地幔柱构造研究概述
地幔柱2
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) 。
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。
《地幔柱构造学说》课件
地Hale Waihona Puke 柱与地 震活动的关 系地幔柱与矿 产资源的关 系
地幔柱与地 球深部结构 的关系
地幔柱构造学说的发展前景
地幔柱构造学说的提出，为地球科学提供了新的研究视角 地幔柱构造学说的发展，有助于揭示地球内部的动力学过程 地幔柱构造学说的应用，有助于预测地震、火山等地质灾害的发生 地幔柱构造学说的研究，有助于推动地球科学领域的创新和发展
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地幔柱：地球内部热对流形成的柱 状结构
应用：地幔柱构造学说可以帮助地 质学家预测矿产资源的分布和储量， 提高勘探效率和准确性。
Part Five
地幔柱构造学说的 未来展望
地幔柱构造学说的研究方向
地幔柱的形 成机制
地幔柱与板 块运动的关 系
地幔柱与火 山活动的关 系
Part Three
地幔柱构造学说的 研究历程
早期的地幔柱研究
1960年代：首次提出地幔柱概念 1970年代：通过地震波研究地幔柱 1980年代：通过地磁研究地幔柱 1990年代：通过地球化学研究地幔柱
现代地幔柱研究的发展
20世纪60年代， 地幔柱构造学
说首次提出
20世纪70年代， 地幔柱构造学 说得到广泛认
部
地幔柱的形态： 一些科学家认 为地幔柱是圆 柱形的，而另 一些科学家认 为地幔柱是扁
平形的
地幔柱的规模： 一些科学家认 为地幔柱的规 模较小，而另 一些科学家认 为地幔柱的规
模较大
Part Four
地幔柱构造学说的 应用
地幔柱构造学说在板块构造理论中的应用
地幔柱构造学说是板块构造理论的重要补充和发展 地幔柱构造学说解释了板块运动和地壳形变的原因 地幔柱构造学说提供了板块运动和地壳形变的动力来源 地幔柱构造学说在预测地震、火山等地质灾害方面具有重要作用
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。
地幔柱研究述评
文章编号:100922722(2004)0820016204地幔柱研究述评周连成1,白伟明1,2,赵俐红3,陆 凯1(1青岛海洋地质研究所,青岛266071;2中国海洋大学,青岛266003;3国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)摘 要:地幔柱与热点既可见于板块内部,也可见于洋中脊和造山带等板块边界,既可见于现代更可见于古代,因而它可能影响到地表各处的成矿作用。
简单介绍了地幔柱特征、类型及其在富钴结壳成矿作用中的地位。
关键词:地幔柱;热点;成矿作用中图分类号:P736.14 文献标识码:A1 地幔柱构造理论的提出J W Wilson于1963年第1个大胆地提出,海洋岩石圈在一个能产生大量岩浆的较热的固定不动的地幔区域上的水平运动可能形成诸如夏威夷—皇帝岛链的猜想,而且根据岛链形状和相应的化石年龄资料,得到了一套用以说明由岛链表现出来的值得注意的迁移形式的机制[1]。
现在看来,他提出的这套机制与板块构造模式是一致的。
他认为,形成火山的岩浆来自上地幔中相对固定的岩浆源———热点。
由于岩浆源处于地壳板块之下,而板块在不停地作横向运动,致使已形成的活火山最终离开热点,并且活动停止。
这一过程最终便形成了一个沿着海底扩张方向离开热点的死火山链,因而火山链的年龄也逐渐变老。
这一热点概念的提出基本与板块构造理论的提出同期。
20世纪70年代初,Wilson(1973)又提出热点是从地幔上升的地幔热柱在地表的反映,它主要以火山作用、高热流和上隆为标志[2]。
1972年Morgan把Wilson的这套模式扩大到了包括太平洋其他走向的岛链,认为海山物质的部分熔融需要大量岩石,并提出熔融点收稿日期:2004204213作者简介:周连成(1975—),男,研究实习员,从事海洋地球物探研究工作。
既提供了母岩物质,也提供了热。
他提出热点火山活动所需的岩浆物质来自地球深部,是由于放射性元素分裂、释放热能,从重力高处的火山底下上升出来的,明确提出了地幔柱的概念[3]。
地幔柱构造学说45页
1 热地幔柱构造体系
热地幔柱构造体系，包括热点、大陆裂谷、大 洋扩张三个构造系统。三者既可呈现出早、中、 晚三阶段演化关系，又可相互独立自成体系。 如，热点、大陆裂谷各自独立发育于地球演化的 各阶段，大洋扩张构造系统可能主要发育于显生 宙。
⑴热点构造系统
是指热点构造作用过程及其产物所构成的有机 整体，发育于地球演化各地质时期。
俯冲板块从地 表连续至670 km间断面， 并因厚度增加 部分板块已插 入到670 km间 断面的下面
板块与上面不 连续，一个大 的块体正在下 沉至1000～ 1500km深度
板块从地表连 续插入下地幔， 达到1200 km 深度
现代无活动的俯 冲板块，在670 km处滞留的板 块是l00 Ma前板 块俯冲造成的
热地幔柱和冷地幔柱直接制约和决定了地球演 化各阶段引张和挤压两大构造动力体制，从而制 约和影响着地球浅部的各个圈层。
热地幔柱和冷地幔柱之间的相互制约与转化， 又决定了引张和挤压两大构造动力体制的相互制 约与转化，呈现出热点、大陆裂谷、大洋扩张等 引张构造与俯冲、碰撞、造山等挤压构造的演化 和复合叠加。
太平洋形成位置
一般认为，太
平洋是罗迪尼亚 超级大陆在600 ～ 700Ma前由西伯 利亚、北美和澳 大利亚之间通过 的RRR型板块三 联点扩张而成。 这个RRR型板块 三联点当时的古 纬度为20°～ 30°S，与目前南 太平洋热地幔柱 的纬度类似。
南太平洋热地幔柱，呈蘑菇状坐落在下地幔的 D”层上；在2000 km深度处呈圆柱状，最小横直 径约为1500 km；到670 km的深度变为SN向延 伸的椭圆形伞面状，并在上地幔中分成几个二 级地幔柱；这些二级地幔柱在刚性板块中分成 几个三级地幔柱，把玄武岩熔体搬运至地表。其 中一个三级地幔柱向北延伸，并与夏威夷热点 相连；向南延伸的分支通过路易斯维尔海岭与 南极洲埃里伯斯海山的热点相连。
第四章地幔柱构造学与地幔动力学
速异常可能是这些板片的半同化的
残余物。
•超地幔柱的形态很复杂，丸山茂德
经过大胆的想象，将其简化。地幔柱 从D”层上升并变细，到达地幔的中
部后逐渐向670km深度扩展。在670km
深度处，地幔柱分成若干较小的二级 地幔柱。它们在板块底部后再次扩展， 并沿着板块的断裂或薄弱地区上升， 地幔柱再次变细为三级地幔柱。现在 地球上的大约50个热点，可用这些三 级地幔柱来解释。但是，目前对分支 地幔柱的形态还不很清楚，推测的部 分居多。
（2）线状供给
一种沿条带供给板片的方式，主要指冷板片沿俯冲板块边界连续不断的供给。线
状供给可诱发一条带状排列的冷地幔柱链。特提斯和环太平洋地区的板块消亡地 就是实例。当一冷地幔柱接近核-幔边界层时，边界层上的低密度物质被挤出其 位置，在此位置附近，热地幔柱被诱发生长并持续。冷地幔柱挤压核-幔边界层 的方式也有两种。
板块构造和地幔柱构造之间的关系 •板块构造和地幔柱构造的作用区域明显不同。板块作为一刚性固体块体起作用 的区域，沿消减板块边界，浅于670km；沿发散板块边界．浅于150km。地幔柱构 造则在岩石圈下面的软流圈和中圈内起控制作用，地幔柱构造作用还涉及地核。 地幔柱构造和板块构造是地球内部物质的两种不同对流形式的反映。
2、冷地幔柱
• 冷地幔柱是由滞留在上、下地幔界面附近的板片构成的下降地幔柱。是不保 持刚性板块形状而以巨石状下落的物质移动。
•丸山茂德（1994）认为，据Fakao （1994）的P波层析成像结果，在南太 平洋和非洲地区存在两大低波速异常 带，它们与地幔的两个超大上涌流对 应；在中亚和东亚地区下部的外核上 面，存在高波速异常，它是由大洋板 片聚集、滞留并最终塌落到外核上形 成的，与地幔的超下降）的P 波层析成像结果： ①东北日本型：俯冲板片从地表 连续至670km间断面，并且，由于 厚度增加部分板片已插入到670km 间断面的下面；②巽他型：板片 从地表连续插入下地幔，达到 1200km深度；③特提斯型：板片 与上面不连续，一个大的块体正 在下沉至1000-1500km深度，它大 致与从阿尔卑斯经中东至喜马拉 雅地区的板块边界平行；④南极 型：现代无活动的俯冲板块，在 670km处滞留的板片是lOOMa前板 块俯冲造成的。
地幔柱构造
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
产于大洋地壳的 热点
按起源深度划分
深源：2900km 核-幔边界
（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。
例如，Wilson（1973）提出热点活动地区具有鲜明的高地形 隆起，而且可以保持很长时间，这是热点的一个重要特征。
Burke和Dewey（1973）指出，大陆裂谷发育于热点之上的热 穹隆上。当热点和上覆陆壳相对运动极不明显或者规模很小时， 地幔热点对上覆陆壳的作用将更加明显与强烈，地幔柱中形成 的岩浆可以穿透陆壳，在一定条件下形成包括玄武岩、过碱性 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。
地幔柱构造
Mantle Plume Tectonics
地幔柱构造
Mantle Plume Tectonics
构造变动中的地幔柱理论和石油天然气资源
构造变动中的地幔柱理论和石油天然气资源编译：王立群関岡正弘捕获地球系统为geo system时，处理它的理论最近的进步是显著的。
其进步的原动力在于一个古老概念的崩解和新的概念的诞生。
具体来讲，就是以前认为不动的大陆在简单地运动。
地球系统科学的革命最初在1960年采用了板块构造理论。
比较此前的地质学和化石学的点研究，已经变成了以面为对象的研究。
经过三十多年的发展，最近发展出了地幔柱构造理论。
地幔柱理论明确了以下事实：追朔到行星诞生时，大量的陨石和小行星相互撞击而形成地球，经过大融合分离出地核和地幔，其后由地幔对流而引起的热辐射进行冷却。
包括大陆在内的地球表面即地壳不过是在这一过程中形成的产物。
地幔柱构造理论是一般性的，不仅应用到地球，也可以应用到所有的行星中。
地球的表面之所以受到板块构造的支配，是因为地球的自然环境允许这种构造理论的作用（海洋的存在）。
不仅是石油，在所有的资源开发工程学中，到目前为止都依赖地质学，这种状态今后也不会变化吧。
也不能指望在小的油田勘探开发中，宏观的地幔柱构造理论能发挥巨大的作用。
但是，在地球范围内讨论石油资源时，还不允许忽视地幔柱构造理论。
不仅是石油，在地球范围内的所有资源问题，与任何事物相比，都不允许缺少对地球的理解。
地幔柱构造在板块构造中，首先它不能说明地幔为什么会对流，其次也不能说明在板块边界上，沉入地幔内部的海洋板块的最终命运。
揭开这个谜团的是地幔柱构造理论。
地幔柱构造理论利用地震波分析方法，以地震波断面分析技术做为基本的分析手段。
板块构造理论中的研究对象包括称为岩石圈的地壳和地幔上部的一部分。
厚度60到100公里。
地壳本身的厚度，在大陆部分为30公里，在海洋部分为6公里。
地球的半径是6400公里，地幔的厚度是2900公里。
所以作为板块构造理论的研究对象岩石圈就象是在地球系统总体中的苹果皮一样。
与此相对，在地幔柱构造理论中，能够以具有2900公里厚的地幔整体为对象。
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。
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。
地幔柱假说
地幔柱假说
地幔柱假说（Mantle Plume Hypothesis）是地球科学中关于热点火山（Hotspot volcanism）的一个理论，该理论最早由J. Tuzo Wilson在1963年提出，并在1971年由W. Jason Morgan进一步发展。
这一假说试图解释某些火山活动与板块构造理论难以说明的现象，尤其是位于大洋洲中部和非大陆边缘地区的火山活动。
按照地幔柱假说：
1.地幔柱的起源：地幔柱是从地球的较深层—可能是
地幔和核心的边界—上升的热物质的柱状结构。
它
们是由于地幔中温度和密度的不均匀性导致的对流
现象。
2.地幔柱的特征：这些上升的地幔物质较周围地幔更
热、更轻，因此具有浮力，可以穿过更加冷且密的
上部地幔，最终达到地壳。
3.火山岛链的形成：地幔柱抵达地壳底部后，热和物
质的上升会造成地壳熔融，形成岩浆，进而可能导
致地表火山活动。
随着板块的移动，原来的火山逐
渐远离地幔柱热点，新的火山又会在板块上方地幔
柱的新位置形成。
这个过程形成了一系列的火山岛
链，其中最著名的例子是夏威夷群岛。
4.热点的追踪：由于板块相对地幔的移动，这些火山
岛链记录了板块过去的移动路径，岛链上年龄越大
的火山越远离当前的热点位置。
地幔柱假说并非没有争议，它仍然是地质学研究中的一个热点问题。
有的科学家质疑地幔柱的存在，提出了其他解释热点火山的模型，例如大规模的裂谷系统或板块边缘效应等。
不过，地幔柱模型因其能够解释一系列地质现象而被广泛接受。
第四章 地幔柱构造
一、地幔柱概念的由来
全球板块构造理论的创始人之一 Morgan （证明地球表面存在绕极旋转运动）于1971年首 次提出热幔柱的概念。他认为Wilson所指的 固定热地幔区实际上是一个产生于地幔底部 附近的热幔柱，热点火山链则是长期活动的 热幔柱熔融物质在上覆运动板块上留下的轨 迹。他根据全球热点分布数量推测地幔中大 约存在20多个热幔柱，现在一般认为（王登 红，1998）全球共有至少45个热点，其中大 陆14个，大洋中30多个（51个？）。
（1）地幔柱的启动和上升 （2）地幔柱的脉冲运动特征 （3）地幔对流对地幔柱运动的影响
1. 形态特征
目前有关地幔基本特征的认识主要来源于对地 幔柱作用产物—热点火山链和大陆溢流玄武岩的 直接观察和对地幔柱所进行的各种模拟实验研究。
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。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。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。
②热幔柱的化学成分特征表明它主要来源于富集型地 幔（即下地幔）；
研究表明，如果D”层受到某种热扰动，其物 质的粘度会降低，流动性增强，在热梯度的驱动 下，所有受扰动作用的高温低粘度物质会向热边 界层最低处汇聚，并在那里形成地幔柱。
近年来研究结果表明，热幔柱上升速率是非 常慢的，认为一个典型的热幔柱从D”层到达地表 （或近地表）大约需要100Ma，其相对移动速度 一般低于1cm/a，大规模的溢流玄武岩是热幔柱 经过长期积累和捕虏周围地幔所形成的巨大球状 顶冠减压熔融喷发产物，在通道打通之前，热幔 柱不可能快速上升，因为上升过程和喷发过程都 会导致热量的大量散失，从而减少地幔柱的活动 能力。
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。
第6页/共39页
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）。
地幔柱基本观点
地幔柱基本观点地幔柱是地球内部的一种特殊岩浆上升通道，它在地球深处向上延伸，直至地壳表面。
地幔柱是岩石圈与地幔之间的交界带，是地球内部物质和能量交换的重要通道。
本文将从地幔柱的形成、特点、作用等方面进行详细阐述。
一、地幔柱的形成地幔柱的形成与地球内部的构造和动力学过程密切相关。
地幔柱的形成主要涉及到地幔的热对流和岩浆上升。
地幔的热对流是地球内部能量传递的一种方式，通过热对流，地幔柱中的岩浆可以从地幔深处向上运动。
同时，在地壳板块运动过程中，板块的下沉和上升也会促使地幔柱的形成。
这些过程共同作用，使得地幔柱得以形成并延伸至地壳表面。
二、地幔柱的特点地幔柱具有以下几个特点：1. 温度高：地幔柱中的岩浆源自地幔深处，温度较高，通常在1000℃以上。
2. 岩石成分特殊：地幔柱中的岩浆主要由镁铁质岩石组成，富含铁、镁等元素。
3. 直径较小：地幔柱的直径通常在几十到几百公里之间，相较于地球尺度而言较为狭窄。
4. 延伸深度大：地幔柱可以延伸至地壳表面，甚至在陆地上形成火山口。
三、地幔柱的作用地幔柱在地球内部具有重要的作用，主要表现在以下几个方面：1. 热量传递：地幔柱中的岩浆运动可以将地幔深处的热量传递至地球表面，维持地球的热平衡。
2. 物质交换：地幔柱中的岩浆中富含各种元素和矿物质，当岩浆从地幔柱上升至地壳表面时，会将这些物质带到地表，丰富地壳的成分。
3. 火山喷发：地幔柱是火山喷发的重要通道，当岩浆从地幔柱中上升至地壳表面时，形成火山口，释放出大量的热能、气体和岩浆，从而形成火山喷发现象。
4. 地震活动：地幔柱的存在和运动也与地震活动密切相关。
地幔柱的不稳定运动可能导致地壳的应力积累，并在一定条件下引发地震。
总结：地幔柱是地球内部的一种特殊岩浆上升通道，它在地球深处向上延伸，直至地壳表面。
地幔柱的形成与地球内部的构造和动力学过程密切相关，主要涉及到地幔的热对流和岩浆上升。
地幔柱具有温度高、岩石成分特殊、直径较小和延伸深度大等特点。
地幔柱构造
地幔柱构造发布时间：2021-06-17T06:03:12.329Z 来源：《防护工程》2021年5期作者：王一烽[导读] 地幔柱是源于核幔边界或上下地幔边界的热异常物质，其隐含的巨大能量导致地幔的大规模熔融和大火成岩省的形成。
本文简要概括地幔柱的起源、演化、地幔柱和地幔柱活动模式。
王一烽长安大学地球科学与资源学院陕西西安 710054摘要：地幔柱是源于核幔边界或上下地幔边界的热异常物质，其隐含的巨大能量导致地幔的大规模熔融和大火成岩省的形成。
本文简要概括地幔柱的起源、演化、地幔柱和地幔柱活动模式。
关键词：地幔柱；起源；演化；大火成岩省0 引言20世纪是大地构造理论研究的黄金时期，经历了从经典的槽台学说到板块学说的转变。
板块构造理论，又称为全球大地构造理论，其突破了经典槽台学说的固定模式，认为包括地壳和软流圈上部的岩石圈板块，无论是大陆地壳还是大洋地壳，都曾经发生过并持续发生了大规模的水平运动。
但对于板块内部的一些岩浆活动等地质现象，板块构造理论模型却无法很好的解释，随后的热点假说以及地幔柱理论很好的补充了板块构造在这方面的缺失。
1 地幔柱概念的提出远离板块边缘的板块内部的地质作用使得板块理论遭受了挑战，尤其是对于大洋热点火山链和大陆溢流玄武岩的分布特点、分布规模、化学成分和形成温度等方面均无法得到考证（赵国春，吴福元，1994）。
Morgan（1971）首次提出地幔柱的含义，他指出：地幔柱是来源于地球深部的物质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”。
热柱到达于地表之处或地幔热流上升之处，称之为“热点”。
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。
2 地幔柱的特点20世纪90年代初，Griffiths和Campbell成功地解决了热驱动和大粘滞度对比这两大模拟热柱的基本问题，据此建立了动态热柱结构模型。
根据其实验结果和数值模拟，认为热柱由两部分组成：大的蘑菇状柱头和细长的热柱尾（Griffiths, Campbell，1990）。
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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]。
总的看来,作为幔柱构造理论的提出和建立还是近十几年的事情,它在地学界引起了高度重视,发展很快,涉及太古宙到新生代各地质历史时期的浅部表层地壳、深部地幔,甚至地核的整个地球的水平和垂向物质运动的动力学体系(侯增谦,2002)。
“它是板块构造理论的进一步发展与延伸,把浅部岩石圈板块运动和深部地幔的垂直运动综合为一个全球动力学体系……”(李红阳等,2002)。
上述众多地学者的一致性认可和评论,预示着幔柱构造理论的生命力和划时代意义。
地幔柱构造理论的动力学机制亦为拆离构造动力学机制的构想“地球膨缩、热能聚散、重力分异、地幔蠕动、多因聚焦、涌动交替的・194 ・铀矿地质第25卷多因多源模式”(童航寿,1996、2001)提供了重要的理论依据[4]。
近十多年来,我国地学者出版了不少有关地幔柱构造的专著和论文,诸如《幔柱构造》(李红阳等,2002)、《幔枝构造理论与找矿实践》(牛树银等,2002)。
这些是有关地幔柱构造理论与找矿实践的跨世纪代表作,它大大深化了上世纪中叶由Wilson、Morgan 等提出的地幔柱构造理论的内涵,进一步加以系统化、理论化并扩展到指导成矿规律研究和成矿预测。
在上世纪90年代,还出版有《中国大陆根2柱构造———大陆动力学的钥匙》(邓晋福等,1996)、《华南大陆地壳生长过程与地幔柱构造》(谢窦克等,1996)等[5,6]。
此外,我国地学者还从不同侧面介绍了国外地幔柱构造的研究进展,如高坪仙(1985)、罗永国(1993,1994)等,并翻译了大量有关地幔柱的文献。
李子颖等(1999)首次将地幔柱构造理论引进核地质系统,提出了热点铀成矿作用理论,并将地幔柱、热点理论应用于华南地区铀矿的成矿规律研究和成矿预测,发表了一批论文[7～10]。
2 地幔柱构造理论基本要点地幔柱(mantle plume)由于翻译的视角不同而有不同的名称,从侧面上看因其呈柱状或筒状而译作幔柱(或热柱);从地表上观之呈点状,译作热点(广义的点状)。
在有的文献上译称地幔羽或热缨、地幔热源柱。
对其形成机制,通常理解为:它是深部物质中的放射性元素裂变、释放热能,在重力高的地点(火山底下)由地球深部物质上升而来。
在地壳以下延伸2900km的整个地幔,以每年数厘米的速度蠕动着。
物质的移动,在海底扩张带是向上的,到达地壳之下改为水平移动,然后又向下进入地幔。
根据卫星遥感资料估计,每个地幔柱直径约160km左右,其数量全球有60多个。
许多地幔柱位于两个板块的边界上或其附近,推动板块彼此分离,每个地幔柱都固定在一个位置上长期活动(地质辞典,1983)。
目前对于地幔柱概念的理解不完全一致,有的学者强调地幔柱的化学成分与周围地幔间的差异。
提出“化学柱”概念(Andersun,1975);有的学者将“热柱”与“化学柱”合称为“地幔热化学柱”(Olso n和Yuen,1982;Hawkeswoht h et al, 1993),李子颖(2006)认为热点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,它可起源于地壳或地幔的不同深度而分为大洋型和大陆型。
大洋型热点活动产生于洋壳,由于上升的炽热地幔柱把上覆岩石圈抬升,使地壳呈现巨大穹窿构造,地幔柱冲破岩石圈作用于地表,并多以大规模的基性火山岩浆喷出作用为特点;大陆型热点活动作用于大陆,其特点是由于较厚的陆壳硅铝层,当地幔柱在深部作用于壳幔时,一般产生熔融和混熔,并在热动力作用下出露地表,多产生构造伸展、多期次成分复杂的岩浆活动和火山作用、流体活动和热泉等。
由于热点活动是地幔柱构造在地表的表现形式,不仅控制着地质构造作用,也与成矿作用有着密切的关系[10]。
关于热点与地幔柱的源区存在着不同的观点,如:(1)Parmentier(1975)和Bonatti(1990)认为,热点起源于上地幔底部或下地幔底部的热边界层。
(2)Anderson(1975)、Loper和Stacey(1983)认为,核幔边界的“D”层是地幔柱的最终源区。
(3)Camp bell J1H (1998)根据地幔源区的地球化学特征,作出核幔边界地幔源区演化的报道(图1)。
(4)从大火成岩省与各种地幔柱的关系,推导地幔柱源区(White R1S et al,1989;Camp bell J1H,1998;Arnat N,2000)(图2)。
图2中(A)扩张模型的地幔柱起源于上、下地幔边界;(B)热柱头模型地幔柱起源于核幔边界;(C)多级地幔柱模型,是兼顾(A)、(B)两模型的第3种模型,可理解为多源区模型,认为起源于核幔边界的地幔柱上升并滞留在上下地幔边界,然后形成多个次级柱上升到岩石圈底部[11]。
(5)Laper(1997)提出了地幔柱脉冲新概念,并认为地幔柱成因第4期童航寿:地幔柱构造研究概述・195 ・图1 各时代科马提岩和苦橄岩的稀土元素地球化学性质和核幔边界的地幔柱源区演化示意图(据徐义刚,2002)Fig11 REE geochemical characteristics of komatiites and picrites and schematic illustration for t he source of mantleplumes originated from t he core2mantle boundary和根部(即源区)将取决于热或水的扩散率,在地幔内部存在地幔柱的条件是在深部必须具有浮力的低粘性物源,源区一定要能供给粘滞系数比周围小几个数量级的物质,认为650km处的间断面是地幔柱的可能源区。
马宗晋(1995)认为,在此深度未能找到低粘性区的地震证据,因而最可能的地幔柱物质源区在地幔底部的“D”层[12]。
傅容珊(1993)研究地幔热动力系统(图3),提出地幔中存在5种形式的对流,核幔边界的“D”层属中小尺度对流,是地幔柱源区形成地幔柱和热点的热动力源。
(6)侯渭、谢鸿寿、周文戈(2005)提出地幔底层热柱和超级热柱的源区也是俯冲板块的最终归宿,是地幔对流的起点,又是地幔对流的终点。
侯渭等(2005)认为在核幔界面上的下地幔一侧地震波速分布极不均匀,在界面50～300km厚度范围内变化的一层物质称为地幔底层,它是由具有高地震波速和高密度的“D”区和超低速带(UL V Z)组成(图4)[13]。
地幔底层在横向上由“D”区和ULV Z相间组成。
地震层析发现,环太平洋的板块俯冲带之下正好与地幔底层中的“D”区相对应;而中心太平洋热点群之下正好与下地幔超级热柱及地幔底层UL VZ相对应。
在热柱的分类中(Cour2 tillot等,1999)除过渡带型热柱外,还・196 ・铀矿地质第25卷图2 解释大火成岩省的各种地幔柱模型(据徐义刚,2002)Fig 12 Different mantle plume models in explainingt he generation of large igneous provinces (A )———扩张模型;(B )———热柱头模型;(C )———多级地幔柱模型。
有深成热柱和上地幔热柱,推测深成热柱直接来源于地幔底部,而上地幔热柱可能来源于岩石圈下覆的软流层。
地幔底层中发生为部分熔融作用形成的超低速带(UL VZ )可能是热柱和超级热柱的源区。
(7)无根热点起源与陨石撞击有关(万天丰,2004)[14]。
一般认为,超级地幔柱区发生于核幔边界(Larson ,1991;povoui ,1997)(图3,4)。
起源于核幔边界“D ”层、直径大于5000km 者称超级地幔柱,其影响区域横向距离也许有6000km 之巨,可谓巨型地幔柱(Lar 2son ,1991);直径小于500km 者称亚地幔柱。
邓晋福(1992)提出中国东北及邻区可分出7个这样的亚地幔柱。
图3 地幔热动力系统(据傅容珊,1993)Fig 13 The t hermodynamic system of t he Eart h πs mantle地幔柱理论认为:地幔热柱往往发育于核幔边界,在上升过程中逐渐扩大,当上升到岩石圈底部时,地幔流变向外拆离扩散,形成具火山活动的热区,可使岩石圈上隆;当地幔热柱内集中的上升流相平衡回流时,由地幔其余部分非常缓慢地往下运动来完成;地幔热柱上升点呈放射状流体所施加给岩石圈板块的合力以及板块沿边界相互制约所产生的力,确定了板块运动的方向(牛树银等,2002)。
上述壳幔运动的动力学分析与陈国达(1996)提出的地幔蠕动热能聚散交替的壳体构造运动的力源机制和笔者应用此理论分析拆离构造动力学机制有许多共同点[15,16],如“当地幔蠕动上升流到达地壳底面时,将会转为沿底面平向蠕动流,在此地质环境下最易发生不同尺度的缓倾角的多种拆离构造。