板块俯冲地质学和地幔对流课件.ppt

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1、第五节,板块俯冲地质学,一、板块俯冲带,二、沟弧体系,三、双变质带,四、蛇绿岩套,五、混杂堆积岩体与增,生楔状体,俯冲地质学研究内容：,板块的俯冲是一系列复杂而强烈的地质,作用过程，导生许多与俯冲作用具有成,生关系的重要地质现象：,强烈地震和火山活动、地形高差悬殊的,沟弧体系、负重力异常、变化显著的,热流值、区域变质作用等。,一,.,板块俯冲带,20,世纪,30,年代，日本学者“和达清夫”发现自海沟,向陆侧存在一个倾斜的地震带，浅缘地震多发生在,海沟的陆侧斜坡向陆方向，并且震源随深度增加。,50,年代贝尼奥夫（,Benioff,）,此处是大陆地块和大,洋地块之间的巨型断层带贝尼奥夫带或者贝尼,

2、奥夫和达带,60,年代后期，板块学说问世后，认为不仅是震源分,布带，而且是岩石圈板块插入地幔中的板块实体，,代表板块俯冲的形迹，为板块的俯冲带（消减带）,。,板片形态：形状，长度和倾斜角,深度和倾斜角在各地差异很大（教材,P73,），深度,100-500km,，更深则被地幔同化；,俯冲长度：,俯冲速度越大，俯冲板块越长,俯冲角度：,不同地方差别极大（,10-90,o,），同一,俯冲带不同深度上也有变化,俯冲带角度规律：,1,）,岛弧下俯冲带较陡，大都,45,度以上，,2,）而陆缘山弧下比较平缓，一般不超过,30,度；,3,）俯冲带倾角往往随深度增加而变陡；,4,）倾角大小与板块俯冲速度有关，速

3、度越大，水平分速度,越大，俯冲带倾角越小；反之，变大。,俯冲带内应力分布与地震活动,1.,海沟轴附近及大陆一侧，水平距离约,80KM,处，海洋岩石圈上部发生正断层型地震。,海洋岩石圈向下弯曲产生的拉张力引起。,2.,海沟轴向大洋一侧也出现向陆倾的约,45,度正断层型地震。,3.,自海沟向大陆侧,80,200km,范围内，观测到逆断层地震。,4.,距俯冲带顶面,30,40km,范围内，双层构造；沿俯冲方向挤压力和张力,5.,深度超过,150km,的海洋岩石圈内发生地震，俯冲方向挤压力引起,2,1,3,4,地震活动是板块俯冲作用伴生的重要地质现象。,与板块俯冲带伴生的地震在,平面上,具有明显分带,

4、性，在,垂向上,具有分层性。,垂向,平面,浅源地震,小于,60,70km,海沟向陆侧部位,中源地震,70,300km 100,250km,的火山轴部,深源地震,300,700km,火山弧陆侧伸向大陆方向,震源机制研究表明，主压应力和张应力导生的地震活动，,其应力方向总是平行于俯冲板块的倾斜方向，也证明地震,成因与岩石圈板块俯冲作用密切相关。,活,动,性,呈,指,数,减,少,计算机模拟俯冲带热结构（汇聚速,率为,6 cmm/year,）展示岩石圈俯冲,板片如何逐步升温,.,为什么岩石圈板块能俯冲到,600,700km,还能产生深源地震？,岩石圈板块向俯冲边界运移过程中,经历,100,多,Ma,时

5、间，变冷增厚；板块,边缘升温快，内部升温慢，仍具弹,性和刚性，因此可造成深源地震；,岛弧所对应深度，如此低温如何使,得洋壳熔融？,岛弧对应的深度洋壳俯冲板块温度,仅,200-300C,，难以使洋壳熔融，但,是该温度足以使俯冲板块中的流体,分离出来，使上覆的地幔楔熔点降,低，岩浆产生，上升,四种不同俯冲类型：,（教材,P75,）,1.,洋洋俯冲型,：西太平洋俯冲带,2.,洋陆型（无边缘海）俯冲,：发生于大陆之,下，南美西海岸,3.,洋陆型（带边缘海盆）,俯冲发生在靠近洋,陆边界的地方，沟弧盆体系，日本岛弧,4.,陆陆碰撞,，,两板块接触发生特殊形成浮出,。印度与亚洲板块碰撞，陆内俯冲,二,.,沟

6、弧体系,是大洋板块向大陆板块俯冲过程中形成,的一组具有成生联系的构造体系。,比较典型的沟,弧体系自洋向陆分别是,外缘隆起,弧沟间隙：,海沟、海沟坡折（非火山弧，第一,弧，外弧）、弧前盆地、火山弧（第二弧，内,弧）,弧后区：,弧间盆地、残留弧、不活动边缘盆地,弧,后,区,外,缘,隆,起,海沟,弧前盆,地,弧沟间隙,火山弧,（第二弧，内弧）,海沟坡折,（非火山弧）,（第一弧，外弧）,残留弧,（第三弧）,不活,动边,缘盆,地,弧间盆地,三,.,双变质带,（,paired metamorphic belts,）,挤压型板块边界区域变质作用十分发育，其主,要特征是发育,双变质带,：大洋板块向大陆板块,俯

7、冲，在板块接触地带因温度和压力条件不同,而形成的,高压低温,和,高温低压,两种变质带。,两带关系：,两者之间通常被一条完全未变质的岩带分开；,也有直接接触,形成时代大致相同（若有早晚之分，高压带比,高温带稍早）；,常成对出现,领家低压变质带,三波川高压变质带,高压低温变质带,（,HP,LT,）,高温低压变质带,(HT,LP),部位,海沟靠陆侧,火山弧，,成因,20-30km,深，这里是俯冲带浅部,和两个板块对冲的地方，所以压,力大但温度不高，变质岩为蓝闪,石片岩。挤压、剪切构造发育，,常与混杂堆积体和蛇绿岩套伴生,，宽度较窄,火山弧下方较深部位高温高压环境,的岩浆运移至较浅部位，过渡为高,温低

8、压环境，深度,10km,。使火山,弧内岩浆岩和沉积岩变质，形成高,温低压变质带。常与花岗岩、花岗,闪长岩及中酸性火山岩相伴。带较,宽，带内断块构造发育,特征,矿物,兰闪石,硬玉、硬柱石、黑硬绿,泥石；T:250,-,400、,P:5-,7kbar,红柱石、矽线石、兰晶石,出露,原因,抬升，或在冲断作用下被逆推到,高处；若俯冲减缓或停止，海沟,地带在均衡补偿作用下隆升，剥,蚀,岛弧区隆升引起地表层强烈剥蚀,分布,既可以发现于现代俯冲带，又可以在大陆内部造山带发现（古俯冲,带及古板块边界）,双变质带形成时代：,多为中生代和早第三纪，,中新世以来的尚未出露地表。,双变质带分类：,据位置分为陆缘双变质

9、带（南美安第斯陆缘）,；正常岛弧双变质带（千岛和日本东北）；反,向岛弧双变质带（日本北海道）,双变质带意义：,其排列反映了沟弧体系的位置关系，标出了沟,弧体系的极性，从而可推测,古俯冲带的倾向,。,同时高压低温变质带还大体标志,古俯冲带出露,地表的位置,四,.,蛇绿岩套,(,蛇绿岩,),1.,定义,指在层序上有规律组合在,一起的一套岩石的总称。,完整的蛇绿岩套剖面自下,而上包括：,（,1,）以橄榄岩为主的超镁铁,质杂岩，遭受强烈蚀变转,变为,蛇纹石化橄榄岩或蛇,纹岩,；,（,2,）,辉长岩,为主的结晶堆积,体；,（,3,）,辉绿岩玄武质,为主的,岩,墙群,；,（,4,）以拉斑玄武岩为主的,枕,

10、状熔岩,。熔岩顶面与,深海,沉积物,穿插和被覆盖。,1927,年，,Steinmann,，“三位一体”蛇绿岩套概念的提,出产生了重要的影响。,“三位一体”的蛇绿岩套：,主要由蛇纹石化橄榄岩和少量辉长岩、玄武岩组成的岩,石群体，强调它们与深海远洋沉积的放射虫硅质岩密切,共生。,Hess,（,1955,）建议将蛇纹岩、基性火山岩、燧石岩的组,合称“斯特曼三位一体”，表示是它们紧密的共生组合,系列，代表了,优地槽的产物以及消失了的洋壳残片,。,1959,年,Brunn,首次提出把蛇绿岩的研究,与大西洋中脊,进行相类比，认为是与板块扩张轴和海底环境有关联的,深海沉积物以及基性和超基性火成岩集合体,。,

11、就位成因（板块构造理论建立后）,蛇绿岩套是在陆缘板块俯冲带附近由于海洋岩,石圈的俯冲或逆冲而遗留的海洋地壳残块。,经对比，海洋岩石圈与存在于造山带中的橄榄,岩辉长岩辉绿岩枕状熔岩相似。,1.,层序上相似，各层可对比,2.,地震波速，对应层体波速可对比,3.,蛇绿岩套层,2,4Sr,87,/Sr,86,比值相当，说明同源岩浆结晶分,异而成,4.,枕状熔岩和沉积物成分表明形成于深海环境,5.,平行的岩墙群表明形成于张应力的中脊扩张轴或弧后扩张,中心,6.,沉积层往往含现代洋壳上普遍存在的多金属沉积物、硫化,物，与大洋和弧后扩展中心热液活动正在形成的多金属硫,化物相同,7.,蛇绿岩套的基性超基性侵入

12、岩与围岩接触带上无热接触变,质现象，比其侵位的褶皱带年龄更老，说明非原地,(in,situ),侵入，而是外来产物,(ex-situ),对比研究外来侵位证据：,蛇绿岩形成背景,所有这些充分证明蛇绿岩套原来是生成于,深海扩张中心的洋壳，而后随板块向两侧扩张,运移，接受了深海沉积，至俯冲带海洋岩石圈,主体重新返回地幔，其上部刮下的洋壳碎块，,在有些情况下残留于俯冲带附近，另一些逆冲,至陆缘之上。,蛇绿岩套未侵入前，可出现于大洋中脊、,弧后盆地和洋内未成熟岛弧等构造环境。通过,板块的俯冲和逆冲作用等方式被移至于大陆边,缘或陆上造山带（包括古造山带）中。,枕状玄武岩,席状岩墙,辉长岩,闪长岩,沉积物,蛇

13、绿岩套类型,1.,俯冲带蛇绿岩套：,海沟陆坡侧，一般被构造破坏，出露不完整。,如爪哇海沟内侧,2.,岛弧蛇绿岩套：,与前者伴生，如日本北海道，神居古潭为俯冲,蛇绿岩套，日高为岛弧蛇绿岩套,3.,地缝合线处蛇绿岩套：,陆陆碰撞，俯冲带,的蛇绿岩套推挤出露于地缝合线上，,喜马拉,雅山带,4.,逆冲蛇绿岩套：,大洋地壳逆掩仰冲于大路边缘或岛弧之上，层,序完整，分布广泛，如阿曼蛇绿岩带，阿巴拉,契亚古生代造山带蛇绿岩套。,变形层状辉长岩,阿拉斯加,闪长岩,阿拉斯加,镁铁质席状岩墙,Pillow lava,Alaska.,鳞茎状枕状玄武岩,Bulbous,pillow lavas.,层状沉积岩,浅海硅质

14、沉积岩,阿拉斯加,被动陆缘褶断带,陆,缘,增,生,杂,岩,带,岛弧岩浆杂岩带,蛇,绿,岩,带,现代蛇绿岩,概念,岩石组合术语，包括洋壳和上地幔的一系列岩石（如玄武岩、辉绿岩墙,群、辉长岩、斜长花岗岩、堆晶超镁铁岩及地幔橄榄岩）；代表消减增生,的大洋岩石圈碎片，但并非“正常”的大洋岩石圈，更多是形成于与现代,岛弧、弧后盆地、转换断层以及小洋盆类似的环境。,这一概念更多的强调“地幔橄榄岩”和“洋壳顶部的玄武岩和辉绿岩墙,”共存。,五,.,混杂堆积，亦称混杂岩,(m,lange,),不同于变质岩中的混合岩，也不是一个岩石地层,名称。,概念：,它是,在板块俯冲作用下，不同时代、不同,成分、不同性质、不

15、同来源的岩石或沉积物，经,过破碎作用和混杂作用所形成的无规则相互混杂,堆积的混合体。,许多学者把混杂堆积与板块构造联系起来，认为是板块,俯冲带或缝合带上强烈构造作用的产物,.,混杂堆积是鉴别,古板块消亡带的重要标志之一,.,实例：北美阿巴拉契亚,、西亚中南亚扎格罗斯（,Zagros,）、台湾海岸山脉、,雅鲁藏布江、祁连、秦岭,混杂堆积体主要特点：,1,）混杂堆积体由,外来岩块、原地岩块和基质,三部分组,成；三部分具有不同时代、不同性质、不同来源的特,点；一般混杂岩的基质年代较新，外来岩块的地质年,代较老,2,）混杂堆积中,岩块大小不等、形状各异,，混杂堆积体,宽窄不一，延伸较长，大到整个一条山

16、脉。,3,）,剪切构造,发育。岩块和基质普遍受到剪切作用，常,见石香肠、菱形石香肠和楔形构造等。岩块与岩块之,间以及整个混合体与围岩之间都呈断层接触或被剪切,面所限。,4,）,含蛇绿岩套碎块和篮片岩等高压低温变质岩,，共生,于板块俯冲带前端海沟坡折地带，形成俯冲带前端叠,瓦状楔形体构造带，是识别古俯冲带或板块缝合线的,重要标志。,六,.,增生楔状体（,accretionary prism,）,大洋板块表面覆盖的沉积物主要是深海钙质软,泥、硅质软泥和红粘土，板块移动至海沟附近,还接受浊流沉积。由于未固结程度差，板块俯,冲时很容易被刮下来，与俯冲板块基底脱离，,加积于海沟向陆的侧坡上，形成增生楔状

17、体。,组成：主要是混杂堆积岩，另外有俯冲时刮下,的洋壳残块（蛇绿岩套）等。,增生楔的形成与发展,当大洋板块沿海沟向下俯冲，在海沟陆侧坡依次,挤入一个又一个沉积层楔。在挤压作用下，新生,的推挤老的沉积楔不断抬升，形成类似,叠瓦状扇,形构造楔状体,。,增生楔体由下向上依次变老，产状依次变陡。,随俯冲作用和增生楔体不断增大，引起海沟陆坡,向大洋方向扩展。同时，海沟和俯冲带也向大洋,方向迁移。,增生楔加积至大陆边缘,大陆不断增生，弧前盆,地随之加宽，洋壳向陆壳转化，大陆边缘向外扩,展。,七,岩浆活动与火山岩分布规律,根据火山岩组合矿物含钾量、化学成分差异及其,分布规律，将火山岩分成三个共生系列：,拉斑

18、玄,武岩系列，钙碱性系列，碱性系列。,分布规律：,1,）由洋向陆火山岩系列为拉斑玄武岩系列,钙碱性系列碱性系列，分别位于临近海沟的,火山前锋地带，火山弧地带和岛弧陆侧靠近大陆,地带。,2,）由洋向陆岩浆系列中的钾含量越来越高,这些规律与俯冲深度有关：,80,100km,，含水洋壳玄武岩辉长岩组分被熔,化，形成拉斑玄武岩岩浆，在岛弧的火山前锋,喷出地表；,100,150km,，随压力温度增大，熔化分异，易熔,的安山岩质组分分异出钙碱性碱性岩浆，沿,裂隙上升喷发形成火山弧主体；难熔的榴辉岩,沿俯冲带分布于火山弧下部的地幔深处。,第六节,板块构造动力学,地幔柱理论,板块的驱动机制,地幔对流,板块构造

19、动力学涉及板块运动的,能源、动力和运动方式,等问题,一,.,地球内部热源和传热机制,1.,地球,主要热源,：,放射性元素（铀钍钾）衰变,产生的巨,大热量构成地球的主要热源。,2.,主要热源的,分布不均一性,：,在地球各层圈分布不均一，在地球演化、分异过程中,集中于,地壳及上地幔顶部,。,在酸性岩浆中最为富集，生热率最高；在超基性岩浆,中含量最低，生热率最低,四种地球内部的热源：,放射性元素衰变（最主要）、地球,转动能、化学反应热、重力分异热。,3.,地球的传热机制,1,）传导传热,岩石热导率很低,X,2,）对流传热,对地球深部热传递很重要,3,）辐射传热,实验表明，硅酸盐矿物不易发生辐射；现代

20、岩浆活动区,例外。,地球的热现象是地质上最本质的现象之一。地球内部热量,的产生与传递时造成地球上层各种构造活动和地震活动的,重要原因。地球是大的“热力机”。,二,地幔对流,板块构造理论建立后，越来越多的证据显示出地,热异常区与板块构造最活跃的区域相对应。因此,地幔对流在构造动力学中具有重要意义，多数人,认为驱动板块运动的原动力是地幔对流。,1.,地幔对流条件：,自然对流。原因是地幔内部密度差。当地幔物质,热平衡或化学平衡遭到破坏，引起地幔物质各部,分密度差，从而导致重力不稳，轻者上浮，重者,下沉，产生对流。多数人认为地幔热对流是驱动,力源。,2.,地幔对流模式,浅对流模式,上地幔,深对流模式,

21、整个地幔,双层对流模式,浅对流基础上,上下,地幔对流不同尺度，传送带,3.,地幔对流驱动板块运动的讨论,支持者：地幔对流模式与板块运动模式相对应。板块,运动速度大体代表了地幔对流的速度。,反对者：洋中脊转换断层将板块错开成许多段，流体,上升流如何在此处中脊轴裂谷处处吻合？三条中脊相,接或中脊与海沟相交，其下面会如何对抗？板块边界,随时可能迁移，其下的对流体也同步位移么？,不能轻易否定：冰块在水面上漂浮得到启示，推测板,块运动与地幔对流不一定有直接绝对联系。如同水面,上相互拥挤的冰块，不论其形态和运动如何复杂，其,下面水体流动比较规律，两者运动未必吻合，但冰块,运动是由下面水流驱动是不可否认。,

22、三,.,热点地幔柱假说,在研究板块内部火山作用时提出的，后来被当作板块,绝对运动的参照系统和驱动板块运动的原动力之一。,1.,无震海岭,aseismic ridge,洋底除洋中脊体系外，还分布一系列线状延伸的火山,性海岭。与大洋中脊性质有明显区别,:,轴部无中央裂谷；无横断海岭的转换断层；现代火山,局限于海岭的某一端点；无地震活动或仅有火山活动,引起的微弱地震。,典型实例：北太平洋天皇夏威夷海岭,天皇,夏威夷海岭火山年龄的递变规律（据小林和男,1977,）,天皇海岭几乎全在水,下，整体呈,NNW,向，,向,SSE,向延伸约,2000,km,后发生转折；,转折后的这段称为夏,威夷海岭，整体呈,N

23、WW,向延伸约,2600 km,，,海岭上出露的岛屿即,为夏威夷群岛。海岭,上火山的年龄由西北,向东南具有依次变新,的规律性。,热点火山作用形成火山链（无震海岭）示意图,（据,Allegre 1983,）,2.,热点假说,hot spot,Wilson,热点说解释无震海岭,成因,?,热点处火山作用的岩,浆源于现代火山活动,中心的地幔之下，位,置相对地球自传轴固,定。,?,热点处岩浆烧穿岩石,圈板块，在表面形成,火山。,?,板块运动是持续的。,纸带穿孔机效应,证据：,古地磁和,K-Ar,测年,热地幔柱的涌升不断向上地,幔乃至岩石圈之下输送热量,、质量和动量，在烧破岩石,圈的地方便成为热点。,因此

24、，热点的岩浆直接源于,地幔柱，或者说热点处的火,山活动就是地幔柱热物质喷,出地表的反映。从这个意义,上说，可以把地幔柱当作热,点假说的引申。,3.,地幔柱假说,Mantle Plume,Morgen,1972,“,地幔柱”概念,:,指源于地幔,深处（核幔边界）、呈圆柱,状涌升的热地幔物质流。,地幔物质上移，造成岩石圈,下物质盈余，把上覆岩石圈,向上拱起，正重力异常，高,热流值。,冰岛，无震海岭都是热点火山作用形成的,热点火山作用与海底扩展速率关系,扩展速率慢，熔岩容易堆积形成诸如冰岛那样的,大型岛屿,海底扩展速率较快，等量的熔岩扩展开，形成无,震海岭。,热点火山岛大洋中脊的成分差别,前者含碱质

25、玄武岩，大洋中脊为拉斑玄武岩，微,量元素也不同。说明其岩浆源于地幔的不同部,位，一深一浅。,地球表面上的热点（据,Morgan 1972,）,据此可在洋中脊上识别出一些地幔柱,热点。全球识别出并,经过严格检验确认的地幔柱,热点总共,20,多个，大部分位于,板块内部。,1994,年，以,Maruyama,教授为代表的研究群体,，发表了一系列跨学科综合性的文章，提出了,一种全新的全球构造观，或简称为地幔柱构造,（,Plume Tectonics,），并指出地幔柱构造是,继魏格纳提出大陆漂移学说和板块构造理论之,后人类认识地球的第三次浪潮,。,Condie(2001),Mantle Plumes a

26、nd Their,Record in Earth History,4.,热幔柱,以丸山茂德为代表的一些日本学者根据,P,波,层析成像技术得到的全地幔内部结构和对板块下,潜历史的追踪研究结果，认为,地幔柱与板块构造,并非相互独立，两者构成一个统一的全球构造体,系,。在该体系中，地幔柱上升、板块水平运动和,板块俯冲运动并不是各自独立的，而是在一个构,造体系中做相互约束的运动。,1,）热幔柱形态特征：,地表表现为高地形隆起，当其从地幔中上升至近,岩石圈底部时，变成“蘑菇”状，头部粗大而颈,干细小。,直径大小的目前观点不一，估计量从十几千米至,几千千米都有。一般地，地幔柱头直径可达,500,到,300

27、0 Km(Hill et al.1992),，而地幔柱尾典型的为,100,到,200 Km(Condie 2001),。,地幔柱具有高热流、低速带的特征（赵国春等,1994,），一般称为热幔柱。,实验中所产生的热幔柱在上升过程,中的形态变化,(,据,Richards 1991),岩石圈,根据全球地幔地震层析图（,Fukao,1993,）总结的热幔柱发育模式,a,）,萌芽期热幔柱，,外核微微上隆，热,流及岩浆上涌；,b),发展期热幔柱，,地幔中下部为热幔,柱密集区；,c),全盛期热幔柱，,热幔柱密集区连通,外核与软流圈；,d),衰亡期热幔柱,，,由于上下堵塞残留,的热幔柱,2,）热幔柱起源,：,

28、20,世纪,90,年代以来，关于地幔柱的研究有了,新的进展。,许多证据显示，,地幔柱源于核,幔边界附近,（,Davies 1992,，,Richad 1991,，,Loper 1991,，,Hill 1991,），,导致核,幔边界附近物质层发,生热扰动并生成地幔柱的热动力源于外地核,的不均匀加热作用,（,Loper 1991,）。,3,）热幔柱的规模与级别划分,:,Maruyama,和,Fukao,等以地幔底界,(2900 km),、,上地幔底界,(670 km),和地壳底界,(100 km),为限划，,将热幔柱分为一、二、三级热柱，也有人称为下,地幔柱（或超级热幔柱）、上地幔柱、板内柱,（或

29、幔枝）。,规模与个数（地表热点,50,多个、,100 km,以下约,20,个、直径上千公里的少）。,2900 km,670 km,100 km,下地幔柱,上地幔柱,板内柱,4,）热幔柱化学成分特征,:,构成热点的,大洋岛玄武岩（,OIB,）,的化学成分能够更好地反,映热幔柱的化学成分特征，富含大离大不相容元素，并有较,高的,87,Sr/,86,Sr,和较高的,143,Nd/,144,Nd,比值。,头部在上升过程中会不断地加热周围地幔物质，使其粘度降,低浮力加大，并与热幔柱头部融合一起上升。因而，,热幔柱,头部化学成分是不断变化的,，具有源区化学成分和捕获的地,幔成分的,混合特征,。,热幔柱狭窄

30、的,尾柱,在上升过程中保持近于直立，基本不捕获,周围地幔物质，因而其化学成分变化较小，主要,反映源区化,学成分,。,5,）热幔柱的运动学特征,:,热幔柱的启动和上升速度,当岩石圈板块在“热点”之上漂移时，从深部,地幔上升的热岩石,-,流体柱体形成地幔柱，在,夏威夷和社会群岛产出的线性大洋火山链正是,这些地幔柱出露地表的证据。这种,火山作用是,当地幔柱到达近地表时由于减压融熔而引发的，,然而这些地幔柱到底起源有多深的问题尚未解,决。,浅对流和深对流,热幔柱的启动需要一个热边界层。,这个热边界层在地幔中，或是,上,/,下地幔之间,的密度界面，或是,核幔边界（,CMB,）的,D,”,层。热幔,柱的启

31、动条件是地核能够提供足,够的热，以至使热幔柱能够穿过,整个地幔上升至地表。,愈来愈多的证据表明整个地幔在,对流，而并非是分层对流，因此，,上,/,下地幔之间的热边界层产生,热幔柱的可能性很小（但不排除,产生小规模的热幔柱的可能性）。,下面几点也支持了热幔柱启动于核幔边界的,D,”,层。,理论分析表明，要产生直径为,1000 Km,的热幔柱扁球状头部，,形成大规模的大陆溢流玄武岩和大洋高原玄武岩，热幔柱只能,启动于下地幔底部才能完成。,如果热地幔柱起源于上地幔底部，这很难解释热点之间相互,位置固定这一特征，至少在最近,50 myr,内或更长时间内是彼,此位置固定的（,Steinberger an

32、d O,Connell 1998,）。,热幔柱的化学成分特征表明它主要来源于富集型地幔。一般,认为下地幔底部具有原始富集型地幔特征，而上地幔常呈亏损,特征。,总之，热幔柱起源于核幔边界（,C,B,）附近的,D”,层,的观点得到多数学者的承认。,热幔柱的脉冲运动特征,热幔柱以单一波形式向上脉冲式运动特征的发现，,是近年来有关热幔柱研究所取得的重要进展之一。,Scott,等（,1986,）,实验研究表明，热幔柱的单波具,有流线特征并以波速向上运移物质。,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,化一个重要原因。,地幔对流对热幔柱运动的影

33、响,一些学者认为地幔水平对流会改变热幔柱的,直立形态，使其尾部发生弯曲倾斜，但近年来许,多研究证据表明，地幔并非是分层对流，而是整,体对流，对流速度很慢，尤其下地幔基本上是无,应力条件下对流。,因此，多数学者认为地幔对流对热幔柱不会,有明显的影响。,不论地幔柱一热点假说的有效性如何，它至少明确,了这样一些事实：,板块内部发生着重要的地质现象,热点火山作用,和构造活动，地幔深层同样也是活动的，深地幔,（乃至地核）对地表板块构造的发展过程有重要影,响；,地球本身是一个物质实体，该体系的各组成部分,是密切相关的，将其中任何一部分孤立出来研究都,是片面的。,因此，地幔柱一热点假说对于板块构造学说应该,

34、是重要的补充和发展。,5,冷幔柱,20,世纪,80,年代，人们开始关注大量的,洋壳板,块俯冲之后的去向,、归宿和状态，对板片行踪的,讨论兴盛起来，也存在三种不同意见：,一种认为板片不能潜入到下地幔，第二种认为可,以俯冲到下地幔，另一种观点介于其间，认为不,同的岛弧同时潜入和未潜入下地幔的情况都有。,洋壳板块俯冲后的,滞留板片一般具有,P,波高速异,常特征，表现为冷的块体因而称为,冷幔柱,。,1),形态特征,:,P,波层析成像表明，俯冲滞留的,板片在地幔中有四种类型。,A,）东北日本型,：,板片从地表连续,并以板状形态滞留在,670 Km,深度面上，,部分地由于厚度增加而穿入到,670 Km,层

35、的下面。,B,）巽他型,：,板片从地表连续，而且,穿过,670 Km,深度达到,1200 Km,深度。,C,）特提斯型：,板片与上面不连续，,与消失了的古海沟大致平行，且正在,潜入,10001200 Km,深处。,D,）南极型：,现在南极周边为被动陆,缘，没有板片下沉，因此，滞留在,670,Km,以下深处的板片为古老的。,A,）、,B,）是滞留的板片与板块相,连着，而,C,）、,D,）则不相连。,四种俯冲滞留的板片类型,2)670 Km,为冷幔柱的板块墓地,:,a,）,相变，,P,波层析成像技术显示，下潜板块可俯,冲至,670 km,深处，并在那里发生相变。由于,670,km,处的相转变反应具

36、有负的梯度，下潜板块将滞,留在这个界面上。,b,）,塑性变形，,但由于相变生成物的粘性显著变,小，滞留板块被软化以至不能再保持刚性状态。,c,）,板片滞留因素,，,取决于板片俯冲速度及滞留量。,于是，当板块的滞留量超过某一限度时就会发生,塌落。,3)700,1700 Km,深度：,P,波高速异常带分布与,180 Ma,间沉没的板块,位置一致。地幔中有的高波速异常体是古板块,沉潜的反映。,如西南极洲,670km,深度以下的高波速异常体，应,是与年龄为,450,100 Ma,的西南极洲造山带有关,的古俯冲板片沉潜的产物。,6,地球全局性物质对流,1),冷幔柱与热幔柱成对出现：,滞留板块塌落到下地幔

37、会造成上地幔物质亏损，必,然会从下地幔产生向上运动的热地幔柱。所以，从全,局上看，滞留板块的下落和地幔柱的上升必然是相互,约束的运动。,如果把下落的滞留板块称为“冷幔柱”，上升的地,幔物质称为“热幔柱”，,冷幔柱为窗帘状的下降流，,热幔柱为圆筒状的上升流，那么，地幔全局性物质对,流主要是由这种向下运动的冷幔柱和向上运动的热幔,柱所支配,(,下图,),。,地幔柱与板块运动,2),地幔柱是决定全球构造的根本原因：,板块构造中的,Wilson,旋回：地球浅表板块的形成到,消亡过程。,20,世纪,90,年代以来，地震层析成像技术进步，与,Wilson,旋回可比的地球深部物质旋回，即冷板块与,热幔柱之间

38、的转换过程。,Wilson,旋回与地球深部物质旋回构成了地球全局性,的物质循环过程。,在板块内部，其下的地幔柱也是一种有利于板,块运动的因素。,地幔柱不断地把热地幔物质输送到岩石圈之下,的软流圈，使失去活动性或活动性变弱的古老,岩石圈的底部（至少是局部的）得到重新加热，,获得动量，比重减轻，粘滞力减小，使板块变,得易于运动。,从此意义上讲，地幔柱应是构成板块构造的原,动力之,。,现今冷、热地幔柱及其与板块间的关系,3,）地幔柱与板块的运动和解体：,地幔柱的密度因热膨胀比周,围地幔小而具有较强的上浮力，,使上部物质发生变形，当其上侵,到岩石圈底部或上地幔顶部时，,地幔柱温度比周围的物质高得多。,

39、因此，它不仅能衍生出玄武岩浆，,而且还会造成地壳上隆甚至裂开，,但产生上述地幔柱构造现象要取,决于地幔柱本身头部的大小和上,覆岩石圈的厚薄。,但是，地幔柱本身不是板块运动的动力，而是,通过影响对流循环间接作用于运动的板块，但,极少数情况下，地幔柱的上侵力可作为缺乏软,流圈地区的大陆板块漂移的动力,(,图,3.87),。,例如，,1992,年巴西利用远震波研究巴西地盾时,发现其下没有软流圈，因而岩石圈运动不可能,受软流圈驱动和控制，但在该地盾之下却存在,一个至少向下延伸,500,600 Km,的已“石化”,的地幔柱，其年龄为,130 Ma,。正是这个古地幔,柱的上侵力导致了巴西大陆的裂解、漂移和

40、变,形。,4,）超级地幔柱与行星体演化的整个历史：,目前盛行的,板块构造,理论，只能说明地球表层,200,Km,内的现,象；而只有,地幔柱构造,，以及与其他构造发展阶段一起，才,有可能说明行星体演化的整个历史。,A.,地幔柱在地壳早期形成过程中以及形成之后都起着重要的,作用；而板块构造主要是在通过地幔柱作用形成的地球岩石,圈固结成刚性层之后才发生作用。,B.,地幔柱构造和板块构造是地幔内部两种,不同形式物质流,的,反映，板块构造受地幔内部物质对流的支配，而地幔柱构造,是受穿过整个地幔的柱状物质流的支配，两者在很大程度上,独立运动。,C.,作用范围,，地幔柱构造支配着整个地幔的,3/4,以上，因

41、此，,与板块构造相比，地幔柱在地球形成和演化过程中具有更广,泛的支配领域和更重要的地质意义。,生长构造,幔柱构造,板块构造,收缩构造,终极构造,行星体的形成,具分层构造,在边界层呈团,状和圆柱状的,对流,靠近转换断层,线状下沉和线,状增补的对流,具沉降的水平,挤压，少量岩,浆活动通道,脆性断裂作用，,排气作用、外,生活动为主,大量的熔融作,用和重力分离,作用,在表部边界层,和壳幔边界层,局部熔融的分,离作用和混合,作用,表部边界层的,分离作用，壳,幔边界层间断,的混合作用,分离熔融作用,并产生巨大的,火山盾,冷凝作用导致,挥发组分释放，,潮汐热作用,形成岩浆海,未出现板块,形成众多板块,形成一个大厚,壳,形成脆性圈,所有天体、行,星于,4.6Ga,金星、冥古期,地球,地球,火星、水星,月球、小行星,表,3.6,星系、行星演化序列,