综述地幔柱构造

综述地幔柱构造1地幔柱构造理论的形成与提出板块构造理论在解释地球上岩浆活动的分布规律时取得了空前的成功。例如，洋中脊玄武岩是在板块离散边界软流圈被动上升过程中经减压熔融而成，而在会聚板块边界，大洋岩石圈的俯冲作用导致上地幔的交代和熔融，形成特征的火山弧岩浆作用。板块边界概念可以解释地球上绝大部分的岩浆产出，但在解释板内岩浆的成因时往往显得力不从心，尽管这些岩浆的体积只占地球岩浆总量的2%。热点和热柱的观点正是在解释板内岩浆作用，特别是呈链状分布的火山作用时提出的。Wilson（1963）对夏威夷-皇帝洋岛火山链经过研究后，他提出洋岛火山链是由大量岩浆组成的固定的热地幔区在活动的地球表层上形成的；后来经Morgan（1972）正式提出地幔柱这一概念，他指出Wilson所谓的固定的热地幔区是产生于核/幔边界的一个地幔柱，在地表表现为热点（hotspot）.Morgan进一步推测地幔柱是由地幔对流体系中的上升流构成。这些认识构成了地幔柱学说的雏形。同板块构造理论诞生的曲折历史相比，地幔柱概念一经提出就得到了地学界的广泛认同，发展至今已成为地球科学研究中一个重要的概念模型这在很大程度上是由于动态地球以及浅表现象是深部过程的反映等概念的深入人心。虽然地幔柱并不是直接观察到的，但有关其存在的间接证据很多。其中包括：（1）局部高热流值和相关的火山活动（热点）出现在远离板块边界的地方；（2）热点不随板块漂移而迁移，几乎静止不动，暗示起源于活动岩石圈之下的深部地幔；（3）热点火山玄武岩的地球化学性质不同于位于离散板块边界、起源于浅部地幔的玄武岩（如MORB），说明其源区为比软流圈更深的地幔库；（4）位于热点之上的大洋岛屿通常具有规模较大的地形隆起，这需要有额外的幔源热能以使岩石圈膨胀；（5）最令人信服的证据来自最近的地震学研究。例如地震层析揭示冰岛地幔存在一低速柱状物质，至少延伸至400km以下，地幔热柱的直径为300km。高温可能是造成地幔柱中低速物质的主要原因。2地幔柱构造概念及其特征目前，一般认为（实验模式和理论模式也表明），地幔柱是起源于地幔中热/化学边界层或者产生于地核地幔边界，就是说，在核幔边界过渡层产生的热物质呈狭窄的柱状经过地幔上升到地壳（或岩石圈底部），呈盆状向上张开形成巨大的球状顶冠（头部），地幔柱顶冠在向上接近地表处，则扩展成一个热物质的顶盘，直径约1500-2500km，厚达100-200km，因此，地幔柱是由一个巨大直径的头部（即地幔柱顶冠）和一个比顶冠直径小得多的尾柱（直径约几百公里）组成。地幔柱顶冠上升时会引起地壳上隆，形成了大量迅速溢出的熔岩，所以，大陆溢流玄武岩区是与地幔顶冠有关的火山作用。地幔柱顶冠在上升过程中能吸收大量地幔柱以外的物质，因此它代表着一个地球化学复杂的岩浆源。而由地幔柱的尾柱所代表的柱状体是一个长期生存活动部分，这是一种使热的上浮物质赖以从深部边界层排放到地幔至近地表面地区的通道。尾柱的长期活动则将会导致大洋热点火山链的形成。洋岛和板内大陆裂谷玄武岩火山作用通常被看作为地幔热柱或热点在地表的表现，来自地球深部的地幔柱头部的热使岩石圈弱化，然后使岩石圈裂开。地幔柱在地表主要表现为高地形隆起，当其上升至近地表时，变成“蘑菇”状，头部粗大而颈干细小。目前，人们对地幔柱直径大小观点不一，从十几千米至几千千米都有。板块构造主要研究的是地球的表层构造，只能对200km深度的地表给予解释，对于深部地质现象无能为力，虽然引入底侵作用和拆沉作用扩大了板块在纵向上的作用范围。但对于深部地质现象还是无能为力，而地幔柱构造理论所涉及的深度和范围显然要大得多。地质学家们认为地幔柱主要起源于地幔的D层，D层从地核吸收热量，使其具有较高的温度和较低的载度，因此地幔柱具有高热流、低速带的特征。地幔柱是以火山作用、高热流和上隆为标志的，其主要特征为上隆并伴随着火山作用，产生碱性玄武岩、流纹岩及深海拉斑玄武岩，它们具有独特的地球化学特征，高重力，高热。地幔柱可出露于大洋或大陆，呈一维有时是二维无震级由热点处向外延伸。该模式认为，大陆溢流玄武岩是地幔柱的巨大球状顶冠上升到地壳发生减压熔融的产物，而热点火山链则是地幔柱尾柱长期活动的结果。如留尼旺地幔顶冠上升形成了德干玄武岩，南大西洋的扩张随着地幔柱顶冠的上升而快速向北扩展形成了巴拉圭-Etendeka大陆溢流玄武岩。这就是说，地幔柱上升形成的顶冠可产生地壳上隆和溢流玄武岩，而且由于地幔柱顶冠热源物质温度很高，可能造成区域变质作用和地壳的熔融。关于科马提岩的成因问题，根据地幔柱模式认为是地幔柱管道上升热物质释压重熔的产物。关于大陆地壳再造与地壳演化，地幔柱理论认为，地幔柱顶冠的形成和尾柱区的长期活动，可能对大陆地壳的再造和地壳演化有着主要影响。由于异常热的地幔重熔作用产生岩浆地壳，这是地幔柱在大陆地壳再造中作用的证据。3地幔柱构造类型自地幔柱理论问世以来，关于它的起源一直都是各国地质学家和地球物理学家争论的焦点。地幔热柱来自地球深部，但它可以起源于地幔内也可以来自核幔边界（CMB），关于这一点至今尚无充分的识别标志。Maruyanm。基于地震层析成像结果，认为有两种类型的地幔热柱：一种来自400km深度，另一种来自核幔边界。Ringwood（1989）认为，在670km深度界面处，由于再循环的岩石圈冷物质堆积，形成巨大岩石块体，随后的加热可形成具浮力的热柱，它是大洋下面板内热点的来源。Anderson（1995）认为，热柱是给洋岛提供岩浆的源区，发生于对流系统的底部，常常位于核幔边界，它强烈的上涌，不同于由于板块分离引起的被动上涌，亦不同于其他的对流系统的正常的大尺度上涌。周瑶琪等（1998）认为，面积大的源于下地幔，面积小的源于上地幔，基于地球多层对流系统的模型，提出了源自400km，670km和CMB3类地幔热柱。最近，Courtillot等通过对全球49个热点的分析得出了区分热点的5个标准：①线性火山链上各座海山是否按年龄顺序排列；②大陆逸流玄武岩是否出现在火山链轨迹的起始点处；3是否有大量的物质流；遨是否具有一致的高“3He/4He。比值；⑤F伏地幔中是否有低的剪切波速度。根据这5类标准将上述49个热点分为3类：至少有7个热点源于下地幔深部，称之为“Morganian；其中20多个来自过渡带底部；剩下的20多个来自上地幔，称之为“Andersonian”4地幔柱的产生、启动与演化4.1地幔柱的产生与启动地震波研究表明（Parmentier，1975；Albaredeetal.，1999），在地幔中只有两个位置能够产生地幔柱：一个是670km处上下地幔之间的不连续面；另一个是2900km处的核2幔附近的“D”层。这就涉及到地幔柱与地幔对流的关系。Morgan（1972）最初设想，地幔柱是地幔对流上拱的一种表现，即地幔柱起了将下地幔中的热带到地表的作用。目前主流的看法为后者，但也不排除又少部分地幔起源于670km处上下地幔之间的不连续面。Albarede等（1999）的研究表明，如果在670km处发生化学界面、分层对流的话，那么下地幔至少在密度上要比上地幔大2%Ringwood通过高压相变实验结果推断：400至670Km地幔的上部可能由橄榄石R相和majorite组成，而下部可能由橄榄石Y相，majorite和富钙的钙钦矿相组成；670Km以下可能由钙钦矿相、方镁石、方镁铁矿及其它具有更高密度的铁镁硅酸盐矿物组成。也就是说这种起源模式是可能的。通过对地震资料、地幔对流方式、CFB、洋底高原玄武岩和大OIB等典型地幔柱成因的玄武岩的化学成分的比较和地幔放热与整个地球放热的比值以及地幔柱的头部直径的大小等特征的研究，多数学者（Bruneteta1.，2000；Davies}1992；Richards，1991；Griffithsetal.，1990；Griffithsetal.，1990）认为，地幔柱是来自2900km处核一幔边界附近的“D”层。其理由如下：①与MORB和IAB相比，CFB、洋底高原玄武岩和OIB等典型地幔柱成因的玄武岩常反映“富集型”地幔特点，而上地幔由于分异出地壳后常表现“亏损型”地幔化学组成，因此，地幔柱不可能来源于上地幔。②与MORE相比，OIB具有较高的3He/4He比值，表明地幔柱来源于地幔更深部位，反映原始地球形成物质的特点。③理论模拟计算表明，如果地幔柱起源于上地幔底部，那么，由地幔柱释放出的热量将占整个地球放热的60。而实际上，由地幔柱释放的热量仅是整个地球放热的6%-10%。这个热量释放范围刚好与地核释放的热量比例相近，说明地幔柱来源于核一幔边界附近。④理论模拟还表明，在所许可的上升速度范围内，从上、下地幔边界起动的地幔柱穿过上地幔这样的距离，最多只能形成直径为300km的球状柱头，而实际上许多地幔柱头的直径都超过1000-2000km。⑤上、下地幔间不连续面的性质目前并不完全清楚，也有资料显示其为相变界面而非化学界面。也有一些学者认为，既有起源于D“层的地幔柱，也有起源于上、下地幔界面的地幔柱，前者柱头大，后者柱头小。最新的地震层析研究表明，夏威夷、冰岛等地幔柱的确来自2900km深度的核一幔边界。导致“D”层发生热扰动可能来自核一幔之间的温度差（Olson，Sfinger，l985；Davies，1990）。这样地核会不断向地幔中释放热量。但由于原始地核物质组成不均或其它因素，这种放热作用在不同位置可能有所差异，从而会产生热扰动。热扰动会使“D”层物质的粘度降低，流动性增强，在热梯度的驱动下，所有受热扰动作用的高温、低粘度物质会向热边界层最低处汇聚，形成地幔柱（Davies，1990，1992）。早期的研究者认为，地幔柱一旦起动，就将快速穿过整个地幔和地壳上升至地表，并在较短的时间内喷发，形成大规模玄武岩。近来的研究结果表明，即使地幔柱与周围地幔物质的粘度差达到104，其上升速度也是非常缓幔的。并且，地幔的实际粘度并非恒定，而是随温度降低呈指数增加，具有非牛顿流体性状。在一个新启动的地幔柱上升过程中，随着热量的不断散失和温度的不断降低，其上升速度会变得愈来愈幔。根据地幔具有非牛顿流体性状模式估计，每个地幔柱的直径仅为几万米，年流通量也仅为17km3（Loperetal.，1983）。一些人过高估计地幔柱的规模和流通量，主要是为了使地幔柱上涌量能够与地表所见热异常和地形异常一致，而这些异常可能是地幔柱遇到刚性岩石圈后水平散开所产生的热晕，与地幔柱大小无直接关系。4.2地幔柱的演化地幔柱自核幔边界上升到地表，最终以大规模岩浆作用的形式喷发或侵位，这是一个非常复杂的过程，也是一个演化的过程。王登红（2001）认为地幔柱的演化至少可以分为四个阶段：（1）初始阶段：核幔边界由于某些原因而分异出具有明显活动性的物质，并逐渐聚集形成“预地幔柱”，那些原先在地核中富集但又难以在高温高压条件下“安定”下来的元素很可能起了非常重要的作用，大离子亲石元素（LILE）和轻元素以及放射性元素也可能积极参加进来。从行星对比和地球演化的角度看，地幔柱的形成似乎是必然的，它是导致地球大尺度物质和能量交换的一种重要方式。（2）上升阶段：趋向于形成地幔柱的物质集中到一起，形成具有一定规模、一定形态的“雏地幔柱”，它们由于与周围地幔存在明显的密度、温度、粘度等差异而具有“浮力”，能够缓幔地脱离核幔边界并穿越厚大的地幔（当然，一些小规模的雏地幔柱可能被地幔吃掉而消失）上升到近地表。（3）壳幔相互作用阶段：规模巨大的雏地幔柱不但本身具有足够的物质和能量，而且能够导致周围环境中的正常地幔物质发生部分熔融，熔融的部分被地幔柱吸纳，从而使地幔柱的体积更加庞大，同时物质成分也会发生明显变化、能量则可能幔幔衰竭，但由于压力的降低，地幔柱的活动性可能更显著，因而，此时的地幔柱趋于“成熟”，当它到达670km处的不连续面时可能会分化出次级的“幔枝”，并且与上地幔和地壳发生充分的反应。此时的地幔柱一方面向地壳不断输送物质和辐射能量，引起地壳范围的一系列变化（如碱性岩浆的上侵、变质作用