地幔柱构造

地幔柱构造MantlePlumeTectonics地幔柱构造MantlePlumeTectonics第一章地幔柱构造的基本思想与理论第二章与地幔柱有关的几个问题第三章地幔柱构造的主要标志与特征第四章地幔柱构造的岩浆作用第五章地幔柱构造的成矿作用第六章我国与地幔柱/热点有关的重要成矿区带第一章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1、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，Wilson（1963，1965）首先提出了热点假说，用于解释夏威夷岛链火山岩的成因。但他发表在《加拿大物理学杂志》上的论文在地质界的影响不大。直到10年后，Morgan（1971，1972）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。Morgan（1971，1972）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“热柱”（HotPlume）。热柱到达于地表之处或地幔热流上升之处，称之为“热点”（HotSpot）。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。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（Wilson，1973）。热点的特征：Wilson（1973）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，一维有时是二维无震脊，由热点处向外延伸；高热流。这5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、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），被称之为热点行迹，它们比周围洋底高1-2km，形成一条长1000—2000km的异常地形高地。海山链中的海山，称之为洋岛，它主要由拉斑玄武岩组成，又称为洋岛玄武岩（OIB）。火山岛链中的最大或最新大规模喷发的火山洋岛，往往直接称之为热点。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）之上运动所留下的痕迹。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列狭窄的热隆起，并将其称之为幔柱（Plume）。热点被认为是由称之为“地幔柱”的地幔物质上涌形成的。Morgan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，直径约150km，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。Morgan（1972）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Wilson（1963）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，称之为地幔柱（MantlePlume，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、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。2、地幔柱与热点的研究与进展与20—30年前Wilson（1963）和Morgan（1971，1972）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，实质上是热点在浅部地壳的地质作用的表现。主要体现在地形、地貌和岩浆活动等方面。例如，Wilson（1973）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。Burke和Dewey（1973）指出，大陆裂谷发育于热点之上的热穹隆上。当热点和上覆陆壳相对运动极不明显或者规模很小时，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。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，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。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；而扩张脊和大洋盆地等，则是地幔热点之上大陆裂谷—大洋裂谷的发展与演化的结果。（2）热点与地幔柱的分类Wilson（1973）曾将热点分为5类：①位于南大西洋中脊和东太平洋隆起或其附近的热点；②洋中脊其它部位的热点；③与裂谷带有关的年轻热点；④可能固定于海底的年轻热点；⑤已被掩盖的老热点。这5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。从起源的角度，Maruyama等（1994）[丸山德茂]和Fukao等（1994）以核-幔界面（2900km）、上地幔底界（670km）、岩石圈底界（100km）深度为界，将地幔热柱划分为一、二、三次柱，这种分类体现了地幔柱的多级演化特征。从演化的角度，地幔柱又可分为4类：①初始阶段的地幔柱；②上升阶段的地幔柱；③作用于地壳的地幔柱；④衰退阶段的地幔柱。地球的超级地幔柱示意图（据Maruyama，1994）按产出环境划分按起源深度划分按演化阶段划分产于大陆地壳的热点深源：2900km核-幔边界初始阶段的地幔柱上升阶段的地幔柱产于大洋地壳的热点浅源：670km不连续面作用于地壳的地幔柱衰退阶段的地幔柱热点与地幔柱的分类（3）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，不同的学者提出了不同的看法。Wilson（1963）提出了夏威夷岛链及其它6个类似的岛链；Morgan（1972）最初列出了21个，Wilson（1973）提出了66个；Burke和Dewey（1976）后来增至117个；但Chase（1979）认为只有24个；Crough和Jurdy（1980）认为比较可靠的热点为40多个。等等。Stothers（1993）认为如果地幔柱到达地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14个大陆溢流玄武岩省，形成于250—17Ma，代表着14个热点；而按其所代表的陆地面积（占地球表面积30%）推算，海洋中（占地球表面积70%）可能有30多个热点，即全球有约45个地幔热柱。地幔热柱名称产出位置及产物夏威夷（Hawaii）阿森松（Ascension）阿法尔（Afar）黄石（YellowStone）冰岛（Iceland）克尔格伦（Kerguelen）亚速尔（Azores）喀麦隆山（MountCameroom）费尔南多（Fernado）圣海伦娜（St.Helena）詹玛因（JanMayen）路易斯维尔（Louisville）留尼汪（Reunion）峨眉（Emei）太平洋，夏威夷群岛大西洋—非洲、阿森松岛非洲，埃塞俄比亚北美洲，哥伦比亚—斯内克河北美洲，冰岛—格陵兰脊南极洲，高斯贝尔格大西洋，北美东非洲，喀麦隆线大西洋，费尔南多大西洋，圣海伦娜欧亚，西伯利亚太平洋，翁通爪哇印度洋，留尼汪—莫里斯—德干峨眉山地球上主要的地幔热柱（4）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，可作为板块漂移方向与速度的参照物。然而，Molnar和Atwater（1973，1975）认为，对热点体系在21Ma和38Ma以前的位置做了恢复，发现有的热点以每年1—2cm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。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。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Cl、F、Br以及轻稀土元素），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“湿热点”。“湿热点”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，可能主要与地幔射气有关。因此，Anderson（1975）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“热柱”，还不如说是“化学柱”。Olson和Yuen（1982）指出，地幔柱既是“热柱”，又是“化学柱”，故称之为“地幔热化学柱”。（5）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界层（Parmentier，1975；Bonatti，1990）；核-幔边界或地幔底部的D″层（具有较高的温度和较低的粘度）是地幔柱的最终源区（Anderson，1975；Loper和Stacey，1983）。二、基本概念与理论早在1963年，Wilson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痕迹（图1-2）。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、高热流和隆起（uplift）为标志（Wilson，1973）。Morgan（1971）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热柱。按照Morgan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山底下上来的。炽热上升的圆筒状岩石类物质流就称为地幔柱（mantleplume）。地幔柱作用于活动板块留下热点轨迹示意图Wilson和Morgan的上述看法成为现今各种模式的理论基础，包括：①地幔柱的根主要在深部地幔或核-幔边界（有一种意见认为起源于部连续界面）；②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热点并可能使岩石圈凸起；③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，日本学者称之为“冷幔柱”；④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。1、地幔柱的生成条件大多数热点的寿命至少在100Ma，其相对移动速度一般远低于1cm/a。在这种“稳定”条件下，热点可以缓慢地、连续地激发“原始”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（DePaolo，1996）。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500km，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脊之间存在相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，对地幔柱的生成和迁移至关重要。Yuen和Schubert（1976）认为有赖于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PeterOlson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，在狭窄的尾巴状通道中流体快速上升。最近，Sleep等（1988）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2个数量级的条件下才有可能。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D″层是最可能的物质源区。地核可能正在冷却（Stacey和Loper，1984），其丢失的热量加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，当它遇到冷的岩石圈时就分叉，从而在地表形成热点（Crough，1978；Olson和Nam，1986）。地幔柱物质中只有很小一部分到达地表并