地幔柱2

第二章与地幔柱有关的几个问题一、地幔柱与地球演化地球的演化与地幔柱的作用是密不可分的一个问题的两个方面，但是在地球演化的不同阶段，地幔柱所起的作用有所不同，表现形式也不尽相同（图2-2）。在地球演化的最初，热幔柱的上升与冷垂体的下降是主要的对流方式，结果在地幔的底部不断积累亏损物质，到了近期，在核-幔边界储区中富集地幔的比重明显增大，亏损地幔的比重则减小。地球化学储区的演化和地幔对流方式的变化古代地幔柱的识别显然要困难得多，因为地幔柱本身的持续时间和强度可能是很不一致的，而且，地幔柱及其产物的保存是一个很大的问题。这从Burke和Dewey（1973）等人的著作中可以明显看出，在有的情况下，古代的热点活动在地壳上部仅留下微弱的显示，而在另外情况下，热点活动可以使大洋打开，并且随着威尔逊旋回而重新闭合。Sawkins（1976）推测10亿年前的超级大陆碰撞事件（形成原始泛大陆）之后有一个热点活动的高峰期，在地球上留下了许多痕迹（图2-3，表2-2）。从表2-3可以看出，10—12亿年前的热点活动主要集中在北美和非洲大陆留下了痕迹，而广泛的欧亚大陆上则极为少见。这其中或许应该考虑到研究程度的问题，即人们对欧亚大陆的古代热点还没有做深入的研究，而不一定原本就没有热点活动。与大约10亿年前热点活动有关的岩浆、沉积事件的地理分布（据Sawkins，1976）从全球角度考虑，结束于16亿年前，对于地壳的形成起重要作用的造山运动和当时的陆壳一起经历了较长时间的拉张阶段，期间的两个大陆之间的活动地带非造山岩浆活动较强烈，如钾质环斑花岗岩、镁铁质岩墙、紫苏花岗岩和斜长石岩等。这种岩浆活动的广泛和强烈，是显生宙所无法相比的，可以认为是元古代的一大特点。在大陆未发生裂解的情况下，大型辉长岩岩浆房之所以能生成并加积到岩石圈之下，或侵入到下地壳中，正是由于一个不稳定但固态的地幔柱在起作用，地幔柱的持续加热和底辟式侵入，既带来地幔物质又使地壳结构不稳定，以至于在壳幔之间、上地壳与下地壳之间不断地发生物质上和能量上的交换作用。为此，Anderson等人（1989）提出了一个“地壳反转”模式（crustaloverturnmodel），它将大陆下地幔中岩浆的加热作用、热量进入到年轻的未分异的元古代地壳中的热迁移现象与地幔柱的突发性上升联系起来考虑，认为地幔柱引起的重熔以及钾质花岗岩浆从下地壳的向上迁移进入上地壳导致了地壳明显的重组，直到壳-幔之间达到新的平衡。二、地幔柱与地球层圈相互作用地球各层圈的相互作用，特别是壳-幔相互作用，已为地质学家所关注；层圈相互作用的机制和方式，更是人们关注的焦点所在。冷幔柱与热幔柱是导致层圈相互作用的重要纽带，物质-能量交换的层圈相互作用的重要方式。与此同时，当地幔热柱上升到岩石圈底部时，尽管岩石圈底部具有较大的流变性，但总以固态流变，边界条件出现了重大改变，岩石圈的覆盖封闭作用，在一定程度上又制约了地幔热柱的发展和多级演化。在大陆岩石圈构造体制中，热幔柱上涌并与周围地幔混合，造成不相容呀富集型溢流玄武岩巨量堆积和基性-超基性岩大规模侵位；热幔柱与陆壳之间的物质、能量交换，导致强烈的地壳大规模上隆、构造-岩浆活化、地壳破裂和裂谷化，伴有壳-幔混合型酸性和碱性岩浆活动、地壳大规模重熔、花岗岩体侵位等一系列地质作用。在大洋岩石圈构造体制中，热幔柱上涌不仅本身发生熔融产生洋岛玄武岩（OIB），同时其巨大头冠圈闭包容大量周围地幔，通过物质混合和热量供给，使之熔融产生异常MORB，并沿洋中脊出现大区域地球化学异常；冷幔柱牵引洋壳板片俯冲消减，并于一定深度出现脱水，携带大量LILE组分，交代楔形地幔，并诱发其熔融，产生弧岩浆。因此，人们逐渐认识到，以地幔热柱和冷幔柱为特征的地幔柱构造，是地球各圈层进行无住和能量交换的一种重要形式，大陆溢流玄武岩又是其活动的典型产物。地幔柱构造作用对岩石圈地幔和地壳的热改造和构造改造，印发广泛的地壳隆升、裂谷化、大规模超变质作用、花岗岩化、大规模中酸性岩浆侵入、强烈的酸性岩浆喷发、大规模（改造）成矿作用以及环境变化。三、地幔柱与板块构造的相互关系1、研究概况地幔柱起源于核幔边界，这个起源点一般认为是相对固定的，因而地幔柱上升到岩石圈之后，热物质喷溢到地表形成孤立的火山。如果板块处于不断的漂移状态，那么地幔柱持续不停地涌上来的岩浆就可以在活动的板块上记录下它移动的方向和速度，成为测量板块运动的标志。通常所说的链状海山就是这么形成的（图1-2）。地幔柱作用于活动板块留下的热点轨迹示意图地幔柱与板块构造的关系是需要进一步研究的问题。在空间上，地幔柱构造包括了近地表的板块构造、中间的地幔热柱和深部的地核生长构造三个层次。因此，板块构造是地幔柱构造作用在岩石圈浅部的重要表现形式，属于地幔柱构造体系地幔热柱—大陆裂谷—大洋扩张和冷幔柱—硅铝壳或洋壳造山构造系统的浅部岩石圈综合表现（图1-8）。地幔柱构造和作为显生宙地幔柱构造一部分的浅部岩石圈板块构造，又是地幔对流的两个极端类型，两者不是一组控制地球活动的互斥因素，可全面理解目前正在地球中进行的构造作用。“地幔柱”是指对流中不稳定边层产生的一个不连续的限制于局部的柱状物质流或孤立的岩浆团，“板块”则是指非常特殊条件下保持特殊性能（刚性）和特殊几何形状（板块）的块体传送。板块构造体制仅发生在上地幔最上部的浅处，又可称为表层构造。地幔柱构造作用，通过表层构造转变为板块构造作用。地幔柱构造与板块构造关系示意图对岩石圈运动作定量描述的板块构造，实质上仅仅是描述了覆盖在地球表面构造板块边缘作用的框架，对远离板块边界的大陆内部地质作用或板内构造很难适用。对板块构造学说挑战的突出现象是大洋热点火山链、大陆溢流玄武岩（CFB，又称高原玄武岩）、大陆内部强烈的构造—岩浆活化、盆岭构造等一系列板内构造。板块构造受地幔柱构造控制。大洋内部的板块驱动力是核幔边界成因的地幔热柱。2、板块的驱动力人们普遍认为，推动地壳运动的力量是地幔对流，但是，对地幔对流的机制和方式，有不同的认识（图1-7李）。大多数地质学家认为从2900km往上的整个地幔都在对流，对流的机理是重力，在重力作用下，密度大的物质下沉，轻的物质上升，构成对流环。但是，少数学者认为，地幔对流只发生在软流圈内。越来越多的地质学家认为热对流，接受地幔热柱和地幔柱构造这种全新的全球大地构造理论思想。地幔热柱构造体系示意图地幔热柱是指地幔底部或地核的放射性物质发生原子裂变，产生巨量热能，促使地幔中物质变热、变轻和向上运移。当热柱上升到岩石圈底部时，发生水平分流，相背运动而形成对流环。如果单一热柱，在地表形成一个三岔分裂点；如果多个热柱呈线状排列，则可能沿三连点某一方向联成一线，在大陆上形成裂谷，在大洋中形成扩张脊（图2-2、2-3）。岩石圈板块沿构造线张开形成一洋脊，将地幔热柱的热能释放到地表，这就是海底扩张。岩石圈板块在这种对流地幔上被动地漂移。在两个对流环相遇之处，形成一个下降环流，软流圈及其上岩石圈从这里下沉到深部，对流环的这种运动产生巨大的向下拖曳力和水平挤压力，在物理性质差异较大的大陆边缘形成一个很深的海沟。密度大、厚度小的海洋地壳俯冲到大陆地壳之下，形成俯冲带。地幔热柱-热点-大陆裂谷-大洋扩张演化系列地幔柱成因是三联点隆起-裂谷的形成和演化简图3、热点与板块活动的参照关系在板块构造研究盛行的年代，热点和地幔柱曾经被作为板块运动和方向的参照系而受到特别重视。以热点为参照系是测量真极移TPW（truepolarwander）的重要方法之一，其前提就是假定热点是固定不动的，因而可以作为独立的参照系。对南海无震脊和洋岛的几何学与地质年代研究表明（Duncan，1981），热点在相当长的一段时间内保持固定位置的说法可以得到很好的证实。以印度板块为例，印度板块处于大西洋扩张脊和印度洋扩张脊之间，并发育一系列热点，其中相当一部分还是“活动”的热点，它们记录了南大西洋打开的整个历史过程。现在已经确认了板块在热点之上移动的5条轨迹，它们均是NE向延伸，相互平行而且近于等距离排列，位于各个轨迹之上的火山岩自南西向北东方向逐渐变老。4、地幔柱与板块的相互作用虽然在实验室模拟出来的地幔柱有一个对称的球状顶冠，但实际情况可能不那么简单，比如，板块的漂移可能使地幔柱顶冠偏向于板块漂移的方向而不在对称（图2-6）。地幔柱与停滞板块（左）或漂移板块（右）相互作用的关系（据Wilson，1997）另外，洋中脊处的地幔柱也具有不对称发育的特点，典型例子是冰岛。在那里，扩张的洋中脊为地幔柱物质的喷发提供了有利条件，但冰岛北部洋中脊断裂带的存在以及MORB源区本身岩浆的向南流动，使得冰岛北部的地幔柱的形态不同于南部（图3-6）。冰岛的情况还说明，在给定的位势温度条件下，薄的洋壳板块易于产生更大的熔融体和更多的熔融体，而厚的大陆板块则产生相对小的熔融体和少得多的熔融体（图2-7）。冰岛地幔柱的不对称模式（据Mertz等，1991）不同板块条件下地幔柱熔融程度的对比5、地幔柱构造与板块构造的区别板块构造是地幔柱构造的一个重要组成部分和在浅部岩石圈的一种表现，地幔柱构造作用又是板块构造作用的深部动力机制。板块构造强调水平运动，地幔柱构造则将深部热幔柱和冷幔柱的垂直运动与浅部岩石圈板块构造的水平运动结合为一个有机整体。板块构造包括大陆裂谷、大洋裂谷、海底扩张和俯冲造山等构造系统或单元；地幔柱构造体系包括热幔冷幔柱两个亚体系和地幔热柱-热点、地幔热柱-大陆裂谷、地幔热柱-大洋扩张、冷幔柱-前寒武纪硅铝壳造山和冷幔柱-显生宙硅铝壳（洋壳）造山等5个构造系统。在地幔柱构造体系中，深部地幔热柱和冷幔柱构造作用，与浅部岩石圈热点活动、大陆裂谷作用、大洋扩张和硅铝壳（洋壳）造山结合成为一个有机整体。Maruyama（1974）提出，板块构造以存在转换断层、线状源区（洋中脊）、线状沉陷（海沟）及板块边缘发生岩浆作用为特点，而地幔柱构造以缺乏转换断层、柱状源区（地幔上隆upwelling）、柱状沉陷（地幔下陷downwelling）或线状沉陷（海沟）为特点，但海沟没有俯冲带火山作用（图1-7、1-8）。因为玄武质地壳在浅位增生到“顶板”上而不能在海沟处返回深地幔（图1-8）。地幔热柱构造体系示意图地幔柱构造与板块构造关系示意图地幔柱构造与板块构造的对比（据Maruyama，1994）板块构造最终的驱动力是地幔热柱的热损耗，而地幔热柱则是由深部地幔或地核的热损失驱动的。Kunazawa（1994）认为地幔柱构造作用通过表皮构造转为板块构造作用，提出在地球演化初期，没有刚性岩石圈板块覆盖地球。因此，在地球早期板块构造应不存在，而是以地幔柱构造为主，目前的地球内仍然以其为主要构造形式。地幔柱构造决定了地幔热点-大陆裂谷-大洋扩张-俯冲碰撞造山威尔逊旋回，地幔范围内并列共存的热幔柱与冷幔柱对流运动驱动板块运动。地幔柱构造不仅能够对威尔逊旋回重新进行解释，而且又能对板块构造现行理论难以解释的许多重大地质问题进很好的解释。总之，地球动力学过程是由地幔柱构造作用完成的，占地球直径的不到1/10的板块构造或表层构造，只是地幔柱构造的一种表面现象，可能为670km深处的地幔转变带提供冷岩片的物质供应。四、地幔柱与大陆解体及造山过程1、概述板块构造理论在解释海洋地质上取得了突出的成就，但在解释大陆地质时遇到了不少困难，相反，地幔柱理论却有独到的优势。地球上除了大陆漂移和洋脊扩张尾特征的板块水平运动外，还存在垂直方向的动。垂向地质作用其实早就提出来了，但在板块构造一统天下的时代，强调地球的垂向构造作用被认为是落伍的。尽管目前已经认识到地幔柱和板块构造可能是地球内部两种不同的对流模式或机制，而且在很大程度上具有各自独立活动的特点和规律，但地幔柱对于大陆构筑的意义仍未受到应有的重视。大洋板块的俯冲造山机制依旧被认为是大陆形成或增生的理想模式。对这一流行学说提出挑战的两个突出地质现象是大洋中的火山岛链和大陆上规模巨大的溢流玄武岩省（或称高原玄武岩）。虽然产出于截然不同的地理环境，但这两者都可能含有地幔