板塊俯沖地質(zhì)學(xué)和地幔對流

1、第五節(jié) 板塊俯沖地質(zhì)學(xué)一、板塊俯沖帶二、溝弧體系三、雙變質(zhì)帶四、蛇綠巖套五、混雜堆積巖體與增生楔狀體1俯沖地質(zhì)學(xué)研究內(nèi)容：板塊的俯沖是一系列復(fù)雜而強(qiáng)烈的地質(zhì)作用過程，導(dǎo)生許多與俯沖作用具有成生關(guān)系的重要地質(zhì)現(xiàn)象： 強(qiáng)烈地震和火山活動、地形高差懸殊的溝弧體系、負(fù)重力異常、變化顯著的熱流值、區(qū)域變質(zhì)作用等。2一. 板塊俯沖帶20世紀(jì)30年代，日本學(xué)者“和達(dá)清夫”發(fā)現(xiàn)自海溝向陸側(cè)存在一個傾斜的地震帶，淺緣地震多發(fā)生在海溝的陸側(cè)斜坡向陸方向，并且震源隨深度增加。50年代貝尼奧夫（Benioff）,此處是大陸地塊和大洋地塊之間的巨型斷層帶貝尼奧夫帶或者貝尼奧夫和達(dá)帶60年代后期，板塊學(xué)說問世后，認(rèn)為不僅

2、是震源分布帶，而且是巖石圈板塊插入地幔中的板塊實體，代表板塊俯沖的形跡，為板塊的俯沖帶（消減帶）。3板片形態(tài)：形狀，長度和傾斜角 深度和傾斜角在各地差異很大（教材P73），深度100-500km，更深則被地幔同化；俯沖長度：俯沖速度越大，俯沖板塊越長俯沖角度：不同地方差別極大（10-90o），同一俯沖帶不同深度上也有變化俯沖帶角度規(guī)律：1）島弧下俯沖帶較陡，大都45度以上，2）而陸緣山弧下比較平緩，一般不超過30度；3）俯沖帶傾角往往隨深度增加而變陡； 4）傾角大小與板塊俯沖速度有關(guān)，速度越大，水平分速度越大，俯沖帶傾角越小；反之，變大。4俯沖帶內(nèi)應(yīng)力分布與地震活動1.海溝軸附近及大陸一側(cè)，水

3、平距離約80KM處，海洋巖石圈上部發(fā)生正斷層型地震。海洋巖石圈向下彎曲產(chǎn)生的拉張力引起。2.海溝軸向大洋一側(cè)也出現(xiàn)向陸傾的約45度正斷層型地震。3.自海溝向大陸側(cè)80200km范圍內(nèi)，觀測到逆斷層地震。4.距俯沖帶頂面3040km范圍內(nèi)，雙層構(gòu)造；沿俯沖方向擠壓力和張力5.深度超過150km的海洋巖石圈內(nèi)發(fā)生地震，俯沖方向擠壓力引起21345地震活動是板塊俯沖作用伴生的重要地質(zhì)現(xiàn)象。與板塊俯沖帶伴生的地震在平面上具有明顯分帶性，在垂向上具有分層性。 垂向平面淺源地震小于6070km 海溝向陸側(cè)部位中源地震70300km 100250km的火山軸部深源地震300700km 火山弧陸側(cè)伸向大陸方向

4、震源機(jī)制研究表明，主壓應(yīng)力和張應(yīng)力導(dǎo)生的地震活動，其應(yīng)力方向總是平行于俯沖板塊的傾斜方向，也證明地震成因與巖石圈板塊俯沖作用密切相關(guān)。活動性呈指數(shù)減少6 計算機(jī)模擬俯沖帶熱結(jié)構(gòu)（匯聚速率為6 cmm/year）展示巖石圈俯沖板片如何逐步升溫. 為什么巖石圈板塊能俯沖到600700km還能產(chǎn)生深源地震？ 巖石圈板塊向俯沖邊界運(yùn)移過程中經(jīng)歷100多Ma時間，變冷增厚；板塊邊緣升溫快，內(nèi)部升溫慢，仍具彈性和剛性，因此可造成深源地震； 島弧所對應(yīng)深度，如此低溫如何使得洋殼熔融？ 島弧對應(yīng)的深度洋殼俯沖板塊溫度僅200-300C，難以使洋殼熔融，但是該溫度足以使俯沖板塊中的流體分離出來，使上覆的地幔楔熔

5、點(diǎn)降低，巖漿產(chǎn)生，上升78四種不同俯沖類型：（教材P75）1. 洋洋俯沖型：西太平洋俯沖帶2. 洋陸型（無邊緣海）俯沖：發(fā)生于大陸之下，南美西海岸3. 洋陸型（帶邊緣海盆）俯沖發(fā)生在靠近洋陸邊界的地方，溝弧盆體系，日本島弧4. 陸陸碰撞，兩板塊接觸發(fā)生特殊形成浮出。印度與亞洲板塊碰撞，陸內(nèi)俯沖9二.溝弧體系是大洋板塊向大陸板塊俯沖過程中形成的一組具有成生聯(lián)系的構(gòu)造體系。 比較典型的溝弧體系自洋向陸分別是外緣隆起弧溝間隙：海溝、海溝坡折（非火山弧，第一弧，外?。?、弧前盆地、火山弧（第二弧，內(nèi)?。┗『髤^(qū)：弧間盆地、殘留弧、不活動邊緣盆地10 弧 后 區(qū)外緣隆起海溝弧前盆地弧溝間隙火山?。ǖ诙。瑑?nèi)

6、弧） 海溝坡折（非火山?。ǖ谝换。饣。埩艋。ǖ谌。┎换顒舆吘壟璧鼗￠g盆地11三. 雙變質(zhì)帶 （paired metamorphic belts ）擠壓型板塊邊界區(qū)域變質(zhì)作用十分發(fā)育，其主要特征是發(fā)育雙變質(zhì)帶：大洋板塊向大陸板塊俯沖，在板塊接觸地帶因溫度和壓力條件不同而形成的高壓低溫和高溫低壓兩種變質(zhì)帶。兩帶關(guān)系：兩者之間通常被一條完全未變質(zhì)的巖帶分開；也有直接接觸形成時代大致相同（若有早晚之分，高壓帶比高溫帶稍早）；常成對出現(xiàn)12領(lǐng)家低壓變質(zhì)帶三波川高壓變質(zhì)帶131415雙變質(zhì)帶形成時代：多為中生代和早第三紀(jì)，中新世以來的尚未出露地表。雙變質(zhì)帶分類： 據(jù)位置分為陸緣雙變質(zhì)帶（南美安第斯

7、陸緣）；正常島弧雙變質(zhì)帶（千島和日本東北）；反向島弧雙變質(zhì)帶（日本北海道）雙變質(zhì)帶意義： 其排列反映了溝弧體系的位置關(guān)系，標(biāo)出了溝弧體系的極性，從而可推測古俯沖帶的傾向。 同時高壓低溫變質(zhì)帶還大體標(biāo)志古俯沖帶出露地表的位置16四. 蛇綠巖套(蛇綠巖)1.定義 指在層序上有規(guī)律組合在一起的一套巖石的總稱。完整的蛇綠巖套剖面自下而上包括：（1）以橄欖巖為主的超鎂鐵質(zhì)雜巖，遭受強(qiáng)烈蝕變轉(zhuǎn) 變?yōu)樯呒y石化橄欖巖或蛇紋巖；（2）輝長巖為主的結(jié)晶堆積體； （3）輝綠巖玄武質(zhì)為主的巖墻群；（4）以拉斑玄武巖為主的枕狀熔巖。熔巖頂面與深海 沉積物穿插和被覆蓋。17 1927年，Steinmann，“三位一體”蛇

8、綠巖套概念的提出產(chǎn)生了重要的影響。 “三位一體”的蛇綠巖套： 主要由蛇紋石化橄欖巖和少量輝長巖、玄武巖組成的巖石群體，強(qiáng)調(diào)它們與深海遠(yuǎn)洋沉積的放射蟲硅質(zhì)巖密切共生。 Hess（1955）建議將蛇紋巖、基性火山巖、燧石巖的組合稱“斯特曼三位一體”，表示是它們緊密的共生組合系列，代表了優(yōu)地槽的產(chǎn)物以及消失了的洋殼殘片。 1959年,Brunn,首次提出把蛇綠巖的研究與大西洋中脊進(jìn)行相類比，認(rèn)為是與板塊擴(kuò)張軸和海底環(huán)境有關(guān)聯(lián)的深海沉積物以及基性和超基性火成巖集合體。18就位成因（板塊構(gòu)造理論建立后） 蛇綠巖套是在陸緣板塊俯沖帶附近由于海洋巖石圈的俯沖或逆沖而遺留的海洋地殼殘塊。 經(jīng)對比，海洋巖石圈與

9、存在于造山帶中的橄欖巖輝長巖輝綠巖枕狀熔巖相似。19201.層序上相似，各層可對比2.地震波速，對應(yīng)層體波速可對比3.蛇綠巖套層24Sr87/Sr86比值相當(dāng)，說明同源巖漿結(jié)晶分異而成4.枕狀熔巖和沉積物成分表明形成于深海環(huán)境5.平行的巖墻群表明形成于張應(yīng)力的中脊擴(kuò)張軸或弧后擴(kuò)張中心6.沉積層往往含現(xiàn)代洋殼上普遍存在的多金屬沉積物、硫化物，與大洋和弧后擴(kuò)展中心熱液活動正在形成的多金屬硫化物相同7.蛇綠巖套的基性超基性侵入巖與圍巖接觸帶上無熱接觸變質(zhì)現(xiàn)象，比其侵位的褶皺帶年齡更老，說明非原地(in situ)侵入，而是外來產(chǎn)物(ex-situ)對比研究外來侵位證據(jù)：21蛇綠巖形成背景 所有這些充

10、分證明蛇綠巖套原來是生成于深海擴(kuò)張中心的洋殼，而后隨板塊向兩側(cè)擴(kuò)張運(yùn)移，接受了深海沉積，至俯沖帶海洋巖石圈主體重新返回地幔，其上部刮下的洋殼碎塊，在有些情況下殘留于俯沖帶附近，另一些逆沖至陸緣之上。 蛇綠巖套未侵入前，可出現(xiàn)于大洋中脊、弧后盆地和洋內(nèi)未成熟島弧等構(gòu)造環(huán)境。通過板塊的俯沖和逆沖作用等方式被移至于大陸邊緣或陸上造山帶（包括古造山帶）中。枕狀玄武巖席狀巖墻輝長巖閃長巖沉積物22蛇綠巖套類型1.俯沖帶蛇綠巖套： 海溝陸坡側(cè)，一般被構(gòu)造破壞，出露不完整。如爪哇海溝內(nèi)側(cè)2.島弧蛇綠巖套： 與前者伴生，如日本北海道，神居古潭為俯沖蛇綠巖套，日高為島弧蛇綠巖套3.地縫合線處蛇綠巖套： 陸陸碰撞

11、，俯沖帶的蛇綠巖套推擠出露于地縫合線上， 喜馬拉雅山帶4.逆沖蛇綠巖套： 大洋地殼逆掩仰沖于大路邊緣或島弧之上，層序完整，分布廣泛，如阿曼蛇綠巖帶，阿巴拉契亞古生代造山帶蛇綠巖套。2324變形層狀輝長巖,阿拉斯加25閃長巖26阿拉斯加鎂鐵質(zhì)席狀巖墻27Pillow lava, Alaska.28鱗莖狀枕狀玄武巖 Bulbous pillow lavas.29層狀沉積巖30淺海硅質(zhì)沉積巖,阿拉斯加31被動陸緣褶斷帶陸緣增生雜巖帶島弧巖漿雜巖帶蛇綠巖帶 現(xiàn)代蛇綠巖概念 巖石組合術(shù)語，包括洋殼和上地幔的一系列巖石（如玄武巖、輝綠巖墻群、輝長巖、斜長花崗巖、堆晶超鎂鐵巖及地幔橄欖巖）；代表消減增生的大

12、洋巖石圈碎片，但并非“正?！钡拇笱髱r石圈，更多是形成于與現(xiàn)代島弧、弧后盆地、轉(zhuǎn)換斷層以及小洋盆類似的環(huán)境。 這一概念更多的強(qiáng)調(diào)“地幔橄欖巖”和“洋殼頂部的玄武巖和輝綠巖墻”共存。32五.混雜堆積，亦稱混雜巖(mlange )不同于變質(zhì)巖中的混合巖，也不是一個巖石地層名稱。概念：它是在板塊俯沖作用下，不同時代、不同成分、不同性質(zhì)、不同來源的巖石或沉積物，經(jīng)過破碎作用和混雜作用所形成的無規(guī)則相互混雜堆積的混合體。許多學(xué)者把混雜堆積與板塊構(gòu)造聯(lián)系起來，認(rèn)為是板塊俯沖帶或縫合帶上強(qiáng)烈構(gòu)造作用的產(chǎn)物.混雜堆積是鑒別古板塊消亡帶的重要標(biāo)志之一 .實例：北美阿巴拉契亞、西亞中南亞扎格羅斯（Zagros）、臺

13、灣海岸山脈、雅魯藏布江、祁連、秦嶺33混雜堆積體主要特點(diǎn)：1）混雜堆積體由外來巖塊、原地巖塊和基質(zhì)三部分組成；三部分具有不同時代、不同性質(zhì)、不同來源的特點(diǎn)；一般混雜巖的基質(zhì)年代較新，外來巖塊的地質(zhì)年代較老2）混雜堆積中巖塊大小不等、形狀各異，混雜堆積體寬窄不一，延伸較長，大到整個一條山脈。3）剪切構(gòu)造發(fā)育。巖塊和基質(zhì)普遍受到剪切作用，常見石香腸、菱形石香腸和楔形構(gòu)造等。巖塊與巖塊之間以及整個混合體與圍巖之間都呈斷層接觸或被剪切面所限。4）含蛇綠巖套碎塊和籃片巖等高壓低溫變質(zhì)巖，共生于板塊俯沖帶前端海溝坡折地帶，形成俯沖帶前端疊瓦狀楔形體構(gòu)造帶，是識別古俯沖帶或板塊縫合線的重要標(biāo)志。34六.增生

14、楔狀體（accretionary prism）大洋板塊表面覆蓋的沉積物主要是深海鈣質(zhì)軟泥、硅質(zhì)軟泥和紅粘土，板塊移動至海溝附近還接受濁流沉積。由于未固結(jié)程度差，板塊俯沖時很容易被刮下來，與俯沖板塊基底脫離，加積于海溝向陸的側(cè)坡上，形成增生楔狀體。組成：主要是混雜堆積巖，另外有俯沖時刮下的洋殼殘塊（蛇綠巖套）等。3536增生楔的形成與發(fā)展當(dāng)大洋板塊沿海溝向下俯沖，在海溝陸側(cè)坡依次擠入一個又一個沉積層楔。在擠壓作用下，新生的推擠老的沉積楔不斷抬升，形成類似疊瓦狀扇形構(gòu)造楔狀體。增生楔體由下向上依次變老，產(chǎn)狀依次變陡。隨俯沖作用和增生楔體不斷增大，引起海溝陸坡向大洋方向擴(kuò)展。同時，海溝和俯沖帶也向大

15、洋方向遷移。增生楔加積至大陸邊緣,大陸不斷增生，弧前盆地隨之加寬，洋殼向陸殼轉(zhuǎn)化，大陸邊緣向外擴(kuò)展。3738七 巖漿活動與火山巖分布規(guī)律根據(jù)火山巖組合礦物含鉀量、化學(xué)成分差異及其分布規(guī)律，將火山巖分成三個共生系列：拉斑玄武巖系列，鈣堿性系列，堿性系列。分布規(guī)律： 1）由洋向陸火山巖系列為拉斑玄武巖系列鈣堿性系列堿性系列，分別位于臨近海溝的火山前鋒地帶，火山弧地帶和島弧陸側(cè)靠近大陸地帶。 2）由洋向陸巖漿系列中的鉀含量越來越高39這些規(guī)律與俯沖深度有關(guān)：80100km，含水洋殼玄武巖輝長巖組分被熔化，形成拉斑玄武巖巖漿，在島弧的火山前鋒噴出地表；100150km，隨壓力溫度增大，熔化分異，易熔的

16、安山巖質(zhì)組分分異出鈣堿性堿性巖漿，沿裂隙上升噴發(fā)形成火山弧主體；難熔的榴輝巖沿俯沖帶分布于火山弧下部的地幔深處。40第六節(jié) 板塊構(gòu)造動力學(xué)地幔柱理論 板塊的驅(qū)動機(jī)制地幔對流41板塊構(gòu)造動力學(xué)涉及板塊運(yùn)動的能源、動力和運(yùn)動方式等問題一.地球內(nèi)部熱源和傳熱機(jī)制1.地球主要熱源：放射性元素（鈾釷鉀）衰變產(chǎn)生的巨大熱量構(gòu)成地球的主要熱源。2.主要熱源的分布不均一性： 在地球各層圈分布不均一，在地球演化、分異過程中集中于地殼及上地幔頂部。 在酸性巖漿中最為富集，生熱率最高；在超基性巖漿中含量最低，生熱率最低42四種地球內(nèi)部的熱源：放射性元素衰變（最主要）、地球轉(zhuǎn)動能、化學(xué)反應(yīng)熱、重力分異熱。3.地球的傳

17、熱機(jī)制1）傳導(dǎo)傳熱 巖石熱導(dǎo)率很低 X2）對流傳熱 對地球深部熱傳遞很重要3）輻射傳熱 實驗表明，硅酸鹽礦物不易發(fā)生輻射；現(xiàn)代巖漿活動區(qū)例外。地球的熱現(xiàn)象是地質(zhì)上最本質(zhì)的現(xiàn)象之一。地球內(nèi)部熱量的產(chǎn)生與傳遞時造成地球上層各種構(gòu)造活動和地震活動的重要原因。地球是大的“熱力機(jī)”。43二 地幔對流板塊構(gòu)造理論建立后，越來越多的證據(jù)顯示出地?zé)岙惓^(qū)與板塊構(gòu)造最活躍的區(qū)域相對應(yīng)。因此地幔對流在構(gòu)造動力學(xué)中具有重要意義，多數(shù)人認(rèn)為驅(qū)動板塊運(yùn)動的原動力是地幔對流。1.地幔對流條件： 自然對流。原因是地幔內(nèi)部密度差。當(dāng)?shù)蒯Ｎ镔|(zhì)熱平衡或化學(xué)平衡遭到破壞，引起地幔物質(zhì)各部分密度差，從而導(dǎo)致重力不穩(wěn)，輕者上浮，重者下

18、沉，產(chǎn)生對流。多數(shù)人認(rèn)為地幔熱對流是驅(qū)動力源。442.地幔對流模式 淺對流模式 上地幔深對流模式 整個地幔雙層對流模式 淺對流基礎(chǔ)上,上下地幔對流不同尺度，傳送帶453.地幔對流驅(qū)動板塊運(yùn)動的討論支持者：地幔對流模式與板塊運(yùn)動模式相對應(yīng)。板塊運(yùn)動速度大體代表了地幔對流的速度。反對者：洋中脊轉(zhuǎn)換斷層將板塊錯開成許多段，流體上升流如何在此處中脊軸裂谷處處吻合？三條中脊相接或中脊與海溝相交，其下面會如何對抗？板塊邊界隨時可能遷移，其下的對流體也同步位移么？不能輕易否定：冰塊在水面上漂浮得到啟示，推測板塊運(yùn)動與地幔對流不一定有直接絕對聯(lián)系。如同水面上相互擁擠的冰塊，不論其形態(tài)和運(yùn)動如何復(fù)雜，其下面水體

19、流動比較規(guī)律，兩者運(yùn)動未必吻合，但冰塊運(yùn)動是由下面水流驅(qū)動是不可否認(rèn)。46三.熱點(diǎn)地幔柱假說在研究板塊內(nèi)部火山作用時提出的，后來被當(dāng)作板塊絕對運(yùn)動的參照系統(tǒng)和驅(qū)動板塊運(yùn)動的原動力之一。1.無震海嶺 aseismic ridge 洋底除洋中脊體系外，還分布一系列線狀延伸的火山性海嶺。與大洋中脊性質(zhì)有明顯區(qū)別: 軸部無中央裂谷；無橫斷海嶺的轉(zhuǎn)換斷層；現(xiàn)代火山局限于海嶺的某一端點(diǎn)；無地震活動或僅有火山活動引起的微弱地震。 典型實例：北太平洋天皇夏威夷海嶺4748 天皇夏威夷海嶺火山年齡的遞變規(guī)律（據(jù)小林和男 1977） 天皇海嶺幾乎全在水下，整體呈NNW向，向SSE向延伸約2000 km后發(fā)生轉(zhuǎn)折；

20、轉(zhuǎn)折后的這段稱為夏威夷海嶺，整體呈NWW向延伸約2600 km，海嶺上出露的島嶼即為夏威夷群島。海嶺上火山的年齡由西北向東南具有依次變新的規(guī)律性。 49熱點(diǎn)火山作用形成火山鏈（無震海嶺）示意圖（據(jù)Allegre 1983） 2.熱點(diǎn)假說 hot spotWilson熱點(diǎn)說解釋無震海嶺成因熱點(diǎn)處火山作用的巖漿源于現(xiàn)代火山活動中心的地幔之下，位置相對地球自傳軸固定。熱點(diǎn)處巖漿燒穿巖石圈板塊，在表面形成火山。板塊運(yùn)動是持續(xù)的。紙帶穿孔機(jī)效應(yīng)證據(jù)：古地磁和K-Ar測年50熱地幔柱的涌升不斷向上地幔乃至巖石圈之下輸送熱量、質(zhì)量和動量，在燒破巖石圈的地方便成為熱點(diǎn)。因此，熱點(diǎn)的巖漿直接源于地幔柱，或者說熱

21、點(diǎn)處的火山活動就是地幔柱熱物質(zhì)噴出地表的反映。從這個意義上說，可以把地幔柱當(dāng)作熱點(diǎn)假說的引申。3.地幔柱假說 Mantle PlumeMorgen,1972“地幔柱”概念: 指源于地幔深處（核幔邊界）、呈圓柱狀涌升的熱地幔物質(zhì)流。地幔物質(zhì)上移，造成巖石圈下物質(zhì)盈余，把上覆巖石圈向上拱起，正重力異常，高熱流值。51冰島，無震海嶺都是熱點(diǎn)火山作用形成的熱點(diǎn)火山作用與海底擴(kuò)展速率關(guān)系擴(kuò)展速率慢，熔巖容易堆積形成諸如冰島那樣的大型島嶼海底擴(kuò)展速率較快，等量的熔巖擴(kuò)展開，形成無震海嶺。熱點(diǎn)火山島大洋中脊的成分差別前者含堿質(zhì)玄武巖，大洋中脊為拉斑玄武巖，微量元素也不同。說明其巖漿源于地幔的不同部位，一深一

22、淺。52地球表面上的熱點(diǎn)（據(jù)Morgan 1972） 據(jù)此可在洋中脊上識別出一些地幔柱熱點(diǎn)。全球識別出并經(jīng)過嚴(yán)格檢驗確認(rèn)的地幔柱熱點(diǎn)總共20多個，大部分位于板塊內(nèi)部。531994年，以Maruyama教授為代表的研究群體，發(fā)表了一系列跨學(xué)科綜合性的文章，提出了一種全新的全球構(gòu)造觀，或簡稱為地幔柱構(gòu)造（Plume Tectonics），并指出地幔柱構(gòu)造是繼魏格納提出大陸漂移學(xué)說和板塊構(gòu)造理論之后人類認(rèn)識地球的第三次浪潮。Condie(2001) ,Mantle Plumes and Their Record in Earth History 544.熱幔柱 以丸山茂德為代表的一些日本學(xué)者根據(jù)P波

23、層析成像技術(shù)得到的全地幔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對板塊下潛歷史的追蹤研究結(jié)果，認(rèn)為地幔柱與板塊構(gòu)造并非相互獨(dú)立，兩者構(gòu)成一個統(tǒng)一的全球構(gòu)造體系。在該體系中，地幔柱上升、板塊水平運(yùn)動和板塊俯沖運(yùn)動并不是各自獨(dú)立的，而是在一個構(gòu)造體系中做相互約束的運(yùn)動。551）熱幔柱形態(tài)特征：地表表現(xiàn)為高地形隆起，當(dāng)其從地幔中上升至近巖石圈底部時，變成“蘑菇”狀，頭部粗大而頸干細(xì)小。直徑大小的目前觀點(diǎn)不一，估計量從十幾千米至幾千千米都有。一般地，地幔柱頭直徑可達(dá)500到3000 Km(Hill et al. 1992)，而地幔柱尾典型的為100到200 Km (Condie 2001)。地幔柱具有高熱流、低速帶的特征（趙國春等

24、 1994），一般稱為熱幔柱。 56實驗中所產(chǎn)生的熱幔柱在上升過程中的形態(tài)變化(據(jù)Richards 1991)巖石圈57根據(jù)全球地幔地震層析圖（Fukao 1993）總結(jié)的熱幔柱發(fā)育模式a）萌芽期熱幔柱，外核微微上隆，熱流及巖漿上涌；b)發(fā)展期熱幔柱，地幔中下部為熱幔柱密集區(qū)；c)全盛期熱幔柱，熱幔柱密集區(qū)連通外核與軟流圈；d)衰亡期熱幔柱，由于上下堵塞殘留的熱幔柱58592）熱幔柱起源：20世紀(jì)90年代以來，關(guān)于地幔柱的研究有了新的進(jìn)展。許多證據(jù)顯示，地幔柱源于核幔邊界附近（Davies 1992，Richad 1991，Loper 1991，Hill 1991），導(dǎo)致核幔邊界附近物質(zhì)層發(fā)生

25、熱擾動并生成地幔柱的熱動力源于外地核的不均勻加熱作用（Loper 1991）。 603）熱幔柱的規(guī)模與級別劃分: Maruyama 和Fukao等以地幔底界 (2900 km)、上地幔底界 (670 km)和地殼底界 (100 km)為限劃，將熱幔柱分為一、二、三級熱柱，也有人稱為下地幔柱（或超級熱幔柱）、上地幔柱、板內(nèi)柱（或幔枝）。規(guī)模與個數(shù)（地表熱點(diǎn)50多個、100 km以下約20個、直徑上千公里的少）。612900 km670 km100 km下地幔柱上地幔柱板內(nèi)柱624）熱幔柱化學(xué)成分特征: 構(gòu)成熱點(diǎn)的大洋島玄武巖（OIB）的化學(xué)成分能夠更好地反映熱幔柱的化學(xué)成分特征，富含大離大不相容

26、元素，并有較高的87Sr/86Sr和較高的143Nd/144Nd比值。頭部在上升過程中會不斷地加熱周圍地幔物質(zhì)，使其粘度降低浮力加大，并與熱幔柱頭部融合一起上升。因而，熱幔柱頭部化學(xué)成分是不斷變化的，具有源區(qū)化學(xué)成分和捕獲的地幔成分的混合特征。熱幔柱狹窄的尾柱在上升過程中保持近于直立，基本不捕獲周圍地幔物質(zhì)，因而其化學(xué)成分變化較小，主要反映源區(qū)化學(xué)成分。635）熱幔柱的運(yùn)動學(xué)特征: 熱幔柱的啟動和上升速度當(dāng)巖石圈板塊在“熱點(diǎn)”之上漂移時，從深部地幔上升的熱巖石-流體柱體形成地幔柱，在夏威夷和社會群島產(chǎn)出的線性大洋火山鏈正是這些地幔柱出露地表的證據(jù)。這種火山作用是當(dāng)?shù)蒯Ｖ竭_(dá)近地表時由于減壓融熔

27、而引發(fā)的，然而這些地幔柱到底起源有多深的問題尚未解決。64淺對流和深對流熱幔柱的啟動需要一個熱邊界層。這個熱邊界層在地幔中，或是上/下地幔之間的密度界面，或是核幔邊界（CMB）的D”層。熱幔柱的啟動條件是地核能夠提供足夠的熱，以至使熱幔柱能夠穿過整個地幔上升至地表。愈來愈多的證據(jù)表明整個地幔在對流，而并非是分層對流，因此，上/下地幔之間的熱邊界層產(chǎn)生熱幔柱的可能性很?。ǖ慌懦a(chǎn)生小規(guī)模的熱幔柱的可能性）。65下面幾點(diǎn)也支持了熱幔柱啟動于核幔邊界的D”層。理論分析表明，要產(chǎn)生直徑為1000 Km的熱幔柱扁球狀頭部，形成大規(guī)模的大陸溢流玄武巖和大洋高原玄武巖，熱幔柱只能啟動于下地幔底部才能完成。

28、如果熱地幔柱起源于上地幔底部，這很難解釋熱點(diǎn)之間相互位置固定這一特征，至少在最近50 myr 內(nèi)或更長時間內(nèi)是彼此位置固定的（Steinberger and OConnell 1998）。熱幔柱的化學(xué)成分特征表明它主要來源于富集型地幔。一般認(rèn)為下地幔底部具有原始富集型地幔特征，而上地幔常呈虧損特征?？傊瑹後Ｖ鹪从诤酸＿吔纾–B）附近的D”層的觀點(diǎn)得到多數(shù)學(xué)者的承認(rèn)。66熱幔柱的脈沖運(yùn)動特征熱幔柱以單一波形式向上脈沖式運(yùn)動特征的發(fā)現(xiàn)，是近年來有關(guān)熱幔柱研究所取得的重要進(jìn)展之一。Scott等（1986）實驗研究表明，熱幔柱的單波具有流線特征并以波速向上運(yùn)移物質(zhì)。Larson（1991）認(rèn)為，熱

29、幔柱的單波脈沖運(yùn)動特征是導(dǎo)致地磁極周期反轉(zhuǎn)、氣候和海平面周期變化一個重要原因。67地幔對流對熱幔柱運(yùn)動的影響 一些學(xué)者認(rèn)為地幔水平對流會改變熱幔柱的直立形態(tài)，使其尾部發(fā)生彎曲傾斜，但近年來許多研究證據(jù)表明，地幔并非是分層對流，而是整體對流，對流速度很慢，尤其下地?；旧鲜菬o應(yīng)力條件下對流。 因此，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為地幔對流對熱幔柱不會有明顯的影響。68不論地幔柱一熱點(diǎn)假說的有效性如何，它至少明確了這樣一些事實： 板塊內(nèi)部發(fā)生著重要的地質(zhì)現(xiàn)象熱點(diǎn)火山作用和構(gòu)造活動，地幔深層同樣也是活動的，深地幔（乃至地核）對地表板塊構(gòu)造的發(fā)展過程有重要影響； 地球本身是一個物質(zhì)實體，該體系的各組成部分是密切相關(guān)的，將

30、其中任何一部分孤立出來研究都是片面的。 因此，地幔柱一熱點(diǎn)假說對于板塊構(gòu)造學(xué)說應(yīng)該是重要的補(bǔ)充和發(fā)展。695 冷幔柱 20世紀(jì)80年代，人們開始關(guān)注大量的洋殼板塊俯沖之后的去向、歸宿和狀態(tài)，對板片行蹤的討論興盛起來，也存在三種不同意見：一種認(rèn)為板片不能潛入到下地幔，第二種認(rèn)為可以俯沖到下地幔，另一種觀點(diǎn)介于其間，認(rèn)為不同的島弧同時潛入和未潛入下地幔的情況都有。洋殼板塊俯沖后的滯留板片一般具有P波高速異常特征，表現(xiàn)為冷的塊體因而稱為冷幔柱。1) 形態(tài)特征: P波層析成像表明，俯沖滯留的板片在地幔中有四種類型。 70A）東北日本型：板片從地表連續(xù)并以板狀形態(tài)滯留在670 Km深度面上，部分地由于厚

31、度增加而穿入到670 Km層的下面。B）巽他型：板片從地表連續(xù)，而且穿過670 Km深度達(dá)到1200 Km深度。C）特提斯型：板片與上面不連續(xù)，與消失了的古海溝大致平行，且正在潛入10001200 Km深處。D）南極型：現(xiàn)在南極周邊為被動陸緣，沒有板片下沉，因此，滯留在670 Km以下深處的板片為古老的。A）、B）是滯留的板片與板塊相連著，而C）、D）則不相連。四種俯沖滯留的板片類型 712) 670 Km為冷幔柱的板塊墓地: a）相變，P波層析成像技術(shù)顯示，下潛板塊可俯沖至670 km深處，并在那里發(fā)生相變。由于670 km處的相轉(zhuǎn)變反應(yīng)具有負(fù)的梯度，下潛板塊將滯留在這個界面上。b）塑性變形

32、，但由于相變生成物的粘性顯著變小，滯留板塊被軟化以至不能再保持剛性狀態(tài)。c）板片滯留因素，取決于板片俯沖速度及滯留量。于是，當(dāng)板塊的滯留量超過某一限度時就會發(fā)生塌落。723) 7001700 Km深度： P波高速異常帶分布與180 Ma間沉沒的板塊位置一致。地幔中有的高波速異常體是古板塊沉潛的反映。如西南極洲670km深度以下的高波速異常體，應(yīng)是與年齡為450100 Ma的西南極洲造山帶有關(guān)的古俯沖板片沉潛的產(chǎn)物。 736 地球全局性物質(zhì)對流冷幔柱與熱幔柱成對出現(xiàn)： 滯留板塊塌落到下地幔會造成上地幔物質(zhì)虧損，必然會從下地幔產(chǎn)生向上運(yùn)動的熱地幔柱。所以，從全局上看，滯留板塊的下落和地幔柱的上升必然是相互約束的運(yùn)動。 如果把下落的滯留板塊稱為“冷幔柱”，上升的地幔物質(zhì)稱為“熱幔柱”， 冷幔柱為窗簾狀的下降流，熱幔柱為圓筒狀的上升流，那么，地幔全局性物質(zhì)對流主要是由這種向下運(yùn)動的冷幔柱和向上運(yùn)動的熱幔柱所支配(下圖)。74地幔柱與板塊運(yùn)動 752) 地幔柱是決定全球構(gòu)造的根本原因：板塊構(gòu)造中的Wilson旋回：地球淺表板塊的形成到消亡過程。20世紀(jì)90年代以來，地震層析成像技術(shù)進(jìn)步，與Wilson旋回可比的地球深部物質(zhì)旋回，即冷板塊與熱幔柱之間的轉(zhuǎn)換過程。Wilson旋回與地球深部物質(zhì)旋回構(gòu)成了地球全局性的物質(zhì)循環(huán)過程。 76 在板塊內(nèi)部，其下的地幔柱也是一種有利于板