课堂讨论课堂讨论讨论题目：讨论题目：地幔柱假说的主要内容及其地质意义地幔柱假说的主要内容及其地质意义主要内容：主要内容：1 1地幔柱概念的由来与沿革地幔柱概念的由来与沿革 2 2地幔柱的基本特征地幔柱的基本特征 3 3地幔柱研究的地质意义地幔柱研究的地质意义 4 4地幔柱构造与板块构造关系地幔柱构造与板块构造关系 第1页，共80页第四章第四章 地幔柱构造地幔柱构造第2页，共80页第四章第四章 地幔柱构造地幔柱构造一、地幔柱概念的由来一、地幔柱概念的由来二、地幔柱的基本特征二、地幔柱的基本特征三、地幔柱研究的地质意义三、地幔柱研究的地质意义四、地幔柱构造与板块构造关系四、地幔柱构造与板块构造关系五、冷幔柱和超级地幔柱的研究五、冷幔柱和超级地幔柱的研究第3页，共80页一、地幔柱概念的由来一、地幔柱概念的由来 1963年年，加加拿拿大大Wilson首首次次注注意意到到太太平平洋洋夏夏威威夷夷天天皇皇火火山山岛岛链链玄玄武武岩岩喷喷出出年年龄龄的的变变化化规规律律，提提出出了了热热点点假假说说用用来来解解释释其其成成因因，但但该该论论文文被被地地球球物物理理研研究究杂杂志志拒拒绝绝发发表表，而而后后发发表表在在加加拿拿大大物物理理学学杂杂志志，他他认认为为这这些些火火山山岛岛链链是是太太平平洋洋板板块块移移过过一一个个产产生生大大量量岩岩浆浆的的固固定定热热地地幔幔区区形形成成的的。
他他将将这这个个固固定定热热地地幔幔区区称称为为热热点点构构造造到到70年年代代初初，wilson的的热热点点构构造造才才得得到到多多数数地地质质学学家家和和地地球球物物理理学学家家的的承承认认，而而地地幔幔柱柱概概念念正正是是在在Wilson的热点构造研究基础上提出来的的热点构造研究基础上提出来的第4页，共80页一、地幔柱概念的由来一、地幔柱概念的由来全全球球板板块块构构造造理理论论的的创创始始人人之之一一 Morgan（证证明明地地球球表表面面存存在在绕绕极极旋旋转转运运动动）于于1971年年首首次次提提出出热热幔幔柱柱的的概概念念他他认认为为Wilson所所指指的的固固定定热热地地幔幔区区实实际际上上是是一一个个产产生生于于地地幔幔底底部部附附近近的的热热幔幔柱柱，热热点点火火山山链链则则是是长长期期活活动动的的热热幔幔柱柱熔熔融融物物质质在在上上覆覆运运动动板板块块上上留留下下的的轨轨迹迹他他根根据据全全球球热热点点分分布布数数量量推推测测地地幔幔中中大大约约存存在在20多多个个热热幔幔柱柱，现现在在一一般般认认为为（王王登登红红，1998）全全球球共共有有至至少少45个个热热点点，其其中中大大陆陆14个，大洋中个，大洋中30多个（多个（51个？）。
个？）第5页，共80页地幔柱的概念地幔柱的概念地球深部核幔边界附近的高温低粘度层地球深部核幔边界附近的高温低粘度层（D”层）可以产生柱状上升的热物质体热物层）可以产生柱状上升的热物质体热物质体在经过地幔达到冷的岩石圈时，顶部常呈质体在经过地幔达到冷的岩石圈时，顶部常呈喇叭形张开，形成一个具有球状顶冠和狭窄尾喇叭形张开，形成一个具有球状顶冠和狭窄尾柱的热物质体构造柱的热物质体构造热幔柱构造热幔柱构造热幔柱巨大热幔柱巨大的球状顶冠在上升过程中可以引起地壳上隆和的球状顶冠在上升过程中可以引起地壳上隆和大规模溢流玄武岩火山作用（形成大陆或大洋大规模溢流玄武岩火山作用（形成大陆或大洋溢流玄武岩），并且可以造成区域变质作用，溢流玄武岩），并且可以造成区域变质作用，地壳熔融作用及不同规模地壳伸展随上覆板地壳熔融作用及不同规模地壳伸展随上覆板块运动，热幔柱狭窄的尾柱会产生一系列热点块运动，热幔柱狭窄的尾柱会产生一系列热点火山链第6页，共80页地球内部的圈层划分地球内部的圈层划分地壳地壳 A A层层 40km(40km(莫霍面莫霍面)上上 B B 下界为下界为150 km150 km地地 B B层层 B”B”低速层，下界为低速层，下界为250 km250 km 地地 B”B”下界为下界为400 km400 km 400km400km 幔幔 C C层层 670km670km幔幔 下地幔下地幔 D D层层 D D D”D”为为D D层底部层底部200 km200 km速度梯度接近速度梯度接近0 0 2900km(2900km(古登堡面古登堡面)地地 外外 E E层层 横波波速为横波波速为0 0，液态，液态 4170km4170km 核核 F F层层 微弱横波，为稍具刚性的核内过渡层微弱横波，为稍具刚性的核内过渡层核核 5100km(5100km(莱曼面莱曼面)内核内核 G G层层 固态层固态层第7页，共80页。
第8页，共80页第9页，共80页夏威夷火山链 板 块运动 热 点固定第10页，共80页第11页，共80页第12页，共80页第13页，共80页第14页，共80页第15页，共80页第四章第四章 地幔柱构造地幔柱构造一、地幔柱概念的由来一、地幔柱概念的由来二、地幔柱的基本特征二、地幔柱的基本特征三、地幔柱研究的地质意义三、地幔柱研究的地质意义四、地幔柱构造与板块构造关系四、地幔柱构造与板块构造关系五、冷幔柱和超级地幔柱的研究五、冷幔柱和超级地幔柱的研究第16页，共80页二、地幔柱的基本特征二、地幔柱的基本特征1.1.形态特征：形态特征：2 2化学成分特征：化学成分特征：3 3运动特征：运动特征：（1 1）地幔柱的启动和上升）地幔柱的启动和上升 （2 2）地幔柱的脉冲运动特征）地幔柱的脉冲运动特征 （3 3）地幔对流对地幔柱运动的影响）地幔对流对地幔柱运动的影响第17页，共80页1.形态特征形态特征目目前前有有关关地地幔幔基基本本特特征征的的认认识识主主要要来来源源于于对对地地幔幔柱柱作作用用产产物物热热点点火火山山链链和和大大陆陆溢溢流流玄玄武武岩岩的的直直接接观察和对地幔柱所进行的各种模拟实验研究。
观察和对地幔柱所进行的各种模拟实验研究Whitehead-Luther（1975）用用染染色色水水从从高高粘粘度度和和高高密密度度的的葡葡萄萄糖糖浆浆底底部部注注入入结结果果产产生生大大头头细细尾尾形形态态他他们们认认为为从从地地球球深深部部高高温温低低粘粘度度D”层层产产生生的的热热幔幔柱柱的的形形态态应应与与此此相相似似他他们们实实验验还还证证明明，热热幔幔柱柱顶顶冠冠大大小小与与尾尾柱柱直直径径粗粗细细的的比比例例关关系系主主要要取取决决于于热热幔幔柱柱和和周周围围物物质质的的粘粘度度差差，粘粘度度差差愈愈大大，尾尾柱柱愈愈细细Olson等等（1988）用用计计算算机机进进行行二二维维对对流流模模拟拟实实验验也也产产生生了了类类似似形形态态日日本本学学者者丸丸山山茂茂德德等等（1991）通通过过地地震震层层析析成像技术推测地幔柱的形态成像技术推测地幔柱的形态第18页，共80页第19页，共80页第20页，共80页第21页，共80页二、地幔柱的基本特征二、地幔柱的基本特征1.1.形态特征形态特征2 2化学成分特征化学成分特征3 3运动特征运动特征 （1 1）地幔柱的启动和上升）地幔柱的启动和上升 （2 2）地幔柱的脉冲运动特征）地幔柱的脉冲运动特征 （3 3）地幔对流对地幔柱运动的影响）地幔对流对地幔柱运动的影响第22页，共80页。
2地幔柱的化学成分特征地幔柱的化学成分特征构构成成热热点点的的大大洋洋岛岛玄玄武武岩岩的的化化学学成成分分能能较较好好地地反反映映地地幔幔柱柱的的化化学学成成分分特特征征（地地幔幔探探针针）与与大大洋洋中中脊脊玄玄武武岩岩相相比比，大大洋洋岛岛玄玄武武岩岩富富含含大大离离子子不不相相容容元元素素，并并且且有有较较高高的的87Sr/86Sr和和 较较 高高143Nd/144Nd据据 此此 CompbellGriffths（1992）认认为为热热幔幔柱柱的的化化学学成成分分特特征征反反映映元元素素源于富集型地幔（相当于下地幔）源于富集型地幔（相当于下地幔）有有人人认认为为在在上上升升过过程程中中，热热幔幔柱柱头头部部化化学学成成分分是是不不断断变变化化的的，是是有有源源区区成成分分和和捕捕获获的的地地幔幔成成分分复复合合的的特特征征，而而热热幔幔柱柱狭狭窄窄尾尾部部在在上上升升过过程程中中近近于于基基本本上上不不捕捕获获周周围围地地幔幔物物质质，因因而而其其化化学学成成分分变变化化主主要反映源区化学成分要反映源区化学成分第23页，共80页二、地幔柱的基本特征二、地幔柱的基本特征1.形态特征：形态特征：2 2化学成分特征：化学成分特征：3 3运动特征：运动特征：（1 1）地幔柱的启动和上升）地幔柱的启动和上升 （2 2）地幔柱的脉冲运动特征）地幔柱的脉冲运动特征 （3 3）地幔对流对地幔柱运动的影响）地幔对流对地幔柱运动的影响第24页，共80页。
3地幔柱的运动特征地幔柱的运动特征 （1）地幔柱的启动和上升）地幔柱的启动和上升热热幔幔柱柱的的活活动动需需要要一一个个热热边边界界层层，这这样样的的热热边边界界层层在在地地幔幔中中的的上上下下地地幔幔界界面面的的密密度度界界面面（670km），或或是是核核幔边界的幔边界的D”层层，一般认为是启动于核幔边界的，一般认为是启动于核幔边界的D”层层理理论论分分析析表表明明：要要产产生生直直径径为为1000km的的热热幔幔柱柱球球状状头头部部，形形成成大大规规模模溢溢流流玄玄武武岩岩,热热幔幔柱柱只只有有启启动动于于下下地地幔底部才能完成；幔底部才能完成；热热幔幔柱柱的的化化学学成成分分特特征征表表明明它它主主要要来来源源于于富富集集型型地地幔幔（即下地幔）；（即下地幔）；第25页，共80页研究表明，如果研究表明，如果D”层受到某种热扰动，其物质的层受到某种热扰动，其物质的粘度会降低，流动性增强，在热梯度的驱动下，所有受粘度会降低，流动性增强，在热梯度的驱动下，所有受扰动作用的高温低粘度物质会向热边界层最低处汇聚，扰动作用的高温低粘度物质会向热边界层最低处汇聚，并在那里形成地幔柱并在那里形成地幔柱。
近年来研究结果表明，热幔柱上升速率是非常近年来研究结果表明，热幔柱上升速率是非常慢的，认为慢的，认为一个典型的热幔柱从一个典型的热幔柱从D”层到达地表（或近层到达地表（或近地表）大约需要地表）大约需要100Ma，其相对，其相对移动速度一般低于移动速度一般低于1cm/a，大规模的溢流玄武岩是热幔柱经过长期积累和捕，大规模的溢流玄武岩是热幔柱经过长期积累和捕虏周围地幔所形成的巨大球状顶冠减压熔融喷发产物，在虏周围地幔所形成的巨大球状顶冠减压熔融喷发产物，在通道打通之前，热幔柱不可能快速上升，因为上升过程和通道打通之前，热幔柱不可能快速上升，因为上升过程和喷发过程都会导致热量的大量散失，从而减少地幔柱的活喷发过程都会导致热量的大量散失，从而减少地幔柱的活动能力第26页，共80页第27页，共80页第28页，共80页3地幔柱的运动特征地幔柱的运动特征（2）热幔柱的脉冲运动特征）热幔柱的脉冲运动特征 Scott（1986）用用一一个个细细管管将将稀稀溶溶液液从从盛盛满满蜂蜂蜜蜜容容器器的的底底部部注注入入，在在液液柱柱中中产产生生了了单单波波，当当注注射射速速度度加加快快时时，液液柱柱中中单单波波由由线线形形变变为为非非线线性性，据据此此Scott等等（1986）认认为为热热幔幔柱柱是是以以单单波波脉脉冲冲形形式式向向上上运运动动，这这种种认认识识被被后后 期期 许许 多多 研研 究究 者者 所所 证证 实实、承承 认认。
Larson（1991）认认为为热热幔幔柱柱的的单单波波脉脉冲冲运运动动特特征征是是导导致致地地磁磁极极周周期期反反转转，气气候候和和海海平平面面周期变化的一个重要原因周期变化的一个重要原因第29页，共80页3地幔柱的运动特征地幔柱的运动特征（3）地幔对流对地幔柱运动的影响）地幔对流对地幔柱运动的影响 一一个个新新生生的的热。