地幔柱构造学说

1、地幔柱构造学说第1页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 1963年，提出热点的概念； 1971年，提出地幔柱的概念； 1991年， 提出超地幔柱概念； 1992年， 提出冷地幔柱的问题，并开始对地幔柱与板块构造的关系进行初步分析；1994年，提出地幔柱构造学说的概念，以及全球构造概念的热地幔柱上升与板块俯冲的冷地幔柱下降的模式，并认为地幔柱构造概括了地球表层的岩石圈板块构造、深部主体的地幔柱构造、地核的生长构造，把板块构造和地幔柱构造作为地幔热对流的两个端元。第2页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二第一节 地幔柱构造 第二节 地幔柱构造学说与板块构造的关

2、系 第三节 地史时期的地幔柱第四节 白垩纪中期的超地幔柱事件 第3页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二第一节 地幔柱构造 地幔柱构造，是地幔中受几个大的、垂直的地幔柱流控制的动力学区域。这几个地幔柱流就是南太平洋和非洲的两个上涌的热地幔柱和中亚、东亚的一个下降的冷地幔柱，它们占地幔体积的3/4，在地幔主要部分起支配作用，控制着地幔之上的热作用和构造再造等动力学过程。第4页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二现代地球中超级地幔柱示意图 第5页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 南太平洋和非洲地区存在的两个巨大低波速异常带，对应着两个热地幔

3、柱；在中亚和东亚地区下部的外核上面存在的高波速异常，是由大洋板片聚集、滞留并最终塌落到外核上形成的，对应着一个冷地幔柱。 热地幔柱、冷地幔柱的对流，是地球内部热传导的主要形式，并且可能贯穿于地球的整个演化过程。第6页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 热地幔柱的上升，导致岩石圈减薄和超级大陆解体，以及大陆岩石圈构造体制向大洋岩石圈构造体制转化，对应着热点、裂解的超级大陆、大陆裂谷、大洋扩张、伸展盆地、变质核杂岩、剥离断层等各种张性引张伸展离散环境； 冷地幔柱的下降，引起超级大陆聚合、大陆裂谷夭折造山和洋壳俯冲消减碰撞造山，以及大洋岩石圈向大陆岩石圈构造体制转变，对应着大陆聚

4、合、俯冲、逆冲推覆、碰撞造山等各种汇聚碰撞挤压环境。第7页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二一 热地幔柱和冷地幔柱的概念 1 热地幔柱 热地幔柱是由地幔热物质构成的上升地幔柱。P波层析成像显示，地幔柱有D”层和400 km深度的上地幔两个来源。来源于D”层的地幔柱又有两种类型，一种是直径约为5000 km超地幔柱，另一种是底面直径小于500 km小地幔柱。 起源于D”层、直径达5000 km的热地幔柱，目前全球有两个，分别位于南太平洋和非洲下面。 第8页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二太平洋形成位置 一般认为，太平洋是罗迪尼亚超级大陆在600 700M

5、a前由西伯利亚、北美和澳大利亚之间通过的RRR型板块三联点扩张而成。 这个RRR型板块三联点当时的古纬度为2030S，与目前南太平洋热地幔柱的纬度类似。 第9页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 南太平洋热地幔柱，呈蘑菇状坐落在下地幔的D”层上；在2000 km深度处呈圆柱状，最小横直径约为1500 km；到670 km的深度变为SN向延伸的椭圆形伞面状，并在上地幔中分成几个二级地幔柱；这些二级地幔柱在刚性板块中分成几个三级地幔柱，把玄武岩熔体搬运至地表。其中一个三级地幔柱向北延伸，并与夏威夷热点相连；向南延伸的分支通过路易斯维尔海岭与南极洲埃里伯斯海山的热点相连。第10页

6、，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二中央泛大陆热地幔柱链 非洲热地幔柱是导致200Ma前非洲大陆从冈瓦纳大陆裂解出来的热地幔柱，它与其它几个也源于核幔边界的热地幔柱共同组成中央泛大陆热地幔柱链。大西洋的形成和这个热地幔柱链有关，大西洋中脊可能由其中的某个热地幔柱产生。 第11页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 在地球的早期演化历史中，热地幔柱的活动起着主导作用。随着地球演化，热地幔柱活动有所减缓。热地幔柱经过地幔上升到冷的岩石圈底部时，呈蘑菇状或伞状向外拆离，形成巨大的球形顶冠，其直径可从几百km至几千km，可引起地壳的上隆、减薄、伸展、大陆解体、洋壳增

7、生等，甚至大规模的溢流玄武岩喷发。同时，还可能伴有区域变质、地壳重熔、构造变形等，甚至引起全球气候变化、大地水准面升降和生物灭绝等。 第12页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二二 冷地幔柱 冷地幔柱是由滞留在上、下地幔界面附近的板片构成的下降地幔柱，是以巨石状下落的物质移动。 板块在大洋中脊产生，在海沟处插入地幔深部。俯冲板块插到670 km的深度时，由于受到下地幔粘度增加和相变吸热等因素的影响会产生强大的阻力，使板块近似水平地暂时滞留在670km深的不连续面上。滞留的板块随时间生长，并在其超过临界体积时开始塌陷，最终塌落在地核表面上，形成冷地幔柱。 第13页，共44页，2

8、022年，5月20日，21点4分，星期二俯冲板块从地表连续至670 km间断面，并因厚度增加部分板块已插入到670 km间断面的下面 板块从地表连续插入下地幔，达到1200 km深度 板块与上面不连续，一个大的块体正在下沉至10001500km深度现代无活动的俯冲板块，在670 km处滞留的板块是l00 Ma前板块俯冲造成的 第14页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 滞留板片下落到下地幔时，为了补偿其下落部分，必然会从下地幔向上地幔产生上升的地幔柱。即从全局来看，冷的滞留板片的下落和热地幔柱的上升必然是成对的现象。这样，两个超上涌流和一个超下降流就构成了现代地球中主要物质

9、和热对流的方式。第15页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 冷地幔柱数量变化、超冷地幔柱的诞生 第16页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二二 地幔柱构造体系 地幔柱构造体系是指地幔柱构造地质作用过程及其地质产物所构成的地质整体，包括热地幔柱和冷地幔柱两个构造体系，分别构成引张构造体系和挤压构造体系。第17页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 热地幔柱和冷地幔柱直接制约和决定了地球演化各阶段引张和挤压两大构造动力体制，从而制约和影响着地球浅部的各个圈层。 热地幔柱和冷地幔柱之间的相互制约与转化，又决定了引张和挤压两大构造动力体制的相互制

10、约与转化，呈现出热点、大陆裂谷、大洋扩张等引张构造与俯冲、碰撞、造山等挤压构造的演化和复合叠加。 第18页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二1 热地幔柱构造体系 热地幔柱构造体系，包括热点、大陆裂谷、大洋扩张三个构造系统。三者既可呈现出早、中、晚三阶段演化关系，又可相互独立自成体系。如，热点、大陆裂谷各自独立发育于地球演化的各阶段，大洋扩张构造系统可能主要发育于显生宙。 第19页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 热点构造系统 是指热点构造作用过程及其产物所构成的有机整体，发育于地球演化各地质时期。 热点构造系统包括大陆内部非造山热点环状或放射状构造岩浆

11、活动区(碱性花岗岩、层状镁铁质杂岩、碳酸岩、碱性岩、超基性岩、斜长岩等)、大陆内部热点轨迹、大陆内部热点头尾构造物质时空演化等构造系列和大洋洋岛岛链热点轨迹构造系列.第20页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 大陆裂谷构造系统 是指大陆裂谷构造作用过程及其产物所构成的有机整体，广泛发育于地球演化各地质时期，特别是元古宙，与超大陆旋回大陆解体构造作用及产物相对应。 大陆裂谷构造系统包括三联点、夭折、坳拉谷等各种陆内、陆间裂谷构造系列。 第21页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 大洋扩张构造系统 是指大洋扩张构造作用过程及其产物所构成的有机整体，发育于显生

12、宙，主要表现为大洋扩张的离散板块边界构造作用及其时空演化的产物。第22页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二2 冷地幔柱构造体系 冷地幔柱构造体系主要包括显生宙硅铝壳洋壳造山构造系统和前寒武纪硅铝壳造山构造系统，前者又包括硅铝壳洋壳碰撞造山构造亚系统和洋壳俯冲岛弧构造亚系统。 第23页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二三 地幔柱构造的多级演化 在空间上，地幔柱构造可分为三个层次： 近地表的表皮板块构造； 中间的地幔喷流柱； 深部的地核生长构造。第24页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 地幔柱从核幔边界的D”层上升并颈缩变细，到达地幔的

13、中部后向上地幔底界逐渐扩展；在上地幔底界附近，巨型地幔柱停滞并分裂或分技城成有一定间隔的二级地幔柱，它们的位置、间隔和位移与上地幔内先存的区域条件密切相关；二级地幔柱向上喷涌并再次变细，到达岩石圈底界再次扩展；由于岩石圈对地幔柱上行起着一种附加的热力学障壁作用，二级地幔柱沿板块的断裂或薄弱地带再分裂成三级地幔柱，或随着在岩石圈内浮力和热能的耗尽而平息。这种地幔柱从下到上、从大到小、分级逐次发展演化，构成了地幔柱构造的多级演化。 第25页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二超级地幔柱的颈缩膨胀构造 第26页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二第二节 地幔柱构造

14、学与板块构造的关系 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一种解释固体地球不同圈层间相互作用的动力学框架； 板块构造主要讨论板块的水平运动，而地幔柱构造假说则主要讨论地幔内部的垂直运动；第27页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 板块构造学说对发生在板块边界的现象能作出很好的解释，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它们作出很好的解释。第28页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 在俯冲带未发育时，板块构造受上升地幔柱构造控制，如大西洋就是由中央泛大陆超地幔柱链的上涌而张裂的，大

15、西洋内的板块驱动力可能是核幔边界成因的地幔柱； 当俯冲带发育时，板块构造就不受上升地幔柱构造约束，如在北面有俯冲带的印度洋和两侧都有俯冲带的太平洋，洋中脊与超地幔柱没有关系。第29页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二地幔柱构造与板快构造之间的关系 第30页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 金星表面温度高达470，不存在板块之类刚性盖层，但存在一些环状构造，它们可能是金星的地幔柱作用于其表面的结果。如果地球形成后不久也具有高温表面，初期地球也不存在刚性板块，这个时期地幔柱起着更重要的作用。地幔柱的作用形成地球刚性岩石圈之后，板块构造才起重要作用，但即使在

16、这一时期，地幔柱构造仍起重要作用。因此，与板块构造相比，地幔柱构造在地球形成和演化过程中起着更重要的作用。 第31页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 地幔柱构造与板块构造的作用的区域不同。板块作为一刚性固体块体起作用的区域，沿消减板块边界浅于670 km、沿发散板块边界浅于150 km。地幔柱构造则在岩石圈下面的软流圈和中圈内起控制作用，地幔柱构造作用还涉及地核。 第32页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 板块构造学说对威尔逊旋回每个阶段的解释，没有提供关于所有大陆为什么会聚集在一起形成超大陆的满意推理。地幔柱大地构造学对威尔逊旋回作了重新解释。 第

17、33页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二（a）因超级地幔柱的上涌，超大陆裂开。在大陆分散期间，俯冲带在地球表面相当任意地发育，它们提供冷物质(板块)进入地幔，成为位于670 km深度处的停滞岩块。那些冷物质适时地发生周期性重力塌陷，在下地幔形成任意分布的下降流。一旦吞没了较小规模冷地幔柱的巨大而规则的下降流形成，所有大陆岩石圈就会朝冷地幔柱移动，形成一超大陆。第34页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二（b）由于停滞岩块具有随时间下沉的趋势，在超大陆核部可产生巨大的克拉通沉积盆地。第35页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二（c）下沉岩块

18、挤压的结果，一条热超地幔柱可在超大陆的核部发育。第36页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二第四节 地史时期的地幔柱 地幔热流体的大量上升和地幔柱头的上顶，在岩石圈底面造成局部熔融，岩浆向上侵位引起岩石圈上部形成放射状张裂，有时还可以使原来的一个岩石圈板块张裂成几个板块，由于岩浆的大量上涌不断推动板块在水平方向上朝四周扩张、裂开。 受地幔柱控制的大规模岩浆活动，当岩浆喷出地表时就形成分布面积十分巨大的溢流玄武岩区，侵入到近水平的界面中就形成大范围的岩床，而在其下部常沿着陡倾斜的放射状张裂隙形成岩墙群。 第37页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 一般认为，

19、大型火成岩省是地幔柱巨大的“蘑菇”状顶冠到达地表形成的。大型火成岩省的特点是成分上以基性岩为主，体积巨大，出露面积多数大于1l06 km2，且主要在3Ma甚至1Ma的短期内喷发，其出露地区的地壳厚度一般也较大。按照大型火成岩省的出现位置，可进一步分为位于大陆内部的大陆溢流玄武岩、位于大陆边缘的火山型被动陆缘或位于大洋中的洋底高原。第38页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 在地貌上，当地幔柱头部上升至大陆下，在大规模火山活动前可使地表隆升多达l km左右，产生上千km2的穹隆，相应的地表水系均表现为向穹隆边缘流。这种特征地形和水系在地幔柱上升200Ma多年后仍能有所保存。 而在大洋中，受地幔柱/热点影响的区域，表现出大洋内隆起几百至上千米的火山岛或洋底高原。 第39页，共44页，2022年，5月20日，21点4分，星期二 研究地史时期的地幔柱