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 高温可能是造成地幔柱中低速物质的主要原因 2 地幔柱构造概念及其特征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 100 200 km 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 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载度 因此地幔柱具有高热流 低速带的特征 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 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岩 南大西洋的扩张随着地幔柱顶冠的上升而快速向 北扩展形成了巴拉圭 Etendeka 大陆溢流玄武岩 这就是说 地幔柱上升形成的 顶冠可产生地壳上隆和溢流玄武岩 而且由于地幔柱顶冠热源物质温度很高 可能造成区域变质作用和地壳的熔融 关于科马提岩的成因问题 根据地幔柱 模式认为是地幔柱管道上升热物质释压重熔的产物 关于大陆地壳再造与地壳 演化 地幔柱理论认为 地幔柱顶冠的形成和尾柱区的长期活动 可能对大陆 地壳的再造和地壳演化有着主要影响 由于异常热的地幔重熔作用产生岩浆地 壳 这是地幔柱在大陆地壳再造中作用的证据 3 地幔柱构造类型地幔柱构造类型 自地幔柱理论问世以来 关于它的起源一直都是各国地质学家和地球物理 学家争论的焦点 地幔热柱来自地球深部 但它可以起源于地幔内也可以来自 核幔边界 CMB 关于这一点至今尚无充分的识别标志 Maruyanm 基于地 震层析成像结果 认为有两种类型的地幔热柱 一种来自 400 km 深度 另一种 来自核幔边界 Ringwood 1989 认为 在 670km 深度界面处 由于再循环的 岩石圈冷物质堆积 形成巨大岩石块体 随后的加热可形成具浮力的热柱 它 是大洋下面板内热点的来源 Anderson 1995 认为 热柱是给洋岛提供岩浆 的源区 发生于对流系统的底部 常常位于核幔边界 它强烈的上涌 不同于 由于板块分离引起的被动上涌 亦不同于其他的对流系统的正常的大尺度上涌 周瑶琪等 1998 认为 面积大的源于下地幔 面积小的源于上地幔 基于地 球多层对流系统的模型 提出了源自 400km 670km 和 CMB3 类地幔热柱 最近 Courtillot 等通过对全球 49 个热点的分析得出了区分热点的 5 个标准 线性火山链上各座海山是否按年龄顺序排列 大陆逸流玄武岩是否出现在 火山链轨迹的起始点处 3 是否有大量的物质流 遨是否具有一致的高 3He 4He 比值 F 伏地幔中是否有低的剪切波速度 根据这 5 类标准将上 述 49 个热点分为 3 类 至少有 7 个热点源于下地幔深部 称之为 Morganian 其中 20 多个来自过渡带底部 剩下的 20 多个来自上地幔 称 之为 Andersonian 4 地幔柱的产生 启动与演化地幔柱的产生 启动与演化 4 1 地幔柱的产生与启动 地震波研究表明 Parmentier 1975 Albaredeetal 1999 在地幔中只有 两个位置能够产生地幔柱 一个是 670km 处上下地幔之间的不连续面 另一个 是 2900km 处的核 2 幔附近的 D 层 这就涉及到地幔柱与地幔对流的关系 Morgan 1972 最初设想 地幔柱是地幔对流上拱的一种表现 即地幔柱起了 将下地幔中的热带到地表的作用 目前主流的看法为后者 但也不排除又少部 分地幔起源于 670km 处上下地幔之间的不连续面 Albarede 等 1999 的研究 表明 如果在 670km 处发生化学界面 分层对流的话 那么下地幔至少在密度 上要比上地幔大 2 Ringwood 通过高压相变实验结果推断 400 至 670Km 地幔 的上部可能由橄榄石 R 相和 majorite 组成 而下部可能由橄榄石 Y 相 majorite 和富钙的钙钦矿相组成 670Km 以下可能由钙钦矿相 方镁石 方镁铁矿及其 它具有更高密度的铁镁硅酸盐矿物组成 也就是说这种起源模式是可能的 通过对地震资料 地幔对流方式 CFB 洋底高原玄武岩和大 OIB 等典型 地幔柱成因的玄武岩的化学成分的比较和地幔放热与整个地球放热的比值以及 地幔柱的头部直径的大小等特征的研究 多数学者 Bruneteta1 2000 Davies 1992 Richards 1991 Griffithsetal 1990 Griffithsetal 1990 认为 地幔 柱是来自 2900km 处核一幔边界附近的 D 层 其理由如下 与 MORB 和 IAB 相比 CFB 洋底高原玄武岩和 OIB 等典型地幔柱成因的玄武岩常反映 富集型 地幔特点 而上地幔由于分异出地壳后常表现 亏损型 地幔化学 组成 因此 地幔柱不可能来源于上地幔 与 MORE 相比 OIB 具有较高的 3He 4He 比值 表明地幔柱来源于地幔更深部位 反映原始地球形成物质的特点 理论模拟计算表明 如果地幔柱起源于上地幔底部 那么 由地幔柱释放出 的热量将占整个地球放热的 60 而实际上 由地幔柱释放的热量仅是整个地球 放热的 6 10 这个热量释放范围刚好与地核释放的热量比例相近 说明地 幔柱来源于核一幔边界附近 理论模拟还表明 在所许可的上升速度范围内 从上 下地幔边界起动的地幔柱穿过上地幔这样的距离 最多只能形成直径为 300km 的球状柱头 而实际上许多地幔柱头的直径都超过 1000 2000km 上 下地幔间不连续面的性质目前并不完全清楚 也有资料显示其为相变界面而非 化学界面 也有一些学者认为 既有起源于 D 层的地幔柱 也有起源于上 下地幔界面的地幔柱 前者柱头大 后者柱头小 最新的地震层析研究表明 夏威夷 冰岛等地幔柱的确来自 2900km 深度的 核一幔边界 导致 D 层发生热扰动可能来自核一幔之间的温度差 Olson Sfinger l985 Davies 1990 这样地核会不断向地幔中释放热量 但由于原始地核物质组成不均或其它因素 这种放热作用在不同位置可能有所 差异 从而会产生热扰动 热扰动会使 D 层物质的粘度降低 流动性增强 在热梯度的驱动下 所有受热扰动作用的高温 低粘度物质会向热边界层最低 处汇聚 形成地幔柱 Davies 1990 1992 早期的研究者认为 地幔柱一旦起动 就将快速穿过整个地幔和地壳上升 至 地表 并在较短的时间内喷发 形成大规模玄武岩 近来的研究结果表明 即 使 地幔柱与周围地幔物质的粘度差达到 104 其上升速度也是非常缓幔的 并且 地幔的实际粘度并非恒定 而是随温度降低呈指数增加 具有非牛顿流体性状 在一个新启动的地幔柱上升过程中 随着热量的不断散失和温度的不断降低 其 上升速度会变得愈来愈幔 根据地幔具有非牛顿流体性状模式估计 每个地幔 柱 的直径仅为几万米 年流通量也仅为 17km3 Loperetal 1983 一些人过高 估计地幔柱的规模和流通量 主要是为了使地幔柱上涌量能够与地表所见热异 常和地形异常一致 而这些异常可能是地幔柱遇到刚性岩石圈后水平散开所产 生的热晕 与地幔柱大小无直接关系 4 2 地幔柱的演化 地幔柱自核幔边界上升到地表 最终以大规模岩浆作用的形式喷发或侵位 这是一个非常复杂的过程 也是一个演化的过程 王登红 2001 认为地幔柱 的演化至少可以分为四个阶段 1 初始阶段 核幔边界由于某些原因而分异出具有明显活动性的物质 并逐渐聚集形成 预地幔柱 那些原先在地核中富集但又难以在高温高压条件 下 安定 下来的元素很可能起了非常重要的作用 大离子亲石元素 LILE 和轻元素以及放射性元素也可能积极参加进来 从行星对比和地球演化的角度 看 地幔柱的形成似乎是必然的 它是导致地球大尺度物质和能量交换的一种 重要方式 2 上升阶段 趋向于形成地幔柱的物质集中到一起 形成具有一定规模 一定形态的 雏地幔柱 它们由于与周围地幔存在明显的密度 温度 粘度等 差异而具有 浮力 能够缓幔地脱离核幔边界并穿越厚大的地幔 当然 一些 小规模的雏地幔柱可能被地幔吃掉而消失 上升到近地表 3 壳幔相互作用阶段 规模巨大的雏地幔柱不但本身具有足够的物质和 能量 而且能够导致周围环境中的正常地幔物质发生部分熔融 熔融的部分被 地幔柱吸纳 从而使地幔柱的体积更加庞大 同时物质成分也会发生明显变化 能量则可能幔幔衰竭 但由于压力的降低 地幔柱的活动性可能更显著 因而 此时的地幔柱趋于 成熟 当它到达 670km 处的不连续面时可能会分化出次 级的 幔枝 并且与上地幔和地壳发生充分的反应 此时的地幔柱一方面向地 壳不断输送物质和辐射能量 引起地壳范围的一系列变化 如碱性岩浆的上侵 变质作用 裂谷化 盆地的形成 另一方面地幔柱本身演化出巨大的头冠构造 和细长的尾部构造 定位也较浅 能够被人类所探测到 因而是目前研究的重 点 4 喷发 消退阶段 随着地幔柱的继续上升和地壳的局部张裂 地幔柱物 质将在非常短暂的时间间隔内发生大规模的喷发与侵位 从而使地幔柱顶冠的 体积萎缩 能量耗尽 只留下残余部分停留在地壳的底部 幔幔失去活动性而 成为固化的地幔柱 成为 化石 但这部分残留地幔柱一旦遇到合适的条件 如深大断裂或超岩石圈断裂 仍然可能发生上侵 并且可能带来与基性超基性 岩有关 Cu Ni PGE 矿床 5 地幔对流地幔对流 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 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 巨大的蘑菇状柱头和细长的热柱尾 图 1 柱尾主要由起源于核幔边界 图 1 或上地幔一下地幔边界的热物质流组成 热柱上升速率由于周围地幔物质的粘滞系数高而受到限制 在这种情况下 热 柱头的上升速率小于柱尾中物质的上升速率 由于有柱尾物质的不断供给 柱 头逐渐变大 热柱头在长大过程中因热浮力会同化捕获温度较低的周边地幔 因此柱头是热柱源区物质和较冷地幔物质混合而成的 图 1 有时 捕获的周围地幔物质量可占初始热柱头质量的 9000 热柱头大小取 决于它在地幔中上升所经过的距离 起源于核幔边界的热柱头的直径为 1000km 左右 当上升抵达刚性岩石圈底部时 其头部可横向伸展形成直径为 2000km 厚度为 100 200 k m 的蘑菇状热物质体 而起源于上地幔一下地幔边界的热柱 头则小得多 直径只有 500 km 左右 尽管地幔柱可能起源于上地幔底部或下地 幔底部 但后一种的可能性更大 即起源于核幔边界之上的 D 层 D 层是 指位于核幔边界附近地震波速梯度异常低的区域 其中的理由包括 1 计算机模拟揭示 只有起源于深部地幔 热柱头才能达到足够大 以 形成规模巨大的溢流玄武岩省 2 起源于上地幔的热柱难以解释热点相对固定的位置 3 热柱向岩石圈底部传递的热能与地核冷却释放的热量相当 4 热柱活动与磁极倒转之间的相关性暗示 只有起源于 D 层的地幔柱 才能通过经核幔边界的热传递而改变外核物质的对流方式 最终影响地 球的磁场 5 同铁陨石一样 地核应该富集 Os 并具有比地幔更高的 187Os 188Os 值 因此 起源于 D 层的地幔柱物质会受到地核放射性成因 Os 的污染 一 些热柱成因的玄武岩的 187Os 188Os 值比原始地幔高出 20 百分号 这意 味着地核污染 说明地幔柱起源于下地幔 这一观点也得到了一些溢流 玄武岩中很高的 3He 4He 值的支持 因为高3He 4He 值说明其源区有一 未去气的下地幔源 6 地震层析揭示冰岛地幔中的低速物质一直延伸到核幔边界 6 地幔柱源区的地球化学特征及其演化地幔柱源区的地球化学特征及其演化 OIB 型幔源岩浆 如洋岛玄武岩 溢流玄武岩 与 MORB 型岩浆的地球化 学性质存在很大的不同 主要体现在 1 OIB 型岩浆中不相容元素含量 Rb Sr 和 Nd Sm 比值较高 2 MORB 的同位素组成较为均一 而 OIB 的同 位素组成变化较大 且 87Sr 86Sr 比值高 143Nd 144Nd 比值低 3 OIB 具有比 原始地幔更高的 187Os 188Os 比值 4 Si02含量相似的情况下 OIB 的 Fe 含 量高于 MORB OIB 型岩浆的地球化学组成反映地幔化学成分的不均一性 粗一看 这与 地幔对流假说是矛盾的 因为对流体系可在几亿年内使地幔均一化 为了克服 这一矛盾 人们提出了双层对流模式认为上 下地幔有不同的成分且有各自的对 流体系 下地幔为原始地幔 而上地幔为亏损地幔 但是 洋岛玄武岩和溢流 玄武岩的地球化学性质表明它们不可能是原始地幔熔融产物 洋岛玄武岩通常 与异常热地幔的熔融有关 OIB 所具有的 Rh Sr 和 Nd Sm 比值 以及高 87 Sr 86 Sr 和低 143Nd 144Nd 值说明其源区为富集地幔 基于这些因素以及 U Pb 和 Th Pb 同位素体系的一些特点 Hofmann 和 White 认为 OIB 源区有不少再循 环洋壳物质 这些经热液蚀变的洋壳随板块俯冲及其伴随的榴辉岩化而积累在 核幔边界 2900km 图 2 并可滞留很长时间 1 2Ga 目前这一认识得到了 广泛的认同 而且得到了 Os 同位素研究的支持 科马提岩和苦橄岩是地幔柱最热部位的熔融产物 因此 对不同地质时代 无明显地壳混染的科马提岩和苦橄岩的研究可以获得地幔柱源区物质的性质及 演化 太古宙科马提岩强烈亏损强不相容元素 Nd 1 4 3 说明太古宙岩浆 源区为亏损地幔 多数元古宙苦橄岩富集强不相容元素 Nd 值较低 但年龄 为 1 9 Ga 的 Cape Smith Chukotat 苦橄岩亏损强不相容元素 Nd 值相对较高 这说明元古宙地幔热柱的源区既有富集组分 也有亏损组分 大多数显生宙苦 橄岩富集强不相容元素 Nd 值较低 由此 Campbell 发现核幔边界物质存在 这样一个总的演化趋势 3 5Ga 时核幔边界物质是亏损地幔和弱亏损地幔的混 合 2 7 Ga 时以亏损地幔为主体 而 0 5Ga 至今主要由 OIB 型地幔和少量亏损 地幔组成 迄今为止 尚无太古宙 OIB 型岩浆的报道 由此可见 地幔柱源区 中出现大量 OIB 型物质主要始于太古宙末 图 2 7 地慢柱构造与成矿作用地慢柱构造与成矿作用 地慢柱以大规模慢源岩浆活动为突出表现 成矿作用也以慢源岩浆矿床为 主 成矿元素包括 Cu Ni PGE Fe Ti V Cr 等 可形成具有重大资源意 义的岩浆 Cu Ni PGE 矿床 V Ti 磁铁矿矿床 铬铁矿矿床等 西伯利亚地慢柱 活动形成了 Noril skTalnakh 超大型 Ni Cu PGE 矿床 其 Ni 矿储量位居世界第 一 PGE 储量位居世界第二 Ni 为 2000 万 t Cu 为 3000 万 t PGE 为 5000 t Bush weld 杂岩体是世界上己知最古老的地慢柱岩浆成矿系统 也是世界最大的 聚宝盆 据估算主要矿产储量有 PGE 61738 t 磁铁矿 10 亿 t Ni 伴生 2280 万 t Cu 伴生 995 万 t Cr 矿石 40 亿 t V V2O5 1680 万 t Au 伴生 1152t 等 另外 部分金伯利岩和碳酸盐岩也被认为与地慢柱作用有关 与之相 联系的有金刚石矿床 稀有 稀土元素矿床 地慢柱作为一种重大的构造运动方式 其表现是多方而的 不仅地慢柱自 身的熔融作用形成慢源岩浆矿床 而且通过壳慢相互作用 如地慢热流的上升 诱发地壳的重熔以及各种地壳浅部的地质响应 可以形成壳源岩浆矿床 热液 矿床等 近年来 一些研究人员认为许多大型 超大型热液矿床的形成与地慢 柱活动有关 如卡林型金矿 Kidd Creek 块状硫化物矿床 甚至 Olympic Dam 矿床等也都被认为与地慢柱活动有关 参 考 文 献 Morgan WJ 1971 Convection plumes in the lower mantle J Nature 230 5288 42 43 Wilson J T A possible origin of the Hawanan Islands J Can J Phys 1963 41 863 870 徐义刚 王焰 位荀 何斌 与地幔柱有关的成矿作用及其主控因素 J 岩石学报 2013 10 3307 3322 徐义刚 何斌 黄小龙 罗震宇 朱丹 马金龙 邵辉 地幔柱大辩论及如何验证地幔柱 假说 J 地学前缘 2007 02 1 9 Geoffrey F Davies 地幔柱存在的依据 J 科学通报 2005 17 7 19 宋谢炎 张