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1、地质类专业选修课程,大地构造学概论与中国大地构造学概要 大地构造基础知识,第四章、主要的大地构造学说,1、地槽、地台学说,2、板块构造学说,3、地幔柱构造说,4、中国主要大地构造学派简介,3、地幔柱构造说,地幔柱构造说，是一种地球内部物质运动方式和全球动力学假说，是以支配地幔大部分领域的地幔柱垂直流作为物质主要流动形式的大地构造学(Maruyama，1994)。地幔柱构造说的研究者称，地幔柱构造说是继大陆漂移和板块构造说之后人类认识地球的第三次浪潮。,1、地幔柱构造,地幔柱构造，是地幔中受几个大的、垂直的地幔柱流控制的动力学区域( Maruy-ama，1994)。这几个大的、垂直的地幔柱流就是
2、目前南太平洋、非洲两个上涌的热地幔柱和中亚一个下降的冷地幔柱，它们占地幔体积的3/4，在地幔主要部分起支配作用，控制着地幔之上的热作用和构造再造等动力学过程。,地幔柱构造中并存的热地幔柱和冷地幔柱的运动，是地球演化各阶段地幔物质的主要运动形式，导致前寒武纪超大陆解体-聚合旋回，驱动显生宙板块运动，引起地球各圈层相互作用，特别是壳一幔相互作用。热地幔柱、冷地幔柱的对流，是地球内部热传导的主要形式，并且可能贯穿于地球的整个演化过程。 热地幔柱的上升，导致岩石圈减薄和超级大陆解体，以及大陆岩石圈构造体制向大洋岩石圈构造体制转化，对应着热点、裂解的超级大陆、大陆裂谷、大洋扩张、伸展盆地、变质核杂岩、剥
3、离断层等各种张性-引张-伸展-离散环境； 冷地幔柱的下降，引起超级大陆聚合、大陆裂谷夭折造山和洋壳俯冲消减碰撞造山，以及大洋岩石圈向大陆岩石圈构造体制转变，对应着大陆聚合、俯冲、逆冲推覆、碰撞造山等各种汇聚-碰撞-挤压环境。,地幔柱构造,一、热地幔柱和冷地幔柱的概念,1热地幔柱 热地幔柱是由地幔热物质构成的上升地幔柱。P波层析成像（Fukao等，1994）显示，热地幔柱有D”层和400 km深度的上地幔两个来源。来源D”层的热地幔柱又有两种类型，一种是底面直径约为5000 km超级热地幔柱，一种是底面直径小于500 km的小热地幔柱,起源于D”层、直径达5000 km的热地幔柱，目前全球共有两
4、个，分别位于南太平洋和非洲下面。一般认为，太平洋的形成与南太平洋热地幔柱的活动有直接有关，是罗迪尼亚超级大陆在600 700 Ma前由北美、西伯利亚和澳大利亚之间通过的RRR型板块三联点（图6 -2）扩张形成的。,一、热地幔柱和冷地幔柱的概念,非洲热地幔柱是导致200 Ma前非洲大陆从冈瓦纳大陆裂解出来的热地幔柱，它与其他几个也源于核一幔边界的热地幔柱共同组成中央泛大陆热地幔柱链（图6-3）。大西洋的形成和这个热地幔柱链有关，大西洋中脊可能由其中的某个热地幔柱产生。,冈瓦纳大陆,一、热地幔柱和冷地幔柱的概念,2冷地幔柱 冷地幔柱是由滞留在上、下地幔界面附近的板片构成的下降地幔柱，是不保持刚性板
5、块形状而以巨石状下落的物质移动。 研究表明：在670 km深度，俯冲板块受到下地幔黏度增加和相变吸热等因素的影响会产生强大的阻力，使板块近似水平地暂时滞留在670 km深的不连续面上。滞留的板块随时间生长，并在其超过临界体积时开始塌陷。滞留的板块形态有东北日本型、巽他型、特提斯型和南极型四种类型（图6 -4）。,东北日本型，俯冲板块从地表连续至670 km间断面，并且由于厚度增加，部分板块已插入到670 km间断面的下面；巽他型，板块从地表连续插入下地幔，达到1200 km深度；特提斯型，板块与上面不连续，一个大的块体正在下沉至1000-1500 km深度，它大致与从阿尔卑斯经中东至喜马拉雅地
6、区的板块边界平行；南极型，现代无活动的俯冲板块，在670 km处滞留的板块是100 Ma前板块俯冲造成的。这四种板片形态类型揭示了板块俯冲、滞留聚集和最终塌陷沉没的命运。俯冲板块最终塌落在地核表面上，形成冷地幔柱。,一、热地幔柱和冷地幔柱的概念,一、热地幔柱和冷地幔柱的概念,当大陆从周围聚集形成超级大陆时，在超级大陆下面必然蓄积有大量沉没的板片。亚洲下面的冷地幔柱，就是那时聚集在670 km深度附近的大量滞留板片塌陷到下地幔中形成的。冷地幔柱一旦形成，上地幔内的大规模地幔对流将受其强烈控制。漂浮在上地幔上的所有大陆都将朝向冷地幔柱移动，最终所有的大陆会集结在一起，在地表形成一个超级大陆。冷地幔
7、柱的寿命估计为400500 Ma，如果目前的板块移动再继续250 Ma，围绕亚洲大陆会形成一个新的超大陆。,【根据晚古生代期间亚洲大陆的古地理重建图推测，早一中二叠世，亚洲大陆还未形成，俄罗斯、西伯利亚、哈萨克斯坦、华北、华南、塔里木、印支等古板块和一些更小的微古板块分散在目前亚洲的位置上 】,板块进入地幔转换带有面状和线状两种方式。面状方式是一种大面积或大区域范围内供给大量板块的方式，地幔中的冷板块是通过地表俯冲板块提供的。根据中亚是由9个以上大陆碰撞、拼合形成的，可以推断，在此时期会有大量板片滞留在亚洲大陆下，正是这些大面积的大量板片形成了一个冷地幔柱进入下地幔。线状方式是一种沿条带供给板
8、块的方式，主要指冷板块沿俯冲板块边界连续不断地供给。线状供给可诱发一条带状排列的冷地幔柱链，特提斯和环太平洋地区的板块消亡地就是实例。 当一冷地幔柱接近核一幔边界层时，边界层上的低密度物质被挤出其位置，在此位置附近，热地幔柱被诱发生长并持续。冷地幔柱挤压核一幔边界层的方式有围绕式挤压和带状挤压两种。地核中的动力作用是由下落的巨石，即冷地幔柱引起的，冷地幔柱也引起D”层的超上涌流。所以，地球动力学运动最基本、最重要和最本质的原因是冷地幔柱。,一、热地幔柱和冷地幔柱的概念,二、地幔柱构造体系及其特征,地幔柱构造体系是指地幔柱构造作用过程及其产物所构成的有机整体，包括热地幔柱和冷地幔柱两个构造体系，
9、分别构成引张构造体系和挤压构造体系。,热地幔柱构造体系,热点,大陆裂谷,大洋扩张,冷地幔柱构造体系,前寒武纪硅铝壳造山,显生宙硅铝壳洋壳造山,地球深部,起源于地球深部的热地幔柱和返回地球深部的冷地幔柱，直接制约和决定了地球演化各阶段引张和挤压两大构造动力体制，从而制约和影响着地球浅部的各个圈层。热地幔柱和冷地幔柱之间的相互制约与转化，又决定了引张和挤压两大构造动力体制的相互制约与转化，呈现出热点、大陆裂谷、大洋扩张等引张构造与俯冲、碰撞、造山等挤压构造的演化和复合叠加。,二、地幔柱构造体系及其特征,（1）热地幔柱一个突出的特点，是具有多其次脉冲的旋回性，主要表现为热点、大陆裂谷、大洋扩张三大构
10、造系统自身产生-发展-消亡的多期次旋回性与威尔逊旋回有关； （2）热地幔柱构造体系的另一个特点，主要表现为热点、大陆裂谷、大洋扩张三大构造系统之间在相同或不同地址时期的复合与叠加，以及三大构造系统自身旋回性所表现的构造作用及时空演化产物的复合与叠加。,冷地幔柱主要表现为超级大陆的聚合，主要与大规模地幔下降流-冷地幔柱引起的全球大规模造山挤压构造体系相对应，具有明显的构造局限性。而且，在冷地幔柱构造演化过程中，往往具有由冷地幔柱构造作用引起的次级局部热地幔柱构造作用的复合与叠加。冷地幔柱构造体系主要包括显生宙硅铝壳一洋壳造山构造系统和前寒武纪硅铝壳造山构造系统，前者又包括硅铝壳洋壳碰撞造山构造亚
11、系统和洋壳俯冲岛弧构造亚系统。,热地幔柱构造体系特征,冷地幔柱构造体系特征,二、地幔柱构造的多级演化,在空间上，地幔柱构造可分为三个层次：近地表的表皮板块构造；中间的地幔喷流柱；深部的地核生长构造。地幔柱从核一幔边界(2900 km)的D”层上升并颈缩变细，到达地幔的中部后向上地幔底界(670 km)逐渐扩展(图6 -6)；在上地幔底界(670 km)附近，巨型地幔柱停滞并分裂或分支成有一定间隔的二级地幔柱（地幔亚柱）；二级地幔柱向上喷涌并再次变细，到达岩石圈底界(100 km)再次扩展，二级地幔柱沿板块的断裂或薄弱地带再分裂成三级地幔柱（幔支构造），或随着在岩石圈内浮力和热能的耗尽而平息。,
12、2、地幔柱构造说与板块构造说的关系,板块构造说与地幔柱构造说的区别主要有三个方面：板块构造主要涉及地球岩石圈的构造运动，而地幔柱构造提供了一种解释固体地球不同圈层间相互作用的动力学框架，板块作为一刚性固体块体起作用的区域，是沿消减板块边界浅于670 km、沿发散板块边界浅于150 km处，而地幔柱构造则在岩石圈下面的软流圈和中圈内起控制作用，地幔柱构造作用还涉及地核；板块构造主要讨论板块的水平运动，而地幔柱构造主要讨论地幔内部的垂直运动；板块构造说对发生在板块边界的现象能作出很好的解释，对远离板块边界的现象，如大洋火山链和大陆溢流玄武岩，则不能很好解释，而地幔柱构造说能对火山链和大陆溢流玄武岩
13、之类的现象作出很好的解释。,2、地幔柱构造说与板块构造说的关系,地幔柱构造与板块构造之间的关系表现为，在俯冲带未发育时，板块构造受地幔柱构造控制，如大西洋就是由中央泛大陆超地幔柱链的上涌而张裂的，大西洋内的板块驱动力可能是核一幔边界成因的地幔柱(图6 -7)；当俯冲带发育时，板块构造就不受地幔柱构造约束，如在北面有俯冲带的印度洋和两侧都有俯冲带的太平洋中，洋中脊与超地幔柱没有关系。,从行星的构造演化角度看，地幔柱构造和板块构造在地球构造演化的不同时期所起作用的重要程度不同。地球形成后不久也具有高温表面，初期地球也不存在刚性板块，这个时期地幔柱起着更重要的作用。地幔柱的作用形成地球刚性岩石圈之后
14、，板块构造才起重要作用，但即使在这一时期，地幔柱构造仍起重要作用。因此，与板块构造相比，地幔柱构造在地球形成和演化过程中起着更重要的作用。,2、地幔柱构造说与板块构造说的关系,地幔柱构造说可对威尔逊旋回重新解释如下：因超级地幔柱的上涌，超大陆裂开（图6 - 8a）；分离的大陆随时间移动到超大洋内，并任意散布在其中；在大陆分散期间，俯冲带在地球表面相当任意地发育，它们提供冷物质（板块）进入地幔，成为位于670 km深度处的停滞岩块；冷物质适时地发生周期性重力塌陷，在,下地幔形成任意分布的下降流；一旦吞没了较小规模冷地幔柱的巨大而规则的下降流形成，所有大陆岩石圈就会朝冷地幔柱移动，形成一超大陆，并
15、且俯冲带将环绕此超大陆发育，最后形成一条位于超大陆旁的链。如200 Ma前的劳亚古陆，由于停滞岩块具有随时间下沉的趋势，在超大陆核部可产生巨大的克拉通沉积盆地（图6 -8b）。下沉岩块挤压的结果，一条热超地幔柱可在超大陆的核部发育（图6 -8c）。,3、地史时期的地幔柱,受地幔柱控制的大规模岩浆活动，当岩浆喷出地表时就形成分布面积十分巨大的暗色岩系（以溢流玄武岩为主）区，一般认为：大型火成岩省是地幔柱巨大的“蘑菇”状顶冠到达地表形成的。大型火成岩省的特点是成分上以基性岩为主，体积巨大，出露面积多数大于1106km2，而且这些熔浆主要在3Ma甚至1Ma的短期内喷发。 注：火成岩省（large i
16、gneous provinces,缩写为LIPs）是近年来国际地学界关注的研究方向，含义是指连续的、体积庞大的由镁铁质火山岩及伴生的侵入岩所构成的岩浆建造。它们在很大程度上与来自深部的地幔柱活动有关, 是地幔柱岩浆活动的直接产物。,3、地史时期的地幔柱,研究地史时期的地幔柱，特别是要判断地质历史比较久远时期存在的地幔柱，常常碰到证据被破坏或证据不够充分的困难。相比之下，中生代以来的几个超级地幔柱的证据比较多，公认程度比较高。,根据侏罗纪早期（200 Ma左右）北美洲、南美洲和非洲发育的中大西洋火成岩省的火山活动中心、岩床和放射状岩墙群的分布，Condie (2001)推断在三大洲之间存在一个超级地幔柱，正是这个超级地幔柱使潘基亚大陆裂解（图6 -9）。,3、地史时期的地幔柱,在非洲、南极洲和南美洲之间存在一个规模巨大的南大西洋溢流玄武岩省，包括卡罗、弗拉尔和乔艾克三个火山活动中心 。马尔维纳斯（福克兰）群岛周围的这三个玄武岩的火山活动中心，构成一个巨大的超级地幔柱。正是这个地幔柱造成的板块三联点，使冈瓦纳大陆发生了初始的
