不能忽略地壳均衡

致编者——Parker等（2011）在对中国四川2008年汶川地震后发生的滑坡细致分析中指出，地震滑坡物质估计方量是同震地壳抬升方量的约2～6倍。基于滑坡内的物质会很快被运移出龙门山地区的合理逻辑，他们利用这种差异证明侵蚀看来对物质的移除比地球动力学对龙门山生长作用的过程更快。我赞赏他们的分析，但是我认为他们忽视了一个方面，从而使这一推论变得至多仅仅为似乎合理的，甚至非常可能是虚假的。这一方面就是地壳均衡，即应用于地球的阿基米德原理。该原理当推广到包括弹性表层时，要求在弹性层下面地幔的任何深度压力均相等（Gunn and Frankl，1943）。

正如 Wager（1933）和 Holmes（1944，1965）很早以前就认识到的，从地球表层清除物质的均衡补偿需要以海平面作为基准物质净向上的通量，以便高山峰的形成来自于深谷的下切。如果滑坡移动的物质量为ΔM，则物质向上的位移就是ΔMρc／ρm，其中ρc和ρm分别表示地壳和地幔的密度。ρc／ρm会产生是因为移除的物质，具有地壳密度，占据了比地幔物质取代它更大的体积。若ρc＝2 800Mg m－3，ρm＝3 300Mg m－3，那么为响应 ΔM 的移除就应产生0.85ΔM的补偿质量。因此，如果滑坡移除了5～15km3的剥蚀物质（Parker et al，2011），那么就意味着在这些物质被移出了龙门山地区时，便有约4.2～12.8km3的地壳岩石应该以海平面为基准向上移动，时间尺度为地壳均衡对快速卸载反应的时间。如果将Parker等（2011）认为的与地震期间断层作用有关的这个净抬升量输送（2.6±1.2km3）添加到这些估计中，只用这些值的参与，就会使移除的物质比构造过程和均衡补偿的组合所补充的物质多：大约6.4～15.2（±1.2）km3与大约5～15km3显然很难区分。

有几个事项应予关注。第一，Parker等（2011）指出，他们估计的约5～15km3是最小的估计值；因此，他们的论点，亦是Godard等（2009）的论点，即龙门山规模正在减小仍旧可能是正确的，甚至使得均衡补偿导致了更多的物质移出。第二，我的分析和Parker等（2011）的分析都忽略了震间的垂直运动，这种运动有助于增加向上的质量通量。第三，尽管岩石层的有限抗曲刚度不会改变物质向上运动的均衡补偿量，但其会扩张使得向上位移的范围比滑坡的分布面积大。抗曲强度足够大的值可能会致使补偿向上的运动发生在距龙门山非常远的地方从而与该造山带的生长不相干。不过，足够大的抗曲强度看来不可能出现，特别是在龙门山东南部缺乏弯曲盆地的情况下。最终，由于下伏地幔中的黏性流动，均衡补偿不是瞬时的。对物质瞬时再分布的这种黏性反应将会指数式地逼近均衡补偿状态。然而，由冰后回跃推导出的几千年特征化指数递减松弛时间（McConnell，1968）说明，均衡补偿将会发生在与汶川型地震复发间隔时间尺度一致的时间尺度上。

尽管大多数地球科学家赞赏地壳均衡在保持高地形的重要性，但许多人忘记了现今的岩石隆起大部分（85%）都归功于已经被侵蚀或运移出该地形之外的物质均衡补偿，而并非活动构造。

―P.Molnar

作者的回复——我们感谢P.Molnar对我们工作（Parker et al，2011）的兴趣，并客气地（相当正确地）指出地壳均衡在龙门山造山带长期物质方量平衡中的潜在作用。然而，他的观点并没有影响我们的文章的主要思想，即评估与地震相关的侵蚀过程与构造过程之间的瞬时竞争。而地壳均衡又是另一个原因，除了前面我们提出的，为什么我们描述的这种瞬时不平衡可能不会保持长的时间尺度，即超过多个地震周期和黏弹性响应时间（＞1 000年）。确实，我们在我们的文章中提出，长期的岩石抬升不可能是2008年同震位移的简单函数；它是由构造活动与弯曲均衡变形的组合产生的，但每个分量的相对重要性并不是我们研究的重点。

Molnar通过假设岩石层没有抗曲刚度，并认定非零的有效弹性厚度（Te）并不改变侵蚀驱动的补偿物质的整体规模，计算了地壳均衡对侵蚀质量ΔM的响应。然而他还指出，Te的非零值使得弯曲均衡反应更广泛地分布在整个该高原边缘和邻近的四川盆地，从而减少龙门山正下面由侵蚀驱动的岩石隆起量。估计龙门山和四川盆地西部的Te值为20～45km（Jiang and Jin，2005；Jordan and Watts，2005；Li et al，2003），说明由Molnar计算出的反应最可能是高估值。为了评估该情况，我们使用Jordan（1981）的简单线性模型进行近似的挠度计算。假设横跨约50km的区域（大概的最高滑坡密度区横跨尺度，Dai et al，2011）Te值为20km（Jiang and Jin，2005），空间平均剥蚀厚度为1m，侵蚀驱动的岩石隆起就应仅替换从造山带移出的岩石体积的约38%。如果 Te值是 40km（Jordan and Watts，2005），这个量值就减少到25%。尽管这是空间非均匀造山带高度简单化的模型，其中黏弹性效应（Godard，2009）在长期上可能是重要的，但这一实际计算证实该造山带内明显的体积不平衡不可能被弯曲均衡效应抵消。

最后，对P.Molnar列出的注意事项我们再添加一项：弯曲均衡对汶川地震触发山体滑坡的响应将关键取决于滑坡衍生的碎屑沉积物怎样重新分布的细节，这在当前几乎是全部未知的。虽然我们认为在龙门山内沉积物长期存储是不可能的，但我们根本不知道该造山带之内和之外滑坡堆积物运移的速率和方量。此外，这一反应会依物质是停留在四川盆地内还是通过长江水系输运出而不同。这就使更详细的弯曲均衡计算是高度推测的。这突出说明，如果要想知道在特定时间尺度上确定的真正体积平衡，就迫切需要更好地了解造山带物质的进入量和输出量。