幔柱构造成矿理论

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1、第四章 成矿理论进展 第一节 幔柱构造理论 一、热点假说与地幔柱思想 二、幔柱构造 三、幔柱构造体系 四、幔柱构造的多级演化 第二节 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造对成矿的控制 二、幔柱构造成矿体系 第三节 幔柱构造成矿作用标志与特征 一、幔柱构造的主要标志与特征 二、成矿作用的统一性与矿床组合标志特征 第五章 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造理论 一、热点假说与地幔柱思想 在板块构造理论提出之前，Wilson(1963, 1965)首先提出热点假说， 用于解释夏威夷群岛火山岩的成因。Morgan (1971, 1972)认为地幔内 存在着一种上升的、圆柱状的、局部熔融的物质流，即“热柱”(Ho

2、t Plume)。热柱到达于地表，或地幔热流上升之处，称之为“热点”( Hot Spot)。上升的炽热地幔柱，可把上覆岩石圈抬升，使地壳呈现巨大弯窿 构造。当地幔柱冲破岩石圈，则形成热点。因此，热点是地幔热柱在地表 的反映，以火山作用、高热流和隆起为标志(Wilson, 1973)。热点在大 洋环境中形成的火山岛链(海山链)，被称之为热点行迹。它们比周围洋底 高1-2 km，形成一条长1000-2000km长的异常地形高地。海山链中的 海山，称之为洋岛。它主要由拉斑玄武岩所组成，又有洋岛玄武岩(OIB) 之称。火山岛链中的最大或最新大规模喷发的火山洋岛，往往直接称之为 热点。大洋内线状排列的火

3、山岛链，是大洋岩石圈活动板块在上地幔中的 热点(固定热地馒源区)之上运动所留下的痕迹(图5-1)。地幔热点位于上 地幔上部，相对于地球自转轴及其上覆的岩石圈来说，是固定不动的。但 是，“热点”仅仅代表了地幔热柱已到达了地面的现象特征，而没有表示出 其内部特征。 第五章 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造理论 图5-1 地幔热柱在活动板块上的热点轨迹(火山岛链)示意图 第五章 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造理论 nMorgan(1971)进一步提出，太平洋中的热点，是一系 列狭窄的热隆起，并将其称为幔柱(Plume)。热点被认 为是由称之为“地幔柱”的地幔物质上涌形成的。Morgan 认为，地幔柱可

4、能起源于接近地核的地幔深部，由于热不 稳定而上升，直径约150km，移动速度相对较小，为火 山作用提供热和火山物质，是板块移动的驱动力。 Morgan（1972）又指出，热点是地幔表面隆升在地壳 中的一种表现，是地幔柱上升的地点。认为Wilson（ 1963）所指的固定热地幔源区，实际上是一个产于地幔 底部热边界附近的热幔柱，吧炽热上升的圆筒状岩石类物 质流，称之为地幔柱（Mantle Plume，或译为地柱、热 点、地幔羽、地幔柱构造、地幔热柱、地幔热流柱等）。 第五章 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造理论 Deffeye（1972）认为热幔柱是下地幔上涌形成的。 Anderson（1975）

5、认为地幔柱是一种化学柱，其化学成 分与周围地幔物质有明显的差别，他来源于地幔底部的D” 层；D”层从外地核那里聚集了大量的放射性元素。放射热 导致D”层具有高温低粘度特征，曾而形成地幔热柱。而 Olsen和Yuen（1982）则认为地幔柱，既是“热”柱，又 是化学柱。 在20世纪70年代初期，Wilson（1973）将热点大致分为 5类：位于南大西洋中级和东太平洋隆起或其附近的热 点；洋中脊其他部位的热点；与裂谷带有关的年轻热 点；可能固定于海底的年轻热点；已经掩盖的老热点 ，这5个类型概括了产于大陆和大洋两个不同地壳环境中的 热点。 第五章 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造理论 n从起源的角度

6、，Maruyama等（1994）和Fukao等（1994） 以核-幔界面（2900km）、上地幔底界（670km）、岩石圈 底界（100km）深度为界，将地幔热柱划分为一、二、三次 柱。这种分类，体现了地幔柱的多级演化特征（图5-2）。 其中，起源于D”层的地幔热柱又可以划分为两种类型：直 径约5000km的超级地幔热柱和直径小于500km的小地幔柱（ 图5-2）。 n邓晋福等（1994）将进入上地幔内分为数个较小的二级地 幔柱（Maruyama等人的二次柱），称之为亚热柱（Sub- Mantle Plume）。牛树银等（1995）将在约100km的岩石圈 底部向上再细分为更小的三级地幔柱（M

7、aruyama等人的三 次柱），称为幔枝构造（Mantle Branch Structure）。 第五章 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造理论 图5-2 地球的超级地幔柱示意图（据Maruyama， 1994） 第五章 幔柱构造成矿理论 一、幔柱构造理论 n从演化阶段的角度，地幔柱又可为4类:初始阶段的地 幔柱；上升阶段的地幔柱；作用于地壳的地幔柱； 衰退阶段的地幔柱。 n幔柱构造，有热幔柱与冷幔柱之分(Maruyama等， 1994) 。 Kumazawa (1994)和Maruyama等(1994) 认为，幔柱构造(Plume Tectonics)概括了地球表层的 岩石圈板块构造、深部主体的

8、地幔柱构造、地核的生长 构造，把板块构造和地幔柱构造作为地幔热对流的两个 端元。Maruyama等（1994）提出了全球构造概念的 地幔热柱上升与板块俯冲的超级地幔柱成生模式。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 二、幔柱构造 nMaruyama (1994)将在地幔中受一些大的垂直的地幔柱流控制的 动力学区域，称之为地幔柱构造，提出了包括作为地幔柱构造一部 分的板块构造的地幔柱构造学初步概念。幔柱构造和作为显生宙幔 柱构造一部分的浅部岩石圈板块构造，为地幔对流的两个极端类型 。幔柱构造中并存的热幔柱与冷幔柱的运动，为地球演化各阶段地 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

9、，驱动 显生宙板块运动，导致地球各圈层相互作用，特别是壳-幔相互作用 。热幔柱发育，导致岩石圈减薄和超大陆解体，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、裂解的超大陆、 大陆裂谷、大洋扩张、伸展盆地、变质核杂岩、剥离断层等各种张 性-引张-伸展-离散环境。冷幔柱回流，引起超大陆聚合、大陆裂谷 天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。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 n地幔热柱、地幔冷柱的对流。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。在地 球

10、的早期演化历史中，地幔热柱的活动起着主导作用 。随着地球演化，地幔热柱活动有所减缓，并且表现 形式也有显著差别。地幔热柱经过地幔上升到冷的岩 石圈底部时，它会呈蘑菇状或伞状向外拆离，形成巨 大的球形顶冠，其直径可从几百公里至几千公里，并 可引起地壳的上隆、减薄、伸展、古陆解体、洋壳增 生等，甚至大规模的溢流玄武岩喷发。同时，还可能 伴有区域变质、地壳重熔、构造变形等。甚至引起全 球气候变化、大地水准面升降和生物灭绝等。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 nHill(1992)在研究地幔柱与大陆构造中，强调指出地幔热柱在大 陆地质中可能起着重要作用，认为地幔柱球状顶冠与尾部火山活 动的综合

11、作用，也可能对大陆地壳产生重要影响，提出了大陆地 幔柱区的概念，并将地馒柱之上的热作用和构造再造的全过程， 称之为地幔柱构造作用。地幔热柱对岩石圈作用，可能会导致以 壳源物质为主的壳幔混合的热物质流柱状上涌，而形成“地壳热柱 ”。这种深部地幔热柱成因的地壳热柱，与周围正常岩石圈地壳之 间，同样存在巨大的物质差、密度差、温度差或热流量差，形成 特定时空结构的物质场、地热场和构造应力场。某些浅成的热点 、大陆裂谷、裂谷式断陷盆地、热弯窿构造、变质核杂岩、盆岭 构造等，可能就是深部地幔热柱成因的地壳热柱的产物。因为， 深部地幔热柱对岩石圈构造作用，特别是地幔热柱顶冠与尾部大 规模火山活动综合作用，对

12、地壳产生的热作用和构造再造，可能 引发地壳热柱的产生。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 三、幔柱构造体系 n幔柱构造体系，是指幔柱构造地质作用过程，及其地质产物所构 成的地质整体，包括热幔柱、冷幔柱两个构造亚体系和更次一级 的地幔热柱-热点、地幔热柱-大陆裂谷、地幔热柱-大洋扩张、冷 幔柱-前寒武纪硅铝壳造山、冷幔柱-显生宙硅铝壳/洋壳造山等五 个构造系统。幔柱构造体系可概括为全球各地质历史时期幔柱构 造地质作用，及其时空发展演化与产物的系统综合整体，可划分 出两个截然分明而又并存的热幔柱构造体系(引张拉伸型构造体系 )和冷幔柱构造体系(挤压造山型构造体系)。其中，热幔柱构造体 系，又

13、包括地球演化不同阶段地幔热柱-热点、地幔热柱-大陆裂 谷、地幔热柱-大洋扩张等-系列次级构造系统和更次一级构造系 列，构成全球各地质历史时期构造主体(图5-3 );冷幔柱构造体系 ，包括地球演化不同阶段冷幔柱陆内硅铝壳造山、冷幔柱-陆间硅 镁洋壳造山等次级构造系统和更次级的构造系列。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 图5-3 地幔热柱构造体系示意图 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 n分别起源于和返回地球深部的多级次的热幔柱与冷幔 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各个圈 层至近地表各部位。不同级别与序次的热幔柱与冷幔 柱之间

14、的相互制约与转化，又决定了引张、挤压两大 构造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、造山带等挤压 构造的演化和复合叠加。 n地幔柱，又有一次柱、二次柱、三次柱之分，包括超 级地幔柱、地幔热柱、地幔亚热柱及地幔幔枝几个不 同级次。它们主要反映地幔热柱的多级演化特点，不 包括冷幔柱的级次，暂时不作为整个幔柱构造体系分 类依据进行体系划分。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 n地壳热柱是幔柱构造作用，特别是对岩石圈地幔和大 陆地壳的热作用和构造再造作用的产物，在大陆地质 中可能起着极为重要的作用。它不同于地幔热柱深部 地幔热物质流直接上涌进入岩石圈形成“

15、三次柱”或“ 幔枝构造”，主要体现在岩石圈内以壳源物质为主的 壳幔热物质流柱状上涌。地壳热柱与幔柱构造体系中 的地幔热柱-热点、地幔热柱-大陆裂谷系统某些演化 阶段产物相对应口随着研究程度的不断提高，将划为 幔柱构造体系的一个独立类型。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 (一)热幔柱构造体系分类及特征 n热幔柱构造体系，包括地幔热柱-热点、地幔热柱-大陆 裂谷、地幔热柱-大洋扩张三个构造子体系或三个构造 系统。其中，地幔热柱-热点构造系统、地幔热柱-大洋 扩张构造系统，往往分别表现为热幔柱构造体系的起始 点和终点两个端元;地幔热柱-大陆裂谷构造系统，则多 构成热幔柱构造体系主体。三者既可

16、呈现出总体的早、 中、晚三阶段演化关系，又可相互独立自成体系。比如 ，地幔热柱-热点构造系统、地幔热柱-大陆裂谷构造系 统各自独立发育于地球演化各阶段，地幔热柱-大洋扩 张构造系统可能主要发育于显生宙。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 1.地幔热柱-热点构造系统 n地幔热柱-热点构造系统，是指地幔热柱-热点构造地 质作用过程，及其地质产物所构成的有机整体。它发 育于地球演化各地质历史时期，是热幔柱构造体系和 幔柱构造体系在岩石圈上部构造作用，及其时空发展 演化的起始点或初始端员组成，往往进一步发展演化 为地幔热柱-热点-裂谷构造系统。因此，地幔热柱-热 点构造系统及其地质作用产物，是热幔柱构造体系和 幔柱构造体系最易识别的最直接标志之一，成为人类 认识和研究幔柱构造的根本出发点和重要基础。近20 年来，越来越多的有关地幔热柱-热点活动的研究，已 取得一些重要进展，为全球幔柱构造体系的建立与发 展，奠定了坚实的基础。根据国内外对比研究分析， 地幔热柱-热点构造系统主要包括以下几个亚系统。 第五章 幔柱构造成矿理论 二、幔柱构造 n （1）大陆内部热点构造亚系