科普 | 巖石層

巖石層是指地球軟流層以上到地面（包括地殼）的物質(zhì)層，也指彈性、撓曲或流變的部分地殼和上地幔。巖石層是一種包含強(qiáng)度和相對(duì)穩(wěn)定性的力學(xué)概念，然而人們又將巖石層這一術(shù)語(yǔ)用于界面熱邊界層（TBL）和淺部富集地球化學(xué)儲(chǔ)層，其性質(zhì)與強(qiáng)度毫無(wú)關(guān)系。

內(nèi)容巖石層是地球的冷外殼，可彈性地承受應(yīng)力。由于沒有充分估價(jià)時(shí)間和應(yīng)力的作用，所以對(duì)巖石層的厚度眾說不一。因?yàn)榈蒯９杷猁}在高溫下易于流動(dòng)，而在高應(yīng)力作用下更快地流動(dòng)，所以在低應(yīng)力水平和短時(shí)期作用下的巖石層要厚于在高應(yīng)力水平和長(zhǎng)時(shí)期作用下的巖石層。這樣當(dāng)用地震技術(shù)或冰川時(shí)期后地殼回跳方法確定時(shí)，巖石層是很厚的。經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)期，瞬時(shí)彈性巖石層的下部松弛，因而有效彈性厚度變薄。這樣，彈性巖石層在長(zhǎng)期的諸如海山和地形的作用下變得相當(dāng)薄。承載數(shù)百萬(wàn)年巖石層的撓曲厚度為10~35km?？梢灶A(yù)計(jì)受短期象冰帽這種載荷的巖石層要厚得多。巖石層的更全面的定義是，它由部分地殼和上地幔組成，在上述載荷和時(shí)間尺度發(fā)生彈性變形。

在理論上討論巖石層時(shí)，通常假定地幔的粘滯性和抗蠕阻力僅取決于溫度、壓力和應(yīng)力。在此情況下，大洋巖石層隨時(shí)間而加厚，這是由于它不斷冷卻的結(jié)果，而其厚度可能與已知等溫線的深度有關(guān)。地幔的粘滯性或強(qiáng)度也與構(gòu)造、礦物成分和晶體取向有關(guān)。如果上地幔是分層的，那么巖石層一軟流層的邊界可能受除溫度以外的其它因素控制。例如，如果殼下層是由富含橄欖石的方輝橄欖巖組成，那么在已知溫度狀態(tài)下它要比富含單斜輝石一石榴石層強(qiáng)度大，人們假定單斜輝石一石榴石層出現(xiàn)在大洋地幔的更大深度。如果這種巖層足夠軟，那么巖石層一軟流層的邊界可代表一化學(xué)邊界而不是等溫線。同樣，起主導(dǎo)作用的結(jié)晶元素的優(yōu)勢(shì)取向的變化也顯著影響抗蠕阻力。

在對(duì)流的地幔中存在一必經(jīng)其傳熱的熱邊界層。熱邊界層的厚度受熱導(dǎo)率和熱流量等參數(shù)的控制，并且只簡(jiǎn)單地與彈性層的厚度相關(guān)。由于在傳導(dǎo)層中溫度隨深度迅速增高，并且粘滯性隨深度快速減小，所以邊界層的下部可能下伏于彈性巖層之下；也即是說，只有熱邊界層的上部可承受很大的持久的彈性應(yīng)力。遺憾地是，人們也常常把傳導(dǎo)層視為巖石層。

目前大多數(shù)地球地幔模型中都包含一上地幔低速帶LVZ，稱為L(zhǎng)ID的高速層位于其上。LID也常常稱作巖石層。當(dāng)然，地震應(yīng)力和周期要比地質(zhì)意義上的應(yīng)力和周期小得多。如果地震波測(cè)出LVZ中的松弛模量和LID的高頻或未松弛模量，那么，在化學(xué)上均勻的地幔中，LID應(yīng)該比彈性巖石層厚得多。如果在化學(xué)上LID不同于LVZ，那么人們也可以預(yù)測(cè)在界面處長(zhǎng)期流變特性的變化。如果證明LID和彈性巖石層的厚度相同，那么這將得出化學(xué)或結(jié)晶控制上地幔力學(xué)性質(zhì)的結(jié)論，而不是熱控制上地幔力學(xué)性質(zhì)。

特征大量的觀測(cè)事實(shí)表明，巖石層存在明顯變形(尤其是板塊邊界)，并在地質(zhì)時(shí)間尺度表現(xiàn)出復(fù)雜的流變性。這種變形除了與驅(qū)動(dòng)力有關(guān)外，還與介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)及其強(qiáng)度有關(guān)。巖石層介質(zhì)的形變機(jī)制主要有以下4類：彈性變形、脆性破裂、摩擦滑動(dòng)及蠕變。

根據(jù)上述載荷和時(shí)間尺度發(fā)生彈性變形等因素的影響，可把巖石層分為以下五類：

①?gòu)椥?、撓曲或流變的巖石層。這種說法最接近為石質(zhì)或堅(jiān)硬外殼的經(jīng)典定義。可把巖石層定義為在給定時(shí)期支持已知大小彈性應(yīng)力的部分地殼和上地幔。這種巖石層的厚度依應(yīng)力和時(shí)間而定。

②板塊。板塊是板塊構(gòu)造過程中凝合著移動(dòng)的部分地殼和上地幔。板塊的厚度可受化學(xué)或浮力或應(yīng)力以及溫度的控制。

③化學(xué)巖石層。巖石層的密度和力學(xué)性質(zhì)受化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)以及溫度的控制。如果化學(xué)和礦物成分影響占主導(dǎo)，那么彈性巖石層可能與LID等同。如果地殼下方的巖石層主要是殘余的橄欖巖或方輝橄欖巖，那么相對(duì)下伏地幔它是漂浮的。

④熱邊界層或傳導(dǎo)層。不應(yīng)該把這一層稱作巖石層，因巖石層是力學(xué)概念。但是，如果巖石層的厚度受熱控制，那么巖石層的厚度應(yīng)該正比于熱邊界層的厚度。

⑤地震LID。這是上伏于低速帶的地震高速區(qū)。在高溫狀態(tài)下，通過地震波測(cè)得的地震模量(moduli)可能被松弛，在此情況下，地震模量小于高頻或未松弛地震模量的10%。高溫位錯(cuò)松弛和部分熔融是致使地震速度減小的兩種機(jī)制．如果該機(jī)制是熱釋放，那么LID和LVZ之間的邊界與擴(kuò)散和頻率有關(guān)。

意義研究地球巖石層的運(yùn)動(dòng)及發(fā)生運(yùn)動(dòng)的原因。巖石層是近地球表面剛度較大的固體層,包括地殼和上地幔頂部,可承受幾十到幾百兆帕的剪切應(yīng)力。巖石層動(dòng)力學(xué)是一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域,涉及地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)及力學(xué)幾個(gè)學(xué)科。中國(guó)巖石層動(dòng)力學(xué)的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段:①60年代以前,主要集中在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的研究方面,討論地質(zhì)構(gòu)造的動(dòng)力學(xué)成因,研究范圍主要局限于地殼之內(nèi),基本上是構(gòu)造動(dòng)力學(xué)。李四光在這方面做出了巨大貢獻(xiàn)。