地幔對(duì)流和地幔動(dòng)力學(xué)分解課件

1、殼幔物質(zhì)與深部過程是大陸動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。殼幔物質(zhì)的組成與性質(zhì)、化學(xué)與物理學(xué)控制深部過程及其動(dòng)力學(xué)。殼幔內(nèi)物質(zhì)的密度差異驅(qū)動(dòng)物質(zhì)對(duì)流，溫度差異驅(qū)動(dòng)熱對(duì)流，兩者常常相互伴生。密度的大小既依賴于溫度，又與物質(zhì)組成、揮發(fā)份含量密切相關(guān)。對(duì)流或流動(dòng)尚需一定的粘度條件。因此，殼幔物質(zhì)在化學(xué)和物理學(xué)上的不均一性是對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力第三章、地幔對(duì)流和地幔動(dòng)力學(xué) 本世紀(jì)初，魏格納的大陸漂移假說震撼了整個(gè)地球科學(xué)，盡管魏格納列舉了大量的地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣候?qū)W和古生物學(xué)的證據(jù)，論證了我們這個(gè)行星的幾個(gè)大陸在兩億年前曾經(jīng)是一個(gè)古大陸，后來被分裂、漂移，形成了現(xiàn)代的格局。但當(dāng)時(shí)大陸漂移學(xué)說卻面臨絕境，因?yàn)闆]有人

2、能夠解釋大陸為什么能漂移。與之相反，著名的地球物理學(xué)家Jeffreys從理論上證明固體的硅鋁層地殼和硅鎂層地幔之間存在的巨大摩擦力使大陸不可能漂移。 1、地幔對(duì)流假說的科學(xué)依據(jù)及對(duì)流模型然而，30年代物理學(xué)家霍姆斯提出的地幔對(duì)流作為一個(gè)地球物理學(xué)的概念和猜想?yún)s使得大陸漂移學(xué)說渡過了它最為艱難的時(shí)期。從20年代的大陸漂移到50年代的海底擴(kuò)張、60年代的板塊構(gòu)造理論，板塊構(gòu)造這個(gè)革命性的理論對(duì)于人類認(rèn)識(shí)自然的影響可以和16世紀(jì)哥白尼的太陽中心學(xué)說，17世紀(jì)的牛頓萬有引力理論，19世紀(jì)后期的生物學(xué)進(jìn)化理論和20世紀(jì)的量子力學(xué)和相對(duì)論相提并論。 1、地幔對(duì)流假說的科學(xué)依據(jù)及對(duì)流模型地幔作為地球結(jié)構(gòu)中最

3、大的部分，成為研究中一個(gè)最重要環(huán)節(jié)。研究地幔對(duì)流在地幔中運(yùn)行的模式，探討它對(duì)地殼、巖石圈構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)，和對(duì)地核物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，以及研究它們之間的相互作用已成為當(dāng)代固體地球科學(xué)研究的最優(yōu)先研究的課題之一。1、地幔對(duì)流假說的科學(xué)依據(jù)及對(duì)流模型 科學(xué)的發(fā)展和地球科學(xué)家們長(zhǎng)期的努力，至少可以從四個(gè)方面去證實(shí)地幔對(duì)流的存在。 第一，無論從地質(zhì)時(shí)間尺度去估計(jì)，還是從現(xiàn)在大地測(cè)量的數(shù)據(jù)，都證實(shí)了板塊運(yùn)動(dòng)是一個(gè)客觀的存在。從古地磁極的軌跡；大洋中脊磁條帶異常；相對(duì)于熱點(diǎn)的海山鏈的研究等資料確定可以定量地描述在過去兩億年地質(zhì)史中最新一次板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的方向及速率（Minster and Jordan 1978；De

4、Mets etal，1990）。所以板塊運(yùn)動(dòng)本身證明了地幔對(duì)流的存在，而且它是全球規(guī)模的。1、地幔對(duì)流假說的科學(xué)依據(jù)及對(duì)流模型第二，觀測(cè)表明在過去近百年的歷史中，北歐斯堪的納維亞半島和北美大湖區(qū)在不斷地上升，而這兩個(gè)地域在一萬年以前曾被巨大的冰蓋覆蓋。由于氣候的變暖，在幾百年很短的時(shí)間中巨大的冰蓋熔化消失了，隨之產(chǎn)生了地殼持續(xù)地上升。自然，此種冰后期的地殼回升運(yùn)動(dòng)必定需要一個(gè)可流動(dòng)的地幔的支持，以填補(bǔ)其由于地殼抬升而留下的空間。此種冰后期的回升現(xiàn)象證明了地幔中至少局部區(qū)域物質(zhì)流動(dòng)的可能。1、地幔對(duì)流假說的科學(xué)依據(jù)及對(duì)流模型第三，無論是天然地震還是人工爆炸產(chǎn)生的地震波是唯一可以穿透地球介質(zhì)的射線

5、，地震波攜帶著有關(guān)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)性質(zhì)的信息。地震學(xué)家們利用地震波不僅發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)部分為固體的內(nèi)核、液體的外核、固體地幔和地殼等徑向不均勻的分層結(jié)構(gòu)，而且還發(fā)現(xiàn)了地球深層內(nèi)部橫向不均勻結(jié)構(gòu)（Dziewonski，1984；Su et al，1994）。大洋中脊下部存在不斷形成的洋中脊的熱的物質(zhì)；俯沖帶下部存在延續(xù)到 670km甚至更深至 10001500km冷的物質(zhì)；從核幔邊界向上升起的地幔熱柱可以直至地表而形成熱點(diǎn)，這難道不是威爾遜循環(huán)的另一半嗎？ 1、地幔對(duì)流假說的科學(xué)依據(jù)及對(duì)流模型第四，地球化學(xué)的資料使人們能看到的直接來自深部物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分。大量數(shù)據(jù)表明這些物質(zhì)可以來自地殼下部、上地

6、幔 670km間斷面，甚至核幔邊界。顯然是流動(dòng)的地幔將這些物質(zhì)帶至地表?？傊F(xiàn)代已有足夠的證據(jù)證明地幔對(duì)流的存在 1、地幔對(duì)流假說的科學(xué)依據(jù)及對(duì)流模型 固體的地幔是否可能對(duì)流這一根本性的問題一直是地學(xué)家們最為關(guān)注的。因?yàn)榭茖W(xué)家們從不希望把自己的研究建立在一個(gè)毫無物理依據(jù)的虛幻之上。物理學(xué)的法則告訴我們，重力場(chǎng)中熱對(duì)流之所以能夠存在，必須具備以下三個(gè)條件： l）組成系統(tǒng)的物質(zhì)必須“軟”到“足以流動(dòng)”的程度， 2）系統(tǒng)內(nèi)的溫度梯度必須至少略大于組成系統(tǒng)的物質(zhì)的絕熱自壓溫度梯度， 3）有足夠的能量以維持對(duì)流進(jìn)行。 以下將就此三方面的問題作一簡(jiǎn)要地討論。2、地幔物質(zhì)發(fā)生對(duì)流的物理背景 2.1地幔粘滯

7、性地震學(xué)強(qiáng)有力地證明：地幔處于固體狀態(tài)，因?yàn)樗试S縱波（P）和橫渡（S）通過。然而，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)同時(shí)還證明：一個(gè)物體的力學(xué)響應(yīng)不僅與物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與外界環(huán)境如溫度、壓力有關(guān)，同時(shí)還與加載力的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。實(shí)驗(yàn)及觀察都得出同一結(jié)論：地幔足夠的軟，容許對(duì)流存在。另外，固體物理學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究也為地幔粘滯性研究提供了有效的途徑。2、地幔物質(zhì)發(fā)生對(duì)流的物理背景 2.2地幔熱狀態(tài)地幔熱狀態(tài)和地球熱演化歷史有不可分割的聯(lián)系，而地幔對(duì)流卻與地幔熱狀態(tài)直接有關(guān)。因?yàn)榈蒯釥顟B(tài)不僅決定對(duì)流是否可能發(fā)生，而且也影響地幔的粘滯結(jié)構(gòu)。Jeanloz和Richter（1979）研究地幔熱結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在下地幔的頂部

8、，即670km深度左右的區(qū)域可能有500700K的溫度跳躍，可能存在一個(gè)熱邊界層； 2、地幔物質(zhì)發(fā)生對(duì)流的物理背景 2.3地幔熱生成 Davies （1980）根據(jù)地球表面熱流測(cè)量結(jié)果估算了全球熱流約為4.11013W，Sclater等（1980，1981）估算出地球總熱量為4.2X1013W。在地球總熱量中約有0.450.65來自放射性元素衰變釋放的熱能（Davis，1980），而Schubert等（1980）則認(rèn)為有0.650.85的地球總熱流來自放射性物質(zhì)的衰變。因此放射性物質(zhì)衰變提供的熱能成為維持地漫對(duì)流的主要能源。2、地幔物質(zhì)發(fā)生對(duì)流的物理背景 2.4 相變地震波觀測(cè)表明，在410k

9、m和670km深度上具有全球規(guī)模地震波速度間斷面。在 410km間斷面上，地震P波速度跳躍約為 5. 6，而在670km間斷面上，P波速度最大變化可達(dá)7.5。間斷面屬于化學(xué)（物質(zhì)成分）界面還是相變斷面的爭(zhēng)議尚未定論。 Anderson（1988）及 Duffy和 Anderson（1989）、Jeanloz及Knittle（1989）研究認(rèn)為：410km間斷面屬于橄欖石a個(gè)相變，在 520km的深度上，則為R相橄欖石向尖晶石相的轉(zhuǎn)換，而在670km間斷面上，其尖晶石相轉(zhuǎn)變?yōu)榉芥V鐵石和鈣鈦礦相。在這一系列的相變過程中，伴隨著放熱和吸熱，自然也會(huì)直接影響依賴于物質(zhì)性質(zhì)的對(duì)流的格局。 2、地幔物質(zhì)發(fā)

10、生對(duì)流的物理背景 對(duì)流穩(wěn)定性分析表明，對(duì)流可分受迫對(duì)流和自由熱對(duì)流。所謂受迫流動(dòng)意為流體在邊界運(yùn)動(dòng)或者外部壓力驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)，例如管道中液體的流動(dòng)，河流的流動(dòng)或者飛機(jī)附近氣體相對(duì)于機(jī)體的流動(dòng)等。而熱對(duì)流卻反映了流體在外部加熱或內(nèi)部加熱情況下由于溫度分布擾動(dòng)而產(chǎn)生的流體質(zhì)量分布擾動(dòng)，從而在重力場(chǎng)作用下產(chǎn)生自由對(duì)流。冰后期回升和俯沖板塊的角度問題則是典型的地幔物質(zhì)受迫對(duì)流的例子。3. 外部力驅(qū)動(dòng)下的地慢物質(zhì)流動(dòng) 3.1冰后期地殼回升及地幔粘滯性問題 冰后期地殼回升是一重要的地球物理現(xiàn)象，它反映了地殼均衡的動(dòng)力學(xué)過程。用力學(xué)觀念來描述，其表明了地球?qū)τ诩虞d（冰蓋）和卸載（冰蓋消融）的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。觀測(cè)表

11、明，一萬年前北歐斯堪的納維亞半島和加拿大及大湖區(qū)被很厚的冰雪覆蓋，在冰雪壓力下地殼向下彎曲。后來由于天氣變暖，冰蓋在很短時(shí)間內(nèi)消退，大約在公元前5000年時(shí)（加拿大則為公元前4500年），冰蓋完全消失，此時(shí)原冰蓋以下的地殼開始回升，同時(shí)由于冰雪消融使得附近的海平面升高。3. 外部力驅(qū)動(dòng)下的地慢物質(zhì)流動(dòng) 3.2俯沖板塊的角度問題 俯沖（消減）帶板塊俯沖是板塊構(gòu)造理論中的重要問題。利用地震學(xué)觀測(cè)至少可以從三個(gè)方面探討俯沖板塊的幾何形態(tài)、俯沖深度和俯沖角度。觀測(cè)表明全球各大俯沖帶俯沖角度在20到90之間，但大多數(shù)俯沖角度為45左右。一般物理學(xué)知識(shí)告訴我們，如果除了重力之外沒有別的力作用于俯沖板塊之上

12、，那么俯沖板塊的角度應(yīng)當(dāng)接近90左右。 3. 外部力驅(qū)動(dòng)下的地慢物質(zhì)流動(dòng)3.2俯沖板塊的角度問題這與觀測(cè)結(jié)果顯然不同，表明必定有別的力作用于俯沖板塊的上部或下部，托起下俯沖板塊以保持俯沖角度。作為一個(gè)模型可以用地幔物質(zhì)流動(dòng)來討論俯沖板塊下插入“可流動(dòng)”的地幔中產(chǎn)生的對(duì)流以及它們作用在俯沖板塊上的力及重力矩的平衡問題（Fig.1）。以一定速度向下俯沖的板塊可以延伸至無窮遠(yuǎn)并將地幔分成兩個(gè)部分，島弧角部分和海洋角部分。由此可以看出，無論是島弧角方面作用于下俯沖板塊上表面的吸力，還是作用其下面的托力都使其抗拒重力作用而保持一定的俯沖角度。3. 外部力驅(qū)動(dòng)下的地慢物質(zhì)流動(dòng)作用于俯沖板上的力示意圖（據(jù)T

13、urcotte and Schubert,1982） 3. 外部力驅(qū)動(dòng)下的地慢物質(zhì)流動(dòng)3.2俯沖板塊的角度問題地幔中可能存在五種形態(tài)的對(duì)流：1）全地幔對(duì)流；2）上地幔對(duì)流；3）層狀對(duì)流；4）D”層中極小尺度對(duì)流；5）熱柱對(duì)流。上述形態(tài)的對(duì)流都將影響地球表面的運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造。 4、地幔對(duì)流的結(jié)構(gòu)模型地幔柱作為地幔熱動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)單元，在地幔熱動(dòng)力學(xué)和巖石圈動(dòng)力學(xué)中起了很重要的作用。但應(yīng)注意的問題是：1）地幔熱柱并不能作為全球板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；2）與全球板塊運(yùn)動(dòng)相比較，地幔熱柱可以看作為一個(gè)不動(dòng)的或極緩慢運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，可構(gòu)成一個(gè)不動(dòng)的參考框架去描述板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)；3）因?yàn)榈蒯Ｖ形镔|(zhì)垂直運(yùn)動(dòng)的速度比周圍地

14、慢運(yùn)動(dòng)速度快得多，它將吸進(jìn)一些D”層甚至地核頂部的物質(zhì)并把它們帶到上地幔甚至地表；4）地幔柱的活動(dòng)是連續(xù)的，但是在地質(zhì)時(shí)間尺度上它又具有一定的間歇性，這可以用以解釋熱點(diǎn)軌跡分布的圖象。4、地幔對(duì)流的結(jié)構(gòu)模型目前對(duì)D”層的認(rèn)識(shí)：l） D”層為一個(gè)厚度 100一300km的薄層，它將地慢和地核分開；2） D”層通常被看作為全地幔對(duì)流的下熱邊界層；3）在D”中熱傳導(dǎo)是主要的熱輸運(yùn)機(jī)制，它將地核的熱量傳給地幔，或者通過地幔熱柱攜帶地核的熱量到地幔上部甚至地表。4、地幔對(duì)流的結(jié)構(gòu)模型俯沖帶是板塊構(gòu)造中最為復(fù)雜的地域，巖石圈板塊在這里將重新返回地幔之中，與之相伴隨一系列重要的地質(zhì)現(xiàn)象，例如：火山系、島弧和

15、海溝系統(tǒng)、弧后擴(kuò)張及邊緣海、全球板塊之間撞碰造山帶以及地震帶等等。有證據(jù)表明，在地球表面運(yùn)行了近億年的海洋巖石圈板塊由于冷卻的作用變得堅(jiān)硬而致密。當(dāng)它在重新返回地幔時(shí)其內(nèi)部這一性質(zhì)將保持很長(zhǎng)的時(shí)間，至少可以保持到670km地震波速不連續(xù)面附近。俯沖板塊內(nèi)部的溫度將一直保持低的狀態(tài)。換句話說，俯沖板塊內(nèi)部的巖石密度將比周圍大。俯沖板塊內(nèi)部重力負(fù)浮力將牽引俯沖板塊向地幔中插入。 5、地慢對(duì)流、板塊運(yùn)動(dòng)及俯沖帶的演化當(dāng)俯沖板塊作為對(duì)流的一個(gè)組成部分俯沖入地幔深部之后，那么它到底可以保持到多深而終結(jié)或重新熔入地幔之中呢？盡管深地震震源深度顯示，板塊至少可以在700km深度上保持其冷而致密的特征，但是它

16、進(jìn)一步演化又將如何？一種模型表明俯沖板塊在670km斷面上將終止，而且向水平方向延伸；第二種模型表明俯沖板塊在 670km間斷面上終止而且在此附近堆積；第三種模型顯示了俯沖板塊通過 670km 斷面而插入地幔之中，至少可以在1000一1500km的深度上保持其相對(duì)冷而致密的特征。5、地慢對(duì)流、板塊運(yùn)動(dòng)及俯沖帶的演化地球化學(xué)資料證明，其地幔物質(zhì)在橫向上也不均勻，至少在上地幔是不均勻的。地幔存在許多同位素儲(chǔ)體，如虧損大洋中脊玄武巖的地幔源儲(chǔ)體（DM）和洋島玄武巖儲(chǔ)體（UIB ）等。地幔對(duì)流顯然對(duì)地幔的不均勻起控制作用，因?yàn)橹挥袑?duì)流才是一種可靠的攪拌器。它的作用使一個(gè)不均勻的地幔趨于均勻化。然而對(duì)于

17、地球而言，由于俯沖板塊進(jìn)入地幔之中又促進(jìn)了新的不均勻性的產(chǎn)生。所以如果要使得地幔充分地均勻，必定有一個(gè)比現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)所顯示的更高效的對(duì)流系統(tǒng)存在于地幔早期混合的歷史之中。6.地幔對(duì)流和地幔物質(zhì)的混合現(xiàn)在地球科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，大陸區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)受著深部動(dòng)力學(xué)過程的控制。例如，在大陸內(nèi)部或者在海洋板塊中心地域的火山活動(dòng)都和板塊構(gòu)造沒有很明顯的關(guān)系。這些火山活動(dòng)區(qū)域稱之為熱點(diǎn)，就像夏威夷、冰島、黃石、加拉帕戈斯和留尼旺這樣的熱點(diǎn)，它們與以大洋中脊系統(tǒng)和以平行于太平洋海溝的火山系統(tǒng)之間沒有什么關(guān)系。7.熱柱、地慢物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及全球氣候變化地幔熱柱在巖石圈板塊內(nèi)部或者是大陸內(nèi)部的將產(chǎn)生大型的噴發(fā)性巖體

18、構(gòu)造，使得大陸遭到破壞，同時(shí)也可能改變?nèi)虬鍓K運(yùn)動(dòng)的格局。這些事件也可能引起嚴(yán)重的環(huán)境突變，導(dǎo)致生物的絕滅。因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)對(duì)于氣候的影響是確定無疑的，例如 1815年Tambora火 山噴發(fā)之后立即在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)較涼爽的夏季，這是由于火山噴發(fā)出來的大量煙塵使得到達(dá)地面的太陽光能量大大地減少。 7.熱柱、地慢物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及全球氣候變化盡管人們對(duì)于深部活動(dòng)所產(chǎn)生的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及產(chǎn)生的全球氣候和自然環(huán)境變化的認(rèn)識(shí)還很粗糙，但是我們至少已經(jīng)意識(shí)到深部過程對(duì)于人類生存的環(huán)境產(chǎn)生了不可忽視的影響。地幔對(duì)流已經(jīng)成為地幔動(dòng)力學(xué)一個(gè)重要的組成部分，詳細(xì)地研究對(duì)流以及影響將在未來地球動(dòng)力學(xué)研究中起到關(guān)鍵的作用。

19、7.熱柱、地慢物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及全球氣候變化地幔柱的識(shí)別有四種標(biāo)志可用來確定地幔柱活動(dòng)：Komattites, flood basalts, massive mafic dike swarms and layered igneous intrusions（Isley and Abbott,1999）。最近又發(fā)展了一種標(biāo)志：其它的高M(jìn)g火成巖（包括麥美奇巖meimechite和一些苦桿巖、橄欖輝玄巖ankaramites）是科馬提巖顯生宙的類似物（Isley and Abbott,2002）。7.熱柱、地慢物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及全球氣候變化超幔柱與幔柱之間區(qū)別 Condie（2001）把超幔柱定義為幔柱直徑為150

20、0-3000km之間，噴發(fā)體積為5106km3或更大的稱之。但這兩種條件很難應(yīng)用到古老的幔柱產(chǎn)物 High-Mg rocks as characteristics of superplume event，代表超幔柱活動(dòng)的現(xiàn)代溢流玄武巖層序中有一半含有MgO18%的巖石（cf.Isley and Abbott,2002）溢流玄武巖:410,000km2為superplume event。Mafic dike:70m width為superplume event， 70m width為“normal”plume event。Superplume layered intrusions with higher platinum group element; 7.熱柱、地慢物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及全球氣候變化地幔柱地質(zhì)過程（Ernst et al., 2001,Condie, 2001）1、上升作用(Swell and superswell）；2、大陸規(guī)模水系型式；3、三聯(lián)點(diǎn)裂谷作用；4、大陸破裂；5、大陸、大洋溢流玄武巖??；6、巨型巖墻群；7、某些蛇綠巖；8、某些太古宙綠巖帶；9、巖漿板底墊托作用； 10 巖石圈減落作用； 11 某些碳酸鹽巖和金伯利巖。 7.熱柱、地慢物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及