張俊峰 李葆華

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院)

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超級地幔柱研究進(jìn)展

張俊峰 李葆華

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院)

超級地幔柱的形成及動力學(xué)機(jī)制是地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，在詳細(xì)分析與地幔柱相關(guān)的巖石學(xué)、地球化學(xué)以及地球物理學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，通過橫向?qū)Ρ确椒ㄓ懻摿顺壍蒯Ｖ牡厍騽恿W(xué)研究進(jìn)展，超級大陸的合并與裂解形式。研究表明：超級地幔柱物質(zhì)主要來源于地幔及軟流圈巖漿、板塊俯沖作用形成的俯沖板片垃圾堆積體，能量主要來源于D層中核裂變熱、后-鈣鈦礦→鈣鈦礦相變所釋放的熱以及地核熱，最終因熔融程度不同以及地殼差異性而形成了不同的與地幔柱有關(guān)的巖漿巖和地表差異性的地質(zhì)響應(yīng)。

超級地幔柱 動力學(xué)機(jī)制 超級大陸 地質(zhì)響應(yīng)

當(dāng)板塊學(xué)說步入瓶頸期(如板塊內(nèi)部火山成因，綠巖帶中長英質(zhì)、鎂鐵質(zhì)和超鎂鐵質(zhì)的交替重復(fù)出現(xiàn)等)，地幔柱學(xué)說便應(yīng)運(yùn)而生，Wilson等[1]最早提出地幔柱概念，認(rèn)為其起源于上下地幔邊界或核-幔邊界，溫度高、黏性低，浮力迫使其上升。近年來Wolfe等[2]通過地震層析模型驗(yàn)證了上述界面存在上涌的地幔柱。趙子福等[3]認(rèn)為由于地殼差異性的存在，即便在同一超級地幔柱的作用下也會有不同的地質(zhì)響應(yīng)，如超級火山噴發(fā)、大火成巖省、大規(guī)?；詭r墻群等。超級地幔柱的研究成為突破地球科學(xué)瓶頸期的重要手段，可為研究地球動力學(xué)機(jī)制、超大陸的合并與裂解、全球性生物滅絕事件以及超大型礦床的形成機(jī)制等提供重要的理論支撐。

1 巖石學(xué)與地球化學(xué)響應(yīng)

洋島玄武巖(0IB)通常被認(rèn)為源于地幔柱，是識別地幔柱活動的主要標(biāo)志，具有富集TiO2、P2O5、K2O、FeO、Na2O和低w(CaO)/w(TiO2)、w(Al2O3)/w(TiO2)值的特征[4]。典型洋島玄武巖(OIB)屬高鈦玄武巖，熔融程度較低，產(chǎn)于遠(yuǎn)離地幔柱的大火成巖省外帶，因其(Th/Ta)pm和(La/Nb)pm值均小于1 ，可據(jù)此驗(yàn)證玄武巖地殼物質(zhì)的混染程度[5]，典型的洋島玄武巖(OIB)與地幔柱關(guān)系密切，稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解表現(xiàn)為右傾曲線[6]。而低鈦大陸溢流玄武巖形成于地幔柱軸部持續(xù)減壓熔融，且熔融程度較高，分布于地幔柱核部、大火成巖省內(nèi)帶(表1)[7]。

表1 與地幔柱相關(guān)的巖石基本特征

碳酸巖屬碳酸鹽礦物體積含量約占1/2以上的超基性巖，富含堿質(zhì)，常見鈉質(zhì)、鉀質(zhì)霓長巖化作用，具有高Sr、Ba、Th、U、Nb、Ta、LREE、w(LREE)/w(HREE)，低Zr、Hf、Ti、HREE的特征[8]。碳酸巖同位素組成可反映源區(qū)特征，總體具有較地殼高的Sr、Nd含量，較地殼低的Pb含量，Sr-Nd-Pb同位素組成的截然不同以及富SiO2、Fe、Mg、Al、Ti、P等氧化物，貧CaO、CO2等為與碳酸鹽巖的主要區(qū)別[9]。前人據(jù)Sr-Nd-Pb同位素研究成果，認(rèn)為碳酸巖與地幔柱關(guān)系密切。近年來，有關(guān)碳酸巖來源的爭議主要有碳酸鹽巖漿直接結(jié)晶、CO2熱液交代堿性巖或超基性巖以及富CO2熱液充填圍巖裂隙，但因巖石圈同位素的不均一性，其交代作用必定發(fā)生于巖石圈[10]。碳酸巖作為巖石圈薄弱帶的標(biāo)志，先于大陸溢流玄武巖噴發(fā)，熔融程度低，產(chǎn)于地幔柱邊緣處[11]。

2 地球物理學(xué)響應(yīng)

隨著地球物理學(xué)的快速發(fā)展，地震層析成像方法成為研究地幔動力學(xué)的重要方法。地幔柱在地震剖面上表現(xiàn)為反射凌亂、能量弱的白軸、相對均勻的弱反射、呈團(tuán)塊狀和柱狀等，邊界呈不規(guī)則火焰狀且常發(fā)育上凸的弧形反射，與周圍地質(zhì)體呈侵入接觸關(guān)系[12]。Maruyama等[13]利用層析成像方法揭示了當(dāng)今地球存在2個巨型柱狀低波速異常體和一個寬闊的高波速異常體，即2個巨型柱狀地幔上涌流(太平洋超級地幔柱和非洲超級地幔柱)和一個西太平洋—東亞超級地幔沉降流，因俯沖帶為物質(zhì)循環(huán)回地球內(nèi)部的唯一路徑，兩者構(gòu)成目前全球地幔對流的主要樣式[13]。Zhao等[14]據(jù)地震P波層析圖像，發(fā)現(xiàn)地幔轉(zhuǎn)換帶與核-幔邊界之上均存在高波速異常體，前者為停滯于地幔轉(zhuǎn)換帶中的俯沖板片，后者為俯沖板片的垃圾堆積體，在全球核-幔邊界上堆積的俯沖板片垃圾堆積體分布圖上發(fā)現(xiàn)俯沖板片堆積體環(huán)形分布于現(xiàn)今兩大超級地幔柱四周，即2個超級地幔柱分別位于高波速異常區(qū)中心。

3 超級地幔柱動力學(xué)機(jī)制

有關(guān)超級地幔柱起源，部分學(xué)者認(rèn)為其起源于上下地幔邊界，部分學(xué)者認(rèn)為巖石圈破裂時軟流圈物質(zhì)被動就位。目前，廣為接受的是超級地幔柱起源于核-幔邊界的觀點(diǎn)[15]。超級地幔柱的能量主要來源于具移動特性且厚達(dá)200～300 km的核-幔邊界D層，隨俯沖板片帶入的放射性元素裂變產(chǎn)生的熱、后-鈣鈦礦→鈣鈦礦相變釋放熱以及地核熱共同為超級地幔柱的形成提供了能量。部分學(xué)者因俯沖板片與地幔存在密度差異，認(rèn)為超級地幔柱的能量來源于核裂變，否認(rèn)了放射性物質(zhì)裂變熱及相變熱[16]。上述熱量熔融巨量的俯沖板片堆積體從而形成熔體及小地幔柱。該類高密度、超低波速熔體作為上層與地(外)核的金屬層發(fā)育成為“反-地殼”構(gòu)造，在地表由上至下依次為板塊水平運(yùn)動→地幔柱垂向貫通→“反-地殼”水平運(yùn)動[17]。

在超級地幔柱形成過程中，水發(fā)揮了舉足輕重的作用。部分學(xué)者驗(yàn)證了地幔中含水礦物、硅酸鹽及其他地幔礦物中均廣泛賦存大量水[18]。雖然近乎新元古代之后地表水開始被俯沖板片帶入地幔轉(zhuǎn)換帶，但若通過板塊高角度俯沖作用，可使下地幔賦水量為地表水量的5倍 ，經(jīng)相關(guān)計算，每年約11.2×108t海水被帶入地幔。因受板塊俯沖速率的制約，巨量水并未能在淺部完全脫去，繼而在地幔轉(zhuǎn)換帶繼續(xù)脫水[19]，其釋放的流體導(dǎo)致地幔黏度降低，最終促進(jìn)了小地幔柱聯(lián)合形成低黏度超級地幔柱[20]。隨后超級地幔柱上升對巖石圈進(jìn)行底劈作用，下地殼某些地塊或碎塊會發(fā)生拆沉作用[21]。地幔柱和巖石圈的性質(zhì)造成不同程度的巖石圈減薄，相關(guān)學(xué)者驗(yàn)證了弧后巖石圈在超級地幔柱的作用下在5～10 Ma內(nèi)迅速減薄[22]。另外，隨著底劈作用或底侵作用的進(jìn)行，上地殼也會產(chǎn)生拆離構(gòu)造和滑脫構(gòu)造，導(dǎo)致上地殼大規(guī)模的物質(zhì)滑移，致使地殼減薄。Bedard 等[23]認(rèn)為底劈作用或底侵作用時鐵鎂質(zhì)地殼中的高密度殘留體在超級地幔柱減弱時會沉入核幔邊界，從而誘發(fā)二次地幔柱作用。而Wyman等[24]、Boschi等[25]據(jù)地幔柱源頭會隨D層移動對此提出了質(zhì)疑。同時巖石圈的熱量自下而上傳遞較慢以及地幔柱源頭不停地隨D層移動而不固定，則解釋了部分學(xué)者所質(zhì)疑的地幔柱作用的地幔區(qū)和高熱層并不對應(yīng)的問題。最終超級地幔柱導(dǎo)致了巖石圈減薄甚至地殼減薄，并在構(gòu)造薄弱位置形成了超級火山噴發(fā)、大陸溢流玄武巖、大規(guī)?；詭r墻群[3,26]以及地幔熱柱的第三級或更多級構(gòu)造單元(如幔枝構(gòu)造等)[27]。

4 超級大陸的合并與裂解

始于太古代的大陸碰撞和裂谷作用重復(fù)上演，導(dǎo)致大陸周期性拼合成的大型陸塊，被稱為超大陸。超大陸合并→裂解→合并→裂解周期約200～500 Ma。超大陸的合并及裂解與大規(guī)模地幔對流重組密切相關(guān)，超大陸匯聚之后的地幔重組在較短的時間內(nèi)即可完成。超大陸旋回并不具有周期性，且旋回的時間間隔將會越來越久[28]。

4.1 超級大陸的合并與裂解模型檢驗(yàn)

就超大陸與地幔對流的關(guān)系，Zhong等[29]曾提出2種模型，一種模型是在一個半球存在超級地幔柱，大陸消失時在另一半球出現(xiàn)超級沉降流，屬與大陸匯聚有關(guān)的一維平面圖；另一種是當(dāng)超大陸出現(xiàn)時，有2個對極超級地幔柱出現(xiàn)，屬與大陸裂解有關(guān)的二維平面圖。二維數(shù)字模型揭示了超大陸之下的地幔對流重組現(xiàn)象[30]，認(rèn)為超大陸由其下方的超級地幔柱支配，在相對極為超級沉降流。超大陸裂解后裂離的陸塊在相對極的超級沉降流之上匯聚成新的超大陸，由于“熱毯效應(yīng)”[31]，新的超大陸會再次趨于受上涌柱所控制。在200 Ma內(nèi)，超大陸之下發(fā)生大規(guī)模地幔流動誘使整個地幔流動，再次在相對極出現(xiàn)超級沉降流，周而復(fù)始，即超大陸被超級地幔柱裂解、裂離的大陸塊匯聚于超級沉降流→新超大陸下的超級沉降流轉(zhuǎn)化為超級地幔柱→新超大陸被超級地幔柱裂解。因大洋地?zé)岬葴鼐€高于大陸地?zé)岬葴鼐€，Santosh等[32]對“熱毯效應(yīng)”觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。但由于巖石圈熱量傳遞較慢[22]，裂谷與大洋張開更多的是地幔柱作用的結(jié)果，以及地幔柱源頭隨D層不停移動，或許可解釋洋殼為何具有較陸殼高的等溫線。部分學(xué)者采用三維數(shù)字模型對超大陸的合并與裂解進(jìn)行了探討[33]，重現(xiàn)出了整個Wilson旋回，且該旋回的時間尺度與地質(zhì)標(biāo)志推斷結(jié)果相符合，然而因該模型中陸塊邊緣弱帶是被事先強(qiáng)加于超大陸模型中，因而無法解釋超大陸的裂解機(jī)制。

4.2 超級大陸合并與裂解成因

超大陸旋回與超級地幔柱引發(fā)的地幔對流密切相關(guān)，每隔200～500 Ma，大陸趨向于向超級沉降流聚集并形成超大陸，超大陸形成后地幔對流開始重組，在超大陸下部形成超級地幔柱，進(jìn)而最終破壞超大陸，超大陸裂解成陸塊漂移開來，稍大的陸塊易抵制底部侵蝕作用，稍小陸塊易遭受破壞，厚度直至減至約220 km[34]。

超級地幔柱與超級沉降流的共同作用促使超大陸發(fā)生合并與裂解。超級地幔柱裂解了超大陸，在特定區(qū)域形成大量俯沖板片垃圾堆積體[35]，進(jìn)而在該區(qū)域形成超級沉降流，裂開的陸塊受超級沉降流的拖拽作用分散開來。之后超級沉降流受D層放射性元素核裂變熱、相變熱以及地核熱對區(qū)域的俯沖板片垃圾堆積體產(chǎn)生的熔融作用，從而形成熔體和小地幔柱，小地幔柱在水的參與下聯(lián)合成超級地幔柱(現(xiàn)今的南太平洋超級地幔柱和非洲超級地幔柱)，超級地幔柱再次通過俯沖作用形成大量垃圾堆積體，最終在堆積體集中部位(現(xiàn)今的西太平洋-東亞超級沉降流)形成超級沉降流，實(shí)現(xiàn)超大陸的合并。

超大陸實(shí)現(xiàn)過程包括3種構(gòu)造運(yùn)動，即外部向內(nèi)、內(nèi)部向外以及兩者結(jié)合。岡瓦納古陸的形成機(jī)制被認(rèn)為屬于“內(nèi)部向外”，而部分學(xué)者認(rèn)為超大陸的實(shí)現(xiàn)過程屬于兩者結(jié)合的構(gòu)造運(yùn)動，在超大陸旋回中，小型非均質(zhì)熱源導(dǎo)致深部地幔對流，而大型上涌地幔柱間歇地產(chǎn)生于漂浮的大陸或超大陸之下[36]。另有最新研究表明，雙向或多向俯沖帶(現(xiàn)今西太平洋—東亞地區(qū))的形成增加了下降流產(chǎn)生的可能性，所圍限區(qū)域內(nèi)的地幔較周圍區(qū)域有更強(qiáng)烈的下沉現(xiàn)象，形成更大的超級沉降流帶，最終加快了緊密超大陸的形成[37]。馬學(xué)昌[16]曾推測西太平洋地區(qū)為下一個超大陸——阿美西亞大陸(Amasia)聚合的前緣地區(qū)。

5 結(jié) 論

(1)超級地幔柱的物質(zhì)來源主要為地幔及軟流圈巖漿、板塊俯沖作用形成的俯沖板片垃圾堆積體等。能量來源主要為俯核-幔邊界處D層中俯沖帶帶入的放射性元素核裂變熱、后-鈣鈦礦→鈣鈦礦相變所釋放的熱以及地核熱。

(2)核-幔邊界小地幔柱因巨量水的加入導(dǎo)致黏性降低，易于聯(lián)合形成超級地幔柱，并在構(gòu)造薄弱位置通過底劈或底侵作用促使巖石圈減薄，并因熔融程度的不同而形成了不同的與地幔柱有關(guān)的巖漿巖(如低/高Ti玄武巖、碳酸巖、金伯利巖、苦橄巖等)，因地殼的差異性而出現(xiàn)了不同的地質(zhì)響應(yīng)(如裂谷、超級火山噴發(fā)、大陸溢流玄武巖、大規(guī)?；詭r墻群以及地幔熱柱的第三級或更多級構(gòu)造單元等)。

(3)D層具移動特征，巖石圈受拆沉作用而產(chǎn)生的殘留體不可能沉入地幔中再一次引發(fā)地幔柱作用。地表熱響應(yīng)速率受地幔柱屬性、巖石圈性質(zhì)以及D層移動速率的影響。

(4)超大陸旋回不具周期性。超級地幔柱促使超大陸裂解，超級沉降流促使超大陸形成，超級沉降流可轉(zhuǎn)變?yōu)槌壍蒯Ｖ?。超大陸的裂解并非由“熱毯效?yīng)”造成，而是被原本拖拽超大陸合并的超級沉降流中的巨量俯沖板片垃圾堆積體所觸發(fā)。

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2016-06-01)

張俊峰(1991—)，男，碩士研究生，610059 四川省成都市成華區(qū)二仙橋街道。