大陸動(dòng)力學(xué)12-地幔柱構(gòu)造

第十二章地幔柱構(gòu)造學(xué)Mantle

Plume

Tectonics地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出在板塊構(gòu)造理論提出之前，Wilson（1963，1965）首先提出了熱點(diǎn)假說(shuō)，用于解釋夏威夷島鏈火山巖的成因。但他發(fā)表在《

物理學(xué)雜志》上的 在地質(zhì)界的影響不大。直到10年后，Morgan（1971，1972）

了一系列論文，支持并發(fā)展了熱點(diǎn)學(xué)說(shuō)，才使得 的人了解此學(xué)說(shuō)。Morgan（1971，1972）認(rèn)為地幔內(nèi)存在著一種上升的、圓柱狀的、局部熔融的物質(zhì)流即“熱柱”（Hot

Plume）。熱柱到達(dá)于地表之處或地幔熱流上升之處，稱之為“熱點(diǎn)”（HotSpot）。上升的熾熱地幔柱可把上覆巖石圈抬升，使地殼呈現(xiàn)巨大穹隆構(gòu)造，當(dāng)?shù)蒯Ｖ鶝_破巖石圈則形成熱點(diǎn)。因此，熱點(diǎn)是地幔熱柱在地表的反映，以火山作用、高熱流和隆起為標(biāo)志（Wilson，1973）。地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)1.熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出熱點(diǎn)的特征：Wilson（1973）曾就熱點(diǎn)的特征概括為：①上隆，基巖出露于海平面之上；②上隆處有火山作用，產(chǎn)生堿性玄武巖和流紋巖以及海底拉斑玄武巖，它們有獨(dú)特的同位素比值和地球化學(xué)特征；③重力高；④在海洋，有時(shí)在大陸上，一維有時(shí)是二維無(wú)震脊，由熱點(diǎn)處向外延伸；⑤高熱流。這5個(gè)方面實(shí)際上指的是熱點(diǎn)的地形、巖石和地球化學(xué)、地球物理、

和地?zé)崃魈卣?。熱點(diǎn)在大洋環(huán)境中形成的火山島鏈（海山鏈），被稱之為熱點(diǎn)行跡，它們比周圍洋底高1-2km，形成一條長(zhǎng)1000-2000km的異常地形高地。海山鏈中的海山，稱之為洋島，它主要由拉斑玄武巖組成，又稱為洋島玄武巖（OIB）。火山島鏈中的最大或大規(guī)模噴發(fā)的火山洋島，往往直接稱之為熱點(diǎn)。大洋內(nèi)線狀排列的火山島鏈，是大洋巖石圈活動(dòng)板塊在上地幔中的熱點(diǎn)（固定熱地幔源區(qū)）之上運(yùn)動(dòng)所留下的痕跡。地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)1.熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出地幔柱作用于活動(dòng)板塊留下熱點(diǎn)軌跡示意圖地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)1.熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出夏威夷火山鏈火山的從

SE方向向NW方向逐漸增大板塊運(yùn)動(dòng)熱點(diǎn)固定夏威夷火山鏈地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出Morgan（1971，1972）進(jìn)一步提出太平洋中的熱點(diǎn)是一系列狹窄的熱隆起，并將其稱之為幔柱（Plume）。熱點(diǎn)被認(rèn)為是由稱之為“地幔柱”的地幔物質(zhì)上涌形成的。Morgan認(rèn)為地幔柱可能

于接近地核的地幔深處，由于熱不穩(wěn)定而上升，直徑約150km，移動(dòng)速度相對(duì)較小，為火山作用提供熱和火山物質(zhì)，是板塊移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。Morgan（1972）又 ，熱點(diǎn)是地幔隆升在地殼中的一種表現(xiàn)，是地幔柱上升的地點(diǎn)，認(rèn)為Wilson（1963）所指的固定熱地幔源區(qū)，實(shí)際上是一個(gè)產(chǎn)于地幔底部熱邊界附近的熱幔柱，把熾熱的圓筒狀巖石類物質(zhì)流，稱之為地幔柱（MantlePlume，或譯為地柱、熱點(diǎn)、地幔羽、熱縷、熱柱、熱幔柱、幔羽、幔柱、地幔熱柱、地幔熱流柱、地幔柱構(gòu)造等）。顯然，地幔柱思想的產(chǎn)生，最初 于熱點(diǎn)假說(shuō)。地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)1.熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出熱點(diǎn)與地幔柱的分類Wilson（1973）曾將熱點(diǎn)分為5類：①位于南

中脊和東太平洋隆起或其附近的熱點(diǎn)；②洋中脊其它部位的熱點(diǎn)；③與裂谷帶有關(guān)的年輕熱點(diǎn)；④可能固定于海底的年輕熱點(diǎn)；⑤已被掩蓋的老熱點(diǎn)。這5個(gè)類型基本概括了產(chǎn)于大陸和大洋兩個(gè)不同地殼環(huán)境中的熱點(diǎn)。地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)1.熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出地球的超級(jí)地幔柱示意圖（據(jù)Maruyama，1994）從的角度，

Maruyama等（1994）[丸山德茂]和Fukao等（1994）以核-幔界面（2900km）、上地幔底界（670km）、巖石圈底界（

100km

）深度為界，將地幔熱柱劃分為一、二、三次柱，這種分類體現(xiàn)了地幔柱的多級(jí)演化特征。從演化的角度，地幔柱又可分為4類：①初始階段的地幔柱；②上升階段的地幔柱；④柱；③作用于地殼的地幔階段的地幔柱。1.熱點(diǎn)和地幔柱概念的提出地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)按產(chǎn)出環(huán)境劃分按

深度劃分按演化階段劃分產(chǎn)于大陸地殼的熱點(diǎn)深源：2900km核-幔邊界初始階段的地幔柱上升階段的地幔柱產(chǎn)于大洋地殼的熱點(diǎn)淺源：670km不連續(xù)面作用于地殼的地幔柱階段的地幔柱熱點(diǎn)與地幔柱的分類地幔柱構(gòu)造學(xué)——一、熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因1熱點(diǎn)和地幔柱的一般特征Wilson（1963）歸納的熱點(diǎn)特征有：相對(duì)高的地形；火山噴發(fā)的拉斑玄武巖或堿性系列巖漿蓋帽的隆起；在某些熱柱上的重力高；無(wú)震海嶺或熄滅了的火山鏈；高熱流。隨著研究的深入，對(duì)熱點(diǎn)和地幔柱特征的描述更為具體，地幔柱的頭部也越來(lái)越大。據(jù)White等（1989）的歸納，熱點(diǎn)和地幔柱的一般特征有：2熱點(diǎn) 有一個(gè)狹窄（150～200km寬）的中心熱柱，它由溫度異常高的上地幔物質(zhì)組成；3上涌地幔流在板塊下散開(kāi)，形成一蘑菇狀頭部，其溫度比正常溫度高100～200℃；4蘑菇狀柱頭的直徑為1000～2000km；地幔柱引起的巖石圈上隆幅度可達(dá)1000～2000m。5地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)地幔柱的特征和成因流體力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)（Campbellet

al.，1990）表明，產(chǎn)生于地幔中的低粘度地幔柱，好像是著輸液管的上升的球形囊，也就是說(shuō)，地幔柱的最早階段是體積很大的柱頭的發(fā)育和上升。它一條狹窄的、可能長(zhǎng)期活動(dòng)的管道（柱尾），易漂浮的源物質(zhì)通過(guò)這條管道不斷補(bǔ)充到上升的柱頭中。地幔柱頭在通過(guò)地幔上升時(shí)，其直徑估計(jì)可達(dá)800～1200km。

于核—幔邊界的地幔柱頭上升至接近地表處，擴(kuò)展成一個(gè)熱物質(zhì)的圓盤（圖2-23），其直徑為1500～2500km，厚度達(dá)100～200km。這接近于幾個(gè)大陸溢流玄武巖區(qū)的大小。而

于650km

間斷面的地幔柱在地表擴(kuò)展的直徑僅達(dá)600km（Griffiths，1990）。圖2-23

初始地幔柱的實(shí)驗(yàn)（據(jù)Campbell

et

al.，1990）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因地幔柱作為板塊構(gòu)造的補(bǔ)充，是大陸動(dòng)力學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容；90年代以來(lái)是地球科學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域之一。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因（2）熱點(diǎn)或地幔柱的數(shù)目和分布根據(jù)摩根的看法，全球的熱點(diǎn)總共不過(guò)20～30個(gè)。這些熱點(diǎn)位于火山島鏈的活動(dòng)端，大洋脊頂附近，洋脊交匯處附近，還有的出現(xiàn)在三聯(lián)裂谷點(diǎn)附近。隨著熱點(diǎn)研究的深入，不但數(shù)目有所增加，位置亦有變化。Burke

et

al．（1976）所列的熱點(diǎn)（圖2-24）可能代表一種極限，因?yàn)楹髞?lái)Crough（1983）歸納幾個(gè)作者的結(jié)果，確定的全球熱點(diǎn)僅41個(gè)。圖2-24

全球熱點(diǎn)分布圖，至少包括了過(guò)去1000萬(wàn)年有過(guò)活動(dòng)的熱點(diǎn)（據(jù)Burke

et

al.，1976）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因地幔熱柱名稱產(chǎn)出位置及產(chǎn)物夏威夷（Hawaii）阿森松（Ascension）阿法爾（Afar）黃石（Yellow

Stone）冰島（Iceland）克爾格倫（Kerguelen）亞速爾（Azores）喀麥隆山（Mount

Cameroom）費(fèi)爾南多（Fernado）

圣海倫娜（St.Helena）詹瑪因（Jan

Mayen）路易斯維爾（Louisville）留尼汪（Reunion）峨眉（Emei）太平洋，夏威夷群島—非洲、阿森松島非洲，埃塞俄比亞洲，哥倫比亞—斯內(nèi)克河洲，冰島—格陵蘭脊南極洲，高斯貝爾格，

東非洲，喀麥隆線，費(fèi)爾南多，圣海倫娜歐亞，西伯利亞太平洋，翁通爪哇洋，留尼汪—莫里斯—德干峨眉山地球上主要的地幔熱柱地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因大型火成巖?。↙IP）是地幔柱巨大的“蘑菇”狀頂冠到達(dá)地表形成的。LIP的特點(diǎn)是成分上以基性巖為主，體積巨大，出露面積多數(shù)大于l×106km2，且這些熔漿主要在3Ma甚至<1Ma的短期內(nèi)噴發(fā)，其出露地區(qū)的地殼厚度一般也較大。按照LIP的出現(xiàn)位置，可進(jìn)一步分為位于大陸

的大陸溢流玄武巖、位于大陸邊緣的火山型

陸緣或位于大洋中的洋底高原。Griffith（1990）提出動(dòng)態(tài)地幔柱模式，認(rèn)為地幔柱的頭部對(duì)應(yīng)大型火成巖活動(dòng)省，而尾部對(duì)應(yīng)熱點(diǎn)。大陸溢流玄武巖的成分、同位素組成等由于地幔柱對(duì)地殼的交代而往往具較寬的范圍。峨眉山玄武巖的地球化學(xué)研究即表明，巖石圈地幔部分加入了當(dāng)時(shí)地幔柱的活動(dòng)。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因全球大型火成巖?。↙IP）分布圖地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因西伯利亞玄武巖?。涸徽J(rèn)為是最大規(guī)模的大陸溢流玄武巖，其覆蓋面積達(dá)2.5×106km2，體積2×106～3×106km3，且主要在（250±0.6）Ma內(nèi)噴發(fā)（Campbelletal.,1992）。最近識(shí)別出代表泛大陸在200Ma左右開(kāi)始裂解的中 火成巖活動(dòng)?。–AMP）（Marzoli

et

a1.,1999），其覆蓋面積更大，當(dāng)初達(dá)7×106km2。Ontong—Java洋底高原：面積>15×105km2、體積估計(jì)為（2400～6500）×104km3（可將 大陸覆蓋5km厚的一層）、形成時(shí)巖漿噴發(fā)速度高達(dá)8～22km3／a的Ontong—Java洋底高原無(wú)疑是目前發(fā)現(xiàn)的大洋環(huán)境內(nèi)最大規(guī)模的火山活動(dòng)事件（Tarduno

et

al.,1991）。峨眉山玄武巖：中國(guó)內(nèi)目前較公認(rèn)的地幔柱是二疊紀(jì)末形成的峨眉山玄武巖，其面積>25×104km2，當(dāng)時(shí)地幔柱中心在大理附近，該處火山巖層厚達(dá)5km。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)地幔柱的特征和成因在地貌上，當(dāng)?shù)蒯Ｖ^部上升至大陸下，在大規(guī)?；鹕交顒?dòng)前可使地表隆升多達(dá)1km左右，可產(chǎn)生直徑上百萬(wàn)米的穹隆，相應(yīng)的地表水系均表現(xiàn)為向穹隆邊緣流。Cox（1989）在了、德干高原等大陸溢流玄武巖后，進(jìn)一步提出這種特征地形和水系在地幔柱上升2億多年后仍能有所保存。在大洋中，受地幔柱／熱點(diǎn)影響的區(qū)域，大洋內(nèi)隆起幾百至上千米的火山島或洋底高原表明克爾格倫(Kerguelen)和Brokenridge等洋底高原最初噴出形成時(shí)都位于海平面之上，并在海面上接受了長(zhǎng)期的侵蝕后才逐漸下沉至現(xiàn)今深度；受地幔柱／熱點(diǎn)影響的洋中脊相應(yīng)高度也有抬升，如在冰島洋中脊已上升成島。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因（3）地幔柱的成因★地幔柱的成因和性質(zhì)問(wèn)題仍然是一個(gè)令人興奮的難題?！锏蒯Ｖ趺串a(chǎn)生？它們的根部在何處？它們是否與地幔對(duì)流體有關(guān)？它們的

有多長(zhǎng)？等問(wèn)題迄今仍有爭(zhēng)議。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因地幔柱怎么產(chǎn)生，源自何處？理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，地幔柱的產(chǎn)生要求地幔中存在一個(gè)高溫、低粘度的熱邊界層，其溫度要高出周圍地幔物質(zhì)的溫度300～400℃，粘度要比周圍地幔低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)高溫低粘度層具有極不穩(wěn)定的物理性質(zhì)，一旦受到某種熱擾動(dòng)，就會(huì)在浮力作用下呈柱狀上升。地幔中只有兩個(gè)符合這樣條件的邊界層，一個(gè)是上、下地幔之間的不連續(xù)面，其深度在650～700km；另一個(gè)是核—幔邊界附近的D″層。地幔柱是產(chǎn)生于這兩個(gè)邊界層，還是只產(chǎn)生于其中的一個(gè)？一些學(xué)者認(rèn)為，地幔柱只能來(lái)源于上、下地幔之間的熱邊界層，其理由是，上、下地幔是分層對(duì)流的，上、下地幔間的不連續(xù)面為一個(gè)化學(xué)界面，而不是相界面，即使核—幔邊界附近的D″層能夠產(chǎn)生地幔柱，它也無(wú)法穿過(guò)這個(gè)界面上升。所以，上升至地表的地幔柱只能產(chǎn)生于上、下地幔界面。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因地幔柱怎么產(chǎn)生，源自何處？多數(shù)學(xué)者則認(rèn)為，地幔柱來(lái)自核—幔邊界附近的D″層。其理由如下：①與洋中脊玄武巖和島弧玄武巖相比，大陸溢流玄武巖、洋底高原玄武巖和大洋島玄武巖等典型地幔柱成因的玄武巖常反映“富集型”地幔特點(diǎn)，而上地幔由于分異出地殼后常表現(xiàn)“虧損型”地幔化學(xué)組成，因此，地幔柱不可能來(lái)源于上地幔。②與大洋中脊玄武巖（MORB）相比，大洋島玄武巖（OIB）具有較高的3He/4He比值，表明地幔柱來(lái)源于地幔更深部位，反映原始地球形成物質(zhì)的特點(diǎn)。③理論模擬計(jì)算表明，如果地幔柱

于上地幔底部，那么，由地幔柱

出的熱量將占整個(gè)地球放熱的60％。而實(shí)際上，由地幔柱

的熱量?jī)H是整個(gè)地球放范圍剛好與地核

的熱量比例相近，說(shuō)明地幔熱的6％～10％。這個(gè)熱量柱來(lái)源于核—幔邊界附近。④理論模擬還表明，在所的上升速度范圍內(nèi)，從上、下地幔邊界起動(dòng)的地幔柱穿過(guò)上地幔這樣的距離，最多只能形成直徑為300km的球狀柱頭，而實(shí)際上許多地幔柱頭的直徑都超過(guò)1000～2000km。⑤上、下地幔間不連續(xù)面的性質(zhì)目前并不完全清楚，也有資料顯示其為相變界面而非化學(xué)界面。也有一些學(xué)者認(rèn)為，既有

于D″層的地幔柱，也有

于上、下地幔界面的地幔柱，前者柱頭大，后者柱頭小。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因地幔柱從D″層中如何起動(dòng)？Olson（1987）用計(jì)算機(jī)對(duì)核—幔邊界附近的D″層的穩(wěn)定性進(jìn)行二維對(duì)流模擬，結(jié)果表明，如果D″層受到某種局部熱擾動(dòng)，地幔柱就會(huì)以自激自勵(lì)的方式發(fā)育起來(lái)。Davies（1992）認(rèn)為，熱擾動(dòng)會(huì)使D″層物質(zhì)的粘度降低，流動(dòng)必增強(qiáng)，在熱梯度的驅(qū)動(dòng)下，所有受熱擾動(dòng)作用的高溫低粘度物質(zhì)會(huì)向熱邊界層最低處匯聚，并在那里形成地幔柱。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因地幔柱從D″層中如何起動(dòng)？導(dǎo)致熱擾動(dòng)的熱源，最早認(rèn)為來(lái)自放射性元素的衰變熱。因?yàn)橛酗@示，下地幔乃至D″的物質(zhì)組成并不均一。一些原始地球物質(zhì)堆積在地幔底部，并在那里保存了很長(zhǎng)時(shí)間。這些原始地球物質(zhì)具有較高的放射性含量。當(dāng)這些元素衰變時(shí)，就有可能在D″層中造成熱擾動(dòng)。但的學(xué)者則認(rèn)為，放射性元素的衰變熱不足以產(chǎn)生地幔柱。導(dǎo)致D″層發(fā)生熱擾動(dòng)的熱源很可來(lái)自地核一側(cè)的不均勻加熱作用。據(jù)估算，外核溫度高達(dá)3800K左右，而下地幔底部溫度為3000K左右，二者之間存在800K左右的溫度差。這樣，地核會(huì)不斷向地幔中熱量。由于原始地核物質(zhì)組成不均或其他某些因素，這種放熱作用在不同位置可能有所不同，從而產(chǎn)生熱擾動(dòng)，導(dǎo)致地幔柱的產(chǎn)生。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因C.地幔柱如何上升？早期的研究者認(rèn)為，地幔柱一旦起動(dòng)，就將快速穿過(guò)整個(gè)地幔和地殼上升至地表，并在較短的時(shí)間內(nèi)噴發(fā)，形成大規(guī)模玄武巖。近來(lái)的研究結(jié)果表明，即使地幔柱與周圍地幔物質(zhì)的粘度差達(dá)到104，其上升速度也是非常緩慢的。并且，地幔的實(shí)際粘度并非恒定，而是隨溫度降低呈指數(shù)增加，具有非牛頓流體性狀。在一個(gè)新啟動(dòng)的地幔柱上升過(guò)程中，隨著熱量的不斷散失和溫度的不斷降低，其上升速度會(huì)變得愈來(lái)愈慢。根據(jù)地幔具有非牛頓流體性狀模式估計(jì)，每個(gè)地幔柱的直徑僅為幾萬(wàn)米，年流通量也僅為17km3（Loper

et

al.，1983）。一些人過(guò)高估計(jì)地幔柱的規(guī)模和流通量，主要是為了使地幔柱上涌量能夠與地表所見(jiàn)熱異常和地形異常一致，而這些異?？赡苁堑蒯Ｖ龅絼傂詭r石圈后水平散開(kāi)所產(chǎn)生的熱暈，與地幔柱大小無(wú)直接關(guān)系。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)2.地幔柱的特征和成因C.地幔柱如何上升？一個(gè)新地幔柱在上升過(guò)程中其自身化學(xué)成分會(huì)發(fā)生一定變化。這種變化主要表現(xiàn)在地幔柱的頭部。柱頭在上升過(guò)程中，會(huì)不斷地加熱周圍地幔物質(zhì)，使其粘度降低，浮力增大，并與柱頭融合在一起上升。因而，柱頭不僅含有源區(qū)的化學(xué)成分，還含有捕獲的地幔物質(zhì)成分。相反，柱尾在上升過(guò)程中始終近于直立，基本不捕獲地幔物質(zhì)，其化學(xué)成分變化很小。這一結(jié)論已得到Griffiths

et

al.（1990）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。由此推斷，那些以苦橄質(zhì)或科馬提質(zhì)為特征的大洋島火山

鏈，可能是柱尾噴發(fā)形成的，代表源區(qū)物質(zhì)成分特點(diǎn)；大陸溢流玄武巖和大洋高原玄武巖是由柱頭噴發(fā)形成的，反映源區(qū)和周圍地?；瘜W(xué)成分的混合特征。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)3.地幔柱的地質(zhì)效應(yīng)熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)對(duì)板塊

火山和構(gòu)造活動(dòng)的解釋和對(duì)板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的描繪等，最初只是板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的一項(xiàng)重要補(bǔ)充。隨著地幔柱動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的增多和擴(kuò)展，熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)已逐漸成為獨(dú)立的地球動(dòng)力學(xué)假說(shuō)，甚至有可能發(fā)展成后板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)。除了作為板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)

制之外，一些研究者提出地幔柱的上沖力可以對(duì)地表進(jìn)行重新改造，形成地表的許多構(gòu)造。洋脊裂谷和擴(kuò)張的大洋盆地，就是由上地幔上升，然后呈側(cè)向支流向四周散開(kāi)形成的。對(duì)高原的解釋是地幔柱拱起并作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。班達(dá)海是地幔柱反時(shí)針旋轉(zhuǎn)下去所致。熱點(diǎn)似乎也是查明大陸垂直振蕩運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵?！颳hite

et

al.（1989）用地幔柱來(lái)解釋巖石圈的裂谷作用、巨大的大陸溢流玄武巖區(qū)和海底高原的產(chǎn)生。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)3.地幔柱的地質(zhì)效應(yīng)大洋火山（或熱點(diǎn)）鏈和大陸溢流玄武巖（CFB）大洋火山（或熱點(diǎn)）鏈和大陸溢流玄武巖（CFB）是向板塊構(gòu)造解釋的兩個(gè)突出現(xiàn)象。用熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)可以成功地對(duì)這兩種現(xiàn)象作出解釋：溢流玄武巖是通過(guò)新地幔柱頭部的熔融而形成的，大洋火山鏈則是通過(guò)長(zhǎng)期活動(dòng)的柱尾上升的熱物質(zhì)熔融形成的。依據(jù)地殼是經(jīng)過(guò)地幔柱頭之上還是尾之上，可以分出兩類地幔柱區(qū)（Hill

et

a1.，1992）：柱頭區(qū)，應(yīng)該是等軸狀的，直徑1500～2000km，如南非卡魯、西德干溢流玄武巖、西洋第三系區(qū)和西澳大利亞

Yilgarn地塊的晚太古宙花崗巖綠巖地體；柱尾區(qū)，火山作用和構(gòu)造作用被局限在一個(gè)寬不到300km的線狀窄帶內(nèi)，這就是熱點(diǎn)蹤跡區(qū)，如黃石地幔柱及夏威夷—天皇火山鏈。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)大洋玄武巖的分布地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)3.地幔柱的地質(zhì)效應(yīng)太古宙綠巖帶中的科馬提巖太古宙綠巖帶中的科馬提巖，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是與之伴生產(chǎn)出的拉斑玄武巖的早期堆積物。近年來(lái)的研究（Campbell

et

al.,，1992）表明，從MgO含量和同位素組成分析，科馬提巖不可能是玄武巖漿早期堆積物；太古宙綠巖帶中的玄武巖質(zhì)巖石與科馬提巖的成因也不同，前者來(lái)源于地幔柱頭部的減壓熔融，后者則來(lái)源于柱尾通道中的熔融物。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)3.地幔柱的地質(zhì)效應(yīng)太古宙綠巖帶中的科馬提巖科馬提巖和苦橄巖是地幔柱最熱部位的熔融產(chǎn)物，因此，對(duì)不同地質(zhì)時(shí)代無(wú)明顯地殼混染的科馬提巖和苦橄巖的研究可以獲得地幔柱源區(qū)物質(zhì)的性質(zhì)及演化。太古宙科馬提巖強(qiáng)烈虧損強(qiáng)不相容元

素，說(shuō)明太古宙巖漿源區(qū)為虧損地幔；多數(shù)元古宙苦橄巖富集強(qiáng)不相容元素，但元古宙地幔熱柱的源區(qū)既有富集組分，也有虧損組分。大多數(shù)顯生宙苦橄巖富集強(qiáng)不相容元

素。由此Campbell發(fā)現(xiàn)核幔邊界物質(zhì)存在這樣一個(gè)總的演化趨勢(shì)。3.5Ga時(shí)核幔邊界物質(zhì)是虧損地幔和弱虧損地幔的混合；2.7Ga

時(shí)以虧損地幔為主體；而0.5Ga至今主要由OIB型地幔和少量虧損地幔組成。迄今為止，尚無(wú)太古宙OIB

型巖漿的

。由此可見(jiàn)，地幔柱源區(qū)中出現(xiàn)大量OIB型物質(zhì)主要始于太古宙末（圖2）。圖2

各時(shí)代科馬提巖和苦橄巖的地球化學(xué)性質(zhì)和位于核幔邊界的地幔柱源區(qū)演化示意圖地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)地幔柱的地質(zhì)效應(yīng)洋中脊洋中脊是板塊構(gòu)造中新洋殼形成的地方，地幔柱則是地幔柱學(xué)說(shuō)中深部物質(zhì)上升的場(chǎng)合。雖然地幔柱的分布相對(duì)洋中脊是隨機(jī)的，一旦距離接近，兩者之間肯定可發(fā)生一定形式的作

用。Schilling（1991），地幔柱除了使受影響的洋中脊地形抬高外，還可影響洋脊的遷移、過(guò)渡性微板塊的發(fā)育和洋脊跳位的發(fā)生等。Small（1995）則詳細(xì)地

了南大洋中地幔柱與洋中脊相互作用的三種不同情況下（洋中脊向地幔柱移動(dòng)、洋中脊恰好在地幔柱之上或洋中脊移動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離地幔柱）各自不同的地形和巖漿活動(dòng)表現(xiàn)等。Mailer

et

a1.（1998）則提出洋中脊—地幔柱相互作用可引起不對(duì)稱的海底擴(kuò)張。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)3.地幔柱的地質(zhì)效應(yīng)地幔柱發(fā)生在大陸

可引起大陸地殼大規(guī)模的變質(zhì)作用和拉張、熔融、改造等（Hill

et

al.,1992）。地幔柱的活動(dòng)可導(dǎo)致大陸裂解成洋已眾所公認(rèn)，而發(fā)生在會(huì)聚板塊邊緣的地幔柱或其產(chǎn)物，如洋底高原，進(jìn)入俯沖會(huì)導(dǎo)致特殊的表現(xiàn)。前學(xué)者對(duì)中亞、東北亞地區(qū)眾多的環(huán)形構(gòu)造給予了較多的注意，認(rèn)為東亞大陸發(fā)育的直徑為2000～4000km的大型環(huán)狀地貌構(gòu)造和跨區(qū)域的線性斷裂帶，可能是深處地幔物質(zhì)上涌的熱動(dòng)力中心，是獨(dú)特的內(nèi)生構(gòu)造，對(duì)礦產(chǎn)、地貌、研究有重要意義（裴偉，1997）。馬拉庫(kù)舍夫（1999）認(rèn)為，一些含

石的古隕石坑實(shí)為來(lái)自熔融地核的高壓流體上升造成的環(huán)形爆發(fā)構(gòu)造。多布列佐夫（1998）認(rèn)為，歐亞大陸二疊一三疊紀(jì)呈現(xiàn)出的以數(shù)個(gè)大型克拉通盆地和呈環(huán)形圍繞克拉通盆地的大型巖漿活動(dòng)組成的格局正是地幔柱強(qiáng)烈活動(dòng)的反映。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.1熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)3.地幔柱的地質(zhì)效應(yīng)★Wilson和Morgan的認(rèn)識(shí)看法成為現(xiàn)今地幔柱構(gòu)造各種模式的理論基礎(chǔ)，包括：①地幔柱的根主要在深部地?；蚝?幔邊界（有一種意見(jiàn)認(rèn)為于不連續(xù)界面）；②當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)的地幔柱到達(dá)巖石圈底部時(shí)，地幔物質(zhì)的流動(dòng)變?yōu)樗椒较虿⒏飨驍U(kuò)散，形成具有火山活動(dòng)的熱點(diǎn)并可能使巖石圈凸起；③與地幔柱內(nèi)集中的上升流相平衡的回流，地幔物質(zhì)其余部分非常緩慢的向下運(yùn)動(dòng)來(lái)完成， 學(xué)者稱之為“冷幔柱”；④放射狀流體施加給巖石圈板塊的合力以及各板塊沿邊界相互制約產(chǎn)生的力，確定了板塊運(yùn)動(dòng)的方向。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)二、地幔柱構(gòu)造學(xué)大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)新假說(shuō)自Morgan（1971）提出地幔柱概念以來(lái)，對(duì)地幔柱的來(lái)源、性質(zhì)、數(shù)量、作用等已開(kāi)展了大量研究。其中，Davies（1977），Campbell

et

al.（1990，1992）和Davies

et

al．（1992）使用了地幔柱構(gòu)造這一術(shù)語(yǔ)；

Larson（1991b）提出了超地幔柱概念；Campbell

et

al.（1992）已涉及冷地幔柱問(wèn)題；Hill

et

al.（1992）已對(duì)地幔柱與板塊構(gòu)造的關(guān)系作了初步分析。本節(jié)所介紹的地幔柱構(gòu)造，是指以丸山茂德（Maruyama，1994）等層析成像、科學(xué)家在總結(jié)地幔柱研究成果基礎(chǔ)上依據(jù)壓實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬、地球的板塊構(gòu)造史和比較行星學(xué)的結(jié)果 一種新的大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)假說(shuō)。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)1.

大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)新假說(shuō)一些學(xué)者稱，地幔柱構(gòu)

說(shuō)是繼大陸漂移和板塊構(gòu)說(shuō)之說(shuō)是一種新的大地構(gòu)后人類認(rèn)識(shí)地球的第三次浪潮。從下述方面分析，可以認(rèn)為地幔柱構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)假說(shuō)。★與原有的熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)比較，下述兩個(gè)方面很明顯：首先，原有的熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)所涉及的地幔柱是小的，其作用只是熱點(diǎn)或板內(nèi)火山的潛在源，新假說(shuō)主要的是像太平洋和非洲這樣巨大的超地幔柱，它們的作用是影響從地核至地表的整個(gè)地球的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。其次，原有的地幔柱假說(shuō)所涉及的地幔柱只是熱地幔柱，新假說(shuō)則提出了冷地幔柱概念，使熱地幔柱和冷地幔柱構(gòu)成了現(xiàn)代地球的主要地幔對(duì)流形式，并且，冷地幔柱在地球最重要的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程中起著最基本、最主要的作用。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)1.

大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)新假說(shuō)★與板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)比較，下述三個(gè)方面也很明顯：第一，板塊構(gòu)造主要涉及地球巖石圈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，而地幔柱構(gòu)

說(shuō)則提供了一種解釋固體地球不同圈層間相互作用的動(dòng)力學(xué)框架；其次，板塊構(gòu)造主要假說(shuō)則主要

地幔板塊的水平運(yùn)動(dòng)，而地幔柱構(gòu)造的垂直運(yùn)動(dòng)；第三，板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)對(duì)發(fā)生在板塊邊界的現(xiàn)象能提出很好作出解釋，對(duì)遠(yuǎn)離板塊邊界的現(xiàn)象，如大洋火山鏈和大陸溢流玄武巖（CFB），則不能很好解釋，而地幔柱構(gòu)說(shuō)則能對(duì)火山鏈和大陸溢流玄武巖之類的現(xiàn)象作出很好解釋。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)1.

大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)新假說(shuō)地幔柱假說(shuō)，特別是其中的冷地幔柱概念的提出和追索板片行蹤所取得的認(rèn)識(shí)密切相關(guān)。從大洋中脊產(chǎn)生的板塊，渡過(guò)大洋，并從包圍大洋的海溝處

地幔深部。根據(jù)的分布可以了解下插板塊——板片的形狀。但是，由于670km以下的深部不發(fā)生片形狀的了解借助20世紀(jì)80年 發(fā)的，對(duì)地幔深部板層析成像方法才得以實(shí)現(xiàn)。層析成像結(jié)果的多樣性，導(dǎo)致對(duì)板片行蹤問(wèn)題也存在各種各樣的看法。一種認(rèn)為，板片不能潛入到下地幔；另一種則認(rèn)為，板片能夠潛入到下地幔；還有一種折衷的看法，認(rèn)為有的板片能潛入到下地幔，有的則不能。在670km深度，俯沖板片受到來(lái)自下述原因引起的強(qiáng)大阻力：①下地幔粘度增加；②由負(fù)克拉珀龍斜率引起的板片浮力；③相變吸熱。由這些原因引起的阻力，使板片近似水平地滯留在670km的不連續(xù)面上。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)新假說(shuō)板片在上、下地幔的界面附近會(huì)暫時(shí)滯留。滯留的板片隨時(shí)間生長(zhǎng)，并在其超過(guò)臨界體積時(shí)開(kāi)始塌陷。深尾良夫等（Fukaoet

al.,1994）的P波層析成像結(jié)果表明滯留的板片形態(tài)有下述四種類型（圖2-25）：①東北型：俯沖板片從地表連續(xù)至670km間斷面，并且，由于厚度增加部分板片已插人到670km間斷面的下面；②巽他型：板片從地表連續(xù)插人下地幔，達(dá)到1200km深度；③特提斯型：板片與上面不連續(xù)，一個(gè)大的塊體正在下沉至1000～1500km深度，它大致與從阿爾卑斯經(jīng)中東至喜馬拉雅地區(qū)的板塊邊界平行；④南極型：現(xiàn)代無(wú)活動(dòng)的俯沖板塊，在

670km處滯留的板片是100Ma前板塊俯沖造成的。圖2-25

滯留板片的四種形態(tài)（據(jù)Maruyama，1994）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)1.

大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)新假說(shuō)上述四種板片形態(tài)類型，揭示了板片俯沖、滯留和最終塌陷沉沒(méi)運(yùn)。如果假設(shè)熱點(diǎn)為不動(dòng)的地球深部坐標(biāo)軸，根據(jù)洋底

帶的年代分布，對(duì)全球板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)追溯復(fù)原至過(guò)去180Ma前，就可定量求得往地幔沉沒(méi)的板片位置和沉沒(méi)量。最近180Ma間，板塊沉沒(méi)的場(chǎng)所只局限在太平洋邊緣和特提斯（從地中海經(jīng)近東、喜馬拉雅一直到爪哇—蘇門答臘地區(qū)）兩個(gè)區(qū)域。環(huán)太平洋地區(qū)和特提斯地區(qū)700～1700km深度P波高速異常帶（圖2-26）與由計(jì)算所

的板片滯留地帶幾乎一致。圖2-26

700～1700km（上）和2600～2900km（下）深度的P波高速異常帶地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)大地構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)新假說(shuō)對(duì)過(guò)去180Ma間總長(zhǎng)8000～18000km的板塊沉沒(méi)區(qū)與地核正上方

2600

～2900km深度的高速異常帶（圖2-26）進(jìn)行比較，可得板塊沉沒(méi)量多少的排列順序?yàn)閬喼迻|部、

洲、喜馬拉雅、巽他、洲和南極。可以認(rèn)為，除了夏威夷和地區(qū)外，這一順序與P波層析成像所得到的分布大體上具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。在南美大陸之下接近700km處的高波速異常的水平長(zhǎng)度達(dá)到6000km，而在其外核正上方，沒(méi)有高波速異常帶（圖2-26）。南美的陸上地質(zhì)顯示俯沖開(kāi)始于450～400Ma，在這以前南美的西部陸緣是的。因而，可得出結(jié)論，南美大陸下的高波速異常帶相當(dāng)于在最后450Ma期間俯沖板片的體。俯沖板片最終塌落在地核表面上，形成冷地幔柱。追索板片俯沖至塌落的過(guò)程可以清楚看出，地幔柱構(gòu)造是立足于板塊構(gòu)造而又有別于板塊構(gòu)造的后板塊構(gòu)造學(xué)圖2-26

700～1700km（上）和2600～2900km（下）深度的P波高速異常帶地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱1

熱地幔柱熱地幔柱是由地幔熱物質(zhì)構(gòu)成的上升地幔柱。Fukao

（1994）的P波層析成像顯示，地幔柱有兩個(gè)來(lái)源，一是D″層，另一是400km深度的上地幔。來(lái)源于D″層的地幔柱又有兩種類型，一是超地幔柱，其底面直徑約為

5000km；另一為小地幔柱，其底面直徑小于500km。實(shí)際上，要嚴(yán)格地界定超地幔柱和一般地幔柱，或者地幔柱構(gòu)

說(shuō)和熱點(diǎn)—地幔柱假說(shuō)中所提的地幔柱是很困難的。本節(jié)僅

一些特定的超地幔圖2-23

初始地幔柱的實(shí)驗(yàn)（據(jù)Campbell

etal.，1990）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱南太平洋超地幔柱呈蘑菇狀坐落在下地幔的D″層上，在

2000km深度處呈圓柱狀，最小橫直徑約為1500km，并從這一深度向670km界面展開(kāi)成南北向延伸的橢圓形傘面。在上地幔內(nèi)，它分支成幾個(gè)小地幔柱。一個(gè)小地幔柱向北延

伸，并明顯地與夏威夷熱點(diǎn)相

連，而向南延伸的分支則通過(guò)路易斯維爾海嶺與南極上的埃里伯斯海山的火山熱點(diǎn)相接。那些小地幔柱會(huì)破裂入剛性板塊，把玄武巖熔體搬運(yùn)至地表。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱太平洋是由600～700Ma時(shí)岡瓦納古陸裂解產(chǎn)生的。開(kāi)裂點(diǎn)位于

、西伯利亞和澳大利亞大陸所限定的洋脊—洋脊—洋脊（RRR）型三聯(lián)點(diǎn)處（圖2-27）。根據(jù)大陸上的視極移曲線，估計(jì)這個(gè)三聯(lián)點(diǎn)當(dāng)時(shí)的古緯度為20°～30°S。這與目前南太平洋超地幔柱的緯度類似。據(jù)此推測(cè)在600Ma時(shí)存在太平洋超地幔柱，它相當(dāng)于現(xiàn)在的南太平洋超地幔柱。圖2-27

太平洋形成位置及其周圍450Ma后造山帶的發(fā)育（據(jù)Maruyama，1994）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱非洲超地幔柱是在200Ma時(shí)突然出現(xiàn)的，它使非洲大陸被裂解為岡瓦納大陸的一部分。與這個(gè)超地幔柱有關(guān)的幾個(gè)于核—幔邊界的地幔柱相繼出現(xiàn)在地表，形成一個(gè)地幔柱鏈，稱為中央泛大陸地幔柱鏈（圖2-28）。●中脊也許已由相連的一個(gè)地幔柱產(chǎn)生。地幔柱鏈似乎與沿泛大陸西緣發(fā)育的科迪勒拉造山帶平行，表明地幔柱來(lái)源于450Ma以來(lái)消減板片的

地。在北、中和南

正下方的外核上，較小的高速異?？赡苁沁@些板片的半同化的殘余物。圖2-28

泛大陸超級(jí)地幔柱鏈（據(jù)Maruyama，1994）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱超地幔柱的形態(tài)很復(fù)雜，丸山茂德（Mamyama，1994）經(jīng)過(guò)大膽的想象，將其簡(jiǎn)化為圖2-29所示形態(tài)。地幔柱從D″層上升并變細(xì)，到達(dá)地幔的中部后逐漸向670km深度擴(kuò)展。在670km深度處，地幔柱分成若干較小的二級(jí)地幔柱。它們?cè)诎鍓K底部后再次擴(kuò)展，并沿著板塊的斷裂或薄弱地區(qū)上升，地幔柱再次變細(xì)為三級(jí)地幔柱?，F(xiàn)在地球上的大約50個(gè)熱點(diǎn)，可用這些三級(jí)地幔柱來(lái)解釋。但是，目前對(duì)分支地幔柱的形態(tài)還不清楚，推測(cè)的部分居多。圖2-29

超級(jí)地幔柱的形狀及其地表顯示（據(jù)Maruyama，1994）（a）穿入一移動(dòng)板塊的各類上升地幔柱（b）超地幔柱的頸縮—膨脹構(gòu)造地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱2冷地幔柱冷地幔柱是由滯留在上、下地幔界面附近的板片構(gòu)成的下降地幔柱，是不保持剛性板塊形狀而以巨石狀下落的物質(zhì)移動(dòng)。丸山茂德（1994）根據(jù)P波層析成像結(jié)果認(rèn)為，在南太平洋和非洲存在兩大低波速異常帶，它們與地幔的兩個(gè)超上涌流相對(duì)應(yīng)；在中亞和東亞下部的外核上面，存在高波速異常，它是由大洋板片、滯留并最終塌落到外核上形成的，與地幔的超下降流相對(duì)應(yīng)。滯留板片下落到下地幔時(shí)，為了補(bǔ)償其下落部分，必然會(huì)從下地幔向上地幔產(chǎn)生上升的地幔柱。即從全局來(lái)看，冷的滯留板片的下落和熱地幔柱的上升必然是成對(duì)的現(xiàn)象。這樣，兩個(gè)超上涌流和一個(gè)超下降流就構(gòu)成了現(xiàn)代地球中主要物質(zhì)和熱對(duì)流的方式（圖2-30）。這個(gè)超下降流也就是所謂的超冷地幔柱。圖2-30

現(xiàn)代地球中主要的物質(zhì)和熱對(duì)流方式示意圖（據(jù)Maruyama，1994）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)超地幔柱根據(jù)晚古生代期間亞洲大陸的古地理重建圖丸山茂德等（1994）推測(cè)，在早一中二疊世期間，亞洲大陸還未形成，俄羅斯、西伯利亞、

、華北、華南、塔里木、印支等塊體和一些更小的塊體分散在目前亞洲的位置上。在這些克拉通塊體之間，存在一些消減板塊邊界，大洋板塊沿這些邊界曾發(fā)生過(guò)俯沖。在二疊一三疊紀(jì)期間，9個(gè)以上大陸碰撞合并在一起，在200Ma時(shí)形成了一個(gè)大的復(fù)合勞亞古陸。此后，俯沖帶移向東面和南面，成為亞洲的東緣和南緣。因而，二疊紀(jì)末是北半球上大陸重新組合的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)大陸從周圍形成超大陸時(shí)，在其超大陸下面必然蓄積有大量沉沒(méi)的板片。亞洲下面的超冷地幔柱，就是那時(shí)在670km深度附近的大量滯留板片塌陷到下地幔中形成的。一旦超冷地幔柱發(fā)育，上地幔內(nèi)的大規(guī)模地幔對(duì)流將受其強(qiáng)烈控制。漂浮在上地幔上的所有大陸都將朝向超冷地幔柱移動(dòng)，最終所有的大陸會(huì)集結(jié)在一起，在地表形成一個(gè)超大陸（圖2-31）。超冷地幔柱的

估計(jì)為400～500Ma。如果目前的板塊移動(dòng)再繼續(xù)250Ma，在亞洲陸核周圍就會(huì)形成一個(gè)超大陸。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱圖2-31

冷地幔柱數(shù)量的變化，超冷地幔柱的誕生及其意義（據(jù)Maruyama，1994）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱（3）地幔上涌或下降流的機(jī)制任何冷地幔柱本身或它生成的物理?xiàng)l件，是由來(lái)自地表的冷板塊的供給提供的。因此，地幔中冷地幔柱的類型、位置和大

小，取決于表面板塊構(gòu)造。板塊進(jìn)入地幔轉(zhuǎn)換帶有面狀和線狀兩種方式。（A）面狀供給一種大面積或大區(qū)域范圍內(nèi)供給大量板片的方式。地幔中的冷板片是通過(guò)地表俯沖板塊提供的。板塊的俯沖速度隨位置和時(shí)間變化。在過(guò)去150Ma期間，西特提斯域的俯沖板片量?jī)H為東特提域的1／5。最大數(shù)量的板片供給地是亞洲東緣的西太平洋俯沖帶。在過(guò)去300-200Ma期間，根據(jù)中亞是由此地帶內(nèi)的9個(gè)以上大陸碰撞、拼合形成的，可以推斷，在此時(shí)期會(huì)有大量板片滯留在亞洲大陸下，正是這些大面積的大量板片形成了一個(gè)超冷地幔柱進(jìn)入下地幔。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)2.

超地幔柱線狀供給一種沿條帶供給板片的方式，主要指冷板片沿俯沖板塊邊界連續(xù)不斷的供給。線狀供給可誘帶狀排列的冷地幔柱鏈。特提斯和環(huán)太平洋地區(qū)的板塊消亡地就是實(shí)例。當(dāng)一冷地幔柱接近核—幔邊界層時(shí)，邊界層上的低密度物質(zhì)被擠出其位置，在此位置附近，熱地幔柱被誘發(fā)生長(zhǎng)并持續(xù)。冷地幔柱擠壓核—幔邊界層的方式也有兩種：圍繞式擠壓：指圓形冷地幔柱鏈的擠壓作用。在核—幔邊界上，由于冷地幔柱的擠壓，在環(huán)繞冷地幔柱的一個(gè)大區(qū)域內(nèi)，會(huì)

大量低密度物質(zhì)，并在其中心產(chǎn)生一大的熱地幔柱。巨大的南太平洋超級(jí)地幔柱，可能就是過(guò)去450Ma以來(lái)環(huán)太平洋地區(qū)板塊消亡地帶的這種作用造成。帶狀擠壓：為線狀排列的冷地幔柱鏈的擠壓作用。在核—幔邊界上，線狀排列的冷地幔柱鏈的擠壓，會(huì)產(chǎn)生由低密度熱物質(zhì)構(gòu)成的平行帶，并由此形成一熱地幔柱帶或鏈。

泛大陸地幔柱鏈也許就是這種情況。它可能是由過(guò)去450Ma以來(lái)的西泛大陸板塊消亡地產(chǎn)生的。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)3.地幔柱構(gòu)造與板塊構(gòu)造和地核動(dòng)力作用的關(guān)系★地幔柱構(gòu)造的全稱應(yīng)為地幔柱大地構(gòu)造學(xué)，或地幔柱構(gòu)造學(xué)?！锇赐枭矫拢?994）的定義，地幔柱構(gòu)造是由地幔主要部分的幾個(gè)主要垂直地幔柱流控制的動(dòng)力學(xué)，是以支配地幔大部分領(lǐng)域的地幔柱垂直流作為物質(zhì)主要流動(dòng)形式的構(gòu)造學(xué)?！镞@幾個(gè)地幔柱流就是上述南太平洋和非洲的兩個(gè)超上涌地幔柱和中亞的一個(gè)超下降地幔柱。它們?cè)谡嫉蒯ｓw積3／4的地幔主要部分起支配作用，控制著地幔之上的熱作用和構(gòu)造再造等動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這種動(dòng)力學(xué)過(guò)程，稱為地幔柱構(gòu)造作用。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)3.地幔柱構(gòu)造與板塊構(gòu)造和地核動(dòng)力作用的關(guān)系1板塊構(gòu)造和地幔柱構(gòu)造之間的關(guān)系板塊構(gòu)造和地幔柱構(gòu)造的作用區(qū)域明顯不同。作為一剛性固體塊體起作用的區(qū)域，沿消減板塊邊界，淺于

670km；沿發(fā)散板塊邊界，淺于

150km。地幔柱構(gòu)造則在巖石圈下面的軟流圈和中圈內(nèi)起控制作用，地幔柱構(gòu)造作用還涉及地核。地幔柱構(gòu)造和板塊構(gòu)造是地球內(nèi)部物質(zhì)的兩種不同對(duì)流形式的反地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)3.地幔柱構(gòu)造與板塊構(gòu)造和地核動(dòng)力作用的關(guān)系板塊構(gòu)造與地幔柱構(gòu)造之間的關(guān)系表現(xiàn)為：在俯沖帶未發(fā)育時(shí)，板塊構(gòu)造受地幔柱構(gòu)造控制，如

就是由泛大陸超地幔柱鏈的上涌而張裂的，內(nèi)的板塊驅(qū)動(dòng)力可能是核—幔邊界成因的地幔柱（圖2-32）；當(dāng)俯沖帶發(fā)育時(shí)，板塊構(gòu)造就不受地幔柱構(gòu)造約束，如在北面有俯沖帶的洋和兩側(cè)都有俯沖帶的太平洋中，洋中脊與超地幔柱沒(méi)有關(guān)系。與這種變化相對(duì)應(yīng)，板塊運(yùn)動(dòng)發(fā)生了明顯變化，運(yùn)動(dòng)速率比洋和太平洋的板塊階段快5倍。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)3.地幔柱構(gòu)造與板塊構(gòu)造和地核動(dòng)力作用的關(guān)系在丸山茂德的地幔柱構(gòu)造學(xué)提出之前，Hilletal（1992）對(duì)地幔柱構(gòu)造作用和地幔柱與板塊構(gòu)造的關(guān)系也作了深入研討，認(rèn)為板塊構(gòu)造最終的驅(qū)動(dòng)力是地幔的熱損耗，而地幔柱似乎是由地核的熱損耗驅(qū)動(dòng)的。兩個(gè)邊界層按面積平均的熱通量?jī)H差3～4倍（核-幔邊界為

18～22mW／m2；地面熱流的地幔分量為74mW／m2），由于地幔的流變性與溫度有關(guān)，使它們的構(gòu)造表現(xiàn)如此不同。地核上的熱邊界層已降低其粘度，使地幔柱頭和柱尾得以產(chǎn)生，而冷的表面邊界層形成剛性板塊，它們呈片狀俯沖，并驅(qū)動(dòng)板塊尺度的對(duì)流。熱點(diǎn)和板塊邊界之間很弱的空間關(guān)系，表明這兩種對(duì)流模式基本上是獨(dú)立地進(jìn)行著。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)3.地幔柱構(gòu)造與板塊構(gòu)造和地核動(dòng)力作用的關(guān)系地幔柱與板塊之間至少存在某些相互作用。最明顯的例子是，溢流玄武巖的發(fā)育常常正好在大陸裂解之前，玄武巖噴發(fā)之后很快便有一個(gè)擴(kuò)張脊產(chǎn)生。地幔柱的上升本身并不能夠使現(xiàn)代地球產(chǎn)生大陸裂解，但是在板塊規(guī)模的運(yùn)動(dòng)適當(dāng)布局的情況下，上升地幔柱之上由上隆產(chǎn)生的多余水平偏應(yīng)力有時(shí)足夠大，或者會(huì)引起快速裂解，或者會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)張軸的移動(dòng)盡可能接近地幔柱中心。由地幔柱引起的洋脊跳位實(shí)例有：冰島地幔柱上升之后西洋的開(kāi)裂，留尼汪地幔柱到達(dá)后塞舌爾離開(kāi)的裂谷作用。如果大陸下上升地幔柱遠(yuǎn)離活動(dòng)的擴(kuò)張脊，擴(kuò)張可能被延遲，或者根本不再擴(kuò)張。因此，與板塊構(gòu)造相比，地幔柱構(gòu)造在地球形成和演化過(guò)程中，起著更重要的作用。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)3.地幔柱構(gòu)造與板塊構(gòu)造和地核動(dòng)力作用的關(guān)系2地核動(dòng)力作用和地幔柱構(gòu)造之間的關(guān)系根據(jù)大地水準(zhǔn)面模型導(dǎo)出的核—幔邊界地形圖顯示，地形起伏的總高度約3km（Hager etal.,1985），正的起伏出現(xiàn)在南非和南太平洋，而凹陷出現(xiàn)在中亞到北極和秘魯至南極。根據(jù)

PcP反射波，估計(jì)總起伏約11km，地形低和地形高出現(xiàn)的地方與據(jù)大地水準(zhǔn)面所得結(jié)果類似。核—幔邊界的這些隆起和凹陷的三維位置大致分別與地幔的超上涌和超下降一致。這顯示地幔柱構(gòu)造和地核動(dòng)力作用之間可能有一定關(guān)系。丸山茂德（1994）認(rèn)為，二者間的關(guān)系如下：在海溝處，俯沖板片暫時(shí)在670km深度，然后幕式地塌陷，向D″層提供冷物質(zhì)。因此，地核被每次板片的嵌入而間歇性地冷卻。與這種劇烈的致冷作用相應(yīng)，液核將會(huì)改變對(duì)流形態(tài)，以使新形成的不均勻熱結(jié)構(gòu)變均勻。由于外核是液態(tài)，核中的這種對(duì)流調(diào)整變化是瞬時(shí)的。地幔一側(cè)的溫度分布會(huì)是高度不均勻的，而地核一側(cè)的溫度結(jié)構(gòu)會(huì)被液體對(duì)流立即均勻化，以致通過(guò)核—幔邊界的熱流會(huì)是相當(dāng)不均勻的。這種不均勻的熱流分布觸發(fā)D″層的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生和發(fā)育地幔柱。因此，地核中的動(dòng)力作用是由下落的巨石，即冷地幔柱引起的，冷地幔柱也引起D″層的超上涌流。所以，地球動(dòng)力動(dòng)最基本、最重要和最本質(zhì)的原因是冷地幔柱。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)中白堊世的超地幔柱事件盡管地幔柱概念的提出者M(jìn)organ（1972）一開(kāi)始就用地幔柱來(lái)解釋大洋熱點(diǎn)火山鏈和大陸溢流玄武巖的成因，其后不少學(xué)者更廣泛地探討了地幔柱的各種地質(zhì)效應(yīng)，但

是，提出超地幔柱概念并探討其全球規(guī)模影響的當(dāng)屬Larson（1991）。Larson（1991）的工作對(duì)丸山茂德等學(xué)者后來(lái)

地幔柱構(gòu)說(shuō)無(wú)疑有著重大奠基作用，也為開(kāi)展地球整體動(dòng)力學(xué)和地球多圈層相互作用研究提供了一個(gè)好的范例。Larson（1991）稱中白堊世為“超地幔柱世”，在此期間作為超地幔柱地質(zhì)效應(yīng)的一系列全球性異常事件有（圖2-33）：圖2-33

磁極性倒轉(zhuǎn)地層、全球洋殼產(chǎn)生率、高緯度海面古溫度、長(zhǎng)期海平面升降、黑色頁(yè)巖沉積時(shí)間和全球石油資源在地質(zhì)年表上的綜合圖（據(jù)Larson，1991）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)中白堊世的超地幔柱事件地磁正極性超時(shí)中白堊世期間地磁場(chǎng)出現(xiàn)的長(zhǎng)期正極性事件，稱為白堊紀(jì)正極性超時(shí)（CNS）。在地質(zhì)歷史時(shí)期，地磁場(chǎng)的正、負(fù)極性頻繁地發(fā)生倒轉(zhuǎn)，長(zhǎng)期處于某一極性而不發(fā)生倒轉(zhuǎn)屬于異常事件。目前對(duì)地磁極性倒轉(zhuǎn)頻率變化的原因還存在爭(zhēng)議。普遍看法是：地磁極性倒轉(zhuǎn)頻率的變化與地幔對(duì)流時(shí)間尺度一致。對(duì)這種一致性的解釋有，其一是全球熱通量的變化驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)過(guò)程，這一過(guò)程又會(huì)改變地磁極性處于倒轉(zhuǎn)和穩(wěn)定過(guò)程的動(dòng)力學(xué)體系；其二是下地幔底部結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致地球不穩(wěn)定因素的出現(xiàn)。Larson

et

al（1991）得出，在過(guò)去150Ma期間，地磁極性倒轉(zhuǎn)頻率與地幔柱的活動(dòng)呈負(fù)相關(guān)。這一現(xiàn)象在CNS期間尤為顯著。中白堊世超地幔柱的噴發(fā)是突然開(kāi)始的，它與CNS的開(kāi)始時(shí)間一致。圖2-33

磁極性倒轉(zhuǎn)地層、全球洋殼產(chǎn)生率、高緯度海面古溫度、長(zhǎng)期海平面升降、黑色頁(yè)巖沉積時(shí)間和全球石油資源在地質(zhì)年表上的綜合圖（據(jù)Larson，1991）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)4.中白堊世的超地幔柱事件全球洋殼增生率陡增中白堊世全球大洋擴(kuò)張率異常高的現(xiàn)象，Larson

et

al（1972）在研究古地磁年表的M系列時(shí)即已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)確定的白堊紀(jì)地磁平靜期為110～85Ma。平靜期

帶寬度除以時(shí)間間隔，便可得出這一時(shí)期海底擴(kuò)張的速率（一側(cè)）：在太平洋—菲尼克斯板塊邊界為18cm／a，太平洋—法拉隆邊界為7～10cm／a，太平洋—庫(kù)拉邊界為5cm／a。這些擴(kuò)張速率都遠(yuǎn)比180Ma至今任何時(shí)期的值高。同樣，這一時(shí)期

的擴(kuò)張速率與其前后期比較，約為它們的2.5倍。Larson

etal（1972）將這種全球范圍的擴(kuò)張速率增大稱為“脈動(dòng)”。盡管按修改后的古地磁年表，這一異常期改為120～

80Ma，相應(yīng)的擴(kuò)張速率有所降低，但仍是各大洋擴(kuò)張速率的高值期（圖2-7）。圖2-7

古近紀(jì)晚期和新近紀(jì)幾條不同洋脊的半擴(kuò)張速度地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)中白堊世的超地幔柱事件全球洋殼增生率陡增在中白堊世時(shí)期，還產(chǎn)生了大量大洋高原，特別是在環(huán)太平洋地區(qū)。根據(jù)洋脊擴(kuò)張率的增加和大洋高原的分布計(jì)算地球大洋地殼的體積，得出過(guò)去150Ma大洋地殼生成率在120～80Ma期間增加了50％～75％（圖2-33）。過(guò)去150Ma的全球洋殼生成率，包括太平洋洋脊、岡瓦納洋脊（

和洋）和大洋高原三部分。圖2-33中非累積直方圖上的每一點(diǎn)表示1Ma生成的洋殼。圖2-33

磁極性倒轉(zhuǎn)地層、全球洋殼產(chǎn)生率、高緯度海面古溫度、長(zhǎng)期海平面升降、黑色頁(yè)巖沉積時(shí)間和全球石油資源在地質(zhì)年表上的綜合圖（據(jù)Larson，1991）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)4.中白堊世的超地幔柱事件C.古溫度升高和海平面上升圖2-33中的古溫度曲線，表示了高緯度（～50°）海面溫度的變化史。它由兩條曲線構(gòu)成，一條是 曲線，主要來(lái)自北太平洋海底有孔蟲(chóng)的δ18O研究結(jié)果，另一條是白堊紀(jì)曲線，主要來(lái)自西北歐箭石屬等的δ18O研究結(jié)果。深海中任何地方的水底溫度應(yīng)當(dāng)?shù)扔诟呔暥鹊暮Ｃ鏈囟?，所以兩條曲線是相容的。白堊紀(jì)的古溫度異常（溫度上升估算應(yīng)為6～14℃）與古地理效應(yīng)加上與超地幔柱有關(guān)的CO2排放效應(yīng)造成的溫度上升7.6～12.5℃有關(guān)。圖2-33中的海面升降曲線是一種“長(zhǎng)期”的海平面變化曲線。從晚阿普第期到土侖期海平面大約有125m的上升，也是洋殼生成率劇增的結(jié)果。但是，只用洋殼增生率的增加還不能解釋海平面系統(tǒng)中的所有變化。圖2-33

磁極性倒轉(zhuǎn)地層、全球洋殼產(chǎn)生率、高緯度海面古溫度、長(zhǎng)期海平面升降、黑色頁(yè)巖沉積時(shí)間和全球石油資源在地質(zhì)年表上的綜合圖（據(jù)Larson，1991）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)4.中白堊世的超地幔柱事件D.黑色頁(yè)巖沉積和全球石油資源劇增從巴列姆最晚期到桑托期地層內(nèi)黑色頁(yè)巖的主要沉積可進(jìn)行全球性對(duì)比（圖2-33）。該黑色頁(yè)巖沉積與洋殼產(chǎn)生和長(zhǎng)期白堊紀(jì)正磁極性時(shí)段的開(kāi)始有關(guān)。這些重要的黑色頁(yè)巖層位被認(rèn)為是大洋缺氧事件的標(biāo)志。黑色頁(yè)巖可能是由大洋殼生成量的增加而使養(yǎng)料及含碳量增多引起的。對(duì)阿普第期和森諾曼—土侖期的大洋缺氧事件可能更是如此。Irving

et

al（1974）得出，全球已知石油的60％是在阿爾布到土侖期（112～88Ma）生成的。圖2-33中石油資源峰值就與洋殼增生異常有關(guān)。在整個(gè)白堊紀(jì)，還有一個(gè)天然氣 的寬峰值帶，可能是由天然氣生成中類似的中白堊世異常引起的。Irving

et

al（1974）認(rèn)為，按

Larsonetal.1972）那時(shí)推測(cè)的洋脊擴(kuò)張率歷史，這種石油形成異常部分是由那個(gè)時(shí)期大洋殼大量產(chǎn)生的結(jié)果。大洋殼的脈動(dòng)通過(guò)幾種方式促進(jìn)石油（可能還有天然氣）的形成。圖2-33

磁極性倒轉(zhuǎn)地層、全球洋殼產(chǎn)生率、高緯度海面古溫度、長(zhǎng)期海平面升降、黑色頁(yè)巖沉積時(shí)間和全球石油資源在地質(zhì)年表上的綜合圖（據(jù)Larson，1991）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)中白堊世的超地幔柱事件由于洋殼擴(kuò)張率的陡增和超溫室效應(yīng)都是由超地幔柱引起的，中白堊世的黑色頁(yè)巖沉積和全球石油資源劇增也是超地幔柱作用的結(jié)果。（E）生物群體大量生物在三疊、白堊紀(jì)突然

的原因，一直是地學(xué)界和生物學(xué)界的重要爭(zhēng)論問(wèn)題之一。一般認(rèn)為，這是外來(lái)星體撞擊地球的結(jié)果。統(tǒng)計(jì)自250Ma以來(lái)大陸溢流玄武巖與生物群體

之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者密切相關(guān)。持外采星體撞擊說(shuō)的學(xué)者認(rèn)為，正是外來(lái)星體的撞擊，導(dǎo)致地幔大量熔融和火山作用發(fā)生，進(jìn)而致使全球干化和生物

。外來(lái)星體撞擊說(shuō)的學(xué)者則認(rèn)為，巨大的外來(lái)星體撞擊，其影響最多波及到上地幔，而三疊、白堊紀(jì)大量溢流玄武巖具有下地幔的地球化學(xué)特征，是地幔柱引起的。Larson（1991b）則認(rèn)為，是白堊紀(jì)超地幔柱的強(qiáng)烈活動(dòng)造成玄武巖火山作用廣泛發(fā)生，使全球氣候劇變，導(dǎo)致大量生物

。圖2-33

磁極性倒轉(zhuǎn)地層、全球洋殼產(chǎn)生率、高緯度海面古溫度、長(zhǎng)期海平面升降、黑色頁(yè)巖沉積時(shí)間和全球石油資源在地質(zhì)年表上的綜合圖（據(jù)Larson，1991）地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)4.中白堊世的超地幔柱事件生物群體Vaughan（1995）通過(guò)對(duì)中白堊世環(huán)太平洋地區(qū)一系列構(gòu)造事件的研究得出，超地幔柱驅(qū)動(dòng)的洋脊推力可解釋許多被認(rèn)為無(wú)關(guān)系的中白堊世環(huán)太平洋構(gòu)造事件。這些事件包括：弧抬升（如加勒比和

）、蛇綠巖仰沖脈動(dòng)（如巴塔哥尼亞、

和中國(guó)）或地體增生（如加里福尼亞、俄羅斯東北部）、增生柱內(nèi)變質(zhì)程度增加（如）、弧后盆地閉合（如巴塔哥尼亞），以及隨洋殼的俯沖而形成加勒比海。中白堊世超地幔柱只是核—幔邊界非周期性熱長(zhǎng)期歷史中的一次，在更早的地質(zhì)歷史時(shí)期中還應(yīng)當(dāng)存在這類事件。根據(jù)古地磁極性資料還可以推斷，在賓夕法尼亞紀(jì)—二疊紀(jì)以及早古生代的晚泥盆世、中奧陶世和寒武紀(jì)，均有可能出現(xiàn)超地幔柱?，F(xiàn)代的外核大小和地表熱流表明，地球的構(gòu)造活動(dòng)未來(lái)還有很長(zhǎng)時(shí)期，下一個(gè)超地幔柱可能會(huì)在未來(lái)

的地質(zhì)時(shí)期出現(xiàn)。因此，對(duì)超地幔柱及其地質(zhì)效應(yīng)還應(yīng)作更深入的研究。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)5.對(duì)威爾遜旋回的解釋根據(jù)板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)對(duì)威爾遜旋回每個(gè)階段的解釋，沒(méi)有提供關(guān)于所有大陸為什么會(huì)

在一起形成超大陸的滿意推理。丸山茂德（Maruyama，1994）在地幔柱大地構(gòu)造學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)威爾遜旋回作了如下的重新解釋：圖2-34

幔柱構(gòu)造學(xué)對(duì)威爾遜旋回的解釋示意圖地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)圖2-34

幔柱構(gòu)造學(xué)對(duì)威爾遜旋回的解釋示意圖對(duì)威爾遜旋回的解釋超大陸是因超級(jí)地幔柱的上涌而裂開(kāi)的（圖2-34a）。分離出的大陸隨時(shí)間移動(dòng)到超大洋內(nèi)，并任意散布在其中。在大陸分散期間，俯沖帶在地球表面相當(dāng)任意地發(fā)育。它們提供冷物質(zhì)（板塊）進(jìn)入地幔，成為位于670km深度處的停滯巖塊。那些冷物質(zhì)適時(shí)地發(fā)生周期性重力塌陷，在下地幔形成任意分布的下降流。一旦吞沒(méi)了較小規(guī)模冷地幔柱的巨大而規(guī)則的下降流形成，所有大陸巖石圈就會(huì)朝冷地幔柱移動(dòng)，形成一超大陸，如

200Ma前勞亞古陸的情況，并且，俯沖帶將環(huán)繞此超大陸發(fā)育，最后形成一條位于超大陸旁的鏈。由于停滯巖塊具有隨時(shí)間下沉的趨勢(shì)，在超大陸核部可產(chǎn)生巨大的克拉通沉積盆地（圖2-34 b）。下沉巖塊擠壓的結(jié)果，一條熱超地幔柱可在超大陸的核部發(fā)育（圖2-34c）。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.2

地幔柱構(gòu)造學(xué)對(duì)威爾遜旋回的解釋威爾遜旋回可分為早期和晚期兩個(gè)階段：早期階段的特點(diǎn)是下地幔內(nèi)任意分布有地幔柱；晚期階段的特點(diǎn)是下地幔中只有一個(gè)超冷地幔柱，所有大陸巖石圈都被移動(dòng)直至被吞沒(méi)于其中。地幔柱的活動(dòng)是幕式的。根據(jù)地球的顯生宙歷史判斷，一個(gè)威爾遜旋回可能約需800Ma。然而，如果地球上1.9Ga的勞倫古陸，1.5Ga的無(wú)名超大陸，1.0Ga的羅迪尼亞（Rodinia）古陸和0.6～0.7Ga的岡瓦納古陸都是真正的超大陸，那么，一個(gè)威爾遜旋回的時(shí)間長(zhǎng)度在元古代約為400Ma。在顯生宙它可能變得更長(zhǎng)。圖2-34

幔柱構(gòu)造學(xué)對(duì)威爾遜旋回的解釋示意圖地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.3

地球整體構(gòu)造學(xué)三、地球整體構(gòu)造學(xué)★地球整體構(gòu)造學(xué)是熊澤峰夫和丸山茂德（Kumazawa

eta1.，1994）

。原文為Wholeearthtectonics，它涉及的空間為從地表至地核，時(shí)間是從地球誕生至今，考慮到譯為全球構(gòu)造會(huì)與板塊構(gòu)造的別稱相混，故譯為地球整體構(gòu)造?！锔鶕?jù)追溯到40億年前的地質(zhì)和比較行星學(xué)研究結(jié)果，迄今為止對(duì)地球所能識(shí)別的主要構(gòu)造類型如圖2-35所示，有生長(zhǎng)構(gòu)造、地幔柱構(gòu)造和板塊構(gòu)造，作為行星的地球最終將進(jìn)入收縮構(gòu)造和最終構(gòu)造階圖2-35

地球整體構(gòu)造示意圖（據(jù)Kumazawa

et

al.，1994）Whole

Earth

Tectonics地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.3

地球整體構(gòu)造學(xué)圖2-36

地球生長(zhǎng)構(gòu)造階段形成的成層結(jié)構(gòu)

（據(jù)Kumazawaet

al.，1994）在地球的生長(zhǎng)構(gòu)造階段形成了成層結(jié)構(gòu)（圖2-36）。對(duì)早期地球而言，生長(zhǎng)構(gòu)造期推斷為10Ma或更短。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.3

地球整體構(gòu)造學(xué)圖2-37

行星從生長(zhǎng)構(gòu)造經(jīng)地幔柱構(gòu)造、板塊構(gòu)造、收縮構(gòu)造到達(dá)終端構(gòu)造的構(gòu)造演化示意圖（據(jù)Kumazawa等，1994）SBL為星球表面邊界層；MBL為環(huán)繞上、下地幔邊界的地幔邊界層地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.4

地幔柱學(xué)說(shuō)與

陸深部研究四、地幔柱學(xué)說(shuō)與陸深部研究由于地幔柱理論涉及到地球深部結(jié)構(gòu)，又獨(dú)立于板塊構(gòu)造理論，與地幔柱活動(dòng)密切相關(guān)的LIPs中玄武巖本身包含了許多有關(guān)地幔組成、時(shí)空演化和能量轉(zhuǎn)換的重要信息，而且地幔柱活動(dòng)與一系列重大地質(zhì)事件（如大火成巖省，生物

，磁極倒轉(zhuǎn)和大型礦產(chǎn)資源的形成）之間的密切關(guān)系。因此，地幔柱和LIPs研究成為國(guó)際深部地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。雖然地幔柱研究在我國(guó)起步較晚，但已逐漸被借鑒用于解釋我國(guó)特有的地質(zhì)現(xiàn)象。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.4

地幔柱學(xué)說(shuō)與

陸深部研究1、峨眉山玄武巖巖漿活動(dòng)與二疊紀(jì)全球事件分布于西南三省（云南、

和

）揚(yáng)子克拉通西緣的晚二疊世峨眉山玄武巖，出露面積2.

5×105km2，是我國(guó)唯一被國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)可的大火山巖省。一般認(rèn)為該火成巖區(qū)的西界為哀牢山—紅河斷裂，西北界則為龍門山—小菁河斷裂。但是在羌塘板塊、思茅盆地和越南北部發(fā)現(xiàn)有峨眉山玄武巖，另外，有一些超鎂鐵質(zhì)/鎂鐵質(zhì)至長(zhǎng)英質(zhì)侵入巖體。其中，超鎂鐵質(zhì)和鎂鐵質(zhì)巖體和大型礬鈦磁鐵礦相共生。鉆孔發(fā)現(xiàn)東南部和東北部也有隱伏玄武巖，一般認(rèn)為它們與出露玄武巖同期。這說(shuō)明峨眉山玄武巖省的初始覆蓋面積遠(yuǎn)大于現(xiàn)在的殘留面積。該火山巖省的西延部分因后期構(gòu)造事件而被“”。在云南西南部和越南境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的二疊紀(jì)玄武巖就是印支板塊沿哀牢山—紅河斷裂帶的大規(guī)模側(cè)向擠出的結(jié)果。地幔柱構(gòu)造學(xué)——4.4

地幔柱學(xué)說(shuō)與

陸深部研究峨眉山火山巖區(qū)巖層西厚東薄，如在云南賓川上倉(cāng)（西區(qū)），玄武巖層厚達(dá)5000多m，而往東（ 境內(nèi)），玄武巖厚度僅為幾十至幾百m。野外觀察表明，巖體不整合于早二疊茅口組上，因此，其噴發(fā)

應(yīng)該等于或小于龍?zhí)督M（253～258Ma）。Zhou

等（2002）石

SHRIMP

U-Pb新街巖體的鋯為256

～258Ma，而噴出巖的40Ar/39Ar

為40

39251～253Ma。由于

Ar/ Ar年代學(xué)工作主要集中在采自火山巖剖面上部，而底部巖石至今尚無(wú)系統(tǒng)的年代學(xué)成果，因此侵入巖和噴出巖之間的成因關(guān)系尚待進(jìn)一步論證，所以目前尚無(wú)法了解峨眉山玄武巖的噴發(fā)速率。但是，對(duì) 都格剖面的古地磁研究表明峨眉山玄武巖的噴發(fā)時(shí)間小于1

Ma。1、峨眉山玄武巖巖漿活動(dòng)與二疊紀(jì)全球事件GanzeChengduKunmingDaliEmeishan0100200

km25100105OENSGICSCB(

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