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。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人人心。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400km 以下，地幔热柱的直径为300km。高温可能是造成地幔柱中低速物质的主要原因（徐义刚，2002）。

夏威夷浅部地幔存在地幔柱可以直接从观测中获知. 夏威夷火山链中活动的火山作用限定在仅几十公里的“点”上(故称作“火山热点”)。火山岛出现在大约1 km高和1000km宽的海底隆起上, 向西北方向延伸. 该隆起从地震剖面上得知不是地壳加厚造成的。如此大的宽度也不可能是由岩石圈的挤压造成的。最可能的解释是该隆起是由板块下低密度物质的浮力引起的。因此, 该隆起和当地活动的火山作用就表明火山中心下面有上升的由低密度物质组成的狭窄通道——地幔柱存在（图三）。

图三夏威夷加厚的方式

地幔柱构造可以很好地解释峨眉山玄武岩的形成，在徐义刚,何斌,黄小龙等（2007）以峨眉山LIP为例验证地幔柱了假说，说明地幔柱存在的可靠性，在鉴别老地幔柱的5个方面上,峨眉山大火成岩省满足其中的3到4个指标,加上其他独立参数之间的吻合,因此我们有理由相信地幔柱构造可以很好地解释峨眉山玄武岩的形成。大火成岩省的特征及其地球化学数据也显示要能出现这样规模巨大，岩性主要为镁铁质的喷出岩和侵入岩量，要求地幔深部有巨大的热异常的存在。根据理论模拟估计的地幔热柱头直径的尺度与实际LIPs的覆盖范围相类似。如前所述，地幔热柱的上升会导致一系列岩石圈构造的形成，如地表的穹隆，岩石圈的拉伸和裂解，控制新的洋中脊位置和形成时间等。另外，地幔柱上升的另一主要结果是减压而发生部分熔融，形成LIPs，地幔柱头越大，产生的玄武岩量也就越大。并且能从大火成岩省与各种地幔柱的关系, 可以推导地幔柱源区。有三种解释LIPs与地幔热柱之间成因联系的主要模型(图三)：A热柱头模

型;B 扩张模型。A认为热柱起源于核幔边界，B假定地幔柱起源于上、下地幔边界。Arndt最近提出了兼顾上述模型的第三种模型C，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至岩石圈底部，导致UPs的形成(图四)。

图四解释大火成岩省的各种地幔柱模型（据徐义刚，2002）

三、地幔柱与成矿的关系

地幔柱活动是固体地球各圈层大规模物质交-相互作用的和大陆垂向增生的重要机制，可能导致岩石圈大规模隆升、伸展、甚至大陆裂解。由于地幔柱来源深、温度高，其自身、软流圈和岩石圈广泛的减压熔融。短时间内产生巨大的玄武岩浆，连续的玄武岩浆的补给为大规模岩浆成矿作用提供必要的物质条件；强烈的岩浆活动还会启动地壳内部大规模的热液循环，为地壳成矿物质的活化-迁移-热液成矿创造有力的环境条件和驱动力；巨量的溢流玄武岩本身具有很高的Cu、Ni、PGE等元素的背景值，为后期的热液活动提供了物质基础。因此，地幔柱成矿主要包含岩浆成矿系列（Cu-Ni-PGE）硫化物矿床、铬铁矿床、钛磁铁矿矿床、Nb-Ta-REE矿床、热液成矿系列和后期热液成矿系列。宋榭炎等用地幔柱成矿理论很好的解释了峨眉山火成岩省的成矿机制，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。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。

我国学者牛树银2006总结了地幔柱多级演化成矿模式（图五、六），认为液态外核的主要成分是Fe、Ni，还有很多其他金属元素等等，这些元素可以随地幔柱运移到浅部成矿。