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幔柱构造动力

    地幔热柱(plume,地幔羽、热羽柱superplume等)通常与热点联系在一起。1963年,Wilson[27]在研究夏威夷火山链和其他六个类似岛链的起源时,首次提出了热点的观点。最初他识别出16个热点,但随后很快增加到21个。此后,根据不同的定义,不同的作者提出了其各自所识别的热点数目,如24个[28]、42个[29]和117[30]等。一些地学家由地表的热点分布推测了地幔中可能存在的热柱分布。Morgan(1971)[31]提出并参考人造卫星获得的重力资料在全球板块分布图上标出了20个高密度的热地幔柱的位置。Maruyams(1994)[32]提出了赋予热点和地幔柱以新内涵的“地幔柱构造”全球构造动力假说,认为超级大陆的裂解和拼合与幔柱构造作用有密切的关系。这种动力假说认为地幔对流主要由幔柱上涌和下沉所控制,当俯冲板块沉入地幔时,由于质量平衡可以使下地幔上涌形成热幔柱(hot plume),形如蘑菇云状,向上呈细颈或分枝。由于高热流值及伸展作用,使超级大陆产生破裂,逐步发育大陆裂谷及伸展大陆边缘,超级大陆裂解形成大陆岩石圈板块并漂移在超级大洋之中。当分布在超级大洋中的大陆岩石圈逐步聚合与碰撞时,岩石圈板块首先滞留在670km的深度上,然后凝聚下沉,形成冷幔柱(cold plume),最终使超级大陆拼合,并发育克拉通盆地。由于地幔热柱可认为是地幔对流的上升翼,反之,冷柱为下降翼。因此研究地幔热柱可以说是从另一个角度研究地幔对流问题。而热柱动力学研究也就不可避免地腰涉及到地幔对流研究的方方面面。近年来地幔热柱及其动力学研究受到国际地学界的广泛关注,相继提出了一系列的国际研究计划,从地球物理学、地质学、地球化学等学科对地幔热柱展开广泛而深入的研究[33]。我国的邓晋福等(1992)提出了地幔热柱头部产生平均直径500km的次一级隆起即“亚热柱”的概念[34];傅容珊等(2001)利用全球地震层析成像技术研究了地幔密度的横向不均衡及其与大陆动力学的关系;莫宣学、候增谦、牛树银、李红阳、卢记仁等(1996)对中国大陆板块地幔柱构造的研究[35~36]以及牛树银等(1996)在超级地幔柱、亚热柱基础上提出的“幔枝构造”等多级演化的观点,为地幔柱构造提供了重要的大陆地质依据。

    地幔热柱构造动力仍处于初步认识阶段,深部地球物理证据还不充足,地幔内的粘度状况不允许地幔物质呈自由的上升柱体存在(Runcorn,1980)[37];尚未有一个地幔柱在核幔边界的D″层产生的合理原因与相应证据。此外,按照基本的热传导物理定律,核幔边界的热量没有理由不是均匀的传导和扩散其内热,而一定要以两、三个“超级地幔柱”的形式传导地核热能。Bercovici(1989)将地幔对流构造动力与地幔柱构造动力相结合的三维数值模拟结果显示,柱对称结构是地幔上升流的唯一形式,地幔柱是地幔对流的一个组成部分[38]

    但是,全球的线性构造特征不仅表现在大洋地壳上的板块边界,而且在幔柱构造动力主要依据的大陆上也以线状构造为主,特别是延伸长达数千公里的大陆线状裂谷(如长达6500km的东非裂谷系、1600km的贝加尔裂谷系和数千公里的莱茵裂谷系等等),这些以幔柱构造动力的热柱顶部的“点状”出露是难以解释的。更重要的是,大量的地震层析成像探测结果均表明,热点、大洋中脊之下等被认为直达核幔边界的“热柱”,实际上却大多局限于400km以上的上地幔,有明显地震层析成像证据支持的深部上涌热柱很少且少数的深部上涌热柱的形成原因也是多解的。

    王仁(1998)在总结板块构造动力研究进展时指出:关于洋脊的推力问题,一般对位置较高的洋脊过渡到位置较低的洋壳产生的重力分量推动考虑较多,而对“地幔上涌流向两侧扩张的压力却考虑较少。……地幔流动与板块运动的关系现在还没有一致意见,有待进一步研究。与此有关的是热柱的驱动作用,同样存在着争论。”[26]

    地球大陆热机构造动力模式2003年,俄罗斯科学院通讯院士特鲁比钦从板块构造学说应用的问题最多、解释最为薄弱的大陆构造地质事实出发,主要根据地球内热在大陆岩石圈不同区域的热散失差异以及热的累计差异,提出了三维地球大陆热机构造动力模型:当在粘稠的液体上并不断被加热大陆,坐在像旋涡一样下降的冷流上漂移时,大陆下面很快便会形成上升的热流;上升的热流将大陆托起并向另一个下降的冷流的方向推动,从而使所有大陆相互靠近形成特大的大陆;随时间的推移特大的大陆下面又会形成新的热流,这一热流再将大陆分裂;如此聚合分裂的循环大约持续了8亿年;在这一复杂的变化过程中,大陆在不断重新分配热流,对于推动岩石圈的移动起了重要作用。运用该模型能够很好地解释包括联合古陆和其他超大陆的产生和消失过程,能够解释大陆移动过程、海洋、大陆和地壳的形成、地幔和大陆的压力等问题[53]


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