地幔柱研究及進展

1、 地幔柱研究及進展地幔柱研究及進展地幔柱（mantle plume）深部地幔熱對流運動中的一股上升的圓柱狀固態(tài)物質(zhì)的熱塑性流，即從軟流圈或下地幔涌起并穿透巖石圈而成的熱地幔物質(zhì)柱狀體。它在地表或洋底出露時就表現(xiàn)為熱點。熱點上的地?zé)崃髦荡蟠蟾哂谥車鷱V大地區(qū)，甚至?xí)纬晒铝⒌幕鹕健５蒯Ｖ鶚?gòu)造理論地幔柱構(gòu)造理論的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展1、地幔柱構(gòu)造理論產(chǎn)生的歷史背景地幔柱構(gòu)造理論產(chǎn)生的歷史背景 1963年，加拿大年，加拿大Wilson首次注意到太平洋夏威夷首次注意到太平洋夏威夷天皇火山島鏈玄武天皇火山島鏈玄武巖噴出年齡的變化規(guī)律，提出了熱點假說用來解釋其成因，但該論文被巖噴出年齡的變化規(guī)律，提出了熱

2、點假說用來解釋其成因，但該論文被地球物理研究雜志拒絕發(fā)表，而后發(fā)表在加拿大物理學(xué)雜志，他地球物理研究雜志拒絕發(fā)表，而后發(fā)表在加拿大物理學(xué)雜志，他認為這些火山島鏈是太平洋板塊移過一個產(chǎn)生大量巖漿的固定熱地幔區(qū)形認為這些火山島鏈是太平洋板塊移過一個產(chǎn)生大量巖漿的固定熱地幔區(qū)形成的。他將這個固定熱地幔區(qū)稱為熱點構(gòu)造。到成的。他將這個固定熱地幔區(qū)稱為熱點構(gòu)造。到70年代初，年代初，wilson的熱點的熱點構(gòu)造才得到多數(shù)地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家的承認，而地幔柱概念正是在構(gòu)造才得到多數(shù)地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家的承認，而地幔柱概念正是在Wilson的熱點構(gòu)造研究基礎(chǔ)上提出來的。的熱點構(gòu)造研究基礎(chǔ)上提出來的。 全

3、球板塊構(gòu)造理論的創(chuàng)始人之一全球板塊構(gòu)造理論的創(chuàng)始人之一 Morgan（證明地球表面存在繞極旋轉(zhuǎn)（證明地球表面存在繞極旋轉(zhuǎn)運動）于運動）于1971年首次提出熱幔柱的概念。他認為年首次提出熱幔柱的概念。他認為Wilson所指的固定熱所指的固定熱地幔區(qū)實際上是一個產(chǎn)生于地幔底部附近的熱幔柱，熱點火山鏈則是長地幔區(qū)實際上是一個產(chǎn)生于地幔底部附近的熱幔柱，熱點火山鏈則是長期活動的熱幔柱熔融物質(zhì)在上覆運動板塊上留下的軌跡。他根據(jù)全球熱期活動的熱幔柱熔融物質(zhì)在上覆運動板塊上留下的軌跡。他根據(jù)全球熱點分布數(shù)量推測地幔中大約存在點分布數(shù)量推測地幔中大約存在20多個熱幔柱，多個熱幔柱，夏威夷火山鏈夏威夷火山鏈2，

4、地幔柱構(gòu)造理論的發(fā)展，地幔柱構(gòu)造理論的發(fā)展丸山茂德（丸山茂德（S. Maruyama, 1993，1994）通過地震層析成像所揭）通過地震層析成像所揭示的地幔構(gòu)造與板塊下插歷史的對比研究，揭開了探求地球動力學(xué)示的地幔構(gòu)造與板塊下插歷史的對比研究，揭開了探求地球動力學(xué)的新局面，地球的構(gòu)造是由地幔深部上升的直徑約數(shù)千公里的大柱的新局面，地球的構(gòu)造是由地幔深部上升的直徑約數(shù)千公里的大柱狀熱地幔柱和沉入狀熱地幔柱和沉入670km深并暫處于滯流狀態(tài)的板塊崩落而引起深并暫處于滯流狀態(tài)的板塊崩落而引起的冷地幔柱，這兩個因素所造成的卷入整個地幔的對流所支配著。的冷地幔柱，這兩個因素所造成的卷入整個地幔的對流所

5、支配著。由此，人們開始了對超級地幔柱和冷地幔柱的研究。由此，人們開始了對超級地幔柱和冷地幔柱的研究。 90年代后期，年代后期，三 維 地 震 成三 維 地 震 成像 等 高 技 術(shù)像 等 高 技 術(shù)的 發(fā) 展 和 應(yīng)的 發(fā) 展 和 應(yīng)用 揭 示 了 地用 揭 示 了 地球深部特征。球深部特征。表 明 在 在 地表 明 在 在 地幔 深 部 存 在幔 深 部 存 在著 明 顯 的 熱著 明 顯 的 熱區(qū) 和 冷 區(qū) ，區(qū) 和 冷 區(qū) ，代 表 了 兩 種代 表 了 兩 種不 同 的 物 理不 同 的 物 理化學(xué)狀態(tài)?；瘜W(xué)狀態(tài)。 1994年，提出地幔柱構(gòu)造學(xué)說的概念，地幔柱構(gòu)造學(xué)說，是一種地球年，

6、提出地幔柱構(gòu)造學(xué)說的概念，地幔柱構(gòu)造學(xué)說，是一種地球內(nèi)部物質(zhì)運動方式和全球動力學(xué)假說，是以支配地幔大部分領(lǐng)域的地內(nèi)部物質(zhì)運動方式和全球動力學(xué)假說，是以支配地幔大部分領(lǐng)域的地幔柱垂直流作為物質(zhì)主要流動形式的大地構(gòu)造學(xué)。地幔柱構(gòu)造假說被幔柱垂直流作為物質(zhì)主要流動形式的大地構(gòu)造學(xué)。地幔柱構(gòu)造假說被認為是繼大陸漂移和板塊構(gòu)造假說之后人類認識地球的第三次浪潮。認為是繼大陸漂移和板塊構(gòu)造假說之后人類認識地球的第三次浪潮。日本學(xué)者（如日本學(xué)者（如Maruyama；Kumazawa；Fukao（1994）提出了）提出了全球構(gòu)造的理論框架，即全球構(gòu)造（全球構(gòu)造的理論框架，即全球構(gòu)造（whole Earth te

7、ctonics），包），包括生長構(gòu)造（括生長構(gòu)造（growth tectonics）、地幔柱構(gòu)造（）、地幔柱構(gòu)造（plume tectonics）、板塊構(gòu)造（）、板塊構(gòu)造（plate tectonics）、收縮構(gòu)造）、收縮構(gòu)造（contraction tectonics）和末端構(gòu)造（）和末端構(gòu)造（terminal tectonics）。他）。他們的提法雖然與歐美學(xué)者不完全一致，但這一全球構(gòu)造的理論核心們的提法雖然與歐美學(xué)者不完全一致，但這一全球構(gòu)造的理論核心也是地幔柱構(gòu)造。也是地幔柱構(gòu)造。表現(xiàn)為表現(xiàn)為熱地幔柱上升與板塊俯沖的冷地幔柱下降熱地幔柱上升與板塊俯沖的冷地幔柱下降模式，模式，他們他們認

8、為地幔柱構(gòu)造概括了地球表層的巖石圈板塊構(gòu)造、深認為地幔柱構(gòu)造概括了地球表層的巖石圈板塊構(gòu)造、深部主體的地幔柱構(gòu)造、地核的生長構(gòu)造，把板塊構(gòu)造和地幔柱構(gòu)造部主體的地幔柱構(gòu)造、地核的生長構(gòu)造，把板塊構(gòu)造和地幔柱構(gòu)造作為地幔熱對流的兩個作為地幔熱對流的兩個端元。端元。地幔柱基本特征的研究與發(fā)展地幔柱基本特征的研究與發(fā)展1，形態(tài)特征，形態(tài)特征 Whitehead -Luther（1975）用染色水從高粘度和高密度的葡萄糖漿）用染色水從高粘度和高密度的葡萄糖漿底部注入。結(jié)果產(chǎn)生大頭細尾形態(tài)。他們認為從地球深部高溫低粘度底部注入。結(jié)果產(chǎn)生大頭細尾形態(tài)。他們認為從地球深部高溫低粘度D”層產(chǎn)生的熱幔柱的形態(tài)應(yīng)

9、與此相似。他們實驗還證明，熱幔柱頂冠層產(chǎn)生的熱幔柱的形態(tài)應(yīng)與此相似。他們實驗還證明，熱幔柱頂冠大小與尾柱直徑粗細的比例關(guān)系主要取決于熱幔柱和周圍物質(zhì)的粘度大小與尾柱直徑粗細的比例關(guān)系主要取決于熱幔柱和周圍物質(zhì)的粘度差，粘度差愈大，尾柱愈細。差，粘度差愈大，尾柱愈細。Yuen和和Schubert（1976）建立了可變粘度流體二維地幔柱的理想化）建立了可變粘度流體二維地幔柱的理想化模式。模式。Li和和Guan（1983）對恒定粘度的流體進行了軸對稱熱地幔柱研究，）對恒定粘度的流體進行了軸對稱熱地幔柱研究，建立了可變粘度流體的二維地幔柱。建立了可變粘度流體的二維地幔柱。Loper和和Stacey（1

10、983）提出了可變粘度流體中一個穩(wěn)態(tài)軸對稱地幔）提出了可變粘度流體中一個穩(wěn)態(tài)軸對稱地幔柱的熱結(jié)構(gòu)和動力學(xué)結(jié)構(gòu)，強調(diào)地幔熱柱熱流僅具有從地核向地表輸柱的熱結(jié)構(gòu)和動力學(xué)結(jié)構(gòu)，強調(diào)地幔熱柱熱流僅具有從地核向地表輸送熱量的作用。送熱量的作用。Olson等（等（1988）用計算機進行二維對流模）用計算機進行二維對流模擬實驗也產(chǎn)生了類似形態(tài)。擬實驗也產(chǎn)生了類似形態(tài)。 Campbell和和Griffiths（1990）建立了地幔熱）建立了地幔熱柱動力模型，巖漿熔體形成于地幔熱柱的高柱動力模型，巖漿熔體形成于地幔熱柱的高溫軸部的尾柱區(qū)，其壓力條件比冠狀柱頭稍溫軸部的尾柱區(qū)，其壓力條件比冠狀柱頭稍高。地幔熱柱尾

11、柱高溫物質(zhì)部分熔融，可形高。地幔熱柱尾柱高溫物質(zhì)部分熔融，可形成不受地幔影響的苦橄質(zhì)巖漿或苦橄玄巖漿成不受地幔影響的苦橄質(zhì)巖漿或苦橄玄巖漿或科馬提巖。冠狀柱頭物質(zhì)上涌釋壓減薄或或科馬提巖。冠狀柱頭物質(zhì)上涌釋壓減薄或下部尾柱巖漿的加熱，發(fā)生熔融產(chǎn)生巖漿。下部尾柱巖漿的加熱，發(fā)生熔融產(chǎn)生巖漿。由于冠狀柱頭具有化學(xué)分帶和物質(zhì)混合特征，由于冠狀柱頭具有化學(xué)分帶和物質(zhì)混合特征，產(chǎn)生的巖漿也表現(xiàn)出兩源混合地球化學(xué)特征。產(chǎn)生的巖漿也表現(xiàn)出兩源混合地球化學(xué)特征。尾柱的大量熔融和熔漿的凝聚上升，為地幔尾柱的大量熔融和熔漿的凝聚上升，為地幔熱柱的頭部區(qū)提供地幔巖熔融所需要熱源和熱柱的頭部區(qū)提供地幔巖熔融所需要熱源

12、和降低巖漿熔融溫度的揮發(fā)組分。因此，尾柱降低巖漿熔融溫度的揮發(fā)組分。因此，尾柱的熔融使冠狀柱頭具備形成熔漿的熱異常和的熔融使冠狀柱頭具備形成熔漿的熱異常和含水條件。含水條件。 日本學(xué)者丸山茂德等（日本學(xué)者丸山茂德等（1991）通過地震層析）通過地震層析成像技術(shù)推測地幔柱的形態(tài)。成像技術(shù)推測地幔柱的形態(tài)。地幔動力學(xué)模式地幔動力學(xué)模式 Mantle dynamics2地幔柱的化學(xué)成分特征 構(gòu)成熱點的大洋島玄武巖的化學(xué)成分能較好地反映地幔柱的化學(xué)成構(gòu)成熱點的大洋島玄武巖的化學(xué)成分能較好地反映地幔柱的化學(xué)成分特征（地幔探針）與大洋中脊玄武巖相比，大洋島玄武巖富含大離子分特征（地幔探針）與大洋中脊玄武巖

13、相比，大洋島玄武巖富含大離子不相容元素，并且有較高的不相容元素，并且有較高的87Sr/86Sr和較高和較高143Nd/144Nd。據(jù)此。據(jù)此CompbellGriffths（1992）認為熱幔柱的化學(xué)成分特征反映元素源）認為熱幔柱的化學(xué)成分特征反映元素源于富集型地幔（相當(dāng)于下地幔）。于富集型地幔（相當(dāng)于下地幔）。 有人認為在上升過程中，熱幔柱頭部化學(xué)成分是不斷變化的，是有有人認為在上升過程中，熱幔柱頭部化學(xué)成分是不斷變化的，是有源區(qū)成分和捕獲的地幔成分復(fù)合的特征，而熱幔柱狹窄尾部在上升過程源區(qū)成分和捕獲的地幔成分復(fù)合的特征，而熱幔柱狹窄尾部在上升過程中近于基本上不捕獲周圍地幔物質(zhì)，因而其化學(xué)成

14、分變化主要反映源區(qū)中近于基本上不捕獲周圍地幔物質(zhì)，因而其化學(xué)成分變化主要反映源區(qū)化學(xué)成分。化學(xué)成分。3，運動特征，運動特征 Whitehead和和Luther（1975）最先研究了地幔柱的啟動機制，結(jié)果表）最先研究了地幔柱的啟動機制，結(jié)果表明低粘度浮柱物質(zhì)的初速水平層由于動力學(xué)失穩(wěn)而導(dǎo)致地幔柱形成。明低粘度浮柱物質(zhì)的初速水平層由于動力學(xué)失穩(wěn)而導(dǎo)致地幔柱形成。浮柱流體的球狀隆起引發(fā)了上覆粘滯流體中地幔柱的產(chǎn)生（類似穿刺浮柱流體的球狀隆起引發(fā)了上覆粘滯流體中地幔柱的產(chǎn)生（類似穿刺構(gòu)造），并通過尾部管道中浮柱物質(zhì)的不斷供給而使地幔柱擴大。如構(gòu)造），并通過尾部管道中浮柱物質(zhì)的不斷供給而使地幔柱擴大。如

15、果浮柱流體得到充分的補給，當(dāng)穹隆到達流體層的表面時，管道就可果浮柱流體得到充分的補給，當(dāng)穹隆到達流體層的表面時，管道就可以演化為成熟的地幔柱。但以演化為成熟的地幔柱。但Maruyama等（等（1994）丸山德茂丸山德茂和和Larson等（等（1996）偏重于俯沖板塊的沉降作用引發(fā)地幔柱。）偏重于俯沖板塊的沉降作用引發(fā)地幔柱。Yuen和和Peltier（1980）研究成果也認為在地幔條件下，熱）研究成果也認為在地幔條件下，熱D層很不穩(wěn)定，能層很不穩(wěn)定，能夠演化為快速上升的柱狀構(gòu)造，并在巨大的浮力過剩和粘度虧損條件夠演化為快速上升的柱狀構(gòu)造，并在巨大的浮力過剩和粘度虧損條件下絕熱上升到地表。但是，

16、下絕熱上升到地表。但是，Ribe（1988）和）和Griffiths（1990）研究認）研究認為除非通過一個熱的通道或者熱物質(zhì)的不斷補充，上升的熱流體球可為除非通過一個熱的通道或者熱物質(zhì)的不斷補充，上升的熱流體球可能迅速失熱，而且，地幔柱的上升將導(dǎo)致能迅速失熱，而且，地幔柱的上升將導(dǎo)致D層熱物質(zhì)源區(qū)的虧損，引層熱物質(zhì)源區(qū)的虧損，引起幕式流動。起幕式流動。 Scott（1986）用一個細管將稀溶液從盛滿蜂蜜容器的底部注入，在）用一個細管將稀溶液從盛滿蜂蜜容器的底部注入，在液柱中產(chǎn)生了單波，當(dāng)注射速度加快時，液柱中單波由線形變?yōu)榉蔷€液柱中產(chǎn)生了單波，當(dāng)注射速度加快時，液柱中單波由線形變?yōu)榉蔷€性，據(jù)

17、此性，據(jù)此Scott等（等（1986）認為熱幔柱是以單波脈沖形式向上運動，）認為熱幔柱是以單波脈沖形式向上運動，這種認識被后期許多研究者所證實、承認。這種認識被后期許多研究者所證實、承認。Larson（1991）認為熱幔）認為熱幔柱的單波脈沖運動特征是導(dǎo)致地磁極周期反轉(zhuǎn)，氣候和海平面周期變柱的單波脈沖運動特征是導(dǎo)致地磁極周期反轉(zhuǎn)，氣候和海平面周期變化的一個重要原因?；囊粋€重要原因。近年來地幔柱的研究進展近年來地幔柱的研究進展2010年，挪威奧斯陸大學(xué)古地磁學(xué)家年，挪威奧斯陸大學(xué)古地磁學(xué)家Trond Torsvik和地殼構(gòu)造物理學(xué)和地殼構(gòu)造物理學(xué)家家Bernhard Steinberger，以及來自休斯頓大學(xué)的，以及來自休斯頓大學(xué)的Kevin Burke和同和同事聯(lián)名在事聯(lián)名在自然自然雜志上發(fā)表了一篇論文，文中總結(jié)了一些將地表浮雜志上發(fā)表了一篇論文，文中總結(jié)了一些將地表浮渣與地幔底部兩大火成巖?。ǚ謩e位于非洲和南太平洋下方）相聯(lián)系渣與地幔底部兩大火成巖?。ǚ謩e位于非洲和南太平洋下方）相聯(lián)系的研究成果。的研究成果。新墨西哥大學(xué)的新墨西哥大學(xué)的Brandon Schmandt同包括同包括Humphreys在內(nèi)的同事在內(nèi)的同事們通過一種獨一無二的資源們通過一種獨一無二的資源移動式陣列來觀測