱分析，估算了SWB下方的地壳厚度、岩石圈-软流圈边界（LAB）深度、居里点深度（CPD）及地表热流值。重力谱分析
东非裂谷（EAR）西南分支（SWB）代表了正在活跃发育但尚处于初始阶段的大陆裂谷系统。研究人员利用布格重力异常和航磁数据的二维（2D）径向平均功率谱分析，估算了SWB下方的地壳厚度、岩石圈-软流圈边界（LAB）深度、居里点深度（CPD）及地表热流值。重力谱分析结果显示，SWB北段（中非高原（CAP）下方）地壳较厚（约35千米），但其下伏岩石圈地幔显著减薄（伸展因子（βlm）约1.35–1.7，厚度约148–175千米），表明存在软流圈上涌和岩石圈地幔的优先伸展。相比之下，南段（奥卡万戈裂谷带（ORZ）及马卡迪卡迪盐沼（MKP））地壳显著减薄（平均约30.4千米，βc约1.3–1.7），而岩石圈地幔厚度相对较大（约175–220千米），仅表现出有限的减薄（βlm约1.1）。CPD和热流估算显示，SWB下方普遍存在较浅的CPD（约16–24千米）和升高的热流值（约65–92毫瓦/平方米），其中南段的高热流主要归因于地壳减薄引起的地温梯度升高，而非地幔岩浆活动；北段的高热流则与岩石圈地幔减薄及软流圈上涌有关。这些观测结果表明，SWB的裂谷作用表现为地壳与岩石圈地幔之间的解耦伸展，并呈现出从北段地幔主导过程向南段地壳主导过程的西南向转换。该研究为理解无岩浆型大陆裂谷的初始演化及应变在地壳与岩石圈地幔之间的分配提供了重要约束。
东非裂谷西南分支（SWB）岩石圈热结构与变形模式研究解读
一、研究背景与科学问题
大陆裂谷作用是板块构造理论中驱动大陆破裂并最终形成新生海洋盆地的关键过程（Brune等，2023）。裂谷作用的起始需要区域拉张应力超过厚层大陆岩石圈的力学强度（Buck，2006；Stamps等，2010）。然而，一个长期未决的核心问题在于：在裂谷作用过程中，地壳与岩石圈地幔对应变是如何响应的——是表现为耦合的同步减薄，还是解耦的独立伸展（Hopper和Buck，1998；Davis和Kusznir，2004；Njinju等，2019a）。下地壳强度较高时有利于耦合伸展，即地壳与岩石圈地幔同步减薄并保持垂直对齐；反之，若下地壳较弱，则可能出现解耦伸展，上地壳与下伏岩石圈地幔在力学上相互独立地伸展。
东非裂谷（EAR）提供了大陆伸展的经典范例，其东支（EB）以大规模岩浆活动为特征（Bastow等，2008），西支（WB）岩浆活动局限于孤立的火山中心（Furman，2007；Rooney，2020）。相比之下，包括奥卡万戈裂谷带（ORZ）在内的西南分支（SWB）完全无火山活动（Leseane等，2015），是该地区最典型的初始无岩浆大陆裂谷系统之一。尽管已有研究通过宽角地震折射剖面（SEISORZ实验；Canales等，2026）和区域重力模拟分别给出了ORZ地壳厚度的精确约束和裂谷盆地地壳减薄的宏观模式，但此前没有任何研究能够同时解析SWB下方的地壳减薄程度与岩石圈地幔减薄程度，从而无法定量评估两层之间的应变分配，也就无法判别耦合与解耦伸展模式。此外，SWB的岩石圈热结构和热流分布此前尚未得到系统约束，这限制了对竞争性裂谷起始模型的判别（例如，宽泛的热传导加热、剪切加热或隐伏岩浆作用；Celli等，2020；Ajala等，2024）。
研究人员因此提出假设：SWB的裂谷作用表现为地壳与岩石圈地幔的解耦伸展。为验证该假设，研究聚焦于该区域非火山伸展的变形方式及其在空间上的变化规律。
二、关键技术方法
该研究主要采用了以下关键技术方法：
（1）重力数据的二维径向平均功率谱分析：从世界重力图2012（WGM2012）中提取布格重力异常数据（空间分辨率约9千米），在1°×1°（约110×110千米）窗口内以50%重叠率计算径向平均功率谱，利用谱曲线斜率变化来确定重力导出的地壳厚度（中间线性段斜率）和LAB深度（最陡段斜率）（Tselentis和Delis，1998）。
（2）航磁数据的居里点深度（CPD）分析：对航磁数据（来源于南非地质调查局、博茨瓦纳地质调查局及EMAG2-v3卫星数据）进行同样的2D径向平均功率谱分析，利用频谱曲线高频段斜率估算磁性体顶部深度（Zt），低频段斜率估算磁性体中心深度（Zc），进而计算CPD（Zb=2Zc-Zt）（Okubo等，1985）。研究采用4千米向上延拓以抑制浅层噪声并稳定深部源估算。
（3）热流估算：基于一维傅里叶热传导定律（q=λ(Tc/Zb)），假设磁铁矿居里温度580°C和热导率2.5 W·m?1·°C?1，从CPD估算地表热流。
（4）伸展因子（β因子）计算：分别计算地壳伸展因子（βc，假设原始地壳厚度40千米）和岩石圈地幔伸展因子（βlm，假设原始岩石圈地幔厚度195千米），用于定量评估两层各自的减薄程度。
（5）地震数据约束与验证：利用SASE、SAFARI和NARS-Botswana宽频带台站接收函数得到的莫霍面深度标定重力谱分析波数区间选择，并与SEISORZ宽角折射剖面（Canales等，2026）及区域MT、层析成像结果进行对比验证。
三、研究结果
3.1 重力导出的地壳厚度
重力谱分析结果显示，SWB及其周边地壳厚度介于28至42千米之间。太古宙克拉通下方地壳总体较厚：津巴布韦克拉通平均38.9千米，卡普瓦尔克拉通平均38.5千米，刚果克拉通平均34.9千米。林波波带（约38.6千米）和马贡迪带（约36.4千米）地壳也相对较厚。然而，周边活动带及SWB相关裂谷段地壳普遍较薄（约28–34千米），其中达马拉带下方地壳最薄，尤以ORZ和MKP为代表，平均地壳厚度仅30.4千米。SWB北段中非高原（CAP）下方地壳总体较厚（约35千米），但在CAP南缘的卡里巴-赞比西裂谷（KZR）和穆奇利裂谷（MR）下方减薄至约32千米。
通过与接收函数独立结果（Youssof等，2013；Yu等，2015；Fadel等，2018）对比，研究人员验证了模型可靠性，平均残差在东、西津巴布韦克拉通、刚果克拉通、林波波带、马贡迪带、杭济-乔贝带及ORZ等区域均小于先前Mily等（2025）的模型。与SEISORZ宽角折射剖面对比，ORZ轴部重力导出的约30.4千米地壳厚度与折射模型揭示的约30–31千米地壳槽谷数值吻合良好。
3.2 LAB深度
LAB深度估计范围为148至220千米。SWB北段CAP下方岩石圈总体较薄（约148–175千米），在CAP南缘裂谷段下方最浅（约148千米）。SWB南段及周边克拉通岩石圈较厚（约175–220千米）：津巴布韦克拉通平均202千米，卡普瓦尔克拉通平均205千米，刚果克拉通平均199千米。林波波带、马贡迪带和杭济-乔贝带岩石圈也相对较厚（分别约190、192和193千米）。南段裂谷段平均LAB深度约185千米，仅比周缘克拉通（约200千米）表现出适度的减薄，这与年轻裂谷初始阶段的特征相符。北段的显著岩石圈减薄（约148–175千米）与南段的适度减薄形成鲜明对比，证实了裂谷向西南方向传播的认识。
3.3 居里点深度与热流
CPD范围介于16至32千米之间，热流值变化范围35至95毫瓦/平方米。克拉通表现出较深的CPD（约24–32千米）和较低的热流（约36–65毫瓦/平方米）。津巴布韦克拉通平均CPD为25千米、热流62毫瓦/平方米；卡普瓦尔克拉通平均CPD为24千米、热流64毫瓦/平方米；刚果克拉通平均CPD为28千米、热流60毫瓦/平方米。除林波波带显示出较深CPD（约26千米）和较低热流（57毫瓦/平方米）外，夹持于刚果和卡拉哈里克拉通之间的活动带及SWB裂谷段普遍表现出较浅的CPD（约16–24千米）和较高的热流（约65–90毫瓦/平方米）。ORZ和MKP区域CPD最浅（约16–20千米），热流值最高（>68毫瓦/平方米，局部超过80毫瓦/平方米），与地壳减薄区域（图6A）高度一致。林扬蒂-乔贝亚盆地沿林扬蒂断裂（LF）和乔贝断裂（CF）也表现出升高的热流，在卡萨内温泉附近达到80毫瓦/平方米。与钻孔实测热流对比，两者平均差异在津巴布韦克拉通为11.7毫瓦/平方米、卡普瓦尔克拉通为13.9毫瓦/平方米、杭济-乔贝带为8.1毫瓦/平方米、林波波带为3.67毫瓦/平方米、穆奇利-卡富埃裂谷为-1.5毫瓦/平方米，均在误差范围内。
四、讨论部分总结
讨论部分的核心在于对地壳与岩石圈地幔伸展解耦的深入分析。通过计算伸展因子，研究发现SWB呈现出显著的空间差异性。北段CAP下方，地壳伸展微弱（βc约1.0），但岩石圈地幔强烈减薄（βlm约1.35–1.7），LAB浅至约148–175千米，表明地幔过程主导裂谷作用。南段ORZ，地壳伸展较强（βc约1.3–1.7），而岩石圈地幔减薄有限（βlm约1.1），表现为地壳主导的裂谷作用。研究人员强调，这种北-南对比既反映了空间流变学的不均一性，也记录了裂谷成熟度的不同阶段。
热结构方面，整个SWB沿走向均表现出升高的热流（约65–92毫瓦/平方米），但热源机制不同。北段高热流源于岩石圈地幔减薄引起的软流圈上涌和热传导/热平流传输；南段高热流则主要由地壳减薄导致的地温梯度升高所致，局部的断裂带流体循环进一步聚焦了热梯度。与先前Leseane等（2015）在ORZ的局部研究（热流46–62毫瓦/平方米）相比，该研究结果系统偏高（65–82毫瓦/平方米），反映4千米向上延拓处理和谱波数区间地震定标带来的改进。Ramotoroko等（2021）在卡萨内地区识别出的96毫瓦/平方米高热流异常也与该区域模型一致。
对全球意义的讨论指出，SWB展示了裂谷作用中空间解耦与时间异步伸展之间的连续谱。研究人员强调，βc与βlm的失配不应被单独视为稳态力学解耦的确定性证据，也可能记录了下传不完整、继承流变分层或活动裂谷尖端的迁移。该研究为比较初始裂谷提供了可测试框架：年轻传播尖端的GPS应变和上地壳地震活动应早于显著的LAB改造，而较老段则应显示出逐渐增强的地幔减薄、热异常及可能的岩浆活动。
五、研究结论
该研究构建了横跨东非裂谷西南分支的岩石圈热-构造综合模型。通过将布格重力异常的谱分析与航磁CPD建模相结合，研究人员解析了地壳与岩石圈地幔之间的应变空间分布。研究发现，SWB北段CAP下方地壳较厚（约35千米），下伏岩石圈地幔显著减薄（βlm约1.4–1.7，厚度约155千米）；南段则以地壳减薄为特征（βc约1.3–1.7，厚度约30.4千米），下伏岩石圈地幔基本保持完整（βlm约1.0，厚度175–220千米）。整个SWB下方均发现较浅的CPD（约16–24千米）和升高的热流（约65–92毫瓦/平方米）。所建模型表明，SWB呈现出独特的裂谷作用模式，即地壳与岩石圈地幔之间的解耦伸展——北段优先减薄岩石圈地幔，南段优先减薄地壳。
研究人员认为，SWB北段的裂谷作用受地幔过程控制，岩石圈地幔的显著伸展和减薄导致软流圈上涌，区域热流升高，并驱动CAP下方动力地形。相比之下，较年轻的南段以地壳尺度变形机制为主——显著的地壳减薄伴随相对厚的岩石圈地幔，表明高热流主要归因于地壳减薄引起的地温梯度升高，且无岩浆侵入证据，可能受远程应力作用下继承性地壳薄弱带活化影响。
总之，该研究提供了来自天然初始裂谷带的可靠地球物理证据，支持大陆裂谷可以通过不同且空间变化的优势机制起始和演化的假说。结果突显了在SWB较成熟的北段以地幔影响为主向较年轻的南段以地壳控制为主的转换，填补了关于地壳与岩石圈地幔过程在裂谷最早演化阶段相互作用的关键认知空白。该研究发表在《Tectonophysics》期刊上。
