基本概念和理论

如题所述

地幔柱(mantle plume)也被译成地柱、幔羽、幔柱、地幔羽、热幔柱、热柱、热幔热流柱 等。自1963年,Wilson提出热点假设以来,有关地幔柱(mantle plume)和热点(hotspots)的 定义或概念至今还未统一。

Morgan(1971)认为“地幔柱”是深部热的地幔物质上涌形成的,其可能起源于接近地核 的地幔深部,即核-幔边界的热层(thermal boundary layers)(又称D″层),是由于热浮力作 用而上升,热点活动是其在地表的表现形式;Deffeys(1972)认为地幔柱是下地幔上涌形成 的;Anderson(1975)则认为热幔柱与其说是热柱,不如说它是一种化学柱,它的化学成分与 周围地幔物质有明显的差别,它来源于地幔底部层D″;Hofmann(1997)在研究海洋火山 作用的基础上认为地幔柱是一种近似固态、起源于深660 km处的地震间断面或近2 900 km 处核-幔边界的低密度上升热流。核-幔边界的D″层从外地核那里聚集了大量放射性元 素,放射热导致D″层具有高温低黏度特征,从而形成地幔柱。后来许多研究者的工作进一 步证明地幔柱起源于地幔底部与地核之间热边界层(thermal boundary layers)。因此,概括 地说,地幔柱是指储藏巨大能量的热柱和化学成分与周围有明显差别的化学柱的综合,它可 起源于地球内部不同的深度(李子颖,1999)。

地幔柱从产生到消亡时间延续可达100 Ma,一般经历的过程如下(图1-1):(1)核-幔 边界或地幔物质被加热;(2)在浮力和压力的作用下,向上产生大的球状体,形成地幔柱雏 形;(3)产生的球状体不断向上运动,在其下部形成较小的管状通道;(4)地幔柱前部到达岩 石圈时,受其作用产生延展,同时对岩石圈产生作用,形成拉伸、断裂和裂谷等;(5)减压熔 融产生岩浆的喷发和侵入,其规模随时间演化从大到小;(6)地幔柱失去能量,最终消亡。

图1-1 计算机模拟的地幔柱产生、演化和形态特征示意图

地幔柱构造对洋壳和陆壳的作用特征不太相同,在洋壳往往产生大规模的基性岩浆的 喷发,而在陆壳,由于硅铝质的混合使其既有酸性也有基性的岩浆喷发和侵入作用。

地幔柱构造的规模在很大程度上取决于其运移的距离以及其通过的周围介质的物理性 质,如黏度等。现代地幔柱在地幔中上升时,其影响的直径范围可达800~1 200 km,而在太 古宙则要小,直径变化在600~800 km。日本学者丸山茂德(S.Maruyama,1994)、深尾良夫(Fukao)利用地震层析成像研究地球深部构造,并以地幔底界(2 900 km),上地幔底界(670 km)和地壳底界(100 km)为限,划分为一、二、三级地幔柱,如图1-2所示。实际上,到达地表的即是热点活动。

有关热点作用的认识和起因也并不一致,Turcotte,Oxburgh(1973,1976)认为扩张的裂 陷可导致热点的形成,Sykes(1978)提出构造的活化也可形成热点,Sleep(1984)认为热点起 因于不均一的地幔。一般的说,热点被认为是地幔柱到达于地表之处的作用形式(Wilson 1963,Morgan 1971等)。

作者认为热点作用是在地幔柱直接作用下或在其影响下较长时间多期次改造深部壳幔 物质于地表的综合地质作用,热点可起源于地壳或地幔的不同深度。热点作用一般其规模 为数百至数千平方千米。热点作用根据其作用背景的不同又可分为大洋型和大陆型热点作 用。大洋型热点作用由于地壳和岩石圈较薄的洋壳,一般上升的炽热地幔柱可把上覆岩石 圈抬升,使地壳呈现巨大穹隆构造,地幔柱冲破岩石圈作用于地表多以大规模的基性火山喷出作用为特点,典型热点例子是在大洋环境中形成的火山岛链(海山链),如夏威夷岛链,它 们也被称之为热点行迹,它们比周围洋底高1~2 km,形成一条长1000~2000 km的异常地 形高地。大洋内线状排列的火山岛链,是大洋岩石圈活动板块在上地幔中的固定热点之上 的运动所造成的。大陆型热点作用于硅铝壳较厚的陆壳,一般产生熔融和混熔并在热动力 作用下出露地表或浅层,多产生构造伸展、多期次成分复杂的岩浆活动和火山作用、流体活 动等,且岩浆活动多以酸性组分为特点。据1998年美国《科学新闻》报道,格兰特等人通过 对地震波的研究发现,在地幔底部同地核交界处存在厚度5~40 km的“超低速带”(ul- tralow velocity zone),这些地带里物质呈半熔融高温状态,从而迟滞了地震波的传递。半液 体状态的地幔向外传递地核热能的速度比固体地幔快100多倍,从而地幔上面的温度很高,导致最上层地壳很热。“超低速带”对应地壳表面多有火山岩浆分布,它们遥遥相对。热点 作用在浅部地壳或地表是以构造、岩浆、沉积、变质和成矿等地质作用的强度来体现,其变化 主要取决于热点作用的强弱和发展演化阶段的不同:在热点作用的初期主要表现为穹隆和 穹隆深部的侵入作用;在热点作用的中期则表现为具有强烈的侵入作用和火山活动;在热点 作用的晚期则主要表现为热流体的活动。

图1-2 地幔柱构造分级(据S.Maruyama,1994)

由于热点是地幔柱构造在地表的表现形式,它不仅关系到地质构造作用,而且也与成矿 作用有着密切的关系,因此,它成为地学研究的热点。

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