[科普中国]-岩石层

概念

岩石层是指地球软流层以上到地面（包括地壳）的物质层，也指弹性、挠曲或流变的部分地壳和上地幔。岩石层是一种包含强度和相对稳定性的力学概念，然而人们又将岩石层这一术语用于界面热边界层（TBL）和浅部富集地球化学储层，其性质与强度毫无关系。1

内容岩石层是地球的冷外壳，可弹性地承受应力。由于没有充分估价时间和应力的作用，所以对岩石层的厚度众说不一。因为地幔硅酸盐在高温下易于流动，而在高应力作用下更快地流动，所以在低应力水平和短时期作用下的岩石层要厚于在高应力水平和长时期作用下的岩石层。这样当用地震技术或冰川时期后地壳回跳方法确定时，岩石层是很厚的。经过较长的时期，瞬时弹性岩石层的下部松弛，因而有效弹性厚度变薄。这样，弹性岩石层在长期的诸如海山和地形的作用下变得相当薄。承载数百万年岩石层的挠曲厚度为10~35km。可以预计受短期象冰帽这种载荷的岩石层要厚得多。岩石层的更全面的定义是，它由部分地壳和上地幔组成，在上述载荷和时间尺度发生弹性变形。

在理论上讨论岩石层时，通常假定地幔的粘滞性和抗蠕阻力仅取决于温度、压力和应力。在此情况下，大洋岩石层随时间而加厚，这是由于它不断冷却的结果，而其厚度可能与已知等温线的深度有关。地幔的粘滞性或强度也与构造、矿物成分和晶体取向有关。如果上地幔是分层的，那么岩石层一软流层的边界可能受除温度以外的其它因素控制。例如，如果壳下层是由富含橄榄石的方辉橄榄岩组成，那么在已知温度状态下它要比富含单斜辉石一石榴石层强度大，人们假定单斜辉石一石榴石层出现在大洋地幔的更大深度。如果这种岩层足够软，那么岩石层一软流层的边界可代表一化学边界而不是等温线。同样，起主导作用的结晶元素的优势取向的变化也显著影响抗蠕阻力。

在对流的地幔中存在一必经其传热的热边界层。热边界层的厚度受热导率和热流量等参数的控制，并且只简单地与弹性层的厚度相关。由于在传导层中温度随深度迅速增高，并且粘滞性随深度快速减小，所以边界层的下部可能下伏于弹性岩层之下；也即是说，只有热边界层的上部可承受很大的持久的弹性应力。遗憾地是，人们也常常把传导层视为岩石层。

目前大多数地球地幔模型中都包含一上地幔低速带LVZ，称为LID的高速层位于其上。LID也常常称作岩石层。当然，地震应力和周期要比地质意义上的应力和周期小得多。如果地震波测出LVZ中的松弛模量和LID的高频或未松弛模量，那么，在化学上均匀的地幔中，LID应该比弹性岩石层厚得多。如果在化学上LID不同于LVZ，那么人们也可以预测在界面处长期流变特性的变化。如果证明LID和弹性岩石层的厚度相同，那么这将得出化学或结晶控制上地幔力学性质的结论，而不是热控制上地幔力学性质。2

特征大量的观测事实表明，岩石层存在明显变形(尤其是板块边界)，并在地质时间尺度表现出复杂的流变性。这种变形除了与驱动力有关外，还与介质的力学性质及其强度有关。岩石层介质的形变机制主要有以下4类：弹性变形、脆性破裂、摩擦滑动及蠕变。3

根据上述载荷和时间尺度发生弹性变形等因素的影响，可把岩石层分为以下五类：

①弹性、挠曲或流变的岩石层。这种说法最接近为石质或坚硬外壳的经典定义。可把岩石层定义为在给定时期支持已知大小弹性应力的部分地壳和上地幔。这种岩石层的厚度依应力和时间而定。

②板块。板块是板块构造过程中凝合着移动的部分地壳和上地幔。板块的厚度可受化学或浮力或应力以及温度的控制。

③化学岩石层。岩石层的密度和力学性质受化学成分、晶体结构以及温度的控制。如果化学和矿物成分影响占主导，那么弹性岩石层可能与LID等同。如果地壳下方的岩石层主要是残余的橄榄岩或方辉橄榄岩，那么相对下伏地幔它是漂浮的。

④热边界层或传导层。不应该把这一层称作岩石层，因岩石层是力学概念。但是，如果岩石层的厚度受热控制，那么岩石层的厚度应该正比于热边界层的厚度。

⑤地震LID。这是上伏于低速带的地震高速区。在高温状态下，通过地震波测得的地震模量(moduli)可能被松弛，在此情况下，地震模量小于高频或未松弛地震模量的10%。高温位错松弛和部分熔融是致使地震速度减小的两种机制．如果该机制是热释放，那么LID和LVZ之间的边界与扩散和频率有关。2

意义研究地球岩石层的运动及发生运动的原因。岩石层是近地球表面刚度较大的固体层,包括地壳和上地幔顶部,可承受几十到几百兆帕的剪切应力。岩石层动力学是一个跨学科的研究领域,涉及地质、地球物理、地球化学及力学几个学科。中国岩石层动力学的发展大致可以分为三个阶段:①60年代以前,主要集中在构造运动的研究方面,讨论地质构造的动力学成因,研究范围主要局限于地壳之内,基本上是构造动力学。李四光在这方面做出了巨大贡献。1