板块构造(张传恒)4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？）。
二、地幔柱的基本特征
1. 形态特征 2．化学成分特征 3．运动特征
（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
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 87Sr/86Sr 和 较 高 143Nd/144Nd。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）。
一、地幔柱概念的由来
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，提出了热点假说用来解释其成因，但该 论文被《地球物理研究杂志》拒绝发表，而后 发表在《加拿大物理学杂志》，他认为这些火 山岛链是太平洋板块移过一个产生大量岩浆的 固定热地幔区形成的。他将这个固定热地幔区 称为热点构造。到70年代初，wilson的热点构 造才得到多数地质学家和地球物理学家的承认， 而地幔柱概念正是在Wilson的热点构造研究基 础上提出来的。
3．地幔柱的运动特征
（2）热幔柱的脉冲运动特征
Scott（1986）用一个细管将稀溶液从盛 满蜂蜜容器的底部注入，在液柱中产生了单 波，当注射速度加快时，液柱中单波由线形 变为非线性，据此Scott等（1986）认为热幔 柱是以单波脉冲形式向上运动，这种认识被 后 期 许 多 研 究 者 所 证 实 、 承 认 。 Larson （1991）认为热幔柱的单波脉冲运动特征是 导致地磁极周期反转，气候和海平面周期变 化的一个重要原因。
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。
地幔柱的概念
地球深部核幔边界附近的高温低粘度层（D” 层）可以产生柱状上升的热物质体。热物质体 在经过地幔达到冷的岩石圈时，顶部常呈喇叭 形张开，形成一个具有球状顶冠和狭窄尾柱的 热物质体构造—热幔柱构造。热幔柱巨大的球 状顶冠在上升过程中可以引起地壳上隆和大规 模溢流玄武岩火山作用（形成大陆或大洋溢流 玄武岩），并且可以造成区域变质作用，地壳 熔融作用及不同规模地壳伸展。随上覆板块运 动，热幔柱狭窄的尾柱会产生一系列热点火山 链。
课堂讨论
讨论题目：地幔柱假说的主要内容及其地质意义 。 主要内容：
1．地幔柱概念的由来与沿革 2．地幔柱的基本特征 3．地幔柱研究的地质意义 4．地幔柱构造与板块构造关系
第四章 地幔柱构造
第四章 地幔柱构造
一、地幔柱概念的由来 二、地幔柱的基本特征 三、地幔柱研究的地质意义 四、地幔柱构造与板块构造关系 五、冷幔柱和超级地幔柱的研究
（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。
微弱横波，为稍具刚性的核内过渡层 5100km(莱曼面)
固态层
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夏威夷火山链
板 块 运动
热 点 固定
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第四章 地幔柱构造
一、地幔柱概念的由来 二、地幔柱的基本特征 三、地幔柱研究的地质意义 四、地幔柱构造与板块构造关系 五、冷幔柱和超级地幔柱的研究
二、地幔柱的基本特征
1. 形态特征： 2．化学成分特征： 3．运动特征：
地球内部的圈层划分
地壳
A层
上
地
B层
地E层
核 F层 核
内核 G层
40km( 莫霍面) B’ B” B’”
400km
下界为150 km 低速层，下界为250 km 下界为400 km
670km D’ D”
2900km(古登堡面)
为D层底部200 km速度梯度接近0
横波波速为0，液态 4170km
有人认为在上升过程中，热幔柱头部化学成 分是不断变化的，是有源区成分和捕获的地幔成 分复合的特征，而热幔柱狭窄尾部在上升过程中 近于基本上不捕获周围地幔物质，因而其化学成 分变化主要反映源区化学成分。
二、地幔柱的基本特征
1. 形态特征： 2．化学成分特征： 3．运动特征：
（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
3．地幔柱的运动特征
（1）地幔柱的启动和上升
热幔柱的活动需要一个热边界层，这样的热边界层在 地幔中的上下地幔界面的密度界面（ 670km ），或 是核幔边界的D”层，一般认为是启动于核幔边界的 D”层 。
①理论分析表明：要产生直径为1000km的热幔柱球状 头部，形成大规模溢流玄武岩,热幔柱只有启动于下 地幔底部才能完成；