地表过程与深部地壳流变学在龙门山稳态造山中的作用

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青藏高原东缘的龙门山地区以其陡峭的地形梯度而闻名，是全球地形变化最剧烈的区域之一。然而，这一地区的构造活动却表现出缓慢的板块汇聚速率与快速的侵蚀速率并存的现象。这种看似矛盾的特征引发了科学界的广泛讨论：在活跃的造山过程中，地表侵蚀与深部地壳流变性质如何共同影响应力传递与应变分配？这一问题不仅关乎理解青藏高原东缘的演化机制，也对评估该地区的地震灾害潜力具有重要意义。

中国地震局地球物理研究所杨辉副研究员与中国科学院大学、斯坦福大学、中国科学院地质与地球物理研究所等单位的学者合作，构建了二维黏弹性有限元模型（图1），针对龙门山造山带的构造特征，分析了地表侵蚀速率变化和高原东部壳内软弱层黏度差异对区域地表形态及深部物质运移的影响。研究的主要内容包括：（1）确定地表过程在龙门山构造变形和演化中的作用；（2）评估韧性中地壳物质是否以及在多大程度上耦合或解耦了上地壳和下地壳以及地幔岩石圈的变形；（3）评估上地壳缩短和通道流模型两种模型在研究区构造演化中的作用，并确定它们是相互竞争还是共存。


图1模型示意简图图

研究表明，在青藏高原东缘，构造挤压对整体变形起主导作用，而地表侵蚀的影响相对较弱。其中，差异侵蚀显著改变了区域地形，并影响了不同断裂带的地震潜能分布。在龙门山深处向前陆方向抬升变薄的过程中，高原深部流变软弱层前缘的通道厚度减小，导致通道内低速物质的等效黏度增大，流动能力迅速降低。这一过程使得高原东缘软弱层的流动能力不足，难以主导龙门山造山带的峰面变形。


图2位移场和速度场计算结果示意图（2.4 Myr后）

在龙门山造山带深部，软弱层的主要作用是将岩石圈深部的高应变向上传递，并在这一过程中解耦。在高原部分，软弱层在不同区域的作用存在显著差异。龙日坝断裂以西的高原腹地，上、下地壳之间未表现出明显的力学解耦，位移场较为一致；而在龙日坝断裂与龙门山断裂系之间，软弱层则表现出明显的力学解耦作用，直接改变了上、下地壳物质运移的同步性（图2）。

此外，研究发现，即使在当前较低的汇聚速度下，龙门山仍能形成并维持其陡峭的地形地貌特征。无论龙门山深部是否存在低速层，在15-20 km深度均可形成剪切带，该剪切带起到滑脱层的作用，使龙门山深部的韧性变形特征与上部地壳运动相解耦。因此，龙门山上部地壳体现出与高原段上地壳近乎一致的整体运移状态。

在青藏高原东缘和龙门山地区，地壳通道流与脆性地壳缩短并非相互排斥，而是可能在不同区域同时存在。深部过程（如岩石圈的非均质性）在该地区的构造演化中起到了决定性作用。综合来看，龙门山地区主要表现为上地壳缩短模式，可与松潘-甘孜块体东部下方的通道流“tunnel”模式共存。

这项研究通过数值模拟揭示了地表侵蚀与深部流变性质的协同作用如何控制龙门山的构造演化，为理解青藏高原东缘的动力学机制提供了新视角：1.明确了差异侵蚀对地形和地震潜能的调控作用；2.揭示了中地壳流变性质在应变分配中的关键角色；3.提出了多种构造模式（如通道流与地壳缩短）可能共存的动力学框架。该研究不仅深化了对青藏高原东缘造山过程的认识，也为评估类似构造背景下的地质灾害风险提供了理论依据。未来结合更多观测数据与高分辨率模型，将进一步揭示地表-深部耦合作用的细节机制。

研究成果于2025年发表于《Global and Planetary Change》（Hui Yang, YuanZe Zhou, Hua Wu, JiWen Teng. (2025), Role of surface processes and deep crustal rheology in the steady-state LongMenShan building: Insights from geodynamic modeling. Global and Planetary Change, 252, 104894. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.104894），研究受国家自然科学基金（4207040710）和中央高校基本科研业务费（E3E40401X2）共同资助。

【作者简介】
第一作者：杨辉，男，中国地震局地球物理研究所副研究员。主要从事地球动力学数值模拟和三维原子探针技术在固体地球物理学中的应用等方面工作。