1、地幔柱构造Mantle Plume Tectonics 第一章第一章 地幔柱构造的基本思想与理论地幔柱构造的基本思想与理论 第二章第二章 与地幔柱有关的几个问题与地幔柱有关的几个问题 第三章第三章 地幔柱构造的主要标志与特征地幔柱构造的主要标志与特征 第四章第四章 地幔柱构造的岩浆作用地幔柱构造的岩浆作用 第五章第五章 地幔柱构造的成矿作用地幔柱构造的成矿作用 第六章第六章 我国与地幔柱我国与地幔柱/热点有关的热点有关的 重要成矿区带重要成矿区带第一章第一章 地幔柱构造的基本思想与理论地幔柱构造的基本思想与理论 一、地幔柱构造理论产生的历史背景一、地幔柱构造理论产生的历史背景 1、热点假说提出
2、与地幔柱思想的产生、热点假说提出与地幔柱思想的产生 在板块构造理论提出之前，在板块构造理论提出之前，Wilson（1963，1965）首先）首先提出了热点假说，用于解释夏威夷岛链火山岩的成因。但他提出了热点假说，用于解释夏威夷岛链火山岩的成因。但他发表在发表在加拿大物理学杂志加拿大物理学杂志上的论文在地质界的影响不大。上的论文在地质界的影响不大。直到直到10年后，年后，Morgan（1971，1972）发表了一系列论文，）发表了一系列论文，支持并发展了热点学说，才使得更多的人了解此学说。支持并发展了热点学说，才使得更多的人了解此学说。Morgan（1971，1972）认为地幔内存在着一种上升的
3、、圆）认为地幔内存在着一种上升的、圆柱状的、局部熔融的物质流即柱状的、局部熔融的物质流即“热柱热柱”（Hot Plume）。热。热柱到达于地表之处或地幔热流上升之处，称之为柱到达于地表之处或地幔热流上升之处，称之为“热点热点”（Hot Spot）。上升的炽热地幔柱可把上覆岩石圈抬升，使。上升的炽热地幔柱可把上覆岩石圈抬升，使地壳呈现巨大穹隆构造，当地幔柱冲破岩石圈则形成热点。地壳呈现巨大穹隆构造，当地幔柱冲破岩石圈则形成热点。因此，热点是地幔热柱在地表的反映，以火山作用、高热流因此，热点是地幔热柱在地表的反映，以火山作用、高热流和隆起为标志（和隆起为标志（Wilson，1973）。）。热点的特
4、征热点的特征：Wilson（1973）曾就热点的特征概括为：上）曾就热点的特征概括为：上隆，基岩出露于海平面之上；上隆处有火山作用，产生碱性隆，基岩出露于海平面之上；上隆处有火山作用，产生碱性玄武岩和流纹岩以及海底拉斑玄武岩，它们有独特的同位素玄武岩和流纹岩以及海底拉斑玄武岩，它们有独特的同位素比值和地球化学特征；重力高；在海洋，有时在大陆上，一比值和地球化学特征；重力高；在海洋，有时在大陆上，一维有时是二维无震脊，由热点处向外延伸；高热流。这维有时是二维无震脊，由热点处向外延伸；高热流。这5个个方面实际上指的是热点的地形、岩石和地球化学、地球物理、方面实际上指的是热点的地形、岩石和地球化学、
5、地球物理、地震和地热流特征。地震和地热流特征。热点在大洋环境中形成的火山岛链（海山链），被称之热点在大洋环境中形成的火山岛链（海山链），被称之为为热点行迹热点行迹，它们比周围洋底高，它们比周围洋底高1-2km，形成一条长，形成一条长10002000km的异常地形高地。海山链中的海山，称之为的异常地形高地。海山链中的海山，称之为洋岛洋岛，它主要由拉斑玄武岩组成，又称为它主要由拉斑玄武岩组成，又称为洋岛玄武岩（洋岛玄武岩（OIB）。火。火山岛链中的最大或最新大规模喷发的火山洋岛，往往直接称山岛链中的最大或最新大规模喷发的火山洋岛，往往直接称之为之为热点热点。大洋内线状排列的火山岛链，是大洋岩石圈活
6、动。大洋内线状排列的火山岛链，是大洋岩石圈活动板块在上地幔中的热点（固定热地幔源区）之上运动所留下板块在上地幔中的热点（固定热地幔源区）之上运动所留下的痕迹。的痕迹。地幔柱作用于活动板块留下热点轨迹示意图地幔柱作用于活动板块留下热点轨迹示意图 Morgan（1971，1972）进一步提出太平洋中的热点是一系）进一步提出太平洋中的热点是一系列狭窄的热隆起，并将其称之为列狭窄的热隆起，并将其称之为幔柱（幔柱（Plume）。热点热点被认为被认为是由称之为是由称之为“地幔柱地幔柱”的地幔物质上涌形成的。的地幔物质上涌形成的。Morgan认为认为地幔柱可能起源于接近地核的地幔深处，由于热不稳定而上升，地
7、幔柱可能起源于接近地核的地幔深处，由于热不稳定而上升，直径约直径约150km，移动速度相对较小，为火山作用提供热和火山，移动速度相对较小，为火山作用提供热和火山物质，是板块移动的驱动力。物质，是板块移动的驱动力。Morgan（1972）又指出，热点）又指出，热点是地幔隆升在地壳中的一种表现，是地幔柱上升的地点，认为是地幔隆升在地壳中的一种表现，是地幔柱上升的地点，认为Wilson（1963）所指的固定热地幔源区，实际上是一个产于地）所指的固定热地幔源区，实际上是一个产于地幔底部热边界附近的热幔柱，把炽热的圆筒状岩石类物质流，幔底部热边界附近的热幔柱，把炽热的圆筒状岩石类物质流，称之为称之为地幔
8、柱（地幔柱（Mantle Plume，或译为地柱、热点、地幔羽、，或译为地柱、热点、地幔羽、热缕、热柱、热幔柱、幔羽、幔柱、地幔热柱、地幔热流柱、热缕、热柱、热幔柱、幔羽、幔柱、地幔热柱、地幔热流柱、地幔柱构造等地幔柱构造等）。）。显然，地幔柱思想的产生，最初起源于热点假说。显然，地幔柱思想的产生，最初起源于热点假说。2、地幔柱与热点的研究与进展、地幔柱与热点的研究与进展 与与2030年前年前Wilson（1963）和）和Morgan（1971，1972）的热）的热点假说以及初期的地幔柱理论相比，现在的地幔柱理论又取得点假说以及初期的地幔柱理论相比，现在的地幔柱理论又取得了许多新的进展和新的认
9、识，主要有：了许多新的进展和新的认识，主要有：（1）热点对地球表面的影响）热点对地球表面的影响 热点对地球表面的影响，实质上是热点在浅部地壳的地质作热点对地球表面的影响，实质上是热点在浅部地壳的地质作用的表现。主要体现在用的表现。主要体现在地形、地貌和岩浆活动地形、地貌和岩浆活动等方面。等方面。例如，例如，Wilson（1973）提出热点活动地区具有鲜明的高地形）提出热点活动地区具有鲜明的高地形隆起，而且可以保持很长时间，这是热点的一个重要特征。隆起，而且可以保持很长时间，这是热点的一个重要特征。Burke和和Dewey（1973）指出，大陆裂谷发育于热点之上的热）指出，大陆裂谷发育于热点之上
10、的热穹隆上。当热点和上覆陆壳相对运动极不明显或者规模很小时，穹隆上。当热点和上覆陆壳相对运动极不明显或者规模很小时，地幔热点对上覆陆壳的作用将更加明显与强烈，地幔柱中形成地幔热点对上覆陆壳的作用将更加明显与强烈，地幔柱中形成的岩浆可以穿透陆壳，在一定条件下形成包括玄武岩、过碱性的岩浆可以穿透陆壳，在一定条件下形成包括玄武岩、过碱性镁铁质岩和碳酸岩、过碱过铝性的长英质岩石等在内的各种火镁铁质岩和碳酸岩、过碱过铝性的长英质岩石等在内的各种火成岩。成岩。当地幔柱之上为古老的地壳软弱带时，往往发育当地幔柱之上为古老的地壳软弱带时，往往发育热点的岩浆作用；当地幔柱之上为稳定的克拉通时，热点的岩浆作用；当
11、地幔柱之上为稳定的克拉通时，通常仅仅产生穹隆，形成高点；而在热点或高点之通常仅仅产生穹隆，形成高点；而在热点或高点之间，一般是较大的盆地，对应着深部的地幔下沉带。间，一般是较大的盆地，对应着深部的地幔下沉带。当大陆岩石圈从一个强大的热点之上漂过时，就当大陆岩石圈从一个强大的热点之上漂过时，就会形成一串反映岩石圈运动轨迹的玄武岩火山。大会形成一串反映岩石圈运动轨迹的玄武岩火山。大洋中线状排列的火山岛屿或海山，是大洋岩石圈在洋中线状排列的火山岛屿或海山，是大洋岩石圈在上地幔中的热点之上运动所形成的轨迹；而扩张脊上地幔中的热点之上运动所形成的轨迹；而扩张脊和大洋盆地等，则是地幔热点之上大陆裂谷和大洋
12、盆地等，则是地幔热点之上大陆裂谷大洋大洋裂谷的发展与演化的结果。裂谷的发展与演化的结果。（2）热点与地幔柱的分类）热点与地幔柱的分类 Wilson（1973）曾将热点分为）曾将热点分为5类：类：位于南大西洋中脊和东太平洋隆起或其附近的热位于南大西洋中脊和东太平洋隆起或其附近的热点；点；洋中脊其它部位的热点；洋中脊其它部位的热点；与裂谷带有关的年轻热点；与裂谷带有关的年轻热点；可能固定于海底的年轻热点；可能固定于海底的年轻热点；已被掩盖的老热点。已被掩盖的老热点。这这5个类型基本概括了产于大陆和大洋两个不同地个类型基本概括了产于大陆和大洋两个不同地壳环境中的热点。壳环境中的热点。从 起 源 的
13、角 度，从 起 源 的 角 度，Maruyama等（等（1994）丸山德茂丸山德茂和和Fukao等等（1994）以核）以核-幔界面幔界面（2900km）、上地幔底）、上地幔底界（界（670km）、岩石圈）、岩石圈底界（底界（100km）深度为）深度为界，将地幔热柱划分为界，将地幔热柱划分为一、二、三次柱，这种一、二、三次柱，这种分类体现了地幔柱的多分类体现了地幔柱的多级演化特征。级演化特征。从演化的角度，地幔从演化的角度，地幔柱又可分为柱又可分为4类：类：初始初始阶段的地幔柱；阶段的地幔柱；上升上升阶段的地幔柱；阶段的地幔柱；作用作用于地壳的地幔柱；于地壳的地幔柱；衰衰退阶段的地幔柱。退阶段的
14、地幔柱。地球的超级地幔柱示意图地球的超级地幔柱示意图（据（据Maruyama，1994）按产出环境划分按产出环境划分按起源深度划分按起源深度划分按演化阶段划分按演化阶段划分产于大陆地壳的产于大陆地壳的热点热点深源：深源：2900km核核-幔边界幔边界初始阶段的地幔柱初始阶段的地幔柱上升阶段的地幔柱上升阶段的地幔柱产于大洋地壳的产于大洋地壳的热点热点浅源：浅源：670km不连续面不连续面作用于地壳的作用于地壳的地幔柱地幔柱衰退阶段的地幔柱衰退阶段的地幔柱热点与地幔柱的分类热点与地幔柱的分类（3）热点与地幔柱的分布与数量）热点与地幔柱的分布与数量 在地球上，分布有多少个热点与地幔柱，不同的学者提在
15、地球上，分布有多少个热点与地幔柱，不同的学者提出了不同的看法。出了不同的看法。Wilson（1963）提出了夏威夷岛链及其）提出了夏威夷岛链及其它它6个类似的岛链；个类似的岛链；Morgan（1972）最初列出了）最初列出了21个，个，Wilson（1973）提出了）提出了66个；个；Burke和和Dewey（1976）后来）后来增至增至117个；但个；但Chase（1979）认为只有）认为只有24个；个；Crough和和Jurdy（1980）认为比较可靠的热点为）认为比较可靠的热点为40多个。等等。多个。等等。Stothers（1993）认为如果地幔柱到达地表后引起大规）认为如果地幔柱到达地
16、表后引起大规模溢流玄武岩的巨厚块状堆积，那么，地球上有模溢流玄武岩的巨厚块状堆积，那么，地球上有14个大陆个大陆溢流玄武岩省，形成于溢流玄武岩省，形成于25017Ma，代表着，代表着14个热点；而个热点；而按其所代表的陆地面积（占地球表面积按其所代表的陆地面积（占地球表面积30%）推算，海洋）推算，海洋中（占地球表面积中（占地球表面积70%）可能有）可能有30多个热点，即全球有约多个热点，即全球有约45个地幔热柱。个地幔热柱。地幔热柱名称地幔热柱名称产出位置及产物产出位置及产物夏威夷（夏威夷（Hawaii）阿森松（阿森松（Ascension）阿法尔（阿法尔（Afar）黄石（黄石（YellowS
17、tone）冰岛（冰岛（Iceland）克尔格伦（克尔格伦（Kerguelen）亚速尔（亚速尔（Azores）喀麦隆山（喀麦隆山（MountCameroom）费尔南多（费尔南多（Fernado）圣海伦娜（圣海伦娜（St.Helena）詹玛因（詹玛因（JanMayen）路易斯维尔（路易斯维尔（Louisville）留尼汪（留尼汪（Reunion）峨眉（峨眉（Emei）太平洋，夏威夷群岛太平洋，夏威夷群岛大西洋大西洋非洲、阿森松岛非洲、阿森松岛非洲，埃塞俄比亚非洲，埃塞俄比亚北美洲，哥伦比亚北美洲，哥伦比亚斯内克河斯内克河北美洲，冰岛北美洲，冰岛格陵兰脊格陵兰脊南极洲，高斯贝尔格南极洲，高斯贝尔格大
18、西洋，北美东大西洋，北美东非洲，喀麦隆线非洲，喀麦隆线大西洋，费尔南多大西洋，费尔南多大西洋，圣海伦娜大西洋，圣海伦娜欧亚，西伯利亚欧亚，西伯利亚太平洋，翁通爪哇太平洋，翁通爪哇印度洋，留尼汪印度洋，留尼汪莫里斯莫里斯德干德干峨眉山峨眉山地球上主要的地幔热柱地球上主要的地幔热柱 （4）热点与地幔柱的热动力学特征）热点与地幔柱的热动力学特征 Wilson（1973）认为，热点是彼此相对固定的，可作为板）认为，热点是彼此相对固定的，可作为板块漂移方向与速度的参照物。然而，块漂移方向与速度的参照物。然而，Molnar和和Atwater（1973，1975）认为，对热点体系在）认为，对热点体系在21M
19、a和和38Ma以前的位置做了恢以前的位置做了恢复，发现有的热点以每年复，发现有的热点以每年12cm的速度相对运动。因此，热的速度相对运动。因此，热点也是在运动的，仅仅是相对板块的位移显得更小、更慢。点也是在运动的，仅仅是相对板块的位移显得更小、更慢。这一点反映了软流圈内物质演化与深部地幔对流速度快与慢这一点反映了软流圈内物质演化与深部地幔对流速度快与慢的差异。的差异。热点与地幔热柱，通常对应着热异常区。当然，当热点和热点与地幔热柱，通常对应着热异常区。当然，当热点和地幔柱中，含有异常丰富的挥发组分时（如地幔柱中，含有异常丰富的挥发组分时（如Cl、F、Br以及轻以及轻稀土元素），流体将起重要作用
20、，富水的地幔将降低地幔柱稀土元素），流体将起重要作用，富水的地幔将降低地幔柱的温度，显著地降低熔点，形成不很热的的温度，显著地降低熔点，形成不很热的“湿热点湿热点”。“湿湿热点热点”可能是地幔柱的前锋，具有化学成分的特殊性，热异可能是地幔柱的前锋，具有化学成分的特殊性，热异常可能并不十分突出。富挥发组分的流体，可能主要与地幔常可能并不十分突出。富挥发组分的流体，可能主要与地幔射气有关。射气有关。因此，因此，Anderson（1975）强调地幔柱的化学成分与周围地）强调地幔柱的化学成分与周围地幔之间存在显著的差异，认为热点与其说是幔之间存在显著的差异，认为热点与其说是“热柱热柱”，还不，还不如说
21、是如说是“化学柱化学柱”。Olson和和Yuen（1982）指出，地幔柱既）指出，地幔柱既是是“热柱热柱”，又是，又是“化学柱化学柱”，故称之为，故称之为“地幔热化学柱地幔热化学柱”。（5）热点与地幔柱的源区特征）热点与地幔柱的源区特征 板块构造研究的主要是地球的表皮构造，而地幔柱所涉及板块构造研究的主要是地球的表皮构造，而地幔柱所涉及的深度和范围显然要大得多。关于热点与地幔柱的源区，主的深度和范围显然要大得多。关于热点与地幔柱的源区，主要有两种观点：热点起源于上地幔底部或下地幔底部的热边要有两种观点：热点起源于上地幔底部或下地幔底部的热边界层（界层（Parmentier，1975；Bonat
22、ti，1990）；核）；核-幔边界或幔边界或地幔底部的地幔底部的D层（具有较高的温度和较低的粘度）是地幔柱层（具有较高的温度和较低的粘度）是地幔柱的最终源区（的最终源区（Anderson，1975；Loper和和Stacey，1983）。）。二、基本概念与理论二、基本概念与理论 早在早在1963年，年，Wilson提出象夏威夷这样的岛链，提出象夏威夷这样的岛链，可以看成是板块之下的固定源区在活动板块上留下的可以看成是板块之下的固定源区在活动板块上留下的痕迹（痕迹（图图1-2）。后来，他进一步明确提出：热点是从）。后来，他进一步明确提出：热点是从地幔中上升的地幔热柱在地表的反映，并以火山作用、地
23、幔中上升的地幔热柱在地表的反映，并以火山作用、高热流和隆起（高热流和隆起（uplift）为标志（）为标志（Wilson，1973）。）。Morgan（1971）进一步发展了这一概念，认为固）进一步发展了这一概念，认为固定的源区实际上就是起源于地幔之下一个热边界层的定的源区实际上就是起源于地幔之下一个热边界层的热柱。按照热柱。按照Morgan的提法，地球深部来源的物质是由的提法，地球深部来源的物质是由于放射性元素分裂、释放热能，从重力高的地点的火于放射性元素分裂、释放热能，从重力高的地点的火山底下上来的。炽热上升的圆筒状岩石类物质流就称山底下上来的。炽热上升的圆筒状岩石类物质流就称为为地幔柱（地
24、幔柱（mantle plume）。地幔柱作用于活动板块留下热点轨迹示意图地幔柱作用于活动板块留下热点轨迹示意图 Wilson和和Morgan的上述看法成为现今各种模式的理的上述看法成为现今各种模式的理论基础，包括：论基础，包括：地幔柱的根主要在深部地幔或核地幔柱的根主要在深部地幔或核-幔边界（有一种意幔边界（有一种意见认为起源于部连续界面）；见认为起源于部连续界面）；当垂直运动的地幔柱到达岩石圈底部时，地幔物质当垂直运动的地幔柱到达岩石圈底部时，地幔物质的流动变为水平方向并各向扩散，形成具有火山活动的流动变为水平方向并各向扩散，形成具有火山活动的热点并可能使岩石圈凸起；的热点并可能使岩石圈凸起
25、；与地幔柱内集中的上升流相平衡的回流，地幔物质与地幔柱内集中的上升流相平衡的回流，地幔物质其余部分非常缓慢的向下运动来完成，日本学者称之其余部分非常缓慢的向下运动来完成，日本学者称之为为“冷幔柱冷幔柱”；放射状流体施加给岩石圈板块的合力以及各板块沿放射状流体施加给岩石圈板块的合力以及各板块沿边界相互制约产生的力，确定了板块运动的方向。边界相互制约产生的力，确定了板块运动的方向。1、地幔柱的生成条件、地幔柱的生成条件 大多数热点的寿命至少在大多数热点的寿命至少在100Ma，其相对移动速度一般远低，其相对移动速度一般远低于于1cm/a。在这种。在这种“稳定稳定”条件下，热点可以缓慢地、连续地条件下
26、，热点可以缓慢地、连续地激发激发“原始原始”物质，也就是说这些物质从未进入浅部的地球化物质，也就是说这些物质从未进入浅部的地球化学层圈中参与循环（学层圈中参与循环（DePaolo，1996）。他们可以出现在大洋，）。他们可以出现在大洋，也可以出现在大陆。海洋中的热点一般小于也可以出现在大陆。海洋中的热点一般小于500km，大陆上的，大陆上的热点则要大得多。但它们在地幔中的通道尚未被地震资料很好热点则要大得多。但它们在地幔中的通道尚未被地震资料很好地揭示过，因而推测它们是由粘度低于周围地幔几个数量级的地揭示过，因而推测它们是由粘度低于周围地幔几个数量级的物质组成的，这一点可以从某些热点于附近洋中
27、脊之间存在相物质组成的，这一点可以从某些热点于附近洋中脊之间存在相联系的通道得到证实（联系的通道得到证实（Morgan，1978；Schilling，1985）。）。所有这些特点表明热点起源于地球深部的热边界层，并且在一所有这些特点表明热点起源于地球深部的热边界层，并且在一个非常狭窄的通道内已很快的速度穿过地幔而上升到地表个非常狭窄的通道内已很快的速度穿过地幔而上升到地表。地幔柱物质与其周围地幔物质之间的粘度差异，对地幔柱地幔柱物质与其周围地幔物质之间的粘度差异，对地幔柱的生成和迁移至关重要。的生成和迁移至关重要。Yuen和和Schubert（1976）认为有赖于）认为有赖于温度的粘度对于解释
28、地幔柱的起因具有关键意义。近年来在温度的粘度对于解释地幔柱的起因具有关键意义。近年来在Peter Olson实验室进行的高温高压腔实验，很好地显示了地幔柱实验室进行的高温高压腔实验，很好地显示了地幔柱的一些特征，它表现为巨大的球状顶冠和狭窄的尾部构造，在狭的一些特征，它表现为巨大的球状顶冠和狭窄的尾部构造，在狭窄的尾巴状通道中流体快速上升。最近，窄的尾巴状通道中流体快速上升。最近，Sleep等（等（1988）强调）强调地幔柱的形成只有在地幔柱物质的粘度低于周围物质至少地幔柱的形成只有在地幔柱物质的粘度低于周围物质至少2个数个数量级的条件下才有可能。量级的条件下才有可能。如果地幔柱存在于地幔中，
29、必然在深部有一个浮柱状的低粘如果地幔柱存在于地幔中，必然在深部有一个浮柱状的低粘度物质源区，而在近地表出现下陷。源区应该能够提供粘度低于度物质源区，而在近地表出现下陷。源区应该能够提供粘度低于周围地幔几个数量级的物质。周围地幔几个数量级的物质。670km处的不连续层可能是地幔柱处的不连续层可能是地幔柱的一个源区，但在这一深度没有地震资料表明存在低粘度区。核的一个源区，但在这一深度没有地震资料表明存在低粘度区。核幔边界的幔边界的D层是最可能的物质源区。地核可能正在冷却层是最可能的物质源区。地核可能正在冷却（Stacey 和和Loper，1984），其丢失的热量加热了地幔底部的一），其丢失的热量加
30、热了地幔底部的一层物质。由热引起的这一层构造在动力学上类似于地幔柱，因为层物质。由热引起的这一层构造在动力学上类似于地幔柱，因为它具有较低的粘度，可以成为流体流动的通道。它具有较低的粘度，可以成为流体流动的通道。热的低粘度物质通过地幔柱通道流动，当它遇到冷的岩石热的低粘度物质通过地幔柱通道流动，当它遇到冷的岩石圈时就分叉，从而在地表形成热点（圈时就分叉，从而在地表形成热点（Crough，1978；Olson 和和 Nam，1986）。地幔柱物质中只有很小一部分到达地表并呈热）。地幔柱物质中只有很小一部分到达地表并呈热点火山作用表现出来，其余部分提供给了岩石圈之下的低粘度点火山作用表现出来，其余
31、部分提供给了岩石圈之下的低粘度软流圈（软流圈（White和和McKenzie，1989）。）。D层、地幔柱以及软流层、地幔柱以及软流圈就象给较冷的地幔裹了一层低粘度的毯子一样。圈就象给较冷的地幔裹了一层低粘度的毯子一样。按照这种模式推测，岩石圈板块可以在低粘度软流圈之上按照这种模式推测，岩石圈板块可以在低粘度软流圈之上相对自由地滑动。相对自由地滑动。地球内部结构于地震波速的变化图地球内部结构于地震波速的变化图2、地幔柱的启动、地幔柱的启动 80年代后期，地幔柱的研究由稳态模式向时间变量模式年代后期，地幔柱的研究由稳态模式向时间变量模式发展。尽管发展。尽管Loper 和和Stacey（1983）
32、证明可以出现稳态地幔）证明可以出现稳态地幔柱，但这种情况在地球上部可能存在。因为，由稳态地幔柱柱，但这种情况在地球上部可能存在。因为，由稳态地幔柱引发热晕所需要的时间超过了地球的年龄。这就需要进一步引发热晕所需要的时间超过了地球的年龄。这就需要进一步研究地幔柱的启动机制和脉动性，而研究地幔柱的启动机制研究地幔柱的启动机制和脉动性，而研究地幔柱的启动机制由需要研究地幔柱源区由需要研究地幔柱源区D层的动力学特征。地幔柱的脉动是层的动力学特征。地幔柱的脉动是最近通过观察先存地幔柱通道中的孤立波而发现的。最近通过观察先存地幔柱通道中的孤立波而发现的。Whitehead和和Luther（1975）最先研
33、究了地幔柱的启动机）最先研究了地幔柱的启动机制，结果表明低粘度浮柱物质的初速水平层由于动力学失稳制，结果表明低粘度浮柱物质的初速水平层由于动力学失稳而导致地幔柱形成。浮柱流体的球状隆起引发了上覆粘滞流而导致地幔柱形成。浮柱流体的球状隆起引发了上覆粘滞流体中地幔柱的产生（类似穿刺构造），并通过尾部管道中浮体中地幔柱的产生（类似穿刺构造），并通过尾部管道中浮柱物质的不断供给而使地幔柱扩大。如果浮柱流体得到充分柱物质的不断供给而使地幔柱扩大。如果浮柱流体得到充分的补给，当穹隆到达流体层的表面时，管道就可以演化为成的补给，当穹隆到达流体层的表面时，管道就可以演化为成熟的地幔柱。但熟的地幔柱。但Maru
34、yama等（等（1994）丸山德茂丸山德茂和和Larson等等（1996）偏重于俯冲板块的沉降作用引发地幔柱。）偏重于俯冲板块的沉降作用引发地幔柱。Yuen和和Peltier（1980）研究成果也认为在地幔条件下，热）研究成果也认为在地幔条件下，热D层很不稳定，能够演化为快速上升的柱状构造，并在巨大的层很不稳定，能够演化为快速上升的柱状构造，并在巨大的浮力过剩和粘度亏损条件下绝热上升到地表。但是，浮力过剩和粘度亏损条件下绝热上升到地表。但是，Ribe（1988）和）和Griffiths（1990）研究认为除非通过一个热的通道）研究认为除非通过一个热的通道或者热物质的不断补充，上升的热流体球可能
35、迅速失热，而且，或者热物质的不断补充，上升的热流体球可能迅速失热，而且，地幔柱的上升将导致地幔柱的上升将导致D层热物质源区的亏损，引起幕式流动。层热物质源区的亏损，引起幕式流动。3、地幔柱与地幔对流系统的相互作用、地幔柱与地幔对流系统的相互作用 地幔柱的显著特点之一就是其固定性，即相互之间的相对地幔柱的显著特点之一就是其固定性，即相互之间的相对移动速度很小，仅为板块之间相对移动速度的移动速度很小，仅为板块之间相对移动速度的1/5（Duncan，1981；Morgan，1982，1983；Molnar 和和Stock，1987）。）。第二个显著特点是地幔柱玄武岩不同于洋中脊玄武岩的独第二个显著特
36、点是地幔柱玄武岩不同于洋中脊玄武岩的独特的地球化学性质。这些特点对地幔柱玄武岩起源、定位及其特的地球化学性质。这些特点对地幔柱玄武岩起源、定位及其地幔对流系统之间的相互作用都有一定的控制意义。地幔柱最地幔对流系统之间的相互作用都有一定的控制意义。地幔柱最可能的起源深度是可能的起源深度是D层，尽管层，尽管Anderson（1981）认为可能更）认为可能更浅。浅。正如正如Morgan和和Deffeys（1972）最初设想的，深地幔柱是）最初设想的，深地幔柱是下地幔中对流上拱的一种表现，即地幔柱起了将下地幔中的下地幔中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。但也有资料表明，地幔
37、柱向上输送的热热带到地表的作用。但也有资料表明，地幔柱向上输送的热能可深达地核，而导致下地幔冷却的对流方式跟地幔柱并无能可深达地核，而导致下地幔冷却的对流方式跟地幔柱并无直接关系（直接关系（Loper，1985；Davies，1988）。地幔柱可以产生）。地幔柱可以产生一个向上移动的热晕，尽管移动速度由于粘度随温度变化而一个向上移动的热晕，尽管移动速度由于粘度随温度变化而变得很小。热晕中的移动速度比地幔柱本身小得多，但粘度变得很小。热晕中的移动速度比地幔柱本身小得多，但粘度更大、涉及面更广，因而可能起到更大的牵引作用。更大、涉及面更广，因而可能起到更大的牵引作用。地幔对流也可以已以多种方式对地
38、幔柱产生影响。其中地幔对流也可以已以多种方式对地幔柱产生影响。其中之一就是通过地幔中水平运动的垂向剪切使地幔柱向上翘起之一就是通过地幔中水平运动的垂向剪切使地幔柱向上翘起或倾斜。另一方面，软流圈具有明显的剪切作用，从而使地或倾斜。另一方面，软流圈具有明显的剪切作用，从而使地幔柱分散开来形成孤立的洋岛（幔柱分散开来形成孤立的洋岛（Whitehead，1982；Richards等，等，1988；Griffiths等，等，1989）。）。三、全球构造新概念三、全球构造新概念 近年来，一些日本学者（如近年来，一些日本学者（如Maruyama等（等（1994）丸山德丸山德茂茂；Kumazawa；Fuka
39、o（1994）提出了）提出了全球构造全球构造的理论框的理论框架（架（图图1-3王或图王或图1-5李李），即全球构造（），即全球构造（whole Earth tectonics），包括），包括生长构造（生长构造（growth tectonics）、地幔柱构造地幔柱构造（plume tectonics）、板块构造（板块构造（plate tectonics）、收缩构造收缩构造（contraction tectonics）和和末端构造（末端构造（terminal tectonics）。他。他们的提法虽然与欧美学者不完全一致，但这一全球构造的理论们的提法虽然与欧美学者不完全一致，但这一全球构造的理论核心
40、也是地幔柱构造。他们通过核心也是地幔柱构造。他们通过P波在地幔中传播的层析方法，波在地幔中传播的层析方法，模拟了阿尔卑斯、地中海中部、沙特阿拉伯、特提斯和南极大模拟了阿尔卑斯、地中海中部、沙特阿拉伯、特提斯和南极大陆几种不同的地幔结构，认为海洋板块可以俯冲到陆几种不同的地幔结构，认为海洋板块可以俯冲到670km深处，深处，岩石圈物质在那里滞留下沉，一直到地幔底部，动摇核幔边界岩石圈物质在那里滞留下沉，一直到地幔底部，动摇核幔边界的稳定性并激发地幔柱向上运动。的稳定性并激发地幔柱向上运动。全球构造体系示意图（据全球构造体系示意图（据Kumazawa和和Maruyama，1994）日本学者通过地震
41、层析成像技术推测的地幔柱构造如（图日本学者通过地震层析成像技术推测的地幔柱构造如（图1-4）所示，它主要表现为地幔柱在上升过程中的演变。他们还所示，它主要表现为地幔柱在上升过程中的演变。他们还指出在太平洋及非洲大陆下面为巨大的上升流，而亚洲大陆之指出在太平洋及非洲大陆下面为巨大的上升流，而亚洲大陆之下为巨大的下降流（下为巨大的下降流（图图1-5），分别称为），分别称为超级热幔柱和超级冷幔超级热幔柱和超级冷幔柱柱，它反映了地幔内存在巨大规模的对流。据此，它反映了地幔内存在巨大规模的对流。据此，Maruyama等等（1994）进一步提出了地幔柱上升与板块俯冲的构造模式（）进一步提出了地幔柱上升与板
42、块俯冲的构造模式（图图1-6），将板块构造的产生、消亡与地幔柱作用联系起来解释，），将板块构造的产生、消亡与地幔柱作用联系起来解释，为全球构造新概念的建立奠定了基础。为全球构造新概念的建立奠定了基础。地幔柱构造的多级演化结构图（据地幔柱构造的多级演化结构图（据Maruyama，1994）地球的超级地幔柱示意图地球的超级地幔柱示意图（据（据Maruyama，1994）超级地幔柱的成生模式图超级地幔柱的成生模式图（据（据Maruyama，1994）板块构造主要为板块构造主要为670km深处的地幔转变带提供冷岩片的物深处的地幔转变带提供冷岩片的物质供应，在那里冷岩片自质供应，在那里冷岩片自10040
43、0Ma以来处于停滞状态，直到以来处于停滞状态，直到相变过程中由于吸热作用引发灾害性重力失衡尔重新活动。由相变过程中由于吸热作用引发灾害性重力失衡尔重新活动。由此引起的冷幔柱向下（外核）运动可激发此引起的冷幔柱向下（外核）运动可激发Fe-Ni物质新的向内核物质新的向内核流动。在冷行星空间环境，冷幔柱的作用是主要的，而超大规流动。在冷行星空间环境，冷幔柱的作用是主要的，而超大规模热幔柱是被动的。热幔柱的上升引起大陆的打开以至于裂解，模热幔柱是被动的。热幔柱的上升引起大陆的打开以至于裂解，并且可以锚固其上的扩张轴直到新的俯冲带形成。俯冲带一旦并且可以锚固其上的扩张轴直到新的俯冲带形成。俯冲带一旦形成
44、，板块构造叫独立于地幔柱构造，而洋中脊则变成一个通形成，板块构造叫独立于地幔柱构造，而洋中脊则变成一个通向地幔的向地幔的“窗口窗口”。超大规模地幔的上升流可以通过带状挤压。超大规模地幔的上升流可以通过带状挤压（belt-squeezing）而形成，如中）而形成，如中Pangean地幔柱链；也可以通过地幔柱链；也可以通过围限式挤压（围限式挤压（surrounded-squeezing）而形成，如太平洋超级地）而形成，如太平洋超级地幔柱（幔柱（图图1-6）。二者均起源于核幔边界，停滞的岩片一旦发生）。二者均起源于核幔边界，停滞的岩片一旦发生冷崩塌，将干扰核幔边界的稳定性。冷崩塌，将干扰核幔边界的稳
45、定性。地球的超级地幔柱示意图地球的超级地幔柱示意图（据（据Maruyama，1994）超级地幔柱的成生模式图超级地幔柱的成生模式图（据（据Maruyama，1994）一系列超级地幔柱的活动将导致超大陆的裂解，裂解下来一系列超级地幔柱的活动将导致超大陆的裂解，裂解下来的碎块则逐渐漂移、散布到收缩的超级洋中。在大陆裂解的早的碎块则逐渐漂移、散布到收缩的超级洋中。在大陆裂解的早期阶段，热地幔柱随机产生于下地幔；同时，一个巨大的冷幔期阶段，热地幔柱随机产生于下地幔；同时，一个巨大的冷幔柱可能形成于新生成的复合大陆之下。如柱可能形成于新生成的复合大陆之下。如200Ma通过广泛的陆通过广泛的陆-陆碰撞及威
46、尔逊旋回后期的拼合作用而形成的劳亚古陆陆碰撞及威尔逊旋回后期的拼合作用而形成的劳亚古陆（Laurasia）（）（图图1-7）。下地幔中的这种冷幔柱一旦形成，将）。下地幔中的这种冷幔柱一旦形成，将明显地控制上地幔的对流方式，以至于所有大陆都趋于被吸纳明显地控制上地幔的对流方式，以至于所有大陆都趋于被吸纳到这一超级冷幔柱中，直到所有大陆联合成超大陆。在这一拼到这一超级冷幔柱中，直到所有大陆联合成超大陆。在这一拼合起来的复合大陆的中部将产生一个巨大的克拉通沉积盆地，合起来的复合大陆的中部将产生一个巨大的克拉通沉积盆地，它是冷幔柱在地表的一种表现形式。它是冷幔柱在地表的一种表现形式。300Ma以来南太
47、平洋中的以来南太平洋中的高地形隆起以及现在的非洲大陆则是热幔柱在地表的显示。在高地形隆起以及现在的非洲大陆则是热幔柱在地表的显示。在威尔逊旋回中，对停滞岩片的冲洗非常重要，可以控制海平面威尔逊旋回中，对停滞岩片的冲洗非常重要，可以控制海平面的变化、板块的诞生、大陆的裂解并促使地球旋转。因此，板的变化、板块的诞生、大陆的裂解并促使地球旋转。因此，板块构造只是一个非常表面的现象，占地球直径的不到块构造只是一个非常表面的现象，占地球直径的不到1/10，而，而地幔柱构造则起主导作用。这些日本学者认为，对地幔热地幔柱构造则起主导作用。这些日本学者认为，对地幔热物物质对流、超构造圈层的打开及外地核的对流起
48、控制作用的是冷质对流、超构造圈层的打开及外地核的对流起控制作用的是冷幔柱，而不是热幔柱。幔柱，而不是热幔柱。冷幔柱与热幔柱的关系（据冷幔柱与热幔柱的关系（据Maruyama等，等，1994）四、地幔柱的结构特征四、地幔柱的结构特征与实验模拟与实验模拟 1、地幔柱的结构特征、地幔柱的结构特征 地幔热柱具有巨大的球状顶地幔热柱具有巨大的球状顶冠和狭窄的尾部结构，在狭窄的冠和狭窄的尾部结构，在狭窄的尾巴状通道中流体快速上升尾巴状通道中流体快速上升（Campbell和和Griffiths，1990）（图图1-3）。巨大的冠形柱头是因）。巨大的冠形柱头是因为源自深部的热浮物质难以快速为源自深部的热浮物质
49、难以快速上升和大规模运移而大量堆积，上升和大规模运移而大量堆积，狭长的尾柱是因为高温、低粘度狭长的尾柱是因为高温、低粘度地幔物质沿已有通道可以快速上地幔物质沿已有通道可以快速上升。在热浮力驱动下，伴随深源升。在热浮力驱动下，伴随深源热物质的持续供给，地幔热柱仍热物质的持续供给，地幔热柱仍保留巨大头冠、狭长尾柱形态结保留巨大头冠、狭长尾柱形态结构而上升。构而上升。地幔热柱的实验形态结构地幔热柱的实验形态结构实验显示的地幔柱结构（据实验显示的地幔柱结构（据Campbell等，等，1989）Campbell和和Griffiths（1990）建立）建立了地幔热柱动力模型，岩浆熔体形了地幔热柱动力模型，
50、岩浆熔体形成于地幔热柱的高温轴部的尾柱区，成于地幔热柱的高温轴部的尾柱区，其压力条件比冠状柱头稍高。地幔其压力条件比冠状柱头稍高。地幔热柱尾柱高温物质部分熔融，可形热柱尾柱高温物质部分熔融，可形成不受地幔影响的苦橄质岩浆或苦成不受地幔影响的苦橄质岩浆或苦橄玄岩浆或科马提岩。冠状柱头物橄玄岩浆或科马提岩。冠状柱头物质上涌释压减薄或下部尾柱岩浆的质上涌释压减薄或下部尾柱岩浆的加热，发生熔融产生岩浆。由于冠加热，发生熔融产生岩浆。由于冠状柱头具有化学分带和物质混合特状柱头具有化学分带和物质混合特征，产生的岩浆也表现出两源混合征，产生的岩浆也表现出两源混合地球化学特征。尾柱的大量熔融和地球化学特征。尾
