超级地幔柱研究进展

1 岩石学与地球化学响应
洋岛玄武岩（ 0IB） 通常被认为源于地幔柱，是 识别地幔柱活动的主要标志，具有富集 TiO2 、P2 O5 、 K2 O、FeO、Na2 O 和低 w（ CaO） / w（ TiO2 ） 、w（ Al2 O3 ） / w（ TiO2 ） 值的特征［4］。典型洋岛玄武岩（ OIB） 属高 钛玄武岩，熔融程度较低，产于远离地幔柱的大火成 岩省外带，因其（ Th / Ta） pm 和（ La / Nb） pm 值均小于 1 ，可据此 验 证 玄 武 岩 地 壳 物 质 的 混 染 程 度［5］，典 型 的洋岛玄武岩（ OIB） 与地幔柱关系密切，稀土元素 球粒陨石 标 准 化 图 解 表 现 为 右 倾 曲 线［6］。 而 低 钛 大陆溢流玄武岩形成于地幔柱轴部持续减压熔融，
关键词 超级地幔柱 动力学机制 超级大陆 地质响应
当板块学说步入瓶颈期（ 如板块内部火山成 因，绿岩带中长英质、镁铁质和超镁铁质的交替重复 出现等） ，地幔柱学说便应运而生，Wilson 等［1］最早 提出地幔柱概念，认为其起源于上下地幔边界或核幔边界，温度高、黏性低，浮力迫使其上升。近年来 Wolfe 等［2］通过地震层析模型验证了上述界面存在 上涌的地 幔 柱。 赵 子 福 等［3］ 认 为 由 于 地 壳 差 异 性 的存在，即便在同一超级地幔柱的作用下也会有不 同的地质响应，如超级火山喷发、大火成岩省、大规 模基性岩墙群等。超级地幔柱的研究成为突破地球 科学瓶颈期的重要手段，可为研究地球动力学机制、 超大陆的合并与裂解、全球性生物灭绝事件以及超 大型矿床的形成机制等提供重要的理论支撑。
张俊峰 李葆华： 超级地幔柱研究进展
2016 年 11 月第 11 期
2 地球物理学响应
随着地球物理学的快速发展，地震层析成像方 法成为研究地幔动力学的重要方法。地幔柱在地震 剖面上表现为反射凌乱、能量弱的白轴、相对均匀的 弱反射、呈团块状和柱状等，边界呈不规则火焰状且 常发育上凸的弧形反射，与周围地质体呈侵入接触 关系［12］。Maruyama 等［13］利用层析成像方法揭示了 当今地球存在 2 个巨型柱状低波速异常体和一个宽 阔的高波 速 异 常 体，即 2 个 巨 型 柱 状 地 幔 上 涌 流 （ 太平洋超级地幔柱和非洲超级地幔柱） 和一个西 太平洋—东亚超级地幔沉降流，因俯冲带为物质循 环回地球内部的唯一路径，两者构成目前全球地幔 对流的主要样式［13］。Zhao 等［14］据地震 P 波层析图 像，发现地幔转换带与核-幔边界之上均存在高波速 异常体，前者为停滞于地幔转换带中的俯冲板片，后 者为俯冲板片的垃圾堆积体，在全球核-幔边界上堆 积的俯冲板片垃圾堆积体分布图上发现俯冲板片堆 积体环形分布于现今两大超级地幔柱四周，即 2 个 超级地幔柱分别位于高波速异常区中心。
Serial No． 571 November． 2016
现代矿业
MODEＲN MINING
总 第 571 期 2016年 11 月第 11 期
超级地幔都理工大学地球科学学院）
摘 要 超级地幔柱的形成及动力学机制是地球科学研究的热点问题，在详细分析与地幔柱 相关的岩石学、地球化学以及地球物理学研究成果的基础上，通过横向对比方法讨论了超级地幔柱 的地球动力学研究进展，超级大陆的合并与裂解形式。研究表明： 超级地幔柱物质主要来源于地幔 及软流圈岩浆、板块俯冲作用形成的俯冲板片垃圾堆积体，能量主要来源于 D 层中核裂变热、后 － 钙钛矿→钙钛矿相变所释放的热以及地核热，最终因熔融程度不同以及地壳差异性而形成了不同 的与地幔柱有关的岩浆岩和地表差异性的地质响应。
张俊峰（ 1991—） ，男，硕士研究生，610059 四川省成都市成华区 二仙桥街道。
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且熔融程度较高，分布于地幔柱核部、大火成岩省内 带（ 表 1） ［7］。
表 1 与地幔柱相关的岩石基本特征
岩石名称 低钛玄武岩 高钛玄武岩
碳酸盐
金伯利岩
成因
熔融程度
产出位置
地幔 柱 轴 部 熔 融 形成
高
大火成岩省内带， 地幔柱核部
地幔 柱 边 缘 熔 融
大火成岩省内带，
形成
低
远离地幔柱
碳酸 盐 岩 岩 浆 结
晶，CO2 热液交代
低
大火成岩省外带， 远离地幔柱
碱性岩等
地幔柱呈岩筒、岩
地幔 柱 的 第 三 级
脉状产出
低
以及多级构造
碳酸岩属碳酸盐矿物体积含量约占 1 /2 以上的 超基性岩，富含碱质，常见钠质、钾质霓长岩化作用， 具 有 高 Sr、Ba、Th、U、Nb、Ta、LＲEE、w （ LＲEE ） / w（ HＲEE） ，低 Zr、Hf、Ti、HＲEE 的特征［8］。碳酸岩 同位素组成可反映源区特征，总体具有较地壳高的 Sr、Nd 含量，较地壳低的 Pb 含量，Sr-Nd-Pb 同位素 组成的截然不同以及富 SiO2 、Fe、Mg、Al、Ti、P 等氧 化物，贫 CaO、CO2 等为与碳酸盐岩的主要区别［9］。 前人据 Sr-Nd-Pb 同位素研究成果，认为碳酸岩与地 幔柱关系密切。近年来，有关碳酸岩来源的争议主 要有碳酸盐岩浆直接结晶、CO2 热液交代碱性岩或 超基性岩以及富 CO2 热液充填围岩裂隙，但因岩石 圈同位素的不均一性，其交代作用必定发生于岩石 圈［10］。碳酸岩作为岩石圈薄弱带的标志，先于大陆 溢流 玄 武 岩 喷 发，熔 融 程 度 低，产 于 地 幔 柱 边 缘 处［11］。
3 超级地幔柱动力学机制
有关超级地幔柱起源，部分学者认为其起源于 上下地幔边界，部分学者认为岩石圈破裂时软流圈 物质被动就位。目前，广为接受的是超级地幔柱起 源于核-幔边界的观点［15］。超级地幔柱的能量主要 来源于具移动特性且厚达 200 ～ 300 km 的核-幔边 界 D 层，随俯冲板片带入的放射性元素裂变产生的 热、后-钙钛矿→钙钛矿相变释放热以及地核热共同 为超级地幔柱的形成提供了能量。部分学者因俯冲 板片与地幔存在密度差异，认为超级地幔柱的能量 来源于核 裂 变，否 认 了 放 射 性 物 质 裂 变 热 及 相 变 热［16］。上述热量熔融 巨 量 的 俯 冲 板 片 堆 积 体 从 而 形成熔体及小地幔柱。该类高密度、超低波速熔体 作为上层与地（ 外） 核的金属层发育成为“反-地壳” 构造，在地表由上至 下 依 次 为 板 块 水 平 运 动 → 地 幔 柱垂向贯通→“反-地壳”水平运动［17］。