岩石圈的热流变演化史
我们采用二维多阶段伸展模式模拟了南海盆地新生代的热演化历史。多阶段伸展模型(纯剪切)通过求解岩石圈尺度的二维热传导方程(4.4)，模拟盆地形成演化过程中温度场和热流在时间和空间上的演化历史。研究方法是利用有限元方法，通过拉格朗日坐标系中网格节点位移的变化来描述模型(岩层、盆地)形状的演化；模型温度的演化用节点温度来描述，从而动态再现模型在拉伸演化过程中的结构和热演化历史。
中国南海岩石圈三维结构与演化
其中t为温度(k)，k为导热系数(W/m·k)，ρ为密度(kg/m3)，c为比热容[j/(kg·k)]，t为时间(s)，q为热源(W/m3)。模型中使用的边界条件为:上边界温度T0=0℃，深度Z=0km，下边界温度Tm=1330℃，深度Z=125km，侧向边界绝热。
模型的原始温度场(第一次拉伸的初始温度场)是一个稳态场。考虑到拉伸的多周期和遗传性，后期拉伸的初始温度场取前期拉伸结束时的温度场(一般为非定常分布)。模型假设岩层初始厚度对应的某一深度的温度是固定的，在网格划分时，在模型的底边界预留一个网格(岩层的底边界与初始状态下模型的底边界重合)。随着岩石圈的拉伸减薄，其底界上升，但模型底界保持不变。拉伸速率模式是均匀减速拉伸模式。拉伸系数的计算采用与构造沉降拟合的方法，即通过与各演化阶段的总构造沉降拟合得到剖面各阶段不同块体的拉伸系数。
岩石圈热演化史的模拟是以其构造演化史为基础的。南海在新生代经历了多期构造运动，关于构造运动的阶段和时间，尤其是中新世以来是否存在区域性构造运动，至今仍存在分歧。姚伯初(1994)等人根据地震剖面和钻孔资料分析，认为南海在新生代分别经历了晚白垩世晚期(约65Ma)、始新世早期(约54Ma)、渐新世早期(约36Ma)、中新世中期(约15.2Ma)和上新世(约5.2Ma)的伸展作用。根据姚伯初提出的四阶段伸展模式，结合钻井资料和地震剖面剥离计算的构造沉降史，模拟计算了西部地学剖面的热演化史。为方便讨论，我们选择ESP12(位于珠江口盆地朱三凹陷)和ESP16(位于西沙海槽中心)为例进行讨论。
通过与各期构造沉降的拟合，各期两点的抗拉系数见表4.2。位于珠江口盆地的ESP12在新生代早期经历了强烈的拉伸，第一阶段拉伸系数为1.25，随后演化阶段拉伸强度明显减弱，最后阶段拉伸系数为1.071，新生代经历的总拉伸系数为1。而ESP16在新生代的伸展过程与ESP12明显不同。其抗拉强度在新生代早期很弱，后期大大增强。第二期和第三期的抗拉系数分别为1.675和1.385。它经历的总拉伸系数为2.74，远大于ESP12经历的拉伸强度。两种明显不同的拉伸过程必然导致明显不同的热-流变演化历史。
表4.2拉伸系数4.2 ESP12和ESP16在各个时期
注:E为拉伸周期；s为热沉降周期。
模拟结果显示，ESP12的基底热流在新生代演化过程中变化不大(图4.7)。虽然它在第一阶段经历了强烈的拉伸，但由于拉伸持续时间长，它没有在基底中引起显著的异常热流。在随后的演化阶段，由于拉伸系数较小，基底热流始终没有大幅增加，但与初始热流相差不大。ESP16不是这样的。随着抗拉强度的增加和抗拉持续时间的缩短，后期基底热流迅速上升，呈现逐渐变暖的特征。
图4.7西部地学断面ESP12和ESP16新生代热流演化史。
4.2.2岩石圈流变演化史
根据热演化模拟结果，模拟了南海西部地学断面新生代多期伸展演化阶段的岩石圈流变演化特征。岩石圈层状流变模型仍用于构造岩石圈强度包络线，即以湿应时、石英闪长岩和橄榄岩来代表上地壳、下地壳和上地幔。拉伸期应变速率的大小由拉伸系数决定(卡尔纳等，1992):
中国南海岩石圈三维结构与演化
在速率不变的条件下，上述公式变为ε*(i，t)=U0(i)/L(i，t)，其中U0(i)为截面上第I个结构单元的拉伸速率，L(i，t)为t时刻第I个结构单元的长度，由于我们选择的是匀减速拉伸模型(he等，2001)，因此应变速率的计算公式修改为ε*(i，t)=U(i，t)/L(i，t..
拉伸断裂后期的应变率是人为的，有的是10-15s-1以上，有的是10-16s-1或17s。考虑到盆地在伸展期的应变速率一般为10-15s-1，初始应变速率、伸展后应变速率和现今应变速率均采用10-17s-1。
与屈服强度包络线相比，岩石圈总强度可以定量反映岩石圈抵抗构造力的能力。在盆地形成和演化过程中，岩石圈的总强度与应变率、温度场以及地壳和上地幔厚度的变化有关。岩石圈强度对瞬时应变率非常敏感，应变率越大，强度越大。温度越高，强度越弱；地壳占整个岩石圈厚度的比例越小，强度越大。因此，在这些相互抵消的因素的综合作用下，岩石圈的总强度是不断演化的。
在伸展期，岩石圈总强度的变化与应变速率密切相关。在每一个伸展期的开始，由于应变速率的突然增加，岩石圈的总强度有一个瞬间的跃变(图4.7)。随后，在整个拉伸过程中，由于应变速率的逐渐降低和温度的不断升高，总强度处于衰减状态。图4.8中的曲线可以清楚地反映应变率对岩石圈总强度的强烈影响。伸展期岩石圈总强度的变化与伸展速率和温度场密切相关，其变化规律相对复杂。虽然在伸展期总强度是衰减的，但在数值上，岩石圈总强度在伸展早期大于伸展前的初始强度，只有在伸展后期小于伸展前的初始强度。在后张阶段，岩石圈总强度的变化只与温度场有关。随着岩石圈的冷却，总强度逐渐上升，能否恢复到或大于拉伸前的总强度取决于拉伸后的冷却时间。从ESP12和ESP16的岩石圈强度演化对比来看，虽然它们所处的岩石圈强度在新生代演化过程中处于下降趋势，但ESP12的岩石圈强度下降主要发生在新生代早期，而ESP16的岩石圈强度下降主要发生在新生代晚期。
图4.8西部地学断面ESP12和ESP16新生代岩石圈强度演化史。