地幔柱研究进展

地幔柱假设自提出以来,在学术界争议很大,对于其是否存在还没有统一答案。本文对地幔柱的起源做了详细阐述,将质疑者的观点和地幔柱假设自身存在的问题进行罗列,对地幔柱存在的证据进行汇总。从地球化学及岩石学方面对大陆溢流玄武岩和大洋岛玄武岩的分布进行研究,了解地幔柱在地表的形态;从大地构造学角度分析地幔柱如何使超大陆不断合并、分裂;从地球物理学方面以夏威夷地幔柱、非洲超级地幔柱、海南地幔柱等典型区域阐述地幔柱研究的最新成果及地幔柱存在的证据。最后,讨论了地幔柱的发展趋势。     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

地幔柱数值模型的研究进展

地幔柱模型作为地球内部对流系统的重要组成部分,可与板块构造理论相媲美.它们共同构成了地球内部物质和能量循环的重要过程.自从地幔柱模型提出以来,地震学、高温高压矿物学、地质学以及地球动力学数值模拟对其进行了多学科的综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型来研究地幔柱的动力学效应,定量化地给出了地幔柱的演化过程以及地球内部和表层的响应,并用以解释其他学科的观测和实验结果.因此,地球动力学数值模拟是研究地幔柱动力学最重要的手段之一.文章总结了近几十年地幔柱数值模型的研究进展,包括地幔柱的起源和存在的证据,地幔柱与岩石圈、洋中脊、俯冲带和地幔过渡带的相互作用以及地幔柱与大型剪切波低速区的关系.数值模型得到的理论结果必须与其他各学科的观测结果进行对比和验证才能真正理解地幔柱的动力学过程.随着数值模拟方法的发展和计算能力的提高,地球动力学数值模拟将为研究包括地幔柱动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段.     

珍贝—黄岩海山链热-重力均衡动态调节机制

珍贝—黄岩海山链作为我国南海的残留扩张中心, 对其研究具有重要的科学意义. 本文运用均衡学方法, 通过重力异常数据反演了过珍贝—黄岩海山链剖面的地壳界面变化, 同时计算了岩石圈热结构状态, 在此基础上建立了珍贝—黄岩海山链的岩石圈地温结构模型. 通过均衡分析方法, 对剖面上测点的海底地形数据进行了热均衡和重力均衡分析, 得到了热均衡和重力均衡形变量. 结果表明, 在珍贝—黄岩海山链高热流区域, 热均衡作用可以产生最大约0.55 km的形变, 其重力均衡形变范围为0.77—1.89 km. 热均衡通过改变海底地形和地壳物质密度不断作用于重力均衡, 重力又反过来作用于热均衡, 形成了热均衡-重力均衡动态调节机制.      

地幔柱研究进展

地幔柱假设自提出以来,在学术界争议很大,对于其是否存在还没有统一答案.本文对地幔柱的起源做了详细阐述,将质疑者的观点和地幔柱假设自身存在的问题进行罗列,对地幔柱存在的证据进行汇总.从地球化学及岩石学方面对大陆溢流玄武岩和大洋岛玄武岩的分布进行研究,了解地幔柱在地表的形态;从大地构造学角度分析地幔柱如何使超大陆不断合并、...     

太平洋大塔穆火山研究进展及对巨型洋底火山成因的启示

坐落在西北太平洋的沙茨基海隆为地球上第三大洋底高原,而其中的大塔穆火山被称为"地球上最大的单体火山".本文综述了国际科学团队近期对大塔穆火山进行的多次海洋地质与地球物理调查,阐述"地幔柱"与"洋中脊"两种端元成因假说各自的重要证据以及争论的焦点问题.沙茨基海隆自南西向北东年龄逐渐变年轻、火山规模变小,是支持"地幔柱"假说的直接证据.大塔穆火山上巨厚块状熔岩、低坡度盾状单体火山构造代表地幔柱头岩浆大规模快速喷发,而奥里火山和希尔绍夫火山枕状熔岩则反映从地幔柱头过渡到地幔柱尾的过程中岩浆作用减弱.另一方面,大塔穆火山水下喷发,岩石样品显示洋中脊玄武岩的特征,以及地壳厚度与平均速度负相关性(反映化学异常来源),这些证据与"地幔柱"假说的预测不符,因而更支持"洋中脊"假说.然而"洋中脊"假说不能解释大塔穆火山单个来源如何输出如此大量的岩浆.再一方面,由人工地震长剖面观测到的莫霍面与艾里重力均衡模型所预测的莫霍面基本吻合,但此观测本身并不能区别更符合哪一种端元模型.总之,大塔穆火山既有"地幔柱"的特征,又有"洋中脊"的特征,单靠一种端元模式无法解释所有的重要观测.因此,"地幔柱-洋中脊相互作用"可能是一种更合理的替代模型,但地幔柱与洋中脊相互作用的具体过程及机制等重要问题目前尚未解决,仍需进一步研究.获取高精度地磁异常等观测资料以及开展三维地球动力学模拟将实质性地推动对沙茨基海隆等洋底高原形成机制的研究.     

俯冲带的穿透与地幔对流

一、板块运动与地幔对流六十年代板块构造理论逐渐为地球科学工作者所接受。板块运动的动力学问题为人们所关心。这促使地幔对流理论的发展,逐渐形成两种不同的地幔对流理论,如图1所示。一种理论认为是整个地幔对流。O'Connell(1977)及Davies(1977)等认为地幔对流是在整个地幔范围内进行的,这种运动拖曳着上覆的刚性板块运动。这种对流模式较容易理解。它的主     

Nature:地球物理学家正在全球搜集地幔柱证据

正2013年12月9日,Nature发表题为"火山之下"(Under the volcano)的文章,指出研究人员常利用地震波来探索地球的内部结构,通过分析不同界面间的地震波波速标定地球内部的温度差和密度差,采用地震图像来观测地幔柱的局部特征。为了证实地幔柱的存在,科学家们通常会选取多个火山点,如夏威夷、留尼旺、大西洋南部的达库尼亚群岛等进行论证。地震图像是研究的关键,要想获得较好     

全球地震柱的地震层析成像证据

依据地震地热说原理,搜集国内外地震层析成像研究的成果．揭示了地震柱的物理属性。得出全球24个地震柱中已有资料的20个地震柱的深部地幔圆锥体均具有P波高速异常体特征,相反,只有火山和浅源地震活动而无中、深源地震活动的地区,比如冰岛和夏威夷,其地幔深部则为P波低速异常体。为解释这个重要的物理现象和构造现象,引入空化理论解释并提出了3个假设。地震柱概念是地震地热说赖以生存的物质基础和构造基础,是与当今流行的地质学派板块构造、地质力学和地幔柱理论的最大区别。深入解读地震柱的物理属性及其构造学意义．或许能为构造地质学和地球动力学带来革命性的大讨论。     

Science:地球板块运动始于30亿年前

正地球板块运动的启动时间和机制一直是构造地质学领域备受争议的一个科学问题。2015年11月12日刊登于Nature的一篇文章《地球上板块构造由地幔柱诱导俯冲产生》(Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation)提出,第1次板块运动是由地幔柱诱导产生,但     

利用海底电缆探测太平洋地区地幔结构的研究进展

介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考.     

动态地幔柱尾管结构

动态地幔柱模式被广泛用于讨论地球科学中的一些重要课题,如巨大火成区的成因,冈瓦纳古陆解体的原因,板块内中小尺度动力过程的驱动因素等．但是这个基于实验研究而建立的模式中,忽略了地幔柱尾管特征及其作用．地幔柱尾管内温度和速度分布是研究地幔柱上升过程的必要条件．本文从控制尾管结构的基本方程出发,给出了一个定常轴对称地幔柱温度和速度分布的近似分析解．从而得到尾管结构的基本特征：影响尾管内温度分布的主导因素是地幔柱的热流通量,而尾管内上涌速度的大小则不仅取决于热流通量,主要是取决于地幔粘度随深度的变化方式．结果表明,对弱地幔柱,尾管的热损失可能是不可忽略的,而对强地幔柱,径向质量传递可能是不可忽略的.     

地幔对流与深部物质运移研究的新进展

现代固体地球科学已经认识到,地幔对流不再是少数动力学家的假想,它是地幔热动力系统的主要构架.地幔对流和板块运动驱动机理关系的研究已经从简单的主动或被动驱动的讨论转向对统一热动力系统的探讨.包括地幔热柱在内的地幔对流的深入研究不仅成为研究地幔热动力系统演化的主线,也成为研究大陆形成和演化驱动机理的主线.与此同时,以地震层析成像为主体的地震、地球物理观测资料和以地幔岩石化学组份为主体的地球化学观测成为认识地幔对流的强有力的工具.然而,地球化学和地球物理观测之间存在明显的差异,一些依赖于地球化学数据构思的新的热动力学框架对地幔对流的研究构成了强烈的挑战.     

攀枝花古地幔柱壳、幔结构与地球物理边界场特征

攀枝花古地幔柱的形成与演化对这一地域的大地构造格局、金属矿产的聚集和区域大陆动力学研究均有着极为重要的科学意义和应用价值.本文通过穿越攀枝花古地幔柱中心部位的四条人工源深部地震探测剖面和区域地球物理边界场响应研究提出：（1）攀枝花古地幔柱具有特异的壳、幔速度结构;（2）在其中心部位由结晶基底到壳、幔边界均为高速体,且结晶基底和Moho界面局部隆起、地壳内部存在厚达10余千米的低速层,且被数条深、大断裂切割;（3）重力场、磁力场的边界异常场响应组构了攀枝花古地幔柱的地表形态和中心部位的圈闭范围.     

地幔地球化学:洋岛玄武岩制约

对地幔的地球化学研究为理解地球的形成和演化、其内部结构以及地幔动力学提供了重要制约.全地球的成分是通过由地幔岩石与球粒陨石对比所得到,并由此引出了球粒陨石质地球模型.这个模型认为地球难熔元素比例与球粒陨石相同,但挥发份相对亏损.洋岛玄武岩可能是源于地幔柱深部成因,进而成为研究深部地球的独特途径.洋岛玄武岩同位素组成变化可用有限几个地幔端元(例如,DMM、EM1、EM2和HIMU)来描述,由此用来解译重要的地幔过程.地壳物质通过俯冲和拆沉进入深部地幔,对地幔不均一的形成起到了重要作用.然而,这些地壳物质如何由部分熔融所提取,例如洋岛玄武岩成因中贫橄榄石岩石的作用,仍是热点争论话题.高~3He/~4He地幔的位置和成因仍有争议,存在从下地幔未演化(或弱演化)的原始物质到浅部成因的高程度演化物质的看法,后者包括古老熔融残留、弧下镁铁质堆晶和再循环含水矿物.可能存在的核幔相互作用被假定为洋岛玄武岩中诸如放射成因~(186)Os以及Fe和Ni的富集之类地球化学特征形成的原因.诸如~(142)Nd、~(182)W和Xe同位素之类的短寿命核素的微小但重要的变化在古老和现代岩石中均有报道,这暗示地幔必须在地球形成后100Myr内即发生分异,而且地幔并未被对流所有效均一化.     

塔里木早二叠世大火成岩省的成因模式

近20年来,塔里木早二叠世大火成岩省在各类火成岩的空间分布、时间序列、地球化学特征、地幔源区和岩浆演化等方面有了深入的认识,为揭示大火成岩省的成因模式和演化过程奠定了坚实的基础.本文将主要基于塔里木大火成岩省存在的两阶段岩浆产物,结合前期研究基础和前人研究成果,系统论证塔里木早二叠世大火成岩省成因的两阶段熔融模式.模式认为塔里木大火成岩省的形成与地幔柱活动有关,其地幔柱作用形式兼具"巴哈纳型"和"德干型"两种特点,即早期高热的地幔柱引起了岩石圈地幔的低程度部分熔融,后期地幔柱上升绝热减压引起地幔柱自身部分熔融.在早期熔融事件中,地幔柱主要表现为上部岩石圈熔融所需的热供给,后期熔融过程中地幔柱成为熔融发生的主要场所和物质供给源.第一阶段喷发的两类玄武岩具有高~(87)Sr/~(86)Sr、低~(143)Nd/~(144)Nd的同位素特征,富集大离子亲石元素和高场强元素,为富集的大陆岩石圈地幔部分熔融的产物,具有"巴哈纳型"特征;而第二阶段产出的基性-超基性侵入岩具有相对两类玄武岩较低的~(87)Sr/~(86)Sr,较高的~(143)Nd/~(144)Nd比值,为地幔热柱熔融的产物,具有"德干型"特征.其中第一阶段,可细分为Group1和Group2两类玄武岩,Group2玄武岩相对Group1玄武岩具有较低的~(87)Sr/~(86)Sr,较高的~(143)Nd/~(144)Nd比值.Group2玄武岩显示连接Group1玄武岩和第二阶段岩浆作用的过渡类型特征,表明塔里木早二叠世大火成岩省是地幔柱与岩石圈地幔持续相互作用的结果.关于塔里木大火成岩省成因模式的研究有助于增进对塔里木大火成岩省岩浆作用、深部地质过程和地球动力学过程的全面认识,有利于丰富大火成岩省的成因理论和地幔柱活动理论.     

地幔柱作用与岩石圈改造:以塔里木克拉通为例

克拉通是稳定的大陆块体,形成于太古代,具有巨厚的岩石圈地幔根,其厚度多大于200 km.地幔热柱作用早期会显著减薄岩石圈地幔、降低岩石圈强度,现有地震和地幔捕虏体数据资料显示,克拉通经历过地幔柱作用后仍有超过150 km厚的稳定岩石圈地幔根,其岩石圈地幔根的主要物质成分是亏损的橄榄岩,岩石圈的强度仍旧保持高强度.这一现象具有全球效应,如北美Slave克拉通和非洲南部Kaapvaal克拉通均经历了这一过程.本文系统地归纳总结了地幔柱作用前后岩石圈典型特征,并结合相应阶段的构造响应发现：稳定的克拉通在地幔柱的作用下岩石圈会发生强烈的改造,伴随地表岩浆活动和克拉通岩石圈的减薄和弱化;而后亏损的地幔柱熔融残余物会重新加厚和增强岩石圈地幔.岩浆岩记录的地球化学资料显示,塔里木岩石圈在二叠纪时期经历了严重的改造过程;而岩石圈深部结构的地震、地热和大地电磁资料显示,现今塔里木岩石圈厚度约为150 km.塔里木岩石圈在新生代印度—欧亚大陆碰撞背景下仍旧表现出刚性的特征,塔里木岩石圈的增厚与增强是塔里木早二叠世地幔柱作用的结果.文章最后讨论了塔里木岩石圈减薄到再增厚的过程,并提出初步的模式．     

渐进式扩张海盆亚丁湾与南海西南次海盆扩张演化特征的对比

本文总结了渐进式扩张洋中脊和渐进式演化海盆的全球空间分布,并将西南次海盆与典型渐进式演化的亚丁湾加以比对,通过对海盆扩张中心的起源、扩张中心分段特征、火山活动、磁异常特征等的比较,为西南次海盆的演化提供新观点,为南海的演化观点寻找新证据.西南次海盆为渐进式扩张的海盆,与东部次海盆属于同一期扩张形成,海盆的渐进式扩张与渐进式扩张的方向很有可能受到地幔热柱(印支地幔柱、南海中部低速柱或海南地幔柱)的控制.南海的扩张演化模式并不是单一的,而是多种模式的综合,在考虑海底演化模式时应该同时考虑地幔柱的影响.     

论可能存在的地幔柱地震导波

假想的地幔热地幔柱预期地震波速低,因而可支持类似于断层带地震导波、光纤波和海洋声音固定和测距通道声波的弹性导波传播。地幔柱导波在波导中对几何复杂性并不敏感,其频散会使其在地震记录中与众不同并提供可以补充地震层析成像波导结构的有关信息。检测这类波将成为地幔柱存在新一类强有力的证据。嵌于无限介质中的圆柱形通道支持两类轴对称弹性波振型,即扭转振型和纵向—径向振型。扭转振型有与柱体表面横切的直线质点运动。纵向—径向振型在含有圆柱体轴的平面上有椭圆形质点运动,在轴附近有反向运动。椭圆形质点运动的方向随距离与轴反向:基本振型为一倍,第一谐波为两倍,依此类推。每种振型只有在超过其截止频率时才存在,相速度和群速度在无限介质中等于剪切波速。在高频率时两种速度在通道中接近剪切波速。所有振型在它们的群速度中均有最小值,在地震记录上产生艾里相位。对于剪切波速有百分之几的反差尽管对于地球的热地幔柱而言是现实的,但最大的信号是反向频散的,并有约0.1～1Hz和15～30s持续时间的优势频率。可观测到的地幔柱波至少有两个可能的来源:(1)深地幔中地幔柱与高振幅核震相焦散线的相交;(2)向下传播的导波在核幔边界ScS状的反射。最近广泛部署的宽带地震仪使搜索这些波成为可能。     

地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融问题的数值模拟

地幔柱是最可能形成大火成岩省的原因之一,同时地幔柱与岩石圈的相互作用也极大的影响着岩石圈的构造演化.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融相关的问题.利用开源程序Ellipsis3D,基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和岩石流变本构关系,以及不同的熔融损耗关系,通过有限元数值方法模拟得到地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融程度的动态变化.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈相互作用的熔融相关过程分为三个阶段：地幔柱的初融阶段,地幔柱自身熔融占主导,减压熔融为主因;地幔柱与岩石圈的纵向作用阶段,岩石圈地幔开始熔融,地幔柱以减压熔融为主,岩石圈地幔以升温熔融为主;地幔柱的横向展平阶段,随着地幔柱的扩展岩石圈地幔熔融范围增加,以升温熔融为主,地幔柱自身熔融程度减小.最后基于数值模拟结果及现场资料对峨嵋山大火成岩省地幔柱的发展演化以及峨眉山大火成岩省的形成进行了讨论.