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:A

1　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]。

但在板块学说一统天下的年代里,人们对于地幔柱的认识非常有限,热点只是作为研究板块运动速度与方向的一个参考点而已,而地球的表层构造因相对易于研究使得板块构造理论得以迅速发展。随着研究程度的不断深入和新资料的积累,人们认识到板块构造理论虽能有效的解释为什么地震与火山大部分集中在非常狭窄的地带,也能说明为什么有些地震较浅而有些地震较深,并能很好地解释那些位于板块边界的大部分火山的形成和分布,但是对于板块内部的动力过程则显得无能为力,也没法解释大量位于板块内部和大洋中脊处的海山,诸如海洋火山(热点)和大陆大片玄武岩的成因等等[4]。

20世纪80年代末,Griffiths(1986,1990)等[5,6]从组分差异驱动的地幔柱模拟实验的结果中发现,这套实验大大限制了地幔柱在地球动力学中的应用,因而提出了热浮力驱动实验,该模拟实验基本上模拟了地幔柱的本质特征(热驱动和大黏度对比),由此提出的动态地幔柱模式理论将地幔柱的研究推向了一个新的台阶[7]。从早期侧重于寻找和识别地幔柱的研

ISSN100922722 Marine G eology Letters　海洋地质动态 2004,20(8)∶16—19

究工作向当前动态的演变模式发展,从而融合了地幔柱与板块活动之间存在的深层次的联系,甚至将岩石圈、大气圈、水圈等各圈层在以地幔柱为动力核心下的相互耦合作为统一的体系进行研究[8—11]。超级地幔柱理论的提出和发展将全球重大构造变革事件、生态演替以及核幔边界地震低速带有机联系起来,确认了超级地幔柱活动对全球板块活动、地幔对流的重要贡献[8—13]。

20世纪90年代以来,一些新的大地构造理论不断提出,热点假说又重新受到重视,并与地幔柱研究相结合而演化为地幔柱—热点理论,成为当今地球科学19个前沿领域115个最有发展前景的研究方向或研究课题之一。1994年,以Maruyama为代表的研究群体发表了一系列跨学科综合性的研究成果[12],从而提出了一种全新的构造观,即地幔柱构造,最近他们又指出地幔柱构造是继魏格纳提出大陆漂移学说和板块构造理论之后认识地球的第3次浪潮[14]。

与研究地球表层物质水平运动为主的板块构造理论相比,地幔柱构造理论更加重视地球的深部构造与物质的垂向运动[15],通过两者的结合有助于更好地理解地球的演化及地质作用与成矿作用的规律。它借助于三维地震层析、超高压矿物相变、地幔对流的实验和理论模拟以及全球范围地幔地球化学的研究,有效的解决了板块驱动力和大陆地质问题,使人们对地幔的直接认识有了突破性的进展,于是地幔柱构造理论又得到了更新和发展,地幔柱构造理论体系也日臻完善。

2　地幔柱构造概念及其特征

目前,一般认为(实验模式和理论模式也表明),地幔柱是起源于地幔中热/化学边界层或者产生于地核—地幔边界,就是说,在核幔边界过渡层产生的热物质呈狭窄的柱状经过地幔上升到地壳(或岩石圈底部),呈盆状向上张开形成巨大的球状顶冠(头部),地幔柱顶冠在向上接近地表处,则扩展成一个热物质的顶盘,直径约1500～2500km,厚达100～200km,因此,地幔柱是由一个巨大直径的头部(即地幔柱顶冠)和一个比顶冠直径小得多的尾柱(直径约几百公里)组成。地幔柱顶冠上升时会引起地壳上隆,形成了大量迅速溢出的熔岩,所以,大陆溢流玄武岩区是与地幔顶冠有关的火山作用。地幔柱顶冠在上升过程中能吸收大量地幔柱以外的物质,因此它代表着一个地球化学复杂的岩浆源。而由地幔柱的尾柱所代表的柱状体是一个长期生存活动部分,这是一种使热的上浮物质赖以从深部边界层排放到地幔至近地表面地区的通道。尾柱的长期活动则将会导致大洋热点火山链的形成[16]。洋岛和板内大陆裂谷玄武岩火山作用通常被看作为地幔热柱或热点在地表的表现,来自地球深部的地幔柱头部的热使岩石圈弱化,然后使岩石圈裂开。

地幔柱在地表主要表现为高地形隆起,当其上升至近地表时,变成“蘑菇”状,头部粗大而颈干细小。目前,人们对地幔柱直径大小观点不一,从十几千米至几千千米都有。板块构造主要研究的是地球的表层构造,只能对200km 深度的地表给予解释,对于深部地质现象无能为力,虽然引入底侵作用和拆沉作用扩大了板块在纵向上的作用范围。但对于深部地质现象还是无能为力,而地幔柱构造理论所涉及的深度和范围显然要大得多。地质学家们认为地幔柱主要起源于地幔的D层,D层从地核吸收热量,使其具有较高的温度和较低的黏度,因此地幔柱具有高热流、低速带的特征[12,14,17—20]。

地幔柱是以火山作用、高热流和上隆为标志的,其主要特征为上隆并伴随着火山作用,产生碱性玄武岩、流纹岩及深海拉斑玄武岩,它们具有独特的地球化学特征,高重力,高热。地幔柱可出露于大洋或大陆,呈一维有时是二维无震级由热点处向外延伸[2,21]。

该模式认为,大陆溢流玄武岩是地幔柱的巨大球状顶冠上升到地壳发生减压熔融的产物,而热点火山链则是地幔柱尾柱长期活动的结果。如留尼旺地幔顶冠上升形成了德干玄武

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　第20卷第8期 周连成,等:地幔柱研究述评