不能忽略地殼均衡

致編者——Parker等（2011）在對(duì)中國(guó)四川2008年汶川地震后發(fā)生的滑坡細(xì)致分析中指出，地震滑坡物質(zhì)估計(jì)方量是同震地殼抬升方量的約2～6倍?；诨聝?nèi)的物質(zhì)會(huì)很快被運(yùn)移出龍門山地區(qū)的合理邏輯，他們利用這種差異證明侵蝕看來(lái)對(duì)物質(zhì)的移除比地球動(dòng)力學(xué)對(duì)龍門山生長(zhǎng)作用的過(guò)程更快。我贊賞他們的分析，但是我認(rèn)為他們忽視了一個(gè)方面，從而使這一推論變得至多僅僅為似乎合理的，甚至非?？赡苁翘摷俚?。這一方面就是地殼均衡，即應(yīng)用于地球的阿基米德原理。該原理當(dāng)推廣到包括彈性表層時(shí)，要求在彈性層下面地幔的任何深度壓力均相等（Gunn and Frankl，1943）。

正如 Wager（1933）和 Holmes（1944，1965）很早以前就認(rèn)識(shí)到的，從地球表層清除物質(zhì)的均衡補(bǔ)償需要以海平面作為基準(zhǔn)物質(zhì)凈向上的通量，以便高山峰的形成來(lái)自于深谷的下切。如果滑坡移動(dòng)的物質(zhì)量為ΔM，則物質(zhì)向上的位移就是ΔMρc／ρm，其中ρc和ρm分別表示地殼和地幔的密度。ρc／ρm會(huì)產(chǎn)生是因?yàn)橐瞥奈镔|(zhì)，具有地殼密度，占據(jù)了比地幔物質(zhì)取代它更大的體積。若ρc＝2 800Mg m－3，ρm＝3 300Mg m－3，那么為響應(yīng) ΔM 的移除就應(yīng)產(chǎn)生0.85ΔM的補(bǔ)償質(zhì)量。因此，如果滑坡移除了5～15km3的剝蝕物質(zhì)（Parker et al，2011），那么就意味著在這些物質(zhì)被移出了龍門山地區(qū)時(shí)，便有約4.2～12.8km3的地殼巖石應(yīng)該以海平面為基準(zhǔn)向上移動(dòng)，時(shí)間尺度為地殼均衡對(duì)快速卸載反應(yīng)的時(shí)間。如果將Parker等（2011）認(rèn)為的與地震期間斷層作用有關(guān)的這個(gè)凈抬升量輸送（2.6±1.2km3）添加到這些估計(jì)中，只用這些值的參與，就會(huì)使移除的物質(zhì)比構(gòu)造過(guò)程和均衡補(bǔ)償?shù)慕M合所補(bǔ)充的物質(zhì)多：大約6.4～15.2（±1.2）km3與大約5～15km3顯然很難區(qū)分。

有幾個(gè)事項(xiàng)應(yīng)予關(guān)注。第一，Parker等（2011）指出，他們估計(jì)的約5～15km3是最小的估計(jì)值；因此，他們的論點(diǎn)，亦是Godard等（2009）的論點(diǎn)，即龍門山規(guī)模正在減小仍舊可能是正確的，甚至使得均衡補(bǔ)償導(dǎo)致了更多的物質(zhì)移出。第二，我的分析和Parker等（2011）的分析都忽略了震間的垂直運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)有助于增加向上的質(zhì)量通量。第三，盡管巖石層的有限抗曲剛度不會(huì)改變物質(zhì)向上運(yùn)動(dòng)的均衡補(bǔ)償量，但其會(huì)擴(kuò)張使得向上位移的范圍比滑坡的分布面積大?？骨鷱?qiáng)度足夠大的值可能會(huì)致使補(bǔ)償向上的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在距龍門山非常遠(yuǎn)的地方從而與該造山帶的生長(zhǎng)不相干。不過(guò)，足夠大的抗曲強(qiáng)度看來(lái)不可能出現(xiàn)，特別是在龍門山東南部缺乏彎曲盆地的情況下。最終，由于下伏地幔中的黏性流動(dòng)，均衡補(bǔ)償不是瞬時(shí)的。對(duì)物質(zhì)瞬時(shí)再分布的這種黏性反應(yīng)將會(huì)指數(shù)式地逼近均衡補(bǔ)償狀態(tài)。然而，由冰后回躍推導(dǎo)出的幾千年特征化指數(shù)遞減松弛時(shí)間（McConnell，1968）說(shuō)明，均衡補(bǔ)償將會(huì)發(fā)生在與汶川型地震復(fù)發(fā)間隔時(shí)間尺度一致的時(shí)間尺度上。

盡管大多數(shù)地球科學(xué)家贊賞地殼均衡在保持高地形的重要性，但許多人忘記了現(xiàn)今的巖石隆起大部分（85%）都?xì)w功于已經(jīng)被侵蝕或運(yùn)移出該地形之外的物質(zhì)均衡補(bǔ)償，而并非活動(dòng)構(gòu)造。

―P.Molnar

作者的回復(fù)——我們感謝P.Molnar對(duì)我們工作（Parker et al，2011）的興趣，并客氣地（相當(dāng)正確地）指出地殼均衡在龍門山造山帶長(zhǎng)期物質(zhì)方量平衡中的潛在作用。然而，他的觀點(diǎn)并沒(méi)有影響我們的文章的主要思想，即評(píng)估與地震相關(guān)的侵蝕過(guò)程與構(gòu)造過(guò)程之間的瞬時(shí)競(jìng)爭(zhēng)。而地殼均衡又是另一個(gè)原因，除了前面我們提出的，為什么我們描述的這種瞬時(shí)不平衡可能不會(huì)保持長(zhǎng)的時(shí)間尺度，即超過(guò)多個(gè)地震周期和黏彈性響應(yīng)時(shí)間（＞1 000年）。確實(shí)，我們?cè)谖覀兊奈恼轮刑岢?，長(zhǎng)期的巖石抬升不可能是2008年同震位移的簡(jiǎn)單函數(shù)；它是由構(gòu)造活動(dòng)與彎曲均衡變形的組合產(chǎn)生的，但每個(gè)分量的相對(duì)重要性并不是我們研究的重點(diǎn)。

Molnar通過(guò)假設(shè)巖石層沒(méi)有抗曲剛度，并認(rèn)定非零的有效彈性厚度（Te）并不改變侵蝕驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)償物質(zhì)的整體規(guī)模，計(jì)算了地殼均衡對(duì)侵蝕質(zhì)量ΔM的響應(yīng)。然而他還指出，Te的非零值使得彎曲均衡反應(yīng)更廣泛地分布在整個(gè)該高原邊緣和鄰近的四川盆地，從而減少龍門山正下面由侵蝕驅(qū)動(dòng)的巖石隆起量。估計(jì)龍門山和四川盆地西部的Te值為20～45km（Jiang and Jin，2005；Jordan and Watts，2005；Li et al，2003），說(shuō)明由Molnar計(jì)算出的反應(yīng)最可能是高估值。為了評(píng)估該情況，我們使用Jordan（1981）的簡(jiǎn)單線性模型進(jìn)行近似的撓度計(jì)算。假設(shè)橫跨約50km的區(qū)域（大概的最高滑坡密度區(qū)橫跨尺度，Dai et al，2011）Te值為20km（Jiang and Jin，2005），空間平均剝蝕厚度為1m，侵蝕驅(qū)動(dòng)的巖石隆起就應(yīng)僅替換從造山帶移出的巖石體積的約38%。如果 Te值是 40km（Jordan and Watts，2005），這個(gè)量值就減少到25%。盡管這是空間非均勻造山帶高度簡(jiǎn)單化的模型，其中黏彈性效應(yīng)（Godard，2009）在長(zhǎng)期上可能是重要的，但這一實(shí)際計(jì)算證實(shí)該造山帶內(nèi)明顯的體積不平衡不可能被彎曲均衡效應(yīng)抵消。

最后，對(duì)P.Molnar列出的注意事項(xiàng)我們?cè)偬砑右豁?xiàng)：彎曲均衡對(duì)汶川地震觸發(fā)山體滑坡的響應(yīng)將關(guān)鍵取決于滑坡衍生的碎屑沉積物怎樣重新分布的細(xì)節(jié)，這在當(dāng)前幾乎是全部未知的。雖然我們認(rèn)為在龍門山內(nèi)沉積物長(zhǎng)期存儲(chǔ)是不可能的，但我們根本不知道該造山帶之內(nèi)和之外滑坡堆積物運(yùn)移的速率和方量。此外，這一反應(yīng)會(huì)依物質(zhì)是停留在四川盆地內(nèi)還是通過(guò)長(zhǎng)江水系輸運(yùn)出而不同。這就使更詳細(xì)的彎曲均衡計(jì)算是高度推測(cè)的。這突出說(shuō)明，如果要想知道在特定時(shí)間尺度上確定的真正體積平衡，就迫切需要更好地了解造山帶物質(zhì)的進(jìn)入量和輸出量。