《板块构造与地幔柱构造浅析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《板块构造与地幔柱构造浅析（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、板块构造与地幔柱构造浅析胡亮 011082-08 20081001216内容提要：板块构造学说引发了地球科学的革命，成为最盛行的地学理论之一。但是 一些新观点和新假说，如地幔柱构造假说的等，使地质构造研究潮流移向多元化。 本文对板块构造学说与地幔柱构造假说各自的特征和动力学模式，以及两者之间 的内在关系进行了简单地阐释和论证。关键词：板块构造；板块运动；地幔柱；地幔柱构造。1. 板块构造学说及板块运动的动力板块构造学说(Plate tectonics)是在大陆漂移学说和海底扩张学说的基 础上提出的。该学说成功解释了许多地理现象，如大西洋两岸的轮廓问题； 非洲与南美洲发现相同的古生物化石及现代生
2、物的亲缘问题；南极洲、非 洲、澳大利亚发现相同的冰碛物；南极洲发现温暖条件下形成的煤层等等。大洋中脊是地幔对流上升的地方，地幔物质不断从这里涌出，冷却固 结成新的大洋地壳，以后涌出的热流又把先前形成的大洋壳向外推移，自 中脊向两旁每年以0.55厘米的速度扩展，不断为大洋壳增添新的条带。 因此，洋底岩石的年龄是离中脊愈远而愈古老。当移动的大洋壳遇到大陆 壳时，就俯冲钻入地幔之中，在俯冲地带，由于拖曳作用形成深海沟。大 洋壳被挤压弯曲超过一定限度就会发生一次断裂，产生一次地震，最后大 洋壳被挤到700公里以下，为处于高温溶融状态的地幔物质所吸收同化。 向上仰冲的大陆壳边缘，被挤压隆起成岛弧或山脉，
3、它们一般与海沟伴生。 现在太平洋周围分布的岛屿、海沟、大陆边缘山脉和火山、地震就是这样 形成的。所以，海洋地壳是由大洋中脊处诞生，到海沟岛弧带消失，这样 不断更新，大约23亿年就全部更新一次。因此，海底岩石都很年轻，一 般不超过二亿年，平均厚约56公里，主要由玄武岩一类物质组成。而大 陆壳已发现有37亿年以前的岩石，平均厚约35公里，最厚可达70公里以 上。除沉积岩外，主要由花岗岩类物质组成。地幔物质的对流上升也在大 陆深处进行着，在上升流涌出的地方，大陆壳将发生破裂。如长达6，000多公里的东非大裂谷，就是地幔物质对流促使非洲大陆开始张裂的表现。2. 板块的移动随着软流层的运动，各个板块也会
4、发生相应的水平运动，大板块每年 可以移动1-6厘米的距离。这个速度虽然很小，但经过亿万年后，地球的 海陆面貌就会发生巨大的变化：当两个板块逐渐分离时，在分离处即可出 现新的凹地和海洋；大西洋和东非大裂谷就是在两块大板块发生分离时形成的。当两个大板块相互靠拢并发生碰撞时，就会在碰撞合拢的地方挤压 出高大险峻的山脉。位于我国西南边疆的喜马拉雅山，就是三千多万年前 由南面的印度板块和北面的亚欧板块发生碰撞挤压而形成的。有时还会出 现另一种情况：当两个坚硬的板块发生碰撞时，接触部分的岩层还没来得 及发生弯曲变形，其中有一个板块已经深深地插入另一个板块的底部。由 于碰撞的力量很大，插入部位很深，以至把原
5、来板块上的老岩层一直带到 高温地幔中，最后被熔化了。而在板块向地壳深处插入的部位，即形成了 很深的海沟。西太平洋海底的一些大海沟就是这样形成的。根据板块学说，大洋也有生有灭，它可以从无到有，从小到大；也可 以从大到小，从小到无。大洋的发展可分为胚胎期（如东非大裂谷）、幼年 期（如红海和亚丁湾）、成年期（如目前的大西洋）、衰退期（如太平洋） 与终了期（如地中海）。大洋的发展与大陆的分合是相辅相成的。在前寒武 纪时，地球上存在一块泛大陆。以后经过分合过程，到中生代早期，泛大 陆再次分裂为南北两大古陆，北为劳亚古陆，南为冈瓦那古陆。到三叠纪末，这两个古陆进一步分离、漂移，相距越来越远，其间由最初一个
6、狭窄 的海峡，逐渐发展成现代的印度洋、大西洋等巨大的海洋。到新生代，由 于印度以北漂到亚欧大陆的南缘，两者发生碰撞，青藏高原隆起，造成宏 大的喜马拉雅山系，古地中海东部完全消失；非洲继续向北推进，古地中 海西部逐渐缩小到现在的规模；欧洲南部被挤压成阿尔卑斯山系，南、北 美洲在向西漂移过程中，它们的前缘受到太平洋地壳的挤压，隆起为科迪 勒拉一安第斯山系，同时两个美洲在巴拿马地峡处又相接；澳大利亚大陆 脱离南极洲，向东北漂移到现在的位置。于是海陆的基本轮廓发展成现在 的规模。从盘古尤陆至I;规左白坚纪&5化年前三登纪2。亿年前3. 地幔柱的概念Morgan首次提出了 “地幔柱”的明确定义：地幔柱是
7、地球深部来源物 质，由于放射性元素的分裂、热能的释放而炽热上升的圆筒状物质流。地 幔柱以火山作用、高热流和上隆为标志。主要特征为：上隆并伴随着火 山作用产生碱性玄武岩、流纹岩及深海拉斑玄武岩，它们具独特的地球化 学特征；重力大；高热；地幔柱可出露于大洋或大陆，呈一维有时 是二维无震脊由热点处向外延伸（Wlison，1973）。热能在地核的集中是液核热对流和地幔柱活动的原因；旋转动能在地 核的集中可通过圈层角动量交换转化为热能，它是地核周期性热膨胀的原 因。地核周期性热膨胀使地壳地幔胀裂，形成全球性的大洋和大陆裂解时 间，为地幔柱的上涌打开了通道。地幔柱起源于核幔边界的热积累和角动量的交换。4.
8、 地幔柱的起源地幔柱的起源于地球内部的热界面层，与热界面层间的热扰动有密切关系。地震波研究表明，地球内部有两个热界面层，一个是位于670km处的上下地幔不连续面（ULMB）；另一个是2900km 处的核-幔不连续界面 （CMB）附近的D层。而许多证据可以证明地幔柱起源于 D层。理论计 算表明，地幔柱释放出的热量仅占整个地球放热的10%左右，这个范围与地核释放出的热量比例相吻合。理论模拟表明，在所许可的上升速度范 围内，从上、下地幔之间热界面启动的地幔柱穿过上地幔最多只能形成直 径为300km的球形顶冠，而实际上许多地幔柱的球状顶冠直径超过 10002000km，这只能用起源于核-幔热界面层解释
9、。地幔柱位置相对固 定难以用地幔柱起源于上下地幔界面层解释，但这与地幔柱起源于核-幔界面相吻合。S 2吟地幌柱及其与板块间的关系5.地幔柱的构造从深部上升的地幔柱可以分为两部分，大而宽的头部及窄而小的尾部， 这是因为地幔柱低粘度及低密度的物质流上升时受高粘度的地幔物质阻碍 的缘故。地幔柱不仅是热流而且也是化学流，上升使得热传递会使小部分 周围地幔温度升高、密度变小，随地幔柱一起上升，地幔柱头部会因不断 包裹这种周围地幔物质而增大，若按地幔柱起源于D层计算，到达岩石圈顶部时，地幔柱直径可在1000km ；地幔柱尾部在上升时一般近于垂直，其 包裹上覆地幔物质的量很小，它的温度及成分均接近于地幔柱源
10、区。地幔中的水平剪切力可使幔柱变得倾斜，板块运动也可使地幔柱的运 动轨迹发生变化，如果地幔柱倾斜程度大于 60度，地幔柱将变得不连续， 不过地幔柱中的包裹物可以影响这一过程的进行。垂直的地幔柱具分层结 构，向上运动的物质流优先集中于通道内部温度最高和粘度最低的区域， 造成地幔柱中温度和粘度的分层；倾斜地幔柱由于内部对流的原因，温度、 粘度趋向于均一。地幔柱头部在到达岩石圈时就变得扁平，由于地幔柱内部的温度超过 橄榄岩固相线的温度，会产生大量的玄武岩浆。Morgan认为大陆溢流玄武岩正是地幔柱最初热扰动事件的产物，但它也可能是长期活动地幔柱头部 上方大陆裂谷作用的产物。Richard认为大陆溢流
11、玄武岩是地幔柱头部物质 部分熔融的产物，大洋岛玄武岩是地幔柱尾部部分熔融的产物。这种论断 得到了同位素年代学和地球化学的验证。裂谷作用并不一定伴随大陆溢流 玄武岩的喷发，大陆溢流玄武岩也不一定是岩石圈伸张的前奏，它与大洋 岛玄武岩均是地幔柱活动的一种变现方式。6.板块构造与地幔柱构造的关系近年来，随着地球深部地质和宇宙地质研究的额不断深入，人们逐渐认识到 板块构造所能支配的领域的局限性。多数学者认为，板块构造支配的领域仅限于 地球便曾的刚性岩石圈，而在板块的下方，绝大部分领域受地幔柱所支配。地幔 柱构造和板块构造是地幔内部两种不同形式物质对流的反映，板块构造受地幔内 部物质球状对流所支配，而地
12、幔柱构造是受穿过整个地幔柱的四分之三以上范 围。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具有更广泛的 支配领域和更重要的地质意义。然而，丸山茂德等等一些日本学者根据P波层析成像技术所得到全地幔内部 结构和对板块下插历史追踪的研究结果，认为地幔柱与板块并非相互独立，二者 构成一个统一的构造体系-全球构造体系。在它们的全球构造体系中，地幔柱 的上升、板块的水平运动和板块下插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。P波层成像显示，下插板块一直可沉降至670km深处并 在那里发生转变。由于670km处的相转变反应具有负的梯度，下插板块将滞留在 这个界面上。但由于相转
13、变的生成物粘性显著减小，滞留板块被软化，流动变得 不能再保持刚性状态，于是当板块的滞留量超过某一限度时，就会发生塌落。当 滞留板块下落到地幔时，为了补偿其下落部分，必然会从下部地幔产生向上运动 的热的地幔柱。因此，从全局上看，滞留板块的下落和地幔柱的上升必然是成对 现象。下落的滞留板块成为“冷幔柱”，上升的地幔物质称为“热幔柱”。地幔全 局性物质对流主要是有这种向下运动的冷幔柱和向上的热幔柱所支配。结论：（1）板块构造学说和地幔柱假说作为解释地球运动的两大构造动力学模 式，有各自的理论依据，解决了众多的地学问题，但也存在不足和局限性。（2）地幔柱还没有明确的概念，一些原被认为是典型地幔柱成因的
14、地学现 象，已有其他成因的解释模式。（3）板块构造学说和地幔柱并非相互矛盾，在许多方面可以互为补充、共 存，不能因为其存在缺陷而全面否定，应该不断地完善和发展。参考文献：1 汉水、海陆的变迁、万象奥秘、2008.12、62642 上田诚也、大陆漂移、海底扩张和板块/地幔柱构造、世界地震译丛、2006、 第 6 期、54733 王少怀、地幔柱假说及地质意义、地质找矿论丛、2005、第20卷、164 赵国春、吴福元、地幔柱来源于何处、地球物理学进展、1995、第10 卷、第 1 期、1251285 高明、陈亮、孙勇、论地幔柱构造与板块构造的矛盾性和相容性、西北大 学学报、2000、第30卷、第6期、5145176 张丽芬、张树明、Brewer TS、地球运动的动力学模式：从板块构造到地 幔柱、大地构造与成矿学、2005、第29卷、第4期、5515537 Park J、 Levin V、Seismic anisotropy: tracing plate dynamics in the mantle、 Science、 20028 Manga M、 Shaken、 Not stirred、 Nature、 2001、 410:1041一1043
