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 第四章 地幔柱构造 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 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。 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）全球共有至少45个 热点，其中大陆14个，大洋中30多个（51个 ？）。 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。 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 夏威夷火山链 板 块 运 动 热 点 固 定 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 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 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。 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 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。 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 3地幔柱的运动特征 （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）； 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。 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。 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测量全 球板块运动的最佳坐标系。 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 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 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。 地幔柱 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。 3、地磁极性变化 Larson（1991）详细地研究了大洋火 山台地，海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。 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。 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。 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