第三章-地幔對流和地幔動力學(xué)分解

第三章-地幔對流和地幔動力學(xué)分解第一頁，編輯于星期日：點七分。第1頁，共34頁。本世紀(jì)初，魏格納的大陸漂移假說震撼了整個地球科學(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)，論證了我們這個行星的幾個大陸在兩億年前曾經(jīng)是一個古大陸，后來被分裂、漂移，形成了現(xiàn)代的格局。但當(dāng)時大陸漂移學(xué)說卻面臨絕境，因為沒有人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、地幔對流假說的科學(xué)依據(jù)及對流模型第二頁，編輯于星期日：點七分。第2頁，共34頁。然而，30年代物理學(xué)家霍姆斯提出的地幔對流作為一個地球物理學(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)造這個革命性的理論對于人類認(rèn)識自然的影響可以和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)和相對論相提并論。

1、地幔對流假說的科學(xué)依據(jù)及對流模型第三頁，編輯于星期日：點七分。第3頁，共34頁。地幔作為地球結(jié)構(gòu)中最大的部分，成為研究中一個最重要環(huán)節(jié)。研究地幔對流在地幔中運行的模式，探討它對地殼、巖石圈構(gòu)造、運動，和對地核物質(zhì)運動的影響，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、地幔對流假說的科學(xué)依據(jù)及對流模型第四頁，編輯于星期日：點七分。第4頁，共34頁。科學(xué)的發(fā)展和地球科學(xué)家們長期的努力，至少可以從四個方面去證實地幔對流的存在。

第一，無論從地質(zhì)時間尺度去估計，還是從現(xiàn)在大地測量的數(shù)據(jù)，都證實了板塊運動是一個客觀的存在。從古地磁極的軌跡；大洋中脊磁條帶異常；相對于熱點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)造運動的方向及速率（MinsterandJordan1978；DeMetsetal，1990）。所以板塊運動本身證明了地幔對流的存在，而且它是全球規(guī)模的。1、地幔對流假說的科學(xué)依據(jù)及對流模型第五頁，編輯于星期日：點七分。第5頁，共34頁。第二，觀測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動必定需要一個可流動的地幔的支持，以填補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)流動的可能。

1、地幔對流假說的科學(xué)依據(jù)及對流模型

第六頁，編輯于星期日：點七分。第6頁，共34頁。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，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；Suetal，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1000－1500km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，這難道不是威爾遜循環(huán)的另一半嗎？1、地幔對流假說的科學(xué)依據(jù)及對流模型第七頁，編輯于星期日：點七分。第7頁，共34頁。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、上地幔670km間斷面，甚至核幔邊界。顯然是流動的地幔將這些物質(zhì)帶至地表?？傊?，現(xiàn)代已有足夠的證據(jù)證明地幔對流的存在

1、地幔對流假說的科學(xué)依據(jù)及對流模型第八頁，編輯于星期日：點七分。第8頁，共34頁。固體的地幔是否可能對流這一根本性的問題一直是地學(xué)家們最為關(guān)注的。因為科學(xué)家們從不希望把自己的研究建立在一個毫無物理依據(jù)的虛幻之上。物理學(xué)的法則告訴我們，重力場中熱對流之所以能夠存在，必須具備以下三個條件：l）組成系統(tǒng)的物質(zhì)必須“軟”到“足以流動”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流進(jìn)行。以下將就此三方面的問題作一簡要地討論。2、地幔物質(zhì)發(fā)生對流的物理背景第九頁，編輯于星期日：點七分。第9頁，共34頁。2.1地幔粘滯性地震學(xué)強(qiáng)有力地證明：地幔處于固體狀態(tài)，因為它允許縱波（P）和橫渡（S）通過。然而，實驗物理學(xué)同時還證明：一個物體的力學(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)，同時還與加載力的持續(xù)時間有關(guān)。實驗及觀察都得出同一結(jié)論：地幔足夠的軟，容許對流存在。另外，固體物理學(xué)的理論和實驗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)生對流的物理背景第十頁，編輯于星期日：點七分。第10頁，共34頁。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，而地幔對流卻與地幔熱狀態(tài)直接有關(guān)。因為地幔熱狀態(tài)不僅決定對流是否可能發(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)時發(fā)現(xiàn)，在下地幔的頂部，即670km深度左右的區(qū)域可能有500－700K的溫度跳躍，可能存在一個熱邊界層；2、地幔物質(zhì)發(fā)生對流的物理背景第十一頁，編輯于星期日：點七分。第11頁，共34頁。2.3地幔熱生成Davies（1980）根據(jù)地球表面熱流測量結(jié)果估算了全球熱流約為4.1×1013W，Sclater等（1980，1981）估算出地球總熱量為4.2X1013W。在地球總熱量中約有0.45－0.65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0.65－0.85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流的主要能源。2、地幔物質(zhì)發(fā)生對流的物理背景第十二頁，編輯于星期日：點七分。第12頁，共34頁。

2.4相變地震波觀測表明，在410km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，自然也會直接影響依賴于物質(zhì)性質(zhì)的對流的格局。

2、地幔物質(zhì)發(fā)生對流的物理背景第十三頁，編輯于星期日：點七分。第13頁，共34頁。

☆對流穩(wěn)定性分析表明，對流可分受迫對流和自由熱對流。所謂受迫流動意為流體在邊界運動或者外部壓力驅(qū)動下的流動，例如管道中液體的流動，河流的流動或者飛機(jī)附近氣體相對于機(jī)體的流動等。而熱對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而產(chǎn)生的流體質(zhì)量分布擾動，從而在重力場作用下產(chǎn)生自由對流。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)受迫對流的例子。3.外部力驅(qū)動下的地慢物質(zhì)流動第十四頁，編輯于星期日：點七分。第14頁，共34頁。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）的動力學(xué)響應(yīng)。觀測表明，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，冰蓋在很短時間內(nèi)消退，大約在公元前5000年時（加拿大則為公元前4500年），冰蓋完全消失，此時原冰蓋以下的地殼開始回升，同時由于冰雪消融使得附近的海平面升高。3.外部力驅(qū)動下的地慢物質(zhì)流動第十五頁，編輯于星期日：點七分。第15頁，共34頁。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)觀測至少可以從三個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，那么俯沖板塊的角度應(yīng)當(dāng)接近90°左右。

3.外部力驅(qū)動下的地慢物質(zhì)流動

第十六頁，編輯于星期日：點七分。第16頁，共34頁。3.2俯沖板塊的角度問題

這與觀測結(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。作為一個模型可以用地幔物質(zhì)流動來討論俯沖板塊下插入“可流動”的地幔中產(chǎn)生的對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)動下的地慢物質(zhì)流動

第十七頁，編輯于星期日：點七分。第17頁，共34頁。作用于俯沖板上的力示意圖（據(jù)TurcotteandSchubert,1982）

3.外部力驅(qū)動下的地慢物質(zhì)流動

3.2俯沖板塊的角度問題

第十八頁，編輯于星期日：點七分。第18頁，共34頁。地幔中可能存在五種形態(tài)的對流：1）全地幔對流；2）上地幔對流；3）層狀對流；4）D”層中極小尺度對流；5）熱柱對流?！钌鲜鲂螒B(tài)的對流都將影響地球表面的運動和構(gòu)造。

4、地幔對流的結(jié)構(gòu)模型

第十九頁，編輯于星期日：點七分。第19頁，共34頁。地幔柱作為地幔熱動力系統(tǒng)的一個單元，在地幔熱動力學(xué)和巖石圈動力學(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動的驅(qū)動力；2）與全球板塊運動相比較，地幔熱柱可以看作為一個不動的或極緩慢運動的系統(tǒng)，可構(gòu)成一個不動的參考框架去描述板塊絕對運動；3）因為地幔柱中物質(zhì)垂直運動的速度比周圍地慢運動速度快得多，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）地幔柱的活動是連續(xù)的，但是在地質(zhì)時間尺度上它又具有一定的間歇性，這可以用以解釋熱點軌跡分布的圖象。

4、地幔對流的結(jié)構(gòu)模型

第二十頁，編輯于星期日：點七分。第20頁，共34頁。目前對D”層的認(rèn)識：l）D”層為一個厚度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流的下熱邊界層；3）在D”中熱傳導(dǎo)是主要的熱輸運機(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、地幔對流的結(jié)構(gòu)模型

第二十一頁，編輯于星期日：點七分。第21頁，共34頁。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，在地球表面運行了近億年的海洋巖石圈板塊由于冷卻的作用變得堅硬而致密。當(dāng)它在重新返回地幔時其內(nèi)部這一性質(zhì)將保持很長的時間，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、地慢對流、板塊運動及俯沖帶的演化第二十二頁，編輯于星期日：點七分。第22頁，共34頁。當(dāng)俯沖板塊作為對流的一個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冷而致密的特征。

5、地慢對流、板塊運動及俯沖帶的演化第二十三頁，編輯于星期日：點七分。第23頁，共34頁。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體，如虧損大洋中脊玄武巖的地幔源儲體（DM）和洋島玄武巖儲體（UIB）等。地幔對流顯然對地幔的不均勻起控制作用，因為只有對流才是一種可靠的攪拌器。它的作用使一個不均勻的地幔趨于均勻化。然而對于地球而言，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，必定有一個比現(xiàn)代板塊運動所顯示的更高效的對流系統(tǒng)存在于地幔早期混合的歷史之中。

6.地幔對流和地幔物質(zhì)的混合第二十四頁，編輯于星期日：點七分。第24頁，共34頁?，F(xiàn)在地球科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識到，大陸區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和運動受著深部動力學(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都和板塊構(gòu)造沒有很明顯的關(guān)系。這些火山活動區(qū)域稱之為熱點，就像夏威夷、冰島、黃石、加拉帕戈斯和留尼旺這樣的熱點，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)運動及全球氣候變化第二十五頁，編輯于星期日：點七分。第25頁，共34頁。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)性巖體構(gòu)造，使得大陸遭到破壞，同時也可能改變?nèi)虬鍓K運動的格局。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。因為火山噴發(fā)對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)運動及全球氣候變化第二十六頁，編輯于星期日：點七分。第26頁，共34頁。盡管人們對于深部活動所產(chǎn)生的構(gòu)造運動以及產(chǎn)生的全球氣候和自然環(huán)境變化的認(rèn)識還很粗糙，但是我們至少已經(jīng)意識到深部過程對于人類生存的環(huán)境產(chǎn)生了不可忽視的影響。地幔對流已經(jīng)成為地幔動力學(xué)一個重要的組成部分，詳細(xì)地研究對流以及影響將在未來地球動力學(xué)研究中起到關(guān)鍵的作用。

7.熱柱、地慢物質(zhì)運動及全球氣候變化第二十七頁，編輯于星期日：點七分。第27頁，共34頁。地幔柱的識別有四種標(biāo)志可用來確定地幔柱活動：Komattites,floodbasalts,massivemaficdikeswarmsandlayeredigneousintrusions（IsleyandAbbott,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（IsleyandAbbott,2002）。

7.熱柱、地慢物質(zhì)運動及全球氣候變化第二十八頁，編輯于星期日：點七分。第28頁，共34頁?！畛Ｖc幔柱之間區(qū)別Condie（2001）把超幔柱定義為幔柱直徑為1500-3000km之間，噴發(fā)體積為5×106km3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-Mgrocksascharacteristicsofsuperplumeevent，代表超幔柱活動的現(xiàn)代溢流玄武巖層序中有一半含有MgO＞18%的巖石（cf.IsleyandAbbott,2002）溢流玄武巖:＞410,000km2為superplumeevent。Maficdike:＞70mwidth為superplumeevent，＜70mwidth為“normal”plumeevent。Superplumelayeredintrusionswithhigherplatinumgroupelement;

7.熱柱、地慢物質(zhì)運動及全球氣候變化第二十九頁，編輯于星期日：點七分。第29頁，共34頁。地幔柱地質(zhì)過程（Ernstetal.,2001,Condie,2001）1、上升作用(Swellandsuperswell）；2、大陸規(guī)模水系型式；3、三聯(lián)點裂谷作用；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)運動及全球氣候變化第三十頁，編輯于星期日：點七分。第30頁，共34頁。

在地質(zhì)時期，超級地幔柱事件是相當(dāng)普遍的，其與板塊構(gòu)造共同為前寒武紀(jì)地殼演化和盆地的發(fā)展