地球岩石圈的流变性是控制大陆演化的关键因素之一，对地貌、地震和资源的形成产生了深刻影响，从而影响着地球的宜居性。美国地质学会(GSA)和美国地球物理联合会(AGU)发布的《大地构造研究的挑战与机遇》(Huntington and Klepeis, 2018), 将“认识岩石圈流变学变化”作为重大挑战，而定量化研究其与大陆地貌之间的联系，并重建其三维动态过程是研究的重点之一。
众所周知，地球的圈层流变性质通过影响构造变形进而影响大尺度地形地貌。目前，上地壳变形与地形之间的定量关系研究已取得重要进展。然而，关于深部变形与地形之间的联系，及其对地貌演化影响的过程和机制的研究还不够深入，是当前亟待解决的重要科学问题。在伸展背景下，变形引起地表沉降和地壳减薄，形成走向、滑移量和连接方式各异的裂谷和正断层，便于观测和测量，是研究这一问题的理想区域。二维数值模型表明，地壳流变性质对裂谷的演化和几何形态有强烈的影响，并导致了裂谷宽度、对称性和地形起伏度的巨大变化。
然而，在三维视角下，一些裂谷是在与伸展方向斜交的剪切带或深大断裂上形成的。大量研究表明这些先存构造对于三维裂谷定位和地貌形成具有重要影响，却忽略了下地壳流变性质的差异。显然，在某些情况下先存构造的影响可能被高估。本研究利用砂箱物理模拟实验探讨斜向伸展作用下地壳流变性质对地表变形的影响。为了达到这一目的，共设计了6组斜向伸展的物理模拟实验，通过三维扫描仪获取地表地貌的动态演化过程，同时利用PIV技术对变形过程中的图像序列进行分析，从而理解变形过程中的应变分配。在有无同沉积的条件下，各进行了3组具有不同下地壳粘度的实验，并进行三维视角下定量化分析，以揭示斜向伸展期间下地壳粘度对构造和地貌的影响。
图1.不同下地壳粘度下的三维模型结果DEM及构造剖面 (a-c)，不同下地壳粘度模型地形剖面图（d-f）和地形起伏的频率分布直方图（g-i）。
结果表明，在地貌方面，下地壳粘度的降低将导致地堑宽度、长度、间距、裂谷系统地形起伏度、沉降速率和单个地堑所容纳伸展量的增加。此外，裂谷系统内部构造将减少，孤立裂谷数量将增加（图1）。在平面上，断层走向与先存不连续面走向之间的夹角随着下地壳粘度的减小而增大。随着下地壳粘度的降低，断层走向逐渐由与先存不连续面平行转变为与伸展方向次正交。值得注意的是，地堑间距与下地壳粘度呈线性负相关。
在构造方面，随着下地壳粘度的降低，滑动角大于50°的频率逐渐降低（图2），表明断层运动的走滑分量增加（特别是发源于下地壳的主断层）。次级断层则倾向于响应施加的运动边界条件而主要表现为倾滑运动，因为这部分变形主要发生在上地壳。
图2. PIV分析获取的剪切应变分布(a-c)，滑移矢量(d-f)和滑动角分布直方图(g-i)。
模型1-3与东非裂谷系、渭河地堑和藏南裂谷在地貌、构造和地壳流变性质方面具有相似性（图3）。通过对比模型与自然实例，我们提出高粘度下地壳发育内部构造较多的单一裂谷（东非裂谷为代表）；中等粘度下地壳发育具有主边界断裂的半地堑（渭河盆地为代表）；低粘度下地壳发育等间距排布的深地堑形成的宽裂谷（藏南裂谷为代表）。这些发现为理解区域地貌形成、构造应力方向、自然界地壳流变性质等重要问题提供了新的见解，也可以为其他地区的相关研究提供新的思路。
图3.自然界实例的三维地形及剖面图、平面图、条带剖面和模式图。a-d：东非裂谷；e-h：渭河盆地；i-l：藏南裂谷系。
研究成果以“The role of lower crustal rheology on surface deformation during oblique extension: Insights from sandbox modelling”为题发表在地球科学领域国际著名期刊《Tectonics》上。公司博士生毛宇琼为第一作者，李一泉副教授为通讯作者，共同作者包括王先彦教授和地球科学与工程学院贾东教授等。该研究得到国家自然科学基金（42171001，41927802，42021001）和国家重点研发计划（2023YFF0803304）的资助。
论文信息：
Mao, Y., Li, Y., Jia, D., Wang, X., Chen, Y., Li, Q., & Li, R. (2024). The role of lower crustal rheology on surface deformation during oblique extension: Insights from sandbox modeling. Tectonics, 43, e2024TC008365. https://doi.org/10.1029/2024TC008365