浅谈地幔柱构造理论.pdf

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1、浅谈地幔柱构造理论南国卫，(西北大学地质学系，摘要：介绍了地幔柱构造理论的概念、基本特征、来源及动力机制的最新研究进展，论述了地幔柱构造与板块构造的对立统一关系。部分研究表明，在地球内部下，地幔的矿物实际上是以一种混合模式对流。最后探讨了两种理论应用所存在的问题，并对其未来进行了展望。关键词：地幔柱构造；板块构造；概念；基本特征中图分类号：P1542．5文献标志码：A文章编号：1672—40ll(2016)03一0236—02DOI：10．3969／i．issn．1672—4011．2016．03．121O前言后槽台学说时期，板块构造学说一举成为了探讨和研究全球大地构造的

2、基础性理论依据之一，迅速得到了地质学家们的广泛关注，并获得成功。然而，与板块构造学说几乎同期提出的地幔柱构造学说却因为当时各种条件的制约及人们对地幔柱理论本身认识较浅，并没有得到较好发展，但近年来，为了更好地解决板块驱动机制问题，随着地球物理、地球化学等相关理论及各种实验模拟和理论发展，热点理论和地幔柱构造理论又逐渐进入人们的视野，得到了迸一步更新和发展。笔者在大量阅读前人对地幔柱构造理论研究相关文献的基础上，对地幔柱构造学说的由来、特征及最新研究进展进行论述，旨在理清思路，以期能为相关研究提供进一步的帮助。1地幔柱的概念地幔柱是由热点(hotspot)衍生出的一种地质概

3、念，而热点是加拿大地质学家威尔逊⋯在观察研究夏威夷火山活动成因时提出的概念。Mor{舯【2o提出地幔柱(M蚰Ⅱepl啪e)的概念，认为威尔逊所指的固定热地幔岩浆源区实际为产于地幔底部的热幔柱，长期以往，故在其上覆大洋板块上留下了其活动的轨迹。随后，Mollg蛐旧。首次提出了地幔柱的明确定义：地幔柱是地幔深处乃至核幔边界附近，由于大量放射性元素的不断分裂及热能的释放，引起的热扰动导致了热物质的上升，其携带地幔物质和热能经过地幔到达冷的岩石圈时，顶部常呈喇叭形张开，形成一个具有球状顶冠和狭窄尾柱的热物质体构造——热幔柱构造。主要特征为：①上隆且上隆处有火山作用；②出露于大洋或

4、大陆，由热点处向外延伸¨’；③产生的相关岩石均具有独特的同位素比值和地球化学特征；④高重力；⑤高热流。2地幔柱基本特征研litehead和Lutller[51于1975年对地幔柱形态特征进行了模拟(见图1(a))，表明其主要由两部分构成：近球形的作者简介：南国卫(1989一)，男，陕西延安人，在读硕士研究生。主要研究方向：区域大地构造。·236·刘奎陕西西安710069)冠部和细长的圆柱状的尾部。尾部连通于地幔柱的源区，尾部将地幔深处的物质传输到冠部，热幔柱球状顶冠大小与尾柱直径粗细的比例关系主要取决于热幔柱和周围物质的黏度差，黏度差越大，尾柱越细。此后，许多学者还利用不

5、同性质的油、甘油及糖浆也做了类似的实验。其实验结果与wllitehead和Lutller的实验结果所获得的热幔柱形态特征类似。0lson等旧1对热幔柱做了二维对流模拟实验，最能真实反映地幔柱由深部核幔边界不稳定热对流所产生的结构形态(见图1(b))。地幔柱顶部的受热源区物质受热的捕获周边地幔冷却的源区物质柱头的原始源区物质圈l地幔柱模拟鲒构形态特征‘5·7。除上述结构形态特征外，地幔柱也具有特定的地球化学特征，洋岛玄武岩(OIB)的地球化学成分最能代表地幔柱的地球化学特征。与相邻的洋中脊玄武岩(MORB)相比，具有以下特征：①更加富大离子不相容元素；②具有较高的盯sr／％

6、sr比值和mNd／144Nd比值；③源于富集型地幔【7J，且不同部位的熔融物质呈明显不同的地球化学特征。3地幔柱的来源及动力机制地幔柱源于地球内部的热界面层，其生成与发展则必须通过某种机制引起的热扰动进行，故与某个热界面层间的热扰动密切相关。地震波研究表明，地球内部存在两个热界面层，一为上下地幔不连续面(670km处)；另为核一幔不连续面附近的D层(2900km处)。地幔柱究竟来源于哪一热界面则莫衷一是：①有研究者认为源于上下地幔之间的热界面层，认为上、下地幔为分层对流模式；②有研究者认为源于D层，认为整个地幔为整体对流模式¨’；③也有研究者持折衷观点，认为地幔热柱源于上

7、述两个热界面层一J。大量证据¨刮表明，地幔对流模式为整体对流，而并非为分层对流。因此，上下地幔之间的热边界层产生地幔热柱的可能性很小。另外，下面几点也直接或间接地支持了地幔热柱启动于核幔边界附近的D层的观点。1)理论模拟计算表明¨卜12J，地幔柱释放出的热量仅占整个地球放热的6％一10％左右，而主要由板块边界所释放的地幔热量(约占整个地球放热的80％)与由地核释放的热量比例相当。2)理论模拟显示哺1，从上、下地幔之间热界面来源的地幔柱最多只能形成直径为300km的球形顶冠，但实际上存在许多球状顶冠直径超过l000一2000km