板块构造4地幔柱构造课件

1、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1页，共80页。第四章 地幔柱构造第2页，共80页。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第3页，共80页。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

2、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。第4页，共80页。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

3、球共有至少45个热点，其中大陆14个，大洋中30多个（51个？）。第5页，共80页。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。第6页，共80页。地球内部的圈层划分地壳 A层 40km( 莫霍面) 上 B 下界为150 km地 B

4、层 B” 低速层，下界为250 km 地 B” 下界为400 km 400km 幔 C层 670km幔 下地幔 D层 D D” 为D层底部200 km速度梯度接近0 2900km(古登堡面)地 外 E层 横波波速为0，液态 4170km 核 F层 微弱横波，为稍具刚性的核内过渡层核 5100km(莱曼面) 内核 G层 固态层第7页，共80页。第8页，共80页。第9页，共80页。夏威夷火山链 板 块运动 热 点固定第10页，共80页。第11页，共80页。第12页，共80页。第13页，共80页。第14页，共80页。第15页，共80页。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

5、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第16页，共80页。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第17页，共80页。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

6、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。第18页，共80页。第19页，共80页。第20页，共80页。第21页，共80页。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第22页，共80页。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

7、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CompbellGriffths（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）。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。第23页，共80页。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第24页，共80页。3地幔柱的运动

8、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 。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；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）；第25页，共80页。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

9、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。第26页，共80页。第27页，共80页。第28页，共80页。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

10、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。第29页，共80页。3地幔柱的运动特征（3）地幔对流对地幔柱运动的影响 一个新生的热幔柱从D”层启动后,上升至地表要穿过整个地幔对流层，因而一些学者认为地幔水平对流会改变热幔柱的直立形态，使其发生弯曲倾斜，他们认为大洋中许多孤立火山岛屿是热幔柱受地幔对流作用弯曲变形的结果。但近年来许多研究证据表明，地幔并非分层对流而是整体对流，对流速度很慢，尤其是下地幔基本上是无应力条件下的对流，因此，多数学者认为地幔对流对热幔柱不会有明显影响，所以热幔柱这种固定属性使其成为

11、测量全球板块运动的最佳坐标系。第30页，共80页。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第31页，共80页。三、地幔柱研究的地质意义1大陆溢流玄武岩成因2太古宙科马提岩成因3地磁极性变化4生物群体绝灭的原因5全球气候变化和海平面上升第32页，共80页。1大陆溢流玄武岩成因大陆溢流玄武岩的成因一直是个迷，它无法从板块理论中获得圆满解释。热幔柱概念的提出者之一Morgan（1971，1972），一开始就注意到全球范围内多数大陆溢流玄武岩区附近都有与之对应的热点构造。eg.印度Deccan（德干）玄武

12、岩与Reunion（留尼旺）热点Columbia River玄武岩与yellow stone热点。显然这些大陆玄武岩和热点火山岩链都是热幔柱作用地表的结果。一般认为，大陆溢流玄武岩是热幔柱巨大球状顶冠上升地表发生减压熔融的产物，而热点火山链则是热幔柱长期活动结果。如果确实是这样，在每一大陆溢流玄武岩热点构造组合中，大陆溢流玄武岩喷发时间应该早于对应的热点火山岩，被K-Ar 和 40Ar/39Ar 年龄测定结果证实。第33页，共80页。第34页，共80页。地幔柱第35页，共80页。第36页，共80页。2太古宙科马提岩成因 产在太古宙绿岩带的科马提岩长期以来一直认为是与之伴生产出的拉斑玄武岩的早期

13、堆积产物。一些学者根据绿岩带中产出的高Mg科马提岩推测的太古宙地幔温度至少高出当今地幔温度200-3000C 。但近年来的研究表明，太古宙地幔温度与当今地幔并无大的差异，科马提岩也不可能是玄武岩浆早期堆积物。因为：（1）所有的科马提岩MgO18%，而太古宙玄武岩MgO14%，两者存在间断；（2）两者同位素组成明显不同；（3）绿岩带不可能发生大量的橄榄石矿物的早期分离。因此，Campbell (1989) 认为太古宙绿岩带中的玄武质岩石来源于热幔柱巨大球状顶冠的减压熔融，而科马提岩则是热幔柱尾柱通道的熔融物。第37页，共80页。3、地磁极性变化Larson（1991）详细地研究了大洋火山台地，海

14、山链和大陆溢流玄武岩的体积，产生速率和形成时间与地磁极性变化时间之间的关系，研究结果表明地磁极性正向频率与热幔柱活动强度呈正相关。这种关系在白垩纪最明显，全球许多大陆溢流玄武岩形成于K，而这一时期（125-80Ma）正磁极性超期，由于核幔边界热迁移，热幔柱会扰乱地核的热状态，影响地磁发动机运转，通过迄今尚不清楚的某种作用使地磁发动机从反向磁极转为正向磁极。第38页，共80页。四、地幔柱构造与板块构造关系丸山茂德（1994）指出，板块构造与地幔柱之间的关系如下：联合古陆中部链状地幔喷流的上涌，使大西洋张开，D”层成因的超级地幔柱在大西洋中脊之下呈链状排列，说明中脊被下面链状地幔喷流柱固定住，但多

15、少出现了小范围的水平位移，如此，大西洋中的板块驱动力可能是核幔边界形成的地幔柱，即板块构造受到地幔柱构造的控制。在俯冲带位于北面（爪哇海沟）的印度洋和两侧都有俯冲带的太平洋，中脊与超级地幔柱无关。这意味着在俯冲带发育时，板块构造与地幔柱无关，与这种变化相对应，板块运动发生了明显变化，印度洋和太平洋中板块运动速度比大西洋快5倍。第39页，共80页。第40页，共80页。4、生物群体绝灭原因大量生物在T、K突然绝灭的原因一直是地学界和生物学界争论的重要问题。目前最流行的解释是外来星体撞击结果，最近Rampino与Stother（1988）统计了250Ma以来大陆溢流玄武岩火山作用与群体生物绝灭之间的

16、关系，结果发现二者有着惊人的对应关系。这样，外来星体撞击学说者认为，是外来星体撞击导致地幔大量熔融和火山作用发生，使全球干化和生物灭绝。但Loper与Mccartrey（1986，1990）认为，T、K生物绝灭应从地球内部去考虑原因，认为巨大的外来星体的撞击最多波击上地幔，而T、K大量溢流玄武岩具有富集型下地幔地球化学特征，因此，这些大陆玄武岩肯定为热幔柱成因。Larson（1991）认为白垩纪全球存在着一个超级热幔柱，超级热幔柱的强烈活动造成玄武岩火山作用的广泛发育，使全球气候剧变，导致大量生物绝灭。杨遵义、殷鸿福等对中国P-T界线事件研究，认为火山活动是造成P-T生物绝灭的重要原因。第41

17、页，共80页。5、全球气候变化和海平面上升地质历史时期中由于热幔柱活动所引起全球气候变暖问题已引起学者们的注意，有关白垩纪温度异常（引起一系列地质作用，如最大海侵、海平面大幅度上升、全球缺氧事件），原来一直用大陆的重新配置即古地理位置因素予以解释，但Caldeira and Rampino（1990）的计算模拟表明，仅用古地理因素不足以解释K古温度异常的幅度。白垩纪中期温度上升幅度6-14C，而大陆位置改变及其它古地理因素仅可使温度上升4.84C，但如果将古地理和周期热幔柱释放的CO2所引起的温室效应因素综合考虑，可使K中期温度上升7.6-12.54C。地幔柱强烈活动所引起的全球气候变暖的一个

18、结果是海平面明显上升，故Larson（1991）认为，K中期海平面明显上升是同期全球超级热幔柱活动的间接效应。第42页，共80页。第43页，共80页。第44页，共80页。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第45页，共80页。四、地幔柱构造与板块构造关系对威尔逊旋回的解释丸山茂德（1994）在地幔柱构造的基础上，对威尔逊旋回作了如下解释：超大陆是因地幔柱的上涌而裂开的。分离出的大陆随时间移动到超大洋内，并任意分布。此时俯冲带在地球表面发育是任意的。它们提供冷物质（板块）进入地幔，成为位于670

19、km的停滞岩块，并在下地幔形成任意分布的下降流，一旦小规模的冷地幔柱汇集形成较大规模的下降流，所有大陆岩石圈就会朝冷地幔柱移动形成超大陆。第46页，共80页。第47页，共80页。第48页，共80页。四、地幔柱构造与板块构造关系对威尔逊旋回的解释威尔逊旋回可分为早期和晚期阶段。早期阶段的特点是下地幔内任意分布有地幔柱；晚期阶段的特点是下地幔中只有一个超级冷地幔柱，所有大陆岩石圈都被移动直至被吞没其中。地幔柱的活动是幕式的。根据地球的显生宙历史判断，一个威尔逊旋回的周期可能是800Ma。第49页，共80页。第50页，共80页。第51页，共80页。第52页，共80页。地幔柱假说对大陆裂谷形成的解释地

20、幔柱上方形成隆起第53页，共80页。发育三条放射状裂谷第54页，共80页。地幔柱对红海、亚丁湾、东非裂谷的解释第55页，共80页。拗拉槽-大洋盆地形成过程中的产物拗拉槽aulacogen第56页，共80页。秘鲁海槽-白垩纪大陆裂解的产物非洲亚丁湾阿拉伯贝努埃地堑南美东非裂谷阿法尔红海第57页，共80页。地幔柱与板块的相互作用板块的漂移可能使地幔柱顶冠偏向板块漂移方向而不再对称第58页，共80页。第59页，共80页。地幔柱构造与板块构造的区别(1) 板块构造主要涉及地球岩石圈的构造运动，而地幔柱构造假说则提供了地球不同圈层相互作用的动力学框架；(2) 板块构造主要讨论板块的水平运动，而地幔柱构造

21、假说则主要讨论地球内部的垂直运动；(3) 板块构造学说对发生在板块边缘的现象能很好地作出解释，对远离板块边界的现象，如大洋火山链和大陆溢流玄武岩，则不能很好解释，而地幔柱构造假说则能对大洋火山链和大陆溢流玄武岩之类的现象作出很好的解释。第60页，共80页。四、地幔柱构造与板块构造关系随着地球深部地质和宇宙地质研究的不断深入，人们逐渐认识到板块构造所支配领域的局限性。多数学者认为，板块构造支配的领域仅限于地球表层的刚性岩石圈，而在板块的下方，绝大部分领域受地幔柱构造支配。利用马德兰探测器对金星等太阳系星球表面的研究，证明金星表面不存在转换断层，使板块构造在地球早期的作用更引起人们的怀疑，金星表面

22、温度为470C，不存在刚性的盖层板块。而可以观察到能够较好反映地幔柱作用的环状构造，可能为地幔柱巨大球顶作用于金星表面的结果，由此推论，地球形成早期，地幔柱作用可能引起重要作用，尤其是在地壳早期形成过程中更是如此，而板块构造主要是通过地幔柱作用所形成的地球刚性岩石圈固结之后才发生作用。第61页，共80页。第62页，共80页。四、地幔柱构造与板块构造关系Hill（1991）认为，即使在地壳形成之后，地幔柱构造仍起重要作用，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（尤其是上地幔）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状物质对流所支配，二者为很大程度上

23、独立活动。从作用范围上，地幔柱占整个地幔3/4，故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。第63页，共80页。四、地幔柱构造与板块构造关系丸山茂德（S.Maruyama）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互相独立，二者构成一个统一的构造体系，全球构造体系。第64页，共80页。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第65页，共80页。五、冷幔柱和超级地幔柱的研究丸山茂德（S. Maruyama, 19

24、93，1994）通过地震层析成像所揭示的地幔构造与板块下插历史的对比研究，揭开了探求地球动力学的新局面，地球的构造是由地幔深部上升的直径约数千公里的大柱状热地幔柱和沉入670km深并暂处于滞流状态的板块崩落而引起的冷地幔柱，这两个因素所造成的卷入整个地幔的对流所支配着。第66页，共80页。90年代后期，三维地震成像等高技术的发展和应用揭示了地球深部特征。表明在在地幔深部存在着明显的热区和冷区，代表了两种不同的物理化学状态。第67页，共80页。第68页，共80页。超级冷地幔柱的形成丸山茂德认为海洋板块俯冲到670km深处，在那里岩石圈物质滞留下沉（由于相转变的吸热性质引起灾变性重力塌陷），这样就

25、形成冷地幔喷流柱向下朝外地核流动。如果许多俯冲带在空间上象亚州P-J那样紧密排列，那么就会产生巨型的冷地幔柱，这样冷地幔柱一旦发育以来，就会强烈影响下地幔中大规模的地幔对流，所有漂浮在上地幔上的大陆都会指向这种超级冷地幔喷流柱，最后所有的大陆都会聚在一起，形成一个地表超大陆。这种超级冷地幔柱的寿命可能是4-5亿年。第69页，共80页。第70页，共80页。第71页，共80页。南太平洋超地幔柱南美冷地幔柱亚洲冷地幔柱非洲超地幔柱第72页，共80页。从全局看，滞流板块的下落和地幔柱上升必然是成对现象。一般把下落的滞流板块称为“冷幔柱”，上升的地幔物质称为“热幔柱”。地幔全局性物质对流主要是由这种下落的冷幔柱和向上运动的热幔柱所支配。丸山茂德认为，在现在的地球上，位于南太平洋和南非之下的两个上升的超级热幔柱和亚洲大陆之下的下降的超级冷幔柱制约着整个地球物质的运动。第73页，共80页。 地球演化过程中可能出现过幕式的全地幔对流（Larson et Hauri, 1997），与较长时期的双层对流有重大不同。这两种地幔过程的相互转换和交替可能是地球阶段性演化的重要内在原因。2650-2890km第74页，共80页。 中国东部大规模岩浆活动与西太平洋超级地幔柱和地幔下降流可能有密切联系。大规模岩浆活动盆地裂陷沉降岩石圈减薄盆地裂陷第75页，共80页。 地幔柱热物质和深源热流体穿层是不同层圈