板块构造学说和地幔柱假说之漫谈

板块构造学说和地幔柱假说之漫谈

摘要：板块构造学说和地幔柱假说是当今解释地球构造的两大理论。本文介绍两大学说的产生、主要内容、成功与不足，并对二者进行比较。二者在许多方面可以互为补充、共存，共同构成了全球构造体系。

关键词：板块构造；地幔柱；全球构造体系。

1.板块构造学说

1915年魏格纳在《大陆与大洋的起源》一书中提出了大陆漂移的概念；20世纪六十年代初，美国地震地质学家迪茨提出了"海底扩张" 的概念；1968年，在大陆漂移学说和海底扩张学说的基础上，法国地质学家勒皮雄与麦肯齐、摩根等人提出板块构造学说。

图1 世界板块分布图

勒皮雄等人认为大洋的发展与大陆的分合是相辅相成的，并将全球地壳分为六大板块，太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块（包括澳洲）和南极洲板块（图1）。六大板块中除太平洋板块几乎全为海洋外，其余五个板块既包括大陆又包括海洋。此外，在板块中还可以分出若干次一级的小板块，如把美洲大板块分为南、北美洲两个板块，菲律宾、阿拉伯半岛、土耳其等也可作为独立的小板块。板块之间的边界是大洋中脊或海岭、深海沟、转换断层和地缝合线。在前寒武纪时，地球上存在一块泛大陆。以后经过分合过程，到中生代早期，泛大陆再次分裂为南北两大古陆，北为劳亚古陆，南为冈瓦那古陆。到三迭纪末，这两个古陆进一步分离、漂移，相距越来越远，其间由最初一个狭窄的海峡，逐渐发展成现代的印度洋、大西洋等巨大的海洋。到新生代，由于印度已北漂到亚欧大陆的南缘，两者发生碰撞，青藏高原隆起，形成巨大的喜马拉雅山系，古地中海东部完全消失；非洲继续向北推进，古地中海西部逐渐缩小到的规模；欧洲南部被挤压成阿尔卑斯山系，南、北美洲在向西漂移过程中，它们的前缘受到太平洋地壳的挤压，隆起为科迪勒拉—安第斯山系，同时两个美洲在巴拿马地峡处复又相接；澳大利亚大陆脱离南极洲，向东北漂移到的位置。于是海陆的基本轮廓形成。

板块构造学说成功解释了许多地理现象，使它成为近代最盛行的全球构造理论。如红海面积的变化（亚欧板块与非洲板块张裂，红海面积扩大）；喜马拉雅山的形成（亚欧板块与印度板块相撞，喜马拉雅山脉高高隆起）；日本群岛的形成（太平洋板块与亚欧板块相撞）；

非洲与南美洲发现相同的古生物化石及现代生物的亲缘问题（非洲板块和南美洲板块分离）等等。在找矿与勘探、地震预报、古地理环境、古生物和现代生物的分布等方面也获得比较成功的说明。板块学说，作为新的地球观正在有力地推动着地球科学研究的迅速发展。它标志着近代地球科学史上的首次重大突破。

但古生代前的海洋大陆是怎样形成的，板块的运动靠的是什么动力，大西洋海底岩床大西洋海底岩床，岩石圈的垂直运动这些问题，板块构造学说无法解释，仍存在一定的不足。

2.地幔柱假说

1963年，加拿大Wilson首次注意到太平洋夏威夷—天皇火山岛链玄武岩喷出年龄的变化规律，提出了热点假说来解释其成因。1971年，Morgan首次提出热幔柱的概念，并推测全球存在20多个热幔柱。后来Deffeys认为热幔柱是下地幔上涌形成的，Parmentier认为热幔柱产生于上地幔，而Anderson认为热幔柱与其说是热柱，不如说是一种化学柱。1982年，Olson与Yuen认为热幔柱既是一种热柱又是一种化学柱，并称之为地幔热化学柱。这种热化学柱能够穿过地幔不同的相转变界面而达到地表，形成热点火山链和大陆溢流玄武岩。近年一些日本学者认为地幔柱构造，是地幔中受几个大的、垂直的地幔柱流控制的动力学区域。这几个地幔柱就是南太平洋和非洲地区存在的两个巨大低波异速常带，对应着两个热地幔柱；在中亚和东亚地区下部的外核上面存在的高速波异常，对应着一个冷地幔柱(图2)。

图2

热地幔柱是由地幔热物质构成的上升地幔柱。有D”层(下地幔底部的热边界层)和400km 深度的上地幔两个来源。而来源于D”层，直径达5000km的热地幔柱，目前全球只有位于南太平洋和非洲下面的两个。南太平洋热地幔柱，呈蘑菇状坐落在下地幔的D”层，在2000km 深度处呈圆柱状，最小横直径约为1500km,到670km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。非洲热地幔柱是导致200Ma 前非洲大陆从冈瓦纳大陆裂解出来的热地幔柱，它与其它几个热地幔柱共同组成中央泛大陆热地幔柱链。大西洋的形成和这个热地幔柱有关，而大西洋中脊也可能由其中的某个热地幔柱产生。

冷地幔柱是由滞留在上、下地幔界面附近的版片构成的下降地幔柱，是以巨石状下落的物质移动。板块在大洋中脊产生，在海沟处插入地幔深部。俯冲板块插到670km的深度时，由于收到下地幔粘度增加和相变吸热等因素的影响会产生强大的组里，使板块近似水平地暂时滞留在670km深的不连续面上。滞留的板块随时间生长，最终塌落在地核表面上，形成冷地幔柱。

热地幔柱、冷地幔柱的对流，是地球内部热传导的主要形式，并且可能贯穿于地球的整个演化过程。热地幔柱和冷地幔柱之间的相互制约与转化，决定冷引张和挤压两大构造动力的相互制约与转化，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。该理论成功解释了大陆溢流玄武岩成因、太古宙科马提岩成因、地磁极性变化、生物群体绝灭原因、全球气候变化和海平面上升等问题,但典型的地幔柱模型不被地幔的物理特性支持,如今的地幔柱假说又过于宽泛。

3.二者的区别和联系

多数学者认为，板块构造支配的领域仅限于地球外面的刚性岩石圈，而在板块的下方，绝大部分领域受地幔柱所支配。地幔柱构造和板块构造是地幔内部两种不同形式物质对流的反映，板块构造受地幔内部物质球状对流所支配，而地幔柱构造是受穿过整个地幔柱的四分之三以上范围。因此，与板块构造相比，地幔柱构造在地球形成和演化过程中具有更广泛的支配领域和更重要的地质意义。

丸山茂德等日本学者根据地层（P波）层析成像技术得到的全地幔内部结构和对板块下插历史追踪的研究结果，认为地幔柱和板块并非相互独立，二者构成一个统一的构造体系——全球构造体系。

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流云思尘

完成于2012年12月25日