第四章 地幔柱构造

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。
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。
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。
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
②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。
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？）。
地幔柱强烈活动所引起的全球气候变暖的一个结果 是海平面明显上升，故Larson（1991）认为，K中期海 平面明显上升是同期全球超级热幔柱活动的间接效应。
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。
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
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。
地球内部的圈层划分
地壳
A层
上
地
B层
地
幔 C层
幔 下地幔 D层
地 外 E层
核 F层 核
内核 G层
40km( 莫霍面) B’ 下界为150 km B” 低速层，下界为250 km B’” 下界为400 km
400km
670km D’ D”
2900km(古登堡面)
为D层底部200 km速度梯度接近0
横波波速为0，液态 4170km
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。
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。
微弱横波，为稍具刚性的核内过渡层 5100km(莱曼面)
固态层
@
夏威夷火山链
.
板 块 运动
热 点 固定10
@
@
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：
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。
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：
二、地幔柱的基本特征
1. 形态特征 2．化学成分特征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Compbell—Griffths（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
（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。
（1）所有的科马提岩 MgO>18%，而太古宙玄武岩 MgO<14%，两者存在间断；