地幔柱存在的依据

从一些成熟的观察我们可推测地幔中至少有几个地幔柱, 这并不需要什么假设. 的确, 如果我们对地球早期热状态的假设合理的话, 那么用成熟的定量流体动力学模型不难预测地幔柱的存在. 一些其他重要的观察, 特别是溢流玄武岩和裂谷有关的岩浆活动, 也被证实与物理推论基本一致. 最近有人宣称用地震层析成像方法探测到地幔柱, 这应该说是地幔柱存在的最直接证据, 但地幔柱尾部很难被检测到, 因此该探测结果尚须进一步检验. 尽管地幔柱假说的可行性仍存在重要问题, 但地幔柱假说似乎很值得继续研究. 尽管如此, 许多与板块无关的岩浆活动与地幔柱的关系并不清楚或可能无关. 最近的研究表明化学组成造成的浮力变化会使得地幔柱动力学变得更复杂. 这可用以解释比纯热地幔柱更宽泛的现象, 包括“无柱头”的热点轨迹.     

板内洋岛玄武岩(OIB)成因的一些基本概念和存在的问题

板内洋岛玄武岩岩浆作用在成因上通常被认为与“热点”或“地幔柱”有关. 因此, 在讨论地幔柱假说时人们不可避免地要讨论为什么洋岛玄武岩(OIB)在地球化学上高度富集. 然而 OIB源区物质的来源至今并不十分清楚, 且颇有争议. 最流行的观点认为OIB源区物质是循环的古洋壳(ROC). ROC模型的诸多问题之一在于, OIB高度富集(如 [La/Sm]_PM >> 1)而洋壳则相当亏损( [La/Sm]_PM <1), 故循环洋壳不可能是OIB的源区物质. 另一个流行的观点认为OIB中富集的组分来自循环陆壳(RCC, 陆源沉积物). 尽管陆壳(CC)和OIB富集很多不相容元素(如[La/Sm]_PM >>1), 但是CC极度富Pb而贫Nb, Ta, P和Ti. CC的这一独特的地球化学性质强度很大, 若的确是OIB源区重要组成的话, 那它一定会在OIB有所显示, 然而OIB并不具有这种CC特征, 因此CC不会是OIB的富集组分. 板块运动和地幔对流允许玄武岩的地幔源区中有ROC和RCC存在, 但它们对洋岛玄武质岩浆作用的贡献微不足道. OIB不仅富集不相容元素, 而且越不相容的元素越富集. 这表明OIB中的富集组分是岩浆起源的, 而且最有可能与熔融程度很低的熔体的交代作用有关. 在地震波低速带(LVZ)中最初可能会形成一些富H2O和CO2熔体. 这些熔体由于浮力作用上升, 聚集在LVZ顶部形成一富熔体层, 交代正在生长的岩石圈, 形成交代脉岩等. 喷发的OIB熔体可能含有3个组分: (a) 占主导地位的来源于深部的“肥沃”易熔OIB源区物质; (b) LVZ顶部的熔体层; (c) 被同化的岩石圈中早期形成的交代脉岩. 很有可能源于深部的“肥沃”易熔物质本身就是(或包含有)循环的古老大洋岩石圈底部的交代橄榄岩. 在解释全球OIB数据所显示的多种地幔同位素端元的成因时, 我们必须牢记: (a) 最初的假设认为地核熔离后的原始地幔(PM)在成分上是均一的, 且地幔同位素不均一性与地核无关; (b) 在正确认识俯冲带变质作用对元素迁移/分异的影响之前不能用OIB同位素来推断源区物质的性质和组成; (c) 确保模型和假设与最基本的岩石学和主量/微量元素特征相吻合.     

地球动力学中的简单尺度关系: 压力在地幔对流和地幔柱形成中的作用

实验室数据可通过尺度关系(scaling relations)外推来探讨地幔过程. 在行星内部, 体积压缩是一个重要参数, 因此有必要探讨与体积压缩有关的各种物理量的尺度关系. 本文应用简单的体积压缩尺度关系将实验数据和上地幔的物质状态外推来预测下地幔条件下的物质行为, 这种预测在热力学上是可行的. 所用尺度关系类似于半协调逼近法. 俯冲板片和板块的空间尺度约几百公里, 时间常数约一亿年, 但依体积尺度关系推测, 这些参数值在深部地幔要高出几个数量级. 这些体积尺度关系意味着地幔深部的运动非常缓慢, 并保留有远古特征. 这些结果又意味着地球内部化学分层是不可逆的, 也不支持地幔柱假说.     

钻探勘察加-鄂霍茨克海基底:检验地幔柱假说的最终途径

<正>有关地幔柱的激烈辩论已有15年了~([1~7]).这个辩论的核心问题是:地幔柱是否存在,是否真正是地球热演化的一种重要动力学方式,还是人们用来方便解释某些地质现象的需要~([3])近年来的研究发现之前不少所谓的地幔柱并非地幔柱,而是一些零散的地幔熔融异常.尽管如此,这个辩论进展缓慢,远未达到共识.究其原因,障碍在于缺乏实质性的交流,往往是人云亦云.不少研究地幔柱的人对地幔柱假说的核心含义并不清楚,也有不少人并不明白岩石学、地球化学和地     

地球动力学研究中的几个问题

本文对地球动力学研究中几个感兴趣的问题进行了分析讨论:首先,从三个方面讨论了地幔对流问题,地幔对流学说可能不适用于地球的现演化阶段;其次,基于地幔柱学说提出了一种地幔物质运动模型;最后,涉及了液态外核问题,对其进行了简单的分析和讨论.     

牛顿流体小尺度地幔对流对海底地形与热流的影响

海底地形与热流观测值和岩石圈年龄的关系在小年龄段可用半无限空间冷却模型精确描述, 但在大年龄段存在显著差异. Parsons和McKenzie在20世纪70年代的研究中首次将该差异归因于岩石圈下小尺度地幔对流. 随后科学家们对小尺度地幔对流问题进行了大量研究, 但结果并不一致. 本文根据建立的垂直于大洋中脊的二维热对流有限元数值模型对小尺度地幔对流对海底地形与热流的影响进行了详细研究. 该模型的主要特点是采用开放边界条件, 从而可以避免原有封闭模型因回流问题而产生的复杂效应. 数据结果显示: 对黏性与温度相关的牛顿流体, 小尺度地幔对流可造成海底表面热流的增加, 但对海底地形影响很小. 这主要是由于小尺度对流会造成两种效应: 将地幔内部热量传到岩石圈底部并加热岩石圈从而使表面热流增加; 这一效应的必然结果就是第二效应——加速地幔冷却. 由于两种效应对海底地形的影响相反, 且效果相当, 所以小尺度地幔对流对地形几乎不产生影响.     

用火山岩制约南海的形成演化:初步认识与研究设想

同其他边缘海相比,南海海山众多,且分布广泛,记录了南海演化以及相关深部过程的重要信息.南海及邻区的火山作用可分成3期:南海张开之前(pre-spreading,>32Ma),张开期间(syn-spreading,32～16Ma)和张开期后(post-spreading,<16Ma).南海张开之前的岩浆活动(64～35Ma)主要局限在南海北缘和华南沿海一带,以双峰式火山岩为基本特征.南海扩张期岩浆活动在南海周边的分布非常少见,而主要分布于南海海盆,但由于海盆中沉积物非常厚,至今未获得该期岩浆的样品.南海扩张期后的岩浆活动广泛分布于中央海盆、西南次海盆、海南岛、雷州半岛、泰国、越南等地,以碱性玄武岩为主,少数为拉斑玄武岩,具有OIB地球化学特征,源于DM-EM2之间的混合地幔源,显示DUPAL同位素异常;火山岩中橄榄石斑晶的Fo含量达90.7%,表明火山岩可能是海南地幔柱活动的产物.南海及邻区新生代火山岩的时空分布可能与南海扩张过程中洋中脊对地幔柱的抽吸作用(ridge suction)有关,如是,南海海盆火山岩可能不是典型的MORB.但令人费解的是,华南大陆边缘-南海海盆的过渡带不具备火山裂解边缘(volcanic rifted margin)的特点.显然,地幔柱活动与南海张开之间的关系尚需进一步的研究.在南海重大研究计划的实施过程中,只有有效规划和组织海底火山岩样品的采集,并加强火山岩成因和深部动力学研究的联系,才能阐明深部过程与南海张裂演化之间的联系.     

地幔岩中微粒合金和还原气体

众所周知,被玄武岩等岩浆喷溢带到地表的地幔包体储存有相当丰富的深部信息.除了记录地幔熔融、交代、富化、亏损、气体成分等外,还可以提供其它可贵的信息,例如自然元素(金属、非金属)就是一个新的专门研究对象.它们的存在反映了在地幔中曾发生过极强的还原反应和断键事件(从硅酸盐、氧化物中被解离为自然元素).这是地幔岩中的纳米物质.在金伯利岩中不断发现自然元素(等,1981;赵磊、路凤香等,1994).然而在橄榄岩地幔包体中这方面研究现在只有零星的报道(Dawson J B,1980; Nixon P H,1987).臧启家等(1987)在宽甸黄椅山二辉橄榄岩中发现含Si的α自然Fe.     

新疆托云地幔单斜辉石微量元素与西南天山岩石圈深部过程

根据新疆西部早白垩世玄武岩中橄榄岩捕虏体单斜辉石的激光探针(LAM-ICPMS)微量元素分析结果, 分析了托云盆地陆下岩石圈地幔的性质及其所经受的部分熔融作用和地幔交代作用等深部过程. 塔里木盆地北缘(西南天山)中生代时的陆下岩石圈具显生宙的 "大洋型" 地幔特征, 经历了低于10%的部分熔融作用和复杂的地幔交代作用影响. 交代介质类似于含水的硅酸盐质碳酸岩熔体, 可能是SiO2不饱和的硅酸盐熔体与碳酸岩熔体叠加结果. 该地幔与中国东部新生代时的主体地幔性质相似, 但岩石的矿物颗粒总体较细、岩石中透辉石的总体含量较高、地幔显交代作用较明显.     

关于地幔柱大辩论

地质过程最终是地球热演化的结果.板块构造理论之所以能解释板块边缘所有地质现象,正是因为地幔冷却的缘故.例如,大洋板块在洋中脊形成,这些板块的运动和生长以及最终通过俯冲消减进入地幔是使地幔冷却降温的有效机理,从而导致大规模的地幔对流.地幔柱能解释如板内岩浆活动等另     

女山和英峰岭地幔巨晶矿物中He和Ar同位素特征及其地质意义

应用真空击碎释气进样和静态同位素比值质谱测量技术, 测定安徽省女山和广东省英峰岭新生代碱性玄武岩中地幔矿物的巨晶捕虏体(单斜辉石、石榴子石和钛铁矿3种巨晶)中He和Ar同位素组成. 结果表明, 中国陆缘上地幔的³He/⁴He值为7.99~8.58Ra, 具有MORB型地幔特征. 而⁴⁰Ar/³⁶Ar值为313~909, 显示地幔氩与大气氩二元混合的特征. 海洋板块的俯冲作用把海洋沉积物带入陆缘地幔, 是造成二元Ar同位素混合的地球动力学因素. 发现在钛铁矿巨晶中含有丰富的地幔流体包体和惰性气体.     

关于全球板块构造动力学机制的讨论

岩石圈板块早期的动力学机制--传送带模式,难以解释板块运动的特征.本文在简述近20年来板块构造学说新成果和新进展的基础上,着重介绍并评述了地幔羽和陨击作用诱发板块运动的新假说.     

浙江西垄地区上地幔流体性质的研究

碱性玄武岩所含幔源岩石包体中的流体(和岩浆)包裹体是能够向我们提供有关上地幔流体(及熔体)性质的唯一直接样品,也是了解和研究地幔深部地质作用(部分熔融作用、地幔岩浆作用、地幔交代作用)特点最重要的线索。本文将介绍笔者有关浙江省衢县西垄地区上新世-更新世橄榄霞石岩所含退化石榴子石二辉橄榄岩包体中CO_2流体(及岩浆)包裹体的最新研究成果,并试图确定存在于该区上地幔中流体(及熔体)相的性质。     

低μ值地幔的存在及其意义

多年来对大洋玄武岩和矿石铅的铅同位素研究结果反映,地幔的μ值在太古代以后,元古代以来有明显增长,也就是说,在壳-幔系统的演化中发生了铀相对于铅的富集,使得铅或铀的质量不平衡。对此,一些学者曾用铅作为亲硫元素进入地核加以解释。然而,最近的研究结果证明这一假说是不可行的。根据我们对中国东北钾质玄武岩的工作,并与最新发表     

从内核偏移到板块运动

以地球的圈层结构和质量分布为前提,可推出固态核不能稳定平衡于球心位置的结构,以内核对球内位置的偏移为前提,可推出液态外核中热对流不均的结论,以这两点为基础,可以建立一个简约然而自洽的全球运动模型,即：内核偏移引起外核中热对流结构不均→特定部位的地幔柱因差异活化而上升→－幔柱上升引起岩石圈新生和撕裂→裂解的板块漂移并会聚于新的位置,其质量导致的内核重新向这一方向偏移→引起新的对流不均,由此循环往复,形成一种确定和周期性的运动,它所具有的非线性特征,使地球运动的机制简单而行为复杂,地外因素可以暂时干扰或打断这一运动,但却不能改变它的永久规律。     

黑龙江富饶组上段凝灰岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄:一个最接近白垩系/第三系界线的年龄

白垩系和第三系(K/T)界线时期发生了显生宙最后一次大规模的生物绝灭和劫后复苏．自Alvarez等人根据UT界线的Ir异常提出生物大绝灭的小行星撞击假说后,K/T界线的精确时代、重大地质事件和生物大灭绝及其内在联系一直受到国际学术界的极大关注．K／T界限时期(约65Ma)的冲击石英和微玻球粒的广泛分布以及在墨西哥尤卡坦半岛发现同时代的Chicxulub陨石坑,使得撞击说得到了学术界越来越广泛的赞同．然而,另一些研究人员则认为由地幔柱引发的大规模火山岩喷发、地幔去气,     

华北克拉通破坏机制与古元古代板块构造体系

在对华北克拉通岩石圈地幔性质发生变化的物理、化学过程和时空范围深入研究的基础上, 探寻其动力学作用, 需要对华北克拉通岩石圈及其周围的地幔状态和构造有整体的认识. 从地震学研究构建的华北克拉通地壳、上地幔速度结构出发, 分析研究了岩石圈厚度、壳-幔边界性质、上地幔结构和变形的构造特征和变化规律; 结合岩石地球化学研究结果, 提出了华北克拉通上地幔流动模型. 我们认为: 主要是太平洋板块俯冲使东亚大陆下方地幔流动呈现快速和不稳定的特点. 这一独特的区域地幔流动体系促进了华北克拉通上地幔中熔流体含量的增加和岩石圈软化, 导致了华北克拉通不同地区分别以拆沉和热侵蚀为主的不同方式被破坏. 同时, 根据华北克拉通地壳记录的东-西块体碰撞拼合、古洋壳消减以及古陆壳残留的证据, 揭示了地球在古元古代已经进入与现今相似的板块构造体系.     

川滇古生代“热点”活动的信息及其地质意义

摩根(W. J. Morgan,1971,1972,1978年)等人的热点、地幔柱研究是板块学说发展的一大进步。摩根从重力特别高隆并与活火山的对应现象提出“地幔柱”这一概念。后来地球物理探测和地质表征的研究,证明了地幔柱确实存在。热点、地幔柱推测为圆柱状的深部地幔物质的上升流。如美国黄石公园地幔柱从400公     

中国东部裂谷系地幔脱气的氦同位素证据

大气中发现的放射性成因(~40)Ar和(~4)He被认为是地球内部放射性元素(如铀、钍等)自然衰变的产物经地球脱气进入大气圈的.稀有气体同位素组成及其相对比值是地球脱气理论和地幔地球化学演化很重要的地球化学指标,据此提出了地球脱气的连续性模式和突变性模式.地球脱气在时间上有突变性,在地理位置或大地构造位置上具不均匀性.大陆裂谷、大洋中脊、火山岛孤是地球脱气通量最大的地带.地球裂谷带不仅有大量挥发分从地球深部向外逃逸,而且有大量地球深部岩浆和热向上逸出.本文根据三十多个氦同位素数据和其他地球化学、地质学资料来讨论中国东部大陆裂谷地幔的脱气.     

新特提斯单向俯冲的动力学机制

新特提斯洋向北单向俯冲的机制涉及两个核心问题,分别是南侧冈瓦纳被动大陆的不断裂解和拼贴到欧亚大陆南缘陆块诱发的俯冲起始.本文统计了大火成岩省的分布规律,发现200～80 Ma期间,与地幔柱相关的大火成岩省主要分布于南半球,暗示该时期南半球地幔温度高于北半球地幔温度.在南北半球地幔温差和地幔柱/大火成岩省作用下,引起上覆岩石圈抬升、破裂,结合新特提斯洋的北向俯冲,共同诱发冈瓦纳大陆的多期裂解.由于南北半球地幔温差会造成地幔柱头岩浆向北扩散并与新特提斯洋中脊发生相互作用,在特殊情况下,会引发原来大洋中脊的堵塞和跃迁,形成新的洋中脊,促进了陆块不断向北漂移.在古特提斯洋闭合后洋壳持续俯冲引发的应力作用下,欧亚大陆南缘具有高含水特性的洋陆过渡带率先破裂并产生向北的俯冲起始.驱动新特提斯大洋岩石圈持续向北俯冲的动力,除俯冲板片的拖曳力/重力外,还应该包含南半球高地幔温度和洋中脊产生的向北推力.