经典的板块构造理论假设岩石圈是由一些刚性板块构成的，并预测岩石圈形变仅发生在板块边界附近。但是，近来涌现的大量地质与地球物理资料表明岩石圈形变不仅仅发生在板块边界附近，也发生在距离板块边界数百甚至上千公里的板内地区，特别是在大陆内部。大陆板块内部的岩石圈形变过程往往会引发陆内地震。此类地震多发于人口稠密地区，对人类社会构成了极大的危害。因此，对板内形变机制的定量研究，尤其是对陆内形变机制的研究，对理解地球的构造演化过程和防震减灾至关重要。

近年来，随着地震观测台网和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)基站密度的增加与探测能力的增强，全球许多陆内地区观测到了长期且强烈的陆内形变过程。以美国西部为例，该地区地震活动展布极广，覆盖了从板块边界到距离板块边界上千公里的区域（图1a）。这些地震活动中，有很多发生于人口稠密地区，对社会与自然环境产生了极大的影响（图1b）。同时，长期的GPS观测表明，美国西部地区相较于稳定的北美大陆有着明显的地表运动（图1a）。该观测进一步证明了美国西部有着持续且强烈的陆内岩石圈形变过程。虽然前人对美国西部的地质、地球物理过程进行了大量的研究，但对现今观测到的陆内形变过程及其机制仍有很多争议，尤其是美国西部山区地震带（Intermountain Seismic Belt,ISB）的成因问题。美国西部山区地震带是一南北向、条带状的狭长区域（图1b），其南起科罗拉多高原南侧，北至落基山北侧。该区域距离板块边界有着上千公里的距离，但其内部仍有着极其活跃的地震活动（图1），其具体的形成机制尚不明晰。

图1 美国西部陆内形变特征、岩石圈厚度与人口分布。(a)美国西部1980年至2020年陆内地震分布（源自USGS）、GPS测定的地表相对运动（源自GAGE/UNAVCO）与岩石圈-软流圈边界深度（Lithosphere-asthenosphere boundary,LAB）；(b)美国西部地区陆内地震与人口分布。在b图中，红线圈出的区域为美国西部山区地震带（Intermountain Seismic Belt,ISB）

在过去几十年中，许多学者对美国西部陆内形变过程进行了定量研究，提出了以下三种驱动力：1）来自于板块边界的应力；2）由地表地形起伏与岩石圈内部密度异常引起的岩石圈内部应力；3）由地幔流场施加于岩石圈底部的应力。尽管很多研究都对相关的应力进行了定量地估计，但是大部分研究并没有达成共识，其主要原因在于不同的研究所采用的岩石圈结构有着显著的差别，导致了对不同来源的应力估算有很大的差异，尤其是对岩石圈内部应力与地幔流场施加于岩石圈底部的应力的估算。

传统的岩石圈动力学研究通常将岩石圈视为二维薄壳。在这种薄壳近似下，此前的研究大多假设岩石圈具有恒定的厚度，并假定岩石圈-软流圈边界 (lithosphere-asthenosphere boundary,LAB) 位于 100 公里深处。大多数薄壳模型认为岩石圈处于一个重力均衡状态，地表地形完全由LAB 上方岩石圈密度异常支撑。同时，薄壳近似也假定岩石圈在垂向上有着均一的物理性质。此外，薄壳假设仅允许地幔对流沿平坦的LAB施加水平向的剪切应力。该剪切应力通常是通过一个额外的大尺度对流模型进行估算，然后以边界条件的形式加入到薄壳模型之中。

近来的地球物理学研究对薄壳假设提出了挑战。大量的地震学研究表明，LAB界面在全球和区域尺度上有着很强的横向变化。在部分地区，例如美国西部的科罗拉多高原与怀俄明高原，岩石圈厚度可达200公里以上（图1a）。当岩石圈在水平方向上有着较大的厚度梯度时，其与下方地幔流场会产生复杂的相互作用。这使得地幔流不仅可以对上覆岩石圈施加沿着LAB的水平向剪切应力，还可以沿着岩石圈厚度突增的界面对岩石圈施加正应力。同时，地震波衰减成像与大地电磁成像结果显示岩石圈内部有着复杂的密度与有效粘度结构。这些三维精细结构可能对岩石圈内部的应力、应变分布有着很强的影响。此外，地球动力学研究表明由地幔流引起的垂向应力可以支持一部分的地表地形（动力地形），并且岩石圈的密度结构可能存在有分层现象。然而这些对岩石圈形变起到关键作用的因素并未被纳入到前人的薄壳模型之中。

中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室曹泽斌博士后与刘丽军研究员基于多种不同的观测资料，对岩石圈三维结构如何影响美国西部陆内形变过程进行了深入研究，搭建了一系列数据驱动的三维地球动力学模型，在同一个物理框架内对地幔流场和岩石圈应变进行了模拟。在考虑了岩石圈三维精细结构的情况下，该研究不仅得到了与地震波各向异性一致的地幔流场，还复现了美国西部地区地表相对运动、地震活动分布与地壳应力状态（图 2）。通过系统分析，该研究发现由正在下沉的Farallon板块引起的朝向北美大陆腹地的地幔流被科罗拉多高原与怀俄明高原下方厚度超过200公里的克拉通岩石圈阻挡，在局部地区产生了强烈的岩石圈与软流圈相互作用（图 2a）。通过岩石圈与软流圈之间的相互作用，地幔流对北美大陆岩石圈厚度突增处施加了额外的正应力，导致该地区上方的地壳形变速率加快，引发了ISB内频发的地震活动（图2b）。

图2 模型预测与美国西部地球物理观测资料对比。(a) 模型预测的地幔流场（150千米深处）和观测到的地震波各向异性（100千米深处，黄色条表示剪切波的快速传播方向；Zhu et al., 2020）；(b) 模型预测（红色箭头）和基于GPS观测（黑色箭头）的地表运动速度以及两者间的速度残差大小； (c) 1980年至2020年间的陆内地震分布与模型预测的地壳形变速率；(d) 模型预测的地壳应力场与高精度地震震源机制解。玫红色虚线为岩石圈厚度75千米等值线，近似地标志了美国西部岩石圈厚度突变处

除美国西部以外，世界上许多地区也有着显著的陆内形变过程，其中大部分地区是地震灾害的高风险地区，例如地中海、东亚和青藏高原等地区。在这些地区，由于长期的热-化学与构造演化过程，岩石圈可能具有复杂的三维结构。并且，这些地区的岩石圈还可能与深部特提斯板片驱动的地幔流有着复杂的相互作用过程。因此，在未来对这些区域岩石圈形变过程及机制的研究中，岩石圈三维结构和相关的岩石圈-软流圈相互作用需要得到更多的重视与定量探究。

研究成果发表于国际学术期刊Nature Communications（曹泽斌，刘丽军^*. Western US intraplate deformation controlled by the complex lithospheric structure [J]. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-48223-2）。研究受中国科学院先导计划B（XDB0710000）和国家自然学科基金（92355302）联合资助。