地幔柱2
深部地球的窗口——地幔柱
深部地球的窗口——地幔柱在北美大陆腹地，有一个世界闻名的公园——美国黄石国家公园。
黄石公园是世界上最大的火山口之一，公园中遍布间歇泉、温泉、蒸气池、热水潭、泥地和喷气孔，导致园内多数地方存在着奇观的同时，更散发着“恶臭”的硫化氢气体。
走在黄石公园“薄薄的”地壳上，似乎有着天然的危险，好像稍一用力就会踩破“蛋壳”，落入火山口的岩浆之下。
黄石公园就是地幔柱（mantleplume）在地表对应点最直观的表达。
2019年《自然—地球科学》（Nature Geoscience）杂志发表的一项研究中，科学家通过“地球透镜计划”（Earth Scope）发现黄石公园的火山活动可能受地幔柱驱动的。
这一计划本质类似于人类给地球做“CT”，通过建立数量较大的基站接收信息，还原地球深部的三维成像，基站越密集，分辨率越高，对地球深部的成像就越清晰直观。
1971年，威廉·杰森·摩根发表了地幔热柱理论。
理论显示，地幔柱是地球等行星地幔热对流的一种方式。
较热的岩石由地幔底部一路上升至地幔顶部，此时岩石顶部会部分熔融，岩浆进而喷出地表，这可能是地表“热点”或大陆溢流玄武岩的产生机制。
规模恢弘的大陆溢流玄武岩地幔柱本质上是地球的散热通道之一。
地球在形成之后，内部由于含有的放射性元素发生衰变，产生了大量的热，这些内部热能将内部原本固化的岩石融化，产生岩浆。
这些岩浆从内部上升到地表这个过程携带着大量的热能，喷发出地表过程以完成散热。
地球自形成到30亿年前，由于热能充足，岩浆可以直接从地球深部上涌到地球浅部，这种由深部到浅部形成的柱状的岩浆通道就是地幔柱，它的起始位置被认为在地核和地幔的边界（~2900km），这一过程代表垂向的岩浆作用或者说是散热机制。
地球内部的“散热”70年代早期，模拟地幔热柱的流体力学模型显示，地幔柱呈长细柱状，由两个部分组成：底端连至地幔底部，顶端则成球状并随上升而膨胀，整体就像细长柄蘑菇。
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400 km以下，地幔热柱的直径为300km。
地幔柱研究及进展
Olson等（1988）用计算机进行二维对流模 拟实验也产生了类似形态。
Campbell和Griffiths（1990）建立了地幔热 柱动力模型，岩浆熔体形成于地幔热柱的高 温轴部的尾柱区，其压力条件比冠状柱头稍 高。地幔热柱尾柱高温物质部分熔融，可形 成不受地幔影响的苦橄质岩浆或苦橄玄岩浆 或科马提岩。冠状柱头物质上涌释压减薄或 下部尾柱岩浆的加热，发生熔融产生岩浆。 由于冠状柱头具有化学分带和物质混合特征， 产生的岩浆也表现出两源混合地球化学特征。 尾柱的大量熔融和熔浆的凝聚上升，为地幔 热柱的头部区提供地幔岩熔融所需要热源和 降低岩浆熔融温度的挥发组分。因此，尾柱 的熔融使冠状柱头具备形成熔浆的热异常和 含水条件。 日本学者丸山茂德等（1991）通过地震层析 成像技术推测地幔柱的形态。
地幔柱基本特征的研究与发展
1，形态特征
Whitehead -Luther（1975）用染色水从高粘度和高密度的葡萄糖浆 底部注入。结果产生大头细尾形态。他们认为从地球深部高温低粘度 D”层产生的热幔柱的形态应与此相似。他们实验还证明，热幔柱顶冠 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粘度 差，粘度差愈大，尾柱愈细。
地幔动力学模式 Mantle dynamics
2．地幔柱的化学成分特征 构成热点的大洋岛玄武岩的化学成分能较好地反映地幔柱的化学成 分特征（地幔探针）与大洋中脊玄武岩相比，大洋岛玄武岩富含大离 子不相容元素，并且有较高的 8 7 Sr/ 8 6 Sr 和较高 1 4 3 Nd/ 1 4 4 Nd 。据此 Compbell —Griffths（1992）认为热幔柱的化学成分特征反映元素源 于富集型地幔（相当于下地幔）。
Yuen和Schubert（1976）建立了可变粘度流体二维地幔柱的理想化 模式。 Li和Guan（1983）对恒定粘度的流体进行了轴对称热地幔柱研究， 建立了可变粘度流体的二维地幔柱。 Loper和Stacey（1983）提出了可变粘度流体中一个稳态轴对称地幔 柱的热结构和动力学结构，强调地幔热柱热流仅具有从地核向地表输 送热量的作用。
地幔柱经典讲座ppt
印度洋，留尼汪—莫里斯—德干
峨眉（Emei）
峨山
（4）热点与地幔柱的热动力学特征
Wilson（1973）认为，热点是彼此相对固定的，可作为板 块漂移方向与速度的参照物。然而，Molnar和Atwater（1973， 1975）认为，对热点体系在21Ma和38Ma以前的位置做了恢 复，发现有的热点以每年1—2cm的速度相对运动。因此，热 点也是在运动的，仅仅是相对板块的位移显得更小、更慢。 这一点反映了软流圈内物质演化与深部地幔对流速度快与慢 的差异。
如果地幔柱存在于地幔中，必然在深部有一个浮柱状的低粘 度物质源区，而在近地表出现下陷。源区应该能够提供粘度低于 周围地幔几个数量级的物质。670km处的不连续层可能是地幔柱 的一个源区，但在这一深度没有地震资料表明存在低粘度区。核 幔 边 界 的 D″ 层 是 最 可 能 的 物 质 源 区 。 地 核 可 能 正 在 冷 却 （Stacey 和Loper，1984），其丢失的热量加热了地幔底部的一 层物质。由热引起的这一层构造在动力学上类似于地幔柱，因为 它具有较低的粘度，可以成为流体流动的通道。
热点的特征： Wilson（1973）曾就热点的特征概括为：上 隆，基岩出露于海平面之上；上隆处有火山作用，产生碱性 玄武岩和流纹岩以及海底拉斑玄武岩，它们有独特的同位素 比值和地球化学特征；重力高；在海洋，有时在大陆上，一 维有时是二维无震脊，由热点处向外延伸；高热流。这5个 方面实际上指的是热点的地形、岩石和地球化学、地球物理、 地震和地热流特征。
显然，地幔柱思想的产生，最初起源于热点假说。
2、地幔柱与热点的研究与进展
与20—30年前Wilson（1963）和Morgan（1971，1972）的热 点假说以及初期的地幔柱理论相比，现在的地幔柱理论又取得 了许多新的进展和新的认识，主要有：
地幔柱构造.ppt
地幔柱作用于活动板块留下热点轨迹示意图
Morgan（1971，1972）进一步提出太平洋中的热点是一系 列狭窄的热隆起，并将其称之为幔柱（Plume）。热点被认为 是由称之为“地幔柱”的地幔物质上涌形成的。Morgan认为 地幔柱可能起源于接近地核的地幔深处，由于热不稳定而上升， 直径约150km，移动速度相对较小，为火山作用提供热和火山 物质，是板块移动的驱动力。Morgan（1972）又指出，热点 是地幔隆升在地壳中的一种表现，是地幔柱上升的地点，认为 Wilson（1963）所指的固定热地幔源区，实际上是一个产于地 幔底部热边界附近的热幔柱，把炽热的圆筒状岩石类物质流， 称之为地幔柱（Mantle Plume，或译为地柱、热点、地幔羽、 热缕、热柱、热幔柱、幔羽、幔柱、地幔热柱、地幔热流柱、 地幔柱构造等）。
（2）热点与地幔柱的分类 Wilson（1973）曾将热点分为5类：
①位于南大西洋中脊和东太平洋隆起或其附近的热 点； ②洋中脊其它部位的热点； ③与裂谷带有关的年轻热点； ④可能固定于海底的年轻热点； ⑤已被掩盖的老热点。
这5个类型基本概括了产于大陆和大洋两个不同地 壳环境中的热点。
从起源的角度， Maruyama 等 （ 1994 ） [ 丸 山 德 茂 ] 和 Fukao 等 （ 1994 ） 以 核 - 幔 界 面 （2900km）、上地幔底 界 （ 670km ） 、 岩 石 圈 底 界 （ 100km ） 深 度为 界，将地幔热柱划分为 一、二、三次柱，这种 分类体现了地幔柱的多 级演化特征。
地幔柱构造
Mantle Plume Tectonics
地幔柱构造
Mantle Plume Tectonics
第一章 地幔柱构造的基本思想与理论 第二章 与地幔柱有关的几个问题 第三章 地幔柱构造的主要标志与特征 第四章 地幔柱构造的岩浆作用 第五章 地幔柱构造的成矿作用 第六章 我国与地幔柱/热点有关的
地幔柱构造研究概述
第25卷2009年 第4期7月铀 矿 地 质Uranium GeologyVol.25J ul 1No.42009地幔柱构造研究概述童航寿(核工业北京地质研究院,北京 100029)[摘要]地幔柱构造理论是近年来构造地质学研究的新热点,是当今地球科学———地质学、构造学、矿床学、地球物理学、生物学、环境学和气象学等许多学科关注和研究的前沿领域。
它的形成和演化及动力学观点被称为继大陆漂移和板块构造后的第3次地学浪潮,引起了中外地学者的高度重视。
本文对地幔柱构造研究现状作了概略介绍,以期在铀矿地质领域内引起关注,起到传递信息和抛砖引玉的作用。
[关键词]地幔柱;幔枝构造;热点活动理论[文章编号]100020658(2009)0420193209 [中图分类号]P541 [文献标识码]A[收稿日期]2008209217 [回稿日期]2008211214[作者简介]童航寿(1931-),男,高级工程师(研究员级),1960年毕业于莫斯科有色金属及黄金学院,长期从事铀矿地质科研工作。
1 地幔柱构造研究概况幔柱(地柱)思想起源于Wilson (1963、1965)的热点假说,后在20世纪70年代初,W 1J 摩根将其作为一种板块移动机制的学说而提出。
到了20世纪90年代Maruyama 和K omazwa (1994)、Fuka et al (1999)提出地幔结构的多级演化模式,Carson (1991)提出超级地幔柱概念,我国学者牛树银等(1996,2002)提出幔枝构造理论体系,李红阳、侯增谦(1998)提出幔柱构造理论,并紧密结合成矿作用,进一步发展了地幔柱构造理论的实践性,有新的发现与创新[1,2]。
2002年,翟裕生院士指出“幔枝构造”作为一种新的学术观点,为进一步研究地幔柱与成矿关系打下了良好基础。
早在1991年,著名大地构造学家哈因院士指出“地幔柱构造和热点活动理论已成为当今地质学、地球物理学、矿床学及至生物学、环境学和气象学等许多学科关注和研究的前沿领域,它的形成和演化及动力学观点被称为是继大陆漂移和板块构造以后的第3次地学浪潮”[3]。
地幔柱
以夏威夷火山为代表的众多火山存在于板块中部，可以用地幔柱来解释。
特征：相对固定，高Ti、高Nb含量是现代地幔柱的常见特征(王登红,1998)。
20世纪70年代初，科学家提出了地幔柱的概念。
借助地震波来描述地球内部的景象。
一股炙热、粘性的岩石流，向上延伸到岩石圈底部，并在那里散开，形成约100km厚的饼状结构，然后继续向上延伸，为火山提供物质和能量。
疑问，地幔柱来自哪里？他们是直线上升还是螺旋上身？什么是火山热点？夏威夷地幔柱富含榴辉岩的矿物质可能存在地幔柱：夏威夷、加拉帕戈斯群岛、冰岛以及东非的阿法尔地区。
地震图像是研究的关键目的：①地幔柱对于地球大地构造演化有着重要的影响，它控制大陆裂解聚合过程，导致板块内火山地震等现象$地幔柱理论可以解释许多板块学说不能解释的问题，很有可能成为一种更为完善的理论体系。
②洋脊分段主要受地幔岩浆周期性脉动上涌控制,即受岩浆供应方式制约。
事实上造成洋脊分段的动力学岩浆是由地幔柱提供的,而地幔柱提供岩浆的方式对洋脊分段有重要影响发展过程：①20世纪60年代，加拿大地质学家Wilson在研究夏威夷—皇帝火山岛链的起源时，②普林斯顿大学的Morgan在Maruyama的理论中，热幔柱引起超大陆裂解，大洋形成; 冷幔柱导致超大陆聚合等。
日本学者丸山茂德( Maruyama) 认为“板块构造理论只能解释地球表层200km内的现象，而只有地幔柱构造才能说明星球各个层次的演化历史。
”矿床相关对全球主要赋含钒钛磁铁矿床的层状岩体和铜镍硫化物矿床的镁铁—超镁铁质岩体的统计表明，地幔柱成因的大火成岩省是形成岩浆铜镍硫化物矿床和钒钛磁铁矿床的主要场所！卡林型金矿矿集区、与基性超基性岩有关Cu-Ni-PGE硫化物矿床(以Naldrett为首的研究组在31届国际地质大会上对近年来取得重大突破的Voisey'Bay Ni-Cu-Co-PGE矿床与地幔柱的关系进行了系统介绍)、条带状铁建造等方面取得了显著进展1998年以来,开始对地幔柱的成矿问题进行新的研究。
热点-地幔柱说的主要内容
热点-地幔柱说的主要内容1. 什么是地幔柱？地幔柱，这个名字听起来很高大上，但其实它就是个简单的概念。
你可以想象一下，一个强壮的小火山，底下有个“柱子”，直直地从地球的深处升上来，像是打破了地壳的封印。
这个“柱子”其实是热的岩石，它从地球内部升腾，带着能量和热量，结果在地表形成了火山。
而这种地幔柱的存在，能让我们更好地理解地球的结构和它的“脾气”。
说白了，地幔柱就是地球的一种“发热现象”，它能告诉我们，地球可不是一块冰冷的石头，而是一个充满活动的大家伙。
2. 地幔柱的形成原因2.1 地球内部的热流地球内部的热流可不简单，想象一下，就像锅里的水在加热，总有水蒸气冒出来。
地幔柱的形成，正是因为地球内部的温度差异，热量在地壳和地幔之间游走。
有些地方热得要命，有些地方却凉凉的。
这种温度差就像是一个巨大的“热气球”，想要往上升，自然就形成了地幔柱。
2.2 板块运动的影响咱们地球上的岩石板块可不是安分守己，它们时不时就会“挤压”或者“碰撞”，就像在打麻将时的“碰”。
这种运动会影响地幔柱的位置和强度，有时候一个地方的地幔柱活跃了，周围的火山也会跟着“热闹”起来。
要是一个地方有多个地幔柱，简直就是“火山大会”，地球就像一个喜剧舞台，时不时给我们来点“表演”。
3. 地幔柱的影响3.1 火山活动地幔柱的存在，直接影响着火山的活动。
火山可不只是简单的喷发，它们的形成、爆发，都和底下的地幔柱有着千丝万缕的关系。
比如，夏威夷的火山就是因为底下有一个强大的地幔柱，源源不断地将熔岩送上地面，形成了那迷人的群岛。
就好比一位调皮的孩子，时不时在家里捣蛋，给大家带来惊喜和惊吓。
3.2 地球的演化此外，地幔柱也对地球的演化起着重要作用。
地球的表面不断变化，山脉、平原、海洋，都是在这些地幔柱的推动下形成的。
就像是一位伟大的雕塑家，雕刻出大自然的美丽作品。
没有这些地幔柱，地球就会显得单调无趣，连风景都少了很多层次感。
4. 小结总之，地幔柱虽然看似简单，但它的作用可大了。
二叠纪地幔柱构造与地表系统演变
项目名称：二叠纪地幔柱构造与地表系统演变首席科学家：徐义刚中国科学院广州地球化学研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标本项目的总体目标：通过对二叠纪大规模岩浆作用、环境记录和生物演化的研究，揭示地球深部过程、重大地质事件与地表环境和生命演变之间的内在联系，提出地幔柱和地表系统之间相互作用的理论体系,为地球系统科学研究的提供范例。
五年预期目标:1、通过扬子地块西缘和塔里木地块及其周边火山喷发前后地层和岩相古地理对比，石炭-二叠纪重大地质事件的年代学、几何学和运动学研究，为该区大规模岩浆作用的地质-构造背景提供制约；2、揭示二叠纪大规模岩浆作用的时空分布特征和深部动力学，对塔里木二叠纪玄武岩是否是我国另一个大火山岩省给予明确的答案；3、通过扬子地块西缘被动源远震观测及层析成象分析工作，查明研究区的深部结构和地幔柱活动遗迹，揭示深部结构与溢流玄武岩空间展布之间的关系；4、完成攀西裂谷带人工源地震观测，获得横穿地幔柱活动区的地壳精细结构，计算岩浆产出量；5、分析侵入岩与喷出岩之间的时空和成因关系，研究地幔柱岩浆上升过程中壳幔相互作用及对岩浆分异演化和成矿作用的影响；6、研究地幔柱与岩石圈的动力相互作用，阐明其对大火成岩省多样性的控制；7、揭示二叠纪环境变化的生命和地质记录，阐明地表环境变化与大规模火山作用之间的耦合和相互作用机理；8、综合对比全球二叠纪三个火成岩省（峨眉山、塔里木和西伯利亚），揭示三者之间的时空联系并建立晚二叠纪全球地幔柱活动模式；9、阐明地幔柱影响地表系统的主要方式和作用机理，初步建立二叠纪地幔柱活动和地表系统演变之间相互作用的理论框架。
以上预计的研究成果将以70~80篇论文发表在SCI刊物上，同时造就一批活跃于国际地学舞台的中青年学术带头人和若干创新研究群体，培养研究生和博士后20~30人。
三、研究方案1、学术思路本项目着眼于扬子地块西缘和塔里木地块及其周边地区，抓住两个关键地质作用过程（①二叠纪大规模岩浆活动、②二叠纪生命环境演变趋势），瞄准三个关键科学问题（①二叠纪地幔柱活动的证据、方式和过程；②大规模岩浆作用与晚二叠生物大灭绝的联系的证据和机制；③二叠纪大规模岩浆与成矿作用的多样性及其关键控制因素），揭示二叠纪大规模岩浆喷发的深部动力学控制因素及其环境-生命响应的机理，建立地球深部过程、重大地质事件与地表环境和生命演变之间的内在联系的新理论和新模式。
地幔柱构造
镁铁质岩和碳酸岩、过碱过铝性的长英质岩石等在内的各种火
成岩。
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当地幔柱之上为古老的地壳软弱带时，往往发育 热点的岩浆作用；当地幔柱之上为稳定的克拉通时， 通常仅仅产生穹隆，形成高点；而在热点或高点之 间，一般是较大的盆地，对应着深部的地幔下沉带。
当大陆岩石圈从一个强大的热点之上漂过时，就 会形成一串反映岩石圈运动轨迹的玄武岩火山。大 洋中线状排列的火山岛屿或海山，是大洋岩石圈在 上地幔中的热点之上运动所形成的轨迹；而扩张脊 和大洋盆地等，则是地幔热点之上大陆裂谷—大洋 裂谷的发展与演化的结果。
显然，地幔柱思想的产生，最初起源于热点假说。
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2、地幔柱与热点的研究与进展
与20—30年前Wilson（1963）和Morgan（1971，1972）的热 点假说以及初期的地幔柱理论相比，现在的地幔柱理论又取得 了许多新的进展和新的认识，主要有：
（1）热点对地球表面的影响
热点对地球表面的影响，实质上是热点在浅部地壳的地质作 用的表现。主要体现在地形、地貌和岩浆活动等方面。
一、地幔柱构造理论产生的历史背景
1、热点假说提出与地幔柱思想的产生
在板块构造理论提出之前，Wilson（1963，1965）首先 提出了热点假说，用于解释夏威夷岛链火山岩的成因。但他 发表在《加拿大物理学杂志》上的论文在地质界的影响不大。 直到10年后，Morgan（1971，1972）发表了一系列论文， 支持并发展了热点学说，才使得更多的人了解此学说。 Morgan（1971，1972）认为地幔内存在着一种上升的、圆 柱状的、局部熔融的物质流即“热柱”（Hot Plume）。热 柱到达于地表之处或地幔热流上升之处，称之为“热点” （Hot Spot）。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，当地幔柱冲破岩石圈则形成热点。 因此，热点是地幔热柱在地表的反映，以火山作用、高热流 和隆起为标志（Wilson，1973）。
地幔柱、埃达克岩
地球的超级地幔柱示意图 （据Maruyama，1994）
热点与地幔柱的分类
按产出环境划分 产于大陆地壳的 热点 按起源深度划分 深源：2900km 核-幔边界 按演化阶段划分 初始阶段的地幔柱 上升阶段的地幔柱 作用于地壳的 地幔柱 衰退阶段的地幔柱
产于大洋地壳的 热点
浅源：670km 不连续面
（3）热点与地幔柱的分布与数量
当地幔柱之上为古老的地壳软弱带时，往往发育 热点的岩浆作用；当地幔柱之上为稳定的克拉通时， 通常仅仅产生穹隆，形成高点；而在热点或高点之 间，一般是较大的盆地，对应着深部的地幔下沉带。
当大陆岩石圈从一个强大的热点之上漂过时，就 会形成一串反映岩石圈运动轨迹的玄武岩火山。大 洋中线状排列的火山岛屿或海山，是大洋岩石圈在 上地幔中的热点之上运动所形成的轨迹；而扩张脊 和大洋盆地等，则是地幔热点之上大陆裂谷—大洋 裂谷的发展与演化的结果。
然而随着科技的发展，板块构造理论的 不完善之处也逐渐显见，比如板块运动 的驱动力、大陆板块内部出现大陆溢流 玄武岩、大洋板块内部出现火山链等问 题，板块构造学说难于解释。 正是为了弥补板块构造学说的不足，科 学家们才提出了地幔柱构造理论。
地幔柱假说最初是用于解释夏威夷火山 岛的成因，逐渐完善成功地解释了板块 构造学说最具挑战性的海底火山链和大 陆溢流玄武岩的成因（Richards et al,1989;Duncan and Richards,1991）, 并提出了板块内部和地球深部的活动性 问题，深化、完善了板块构造学说。
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埃达克岩(Adakite)：俯冲板片部分熔融 （>75Km）并与地幔橄榄岩交代作用， 角闪石、石榴石残留（高Si埃达克岩）； 被长英质板片熔体交代的地幔楔部分熔 融（低Si埃达克岩）（Martin et al.,2005）；富铌玄武岩－被埃达克熔体 交代过的地幔部分熔融的产物
地幔柱4
地幔热柱 - 大陆裂谷岩浆作用，是地幔热柱 - 热点岩浆作 用进一步发展的产物，也是地幔柱构造岩浆作用过程中岩浆 活动广泛发育的演化阶段。它广泛发育于地球演化各地质历 史时期，与超大陆旋回的大陆解体岩浆作用相对应。地幔热 柱-大陆裂谷岩浆作用又包括地幔热柱 -大陆裂谷(三联点、夭 折裂谷、拗拉谷等各种大陆裂谷)构造系统岩浆作用和地幔热 柱-亲弧裂谷系统岩浆作用。 地幔热柱-大洋扩张岩浆作用又是地幔热柱 -大陆裂谷-大 洋裂谷岩浆作用的进一步发展，主要发育于显生宙。冷幔柱 的岩浆作用可划分为冷幔柱-前寒武纪硅铝壳造山岩浆作用和 冷幔柱-显生宙硅铝壳或洋壳造山岩浆作用。
克尔格伦 (Kerguelen) 海台：与翁通爪洼海台相比，克尔格伦海 台的地壳厚度要小得多，约为 15～ 20km。大洋钻探资料表明其 喷发环境为陆相(Schlich等，1989)。缺少充分的年代学资料，但 如果台地的增生是伴随着南印度洋的打开的话，那么岩浆活动可 能持续了 40Ma(Saunders 等， 1994) 。 Mattielli ， N ．等人 (1996) 通过对橄榄岩 (Iα 型：方辉橄榄岩、贫单斜辉石的二辉橄榄岩； Iβ型：纯橄岩)、含二辉尖晶石超基性和基性包体(IIα型：富单斜 辉石的二辉橄榄岩、异剥橄榄岩、二辉岩、变辉长岩和斜长岩 ) 及钛铁矿变辉长岩 (IIc 型 ) 的研究，发现亏损型 MORB( 富含 II 型 包体)与克尔格伦幔柱 (富含I型包体)之间存在不同程度的相互作 用。 I 型橄榄岩是克尔格伦幔柱部分熔融的残余； II 型包体则是 拉斑玄武岩浆的深部结晶堆积岩。同位素地球化学研究还强调了 克尔格伦幔柱的演化历史中，幔柱与扩张脊之间相互作用的重要 性。II型包体的同位素和岩石地球化学特征证实了克尔格伦海台 的北部类似于冰岛型构造背景的想法 (地球物理资料表明北克尔 格伦的地壳结构类似于现代的冰岛，Recq等，1990；1995)，而I 型包体(类似于瓦胡岛上发现的包体)的研究结果则表明克尔格伦 岛与夏威夷型板内火山构造环境相似。
地幔柱的有关讨论
地幔柱的有关问题一、什么是地幔柱自从Morgan提出地幔柱假说以来，地幔柱是否存在一直是个热门话题。
一些热心支持者过于强调了地幔柱的重要性, 而怀疑者也不是没有道理地抱怨说地幔柱是一个没有很好限定的概念, 既不能检验也不能考证。
显然, 地幔柱的存在与否已成为争论的焦点。
该争论有时相当激烈。
我们在此做与地幔柱有关的读书报告，只是希望能对以后的学习有所帮助。
对于地幔柱的概念一直没有一个固定的定义，幔柱(地柱)思想起源于Wilson (1963 、1965) 的热点假说，后在20世纪70年代初,W.J 摩根将其作为一种板块移动机制的学说而提出。
到了20世纪90年代Maruyama和Komazwa(1994)、Fuka et al(1999) 提出地幔结构的多级演化模式, Car son (1991) 提出超级地幔柱概念, 总之对于地幔柱的概念可谓众说纷纭，在此我们给出一个概念：地幔柱一般认为是一个狭窄的上升热及低密度物质流，具有100km级左右的直径。
源于670km 深的地震不连续面，或接近核幔边界2900km深处的热及低密度边界层。
并且认为地幔柱的形成由于地幔在浮力的驱动下上涌主要是以柱体而非面状形式。
至于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(如夏威夷一皇帝海火山链)时提出的。
一个新的地幔柱形成有一个球状的冠, 称作“柱头”, 柱头必须达到直径约400km才能有足够的浮力脱离供给的热边界层, 从地幔上升。
热物质可能通过狭窄的通道(称作“柱尾”)持续从热边界层流入柱头。
柱尾比柱头窄是因为热柱物质的黏滞度大约为周围地幔的1/100。
而柱头必须足够大以便突破高黏滞度的周围地幔而上升。
柱尾物质沿原有通道不断补给, 足以保持低黏滞度的热柱物质按一定速率流入（图一、二）。
图一地幔柱的结构图图二热地幔柱从热边界层生长，显示了正常的柱头和柱尾的形成和发展在该例子中, 周围地幔的黏滞度为1022 Pa·s; 它与深度无关, 但是温度的函数. 示踪线说明物质最初起源于热边界层, 由柱头发展起来的螺旋性结构是因为其上涌时携带周围被加热的地幔物质所致. 柱尾比柱头狭是因为柱尾温度高而黏滞度低, 因此仅需要狭窄的通道即可有补给物质流动. 引自Davies二、地幔柱存在的证据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。
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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
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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(true polar wander)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 冰岛地幔柱的不对称模式(据Mertz等，1991) 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) 。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
地幔热柱构造体系示意图
地ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。