超级地幔柱研究进展

张俊峰 李葆华

(成都理工大学地球科学学院)



超级地幔柱研究进展

张俊峰 李葆华

(成都理工大学地球科学学院)

超级地幔柱的形成及动力学机制是地球科学研究的热点问题，在详细分析与地幔柱相关的岩石学、地球化学以及地球物理学研究成果的基础上，通过横向对比方法讨论了超级地幔柱的地球动力学研究进展，超级大陆的合并与裂解形式。研究表明：超级地幔柱物质主要来源于地幔及软流圈岩浆、板块俯冲作用形成的俯冲板片垃圾堆积体，能量主要来源于D层中核裂变热、后-钙钛矿→钙钛矿相变所释放的热以及地核热，最终因熔融程度不同以及地壳差异性而形成了不同的与地幔柱有关的岩浆岩和地表差异性的地质响应。

超级地幔柱 动力学机制 超级大陆 地质响应

当板块学说步入瓶颈期(如板块内部火山成因，绿岩带中长英质、镁铁质和超镁铁质的交替重复出现等)，地幔柱学说便应运而生，Wilson等[1]最早提出地幔柱概念，认为其起源于上下地幔边界或核-幔边界，温度高、黏性低，浮力迫使其上升。近年来Wolfe等[2]通过地震层析模型验证了上述界面存在上涌的地幔柱。赵子福等[3]认为由于地壳差异性的存在，即便在同一超级地幔柱的作用下也会有不同的地质响应，如超级火山喷发、大火成岩省、大规模基性岩墙群等。超级地幔柱的研究成为突破地球科学瓶颈期的重要手段，可为研究地球动力学机制、超大陆的合并与裂解、全球性生物灭绝事件以及超大型矿床的形成机制等提供重要的理论支撑。

1 岩石学与地球化学响应

洋岛玄武岩(0IB)通常被认为源于地幔柱，是识别地幔柱活动的主要标志，具有富集TiO2、P2O5、K2O、FeO、Na2O和低w(CaO)/w(TiO2)、w(Al2O3)/w(TiO2)值的特征[4]。典型洋岛玄武岩(OIB)属高钛玄武岩，熔融程度较低，产于远离地幔柱的大火成岩省外带，因其(Th/Ta)pm和(La/Nb)pm值均小于1 ，可据此验证玄武岩地壳物质的混染程度[5]，典型的洋岛玄武岩(OIB)与地幔柱关系密切，稀土元素球粒陨石标准化图解表现为右倾曲线[6]。而低钛大陆溢流玄武岩形成于地幔柱轴部持续减压熔融，且熔融程度较高，分布于地幔柱核部、大火成岩省内带(表1)[7]。

表1 与地幔柱相关的岩石基本特征

碳酸岩属碳酸盐矿物体积含量约占1/2以上的超基性岩，富含碱质，常见钠质、钾质霓长岩化作用，具有高Sr、Ba、Th、U、Nb、Ta、LREE、w(LREE)/w(HREE)，低Zr、Hf、Ti、HREE的特征[8]。碳酸岩同位素组成可反映源区特征，总体具有较地壳高的Sr、Nd含量，较地壳低的Pb含量，Sr-Nd-Pb同位素组成的截然不同以及富SiO2、Fe、Mg、Al、Ti、P等氧化物，贫CaO、CO2等为与碳酸盐岩的主要区别[9]。前人据Sr-Nd-Pb同位素研究成果，认为碳酸岩与地幔柱关系密切。近年来，有关碳酸岩来源的争议主要有碳酸盐岩浆直接结晶、CO2热液交代碱性岩或超基性岩以及富CO2热液充填围岩裂隙，但因岩石圈同位素的不均一性，其交代作用必定发生于岩石圈[10]。碳酸岩作为岩石圈薄弱带的标志，先于大陆溢流玄武岩喷发，熔融程度低，产于地幔柱边缘处[11]。

2 地球物理学响应

随着地球物理学的快速发展，地震层析成像方法成为研究地幔动力学的重要方法。地幔柱在地震剖面上表现为反射凌乱、能量弱的白轴、相对均匀的弱反射、呈团块状和柱状等，边界呈不规则火焰状且常发育上凸的弧形反射，与周围地质体呈侵入接触关系[12]。Maruyama等[13]利用层析成像方法揭示了当今地球存在2个巨型柱状低波速异常体和一个宽阔的高波速异常体，即2个巨型柱状地幔上涌流(太平洋超级地幔柱和非洲超级地幔柱)和一个西太平洋—东亚超级地幔沉降流，因俯冲带为物质循环回地球内部的唯一路径，两者构成目前全球地幔对流的主要样式[13]。Zhao等[14]据地震P波层析图像，发现地幔转换带与核-幔边界之上均存在高波速异常体，前者为停滞于地幔转换带中的俯冲板片，后者为俯冲板片的垃圾堆积体，在全球核-幔边界上堆积的俯冲板片垃圾堆积体分布图上发现俯冲板片堆积体环形分布于现今两大超级地幔柱四周，即2个超级地幔柱分别位于高波速异常区中心。

3 超级地幔柱动力学机制

有关超级地幔柱起源，部分学者认为其起源于上下地幔边界，部分学者认为岩石圈破裂时软流圈物质被动就位。目前，广为接受的是超级地幔柱起源于核-幔边界的观点[15]。超级地幔柱的能量主要来源于具移动特性且厚达200～300 km的核-幔边界D层，随俯冲板片带入的放射性元素裂变产生的热、后-钙钛矿→钙钛矿相变释放热以及地核热共同为超级地幔柱的形成提供了能量。部分学者因俯冲板片与地幔存在密度差异，认为超级地幔柱的能量来源于核裂变，否认了放射性物质裂变热及相变热[16]。上述热量熔融巨量的俯冲板片堆积体从而形成熔体及小地幔柱。该类高密度、超低波速熔体作为上层与地(外)核的金属层发育成为“反-地壳”构造，在地表由上至下依次为板块水平运动→地幔柱垂向贯通→“反-地壳”水平运动[17]。

在超级地幔柱形成过程中，水发挥了举足轻重的作用。部分学者验证了地幔中含水矿物、硅酸盐及其他地幔矿物中均广泛赋存大量水[18]。虽然近乎新元古代之后地表水开始被俯冲板片带入地幔转换带，但若通过板块高角度俯冲作用，可使下地幔赋水量为地表水量的5倍 ，经相关计算，每年约11.2×108t海水被带入地幔。因受板块俯冲速率的制约，巨量水并未能在浅部完全脱去，继而在地幔转换带继续脱水[19]，其释放的流体导致地幔黏度降低，最终促进了小地幔柱联合形成低黏度超级地幔柱[20]。随后超级地幔柱上升对岩石圈进行底劈作用，下地壳某些地块或碎块会发生拆沉作用[21]。地幔柱和岩石圈的性质造成不同程度的岩石圈减薄，相关学者验证了弧后岩石圈在超级地幔柱的作用下在5～10 Ma内迅速减薄[22]。另外，随着底劈作用或底侵作用的进行，上地壳也会产生拆离构造和滑脱构造，导致上地壳大规模的物质滑移，致使地壳减薄。Bedard 等[23]认为底劈作用或底侵作用时铁镁质地壳中的高密度残留体在超级地幔柱减弱时会沉入核幔边界，从而诱发二次地幔柱作用。而Wyman等[24]、Boschi等[25]据地幔柱源头会随D层移动对此提出了质疑。同时岩石圈的热量自下而上传递较慢以及地幔柱源头不停地随D层移动而不固定，则解释了部分学者所质疑的地幔柱作用的地幔区和高热层并不对应的问题。最终超级地幔柱导致了岩石圈减薄甚至地壳减薄，并在构造薄弱位置形成了超级火山喷发、大陆溢流玄武岩、大规模基性岩墙群[3,26]以及地幔热柱的第三级或更多级构造单元(如幔枝构造等)[27]。

4 超级大陆的合并与裂解

始于太古代的大陆碰撞和裂谷作用重复上演，导致大陆周期性拼合成的大型陆块，被称为超大陆。超大陆合并→裂解→合并→裂解周期约200～500 Ma。超大陆的合并及裂解与大规模地幔对流重组密切相关，超大陆汇聚之后的地幔重组在较短的时间内即可完成。超大陆旋回并不具有周期性，且旋回的时间间隔将会越来越久[28]。

4.1 超级大陆的合并与裂解模型检验

就超大陆与地幔对流的关系，Zhong等[29]曾提出2种模型，一种模型是在一个半球存在超级地幔柱，大陆消失时在另一半球出现超级沉降流，属与大陆汇聚有关的一维平面图；另一种是当超大陆出现时，有2个对极超级地幔柱出现，属与大陆裂解有关的二维平面图。二维数字模型揭示了超大陆之下的地幔对流重组现象[30]，认为超大陆由其下方的超级地幔柱支配，在相对极为超级沉降流。超大陆裂解后裂离的陆块在相对极的超级沉降流之上汇聚成新的超大陆，由于“热毯效应”[31]，新的超大陆会再次趋于受上涌柱所控制。在200 Ma内，超大陆之下发生大规模地幔流动诱使整个地幔流动，再次在相对极出现超级沉降流，周而复始，即超大陆被超级地幔柱裂解、裂离的大陆块汇聚于超级沉降流→新超大陆下的超级沉降流转化为超级地幔柱→新超大陆被超级地幔柱裂解。因大洋地热等温线高于大陆地热等温线，Santosh等[32]对“热毯效应”观点提出了质疑。但由于岩石圈热量传递较慢[22]，裂谷与大洋张开更多的是地幔柱作用的结果，以及地幔柱源头随D层不停移动，或许可解释洋壳为何具有较陆壳高的等温线。部分学者采用三维数字模型对超大陆的合并与裂解进行了探讨[33]，重现出了整个Wilson旋回，且该旋回的时间尺度与地质标志推断结果相符合，然而因该模型中陆块边缘弱带是被事先强加于超大陆模型中，因而无法解释超大陆的裂解机制。

4.2 超级大陆合并与裂解成因

超大陆旋回与超级地幔柱引发的地幔对流密切相关，每隔200～500 Ma，大陆趋向于向超级沉降流聚集并形成超大陆，超大陆形成后地幔对流开始重组，在超大陆下部形成超级地幔柱，进而最终破坏超大陆，超大陆裂解成陆块漂移开来，稍大的陆块易抵制底部侵蚀作用，稍小陆块易遭受破坏，厚度直至减至约220 km[34]。

超级地幔柱与超级沉降流的共同作用促使超大陆发生合并与裂解。超级地幔柱裂解了超大陆，在特定区域形成大量俯冲板片垃圾堆积体[35]，进而在该区域形成超级沉降流，裂开的陆块受超级沉降流的拖拽作用分散开来。之后超级沉降流受D层放射性元素核裂变热、相变热以及地核热对区域的俯冲板片垃圾堆积体产生的熔融作用，从而形成熔体和小地幔柱，小地幔柱在水的参与下联合成超级地幔柱(现今的南太平洋超级地幔柱和非洲超级地幔柱)，超级地幔柱再次通过俯冲作用形成大量垃圾堆积体，最终在堆积体集中部位(现今的西太平洋-东亚超级沉降流)形成超级沉降流，实现超大陆的合并。

超大陆实现过程包括3种构造运动，即外部向内、内部向外以及两者结合。冈瓦纳古陆的形成机制被认为属于“内部向外”，而部分学者认为超大陆的实现过程属于两者结合的构造运动，在超大陆旋回中，小型非均质热源导致深部地幔对流，而大型上涌地幔柱间歇地产生于漂浮的大陆或超大陆之下[36]。另有最新研究表明，双向或多向俯冲带(现今西太平洋—东亚地区)的形成增加了下降流产生的可能性，所围限区域内的地幔较周围区域有更强烈的下沉现象，形成更大的超级沉降流带，最终加快了紧密超大陆的形成[37]。马学昌[16]曾推测西太平洋地区为下一个超大陆——阿美西亚大陆(Amasia)聚合的前缘地区。

5 结 论

(1)超级地幔柱的物质来源主要为地幔及软流圈岩浆、板块俯冲作用形成的俯冲板片垃圾堆积体等。能量来源主要为俯核-幔边界处D层中俯冲带带入的放射性元素核裂变热、后-钙钛矿→钙钛矿相变所释放的热以及地核热。

(2)核-幔边界小地幔柱因巨量水的加入导致黏性降低，易于联合形成超级地幔柱，并在构造薄弱位置通过底劈或底侵作用促使岩石圈减薄，并因熔融程度的不同而形成了不同的与地幔柱有关的岩浆岩(如低/高Ti玄武岩、碳酸岩、金伯利岩、苦橄岩等)，因地壳的差异性而出现了不同的地质响应(如裂谷、超级火山喷发、大陆溢流玄武岩、大规模基性岩墙群以及地幔热柱的第三级或更多级构造单元等)。

(3)D层具移动特征，岩石圈受拆沉作用而产生的残留体不可能沉入地幔中再一次引发地幔柱作用。地表热响应速率受地幔柱属性、岩石圈性质以及D层移动速率的影响。

(4)超大陆旋回不具周期性。超级地幔柱促使超大陆裂解，超级沉降流促使超大陆形成，超级沉降流可转变为超级地幔柱。超大陆的裂解并非由“热毯效应”造成，而是被原本拖拽超大陆合并的超级沉降流中的巨量俯冲板片垃圾堆积体所触发。

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2016-06-01)

张俊峰(1991—)，男，硕士研究生，610059 四川省成都市成华区二仙桥街道。