《地幔柱构造学说》PPT课件.ppt

地幔柱构造学说,地幔柱构造学说，是一种地球内部物质运动 方式和全球动力学假说，是以支配地幔大部分领 域的地幔柱垂直流作为物质主要流动形式的大地 构造学。 地幔柱构造假说被认为是继大陆漂移和板块构 造假说之后人类认识地球的第三次浪潮。,1963年，提出热点的概念； 1971年，提出地幔 柱的概念； 1991年， 提出超地幔柱概念； 1992 年， 提出冷地幔柱的问题，并开始对地幔柱与 板块构造的关系进行初步分析；1994年，提出地 幔柱构造学说的概念，以及全球构造概念的热地 幔柱上升与板块俯冲的冷地幔柱下降的模式，并 认为地幔柱构造概括了地球表层的岩石圈板块构 造、深部主体的地幔柱构造、地核的生长构造， 把板块构造和地幔柱构造作为地幔热对流的两个 端元。,第一节 地幔柱构造 第二节 地幔柱构造学说与板块构造的关系 第三节 地史时期的地幔柱 第四节 白垩纪中期的超地幔柱事件,第一节 地幔柱构造,地幔柱构造，是地幔中受几个大的、垂直的地 幔柱流控制的动力学区域。这几个地幔柱流就是 南太平洋和非洲的两个上涌的热地幔柱和中亚、 东亚的一个下降的冷地幔柱，它们占地幔体积的 3/4，在地幔主要部分起支配作用，控制着地幔 之上的热作用和构造再造等动力学过程。,现代地球中超级地幔柱示意图,南太平洋和非洲地区存在的两个巨大低波速异 常带，对应着两个热地幔柱；在中亚和东亚地区 下部的外核上面存在的高波速异常，是由大洋板 片聚集、滞留并最终塌落到外核上形成的，对应 着一个冷地幔柱。 热地幔柱、冷地幔柱的对流，是地球内部热传 导的主要形式，并且可能贯穿于地球的整个演化 过程。,热地幔柱的上升，导致岩石圈减薄和超级大陆 解体，以及大陆岩石圈构造体制向大洋岩石圈构 造体制转化，对应着热点、裂解的超级大陆、大 陆裂谷、大洋扩张、伸展盆地、变质核杂岩、剥 离断层等各种张性引张伸展离散环境； 冷地幔柱的下降，引起超级大陆聚合、大陆裂 谷夭折造山和洋壳俯冲消减碰撞造山，以及大洋 岩石圈向大陆岩石圈构造体制转变，对应着大陆 聚合、俯冲、逆冲推覆、碰撞造山等各种汇聚 碰撞挤压环境。,一 热地幔柱和冷地幔柱的概念,1 热地幔柱 热地幔柱是由地幔热物质构成的上升地幔柱。 P波层析成像显示，地幔柱有D”层和400 km深度 的上地幔两个来源。来源于D”层的地幔柱又有 两种类型，一种是直径约为5000 km超地幔柱， 另一种是底面直径小于500 km小地幔柱。 起源于D”层、直径达5000 km的热地幔柱，目 前全球有两个，分别位于南太平洋和非洲下面。,太平洋形成位置,一般认为，太平洋是罗迪尼亚超级大陆在600 700Ma前由西伯利亚、北美和澳大利亚之间通过的RRR型板块三联点扩张而成。 这个RRR型板块三联点当时的古纬度为2030S，与目前南太平洋热地幔柱的纬度类似。,南太平洋热地幔柱，呈蘑菇状坐落在下地幔的 D”层上；在2000 km深度处呈圆柱状，最小横直 径约为1500 km；到670 km的深度变为SN向延 伸的椭圆形伞面状，并在上地幔中分成几个二 级地幔柱；这些二级地幔柱在刚性板块中分成 几个三级地幔柱，把玄武岩熔体搬运至地表。其 中一个三级地幔柱向北延伸，并与夏威夷热点 相连；向南延伸的分支通过路易斯维尔海岭与 南极洲埃里伯斯海山的热点相连。,中央泛大陆热地幔柱链,非洲热地幔柱是导致200Ma前非洲大陆从冈瓦纳大陆裂解出来的热地幔柱，它与其它几个也源于核幔边界的热地幔柱共同组成中央泛大陆热地幔柱链。大西洋的形成和这个热地幔柱链有关，大西洋中脊可能由其中的某个热地幔柱产生。,在地球的早期演化历史中，热地幔柱的活动 起着主导作用。随着地球演化，热地幔柱活动 有所减缓。热地幔柱经过地幔上升到冷的岩石 圈底部时，呈蘑菇状或伞状向外拆离，形成巨 大的球形顶冠，其直径可从几百km至几千km， 可引起地壳的上隆、减薄、伸展、大陆解体、 洋壳增生等，甚至大规模的溢流玄武岩喷发。 同时，还可能伴有区域变质、地壳重熔、构造 变形等，甚至引起全球气候变化、大地水准面 升降和生物灭绝等。,二 冷地幔柱 冷地幔柱是由滞留在上、下地幔界面附近的 板片构成的下降地幔柱，是以巨石状下落的物 质移动。 板块在大洋中脊产生，在海沟处插入地幔深 部。俯冲板块插到670 km的深度时，由于受到 下地幔粘度增加和相变吸热等因素的影响会产 生强大的阻力，使板块近似水平地暂时滞留在 670km深的不连续面上。滞留的板块随时间生 长，并在其超过临界体积时开始塌陷，最终塌 落在地核表面上，形成冷地幔柱。,俯冲板块从地表连续至670 km间断面，并因厚度增加部分板块已插入到670 km间断面的下面,板块从地表连续插入下地幔，达到1200 km深度,板块与上面不连续，一个大的块体正在下沉至10001500km深度,现代无活动的俯冲板块，在670 km处滞留的板块是l00 Ma前板块俯冲造成的,滞留板片下落到下地幔时，为了补偿其下落部分，必然会从下地幔向上地幔产生上升的地幔柱。即从全局来看，冷的滞留板片的下落和热地幔柱的上升必然是成对的现象。这样，两个超上涌流和一个超下降流就构成了现代地球中主要物质和热对流的方式。,冷地幔柱数量变化、超冷地幔柱的诞生,二 地幔柱构造体系,地幔柱构造体系是指地幔柱构造地质作用过程 及其地质产物所构成的地质整体，包括热地幔柱 和冷地幔柱两个构造体系，分别构成引张构造体 系和挤压构造体系。,热地幔柱和冷地幔柱直接制约和决定了地球演 化各阶段引张和挤压两大构造动力体制，从而制 约和影响着地球浅部的各个圈层。 热地幔柱和冷地幔柱之间的相互制约与转化， 又决定了引张和挤压两大构造动力体制的相互制 约与转化，呈现出热点、大陆裂谷、大洋扩张等 引张构造与俯冲、碰撞、造山等挤压构造的演化 和复合叠加。,1 热地幔柱构造体系,热地幔柱构造体系，包括热点、大陆裂谷、大 洋扩张三个构造系统。三者既可呈现出早、中、 晚三阶段演化关系，又可相互独立自成体系。 如，热点、大陆裂谷各自独立发育于地球演化的 各阶段，大洋扩张构造系统可能主要发育于显生 宙。,热点构造系统 是指热点构造作用过程及其产物所构成的有机 整体，发育于地球演化各地质时期。 热点构造系统包括大陆内部非造山热点环状或 放射状构造岩浆活动区(碱性花岗岩、层状镁铁 质杂岩、碳酸岩、碱性岩、超基性岩、斜长岩 等)、大陆内部热点轨迹、大陆内部热点头尾构 造物质时空演化等构造系列和大洋洋岛岛链热 点轨迹构造系列.,大陆裂谷构造系统 是指大陆裂谷构造作用过程及其产物所构成 的有机整体，广泛发育于地球演化各地质时期， 特别是元古宙，与超大陆旋回大陆解体构造作用 及产物相对应。 大陆裂谷构造系统包括三联点、夭折、坳拉谷 等各种陆内、陆间裂谷构造系列。,大洋扩张构造系统 是指大洋扩张构造作用过程及其产物所构成的 有机整体，发育于显生宙，主要表现为大洋扩张 的离散板块边界构造作用及其时空演化的产物。,2 冷地幔柱构造体系,冷地幔柱构造体系主要包括显生宙硅铝壳 洋壳造山构造系统和前寒武纪硅铝壳造山构造 系统，前者又包括硅铝壳洋壳碰撞造山构造 亚系统和洋壳俯冲岛弧构造亚系统。,三 地幔柱构造的多级演化,在空间上，地幔柱构造可分为三个层次： 近地表的表皮板块构造； 中间的地幔喷流柱； 深部的地核生长构造。,地幔柱从核幔边界的D”层上升并颈缩变 细，到达地幔的中部后向上地幔底界逐渐扩展； 在上地幔底界附近，巨型地幔柱停滞并分裂或分 技城成有一定间隔的二级地幔柱，它们的位置、 间隔和位移与上地幔内先存的区域条件密切相 关；二级地幔柱向上喷涌并再次变细，到达岩石 圈底界再次扩展；由于岩石圈对地幔柱上行起着 一种附加的热力学障壁作用，二级地幔柱沿板块 的断裂或薄弱地带再分裂成三级地幔柱，或随着 在岩石圈内浮力和热能的耗尽而平息。这种地幔 柱从下到上、从大到小、分级逐次发展演化，构 成了地幔柱构造的多级演化。,超级地幔柱的颈缩膨胀构造,第二节 地幔柱构造学与板块构造的关系,板块构造主要涉及地球岩石圈的构造运 动，而地幔柱构造假说则提供了一种解释固 体地球不同圈层间相互作用的动力学框架； 板块构造主要讨论板块的水平运动，而 地幔柱构造假说则主要讨论地幔内部的垂直 运动；,板块构造学说对发生在板块边界的现 象能作出很好的解释，对远离板块边界的 现象，如大洋火山链和大陆溢流玄武岩， 则不能很好解释，而地幔柱构造假说则能 对它们作出很好的解释。,在俯冲带未发育时，板块构造受上升 地幔柱构造控制，如大西洋就是由中央泛 大陆超地幔柱链的上涌而张裂的，大西洋 内的板块驱动力可能是核幔边界成因的 地幔柱； 当俯冲带发育时，板块构造就不受上升 地幔柱构造约束，如在北面有俯冲带的印 度洋和两侧都有俯冲带的太平洋，洋中脊 与超地幔柱没有关系。,地幔柱构造与板快构造之间的关系,金星表面温度高达470，不存在板块之类刚 性盖层，但存在一些环状构造，它们可能是金星 的地幔柱作用于其表面的结果。如果地球形成后 不久也具有高温表面，初期地球也不存在刚性板 块，这个时期地幔柱起着更重要的作用。地幔柱 的作用形成地球刚性岩石圈之后，板块构造才起 重要作用，但即使在这一时期，地幔柱构造仍起 重要作用。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起着更重要的作用。,地幔柱构造与板块构造的作用的区域不 同。板块作为一刚性固体块体起作用的区域， 沿消减板块边界浅于670 km、沿发散板块边界 浅于150 km。地幔柱构造则在岩石圈下面的软 流圈和中圈内起控制作用，地幔柱构造作用还 涉及地核。,板块构造学说对威尔逊旋回每个阶段的解 释，没有提供关于所有大陆为什么会聚集在一 起形成超大陆的满意推理。地幔柱大地构造学 对威尔逊旋回作了重新解释。,（a）因超级地幔柱的上涌，超大陆裂开。在大陆分散期间，俯冲带在地球表面相当任意地发育，它们提供冷物质(板块)进入地幔，成为位于670 km深度处的停滞岩块。那些冷物质适时地发生周期性重力塌陷，在下地幔形成任意分布的下降流。一旦吞没了较小规模冷地幔柱的巨大而规则的下降流形成，所有大陆岩石圈就会朝冷地幔柱移动，形成一超大陆。,（b）由于停滞岩块具有随时间下沉的趋势，在超大陆核部可产生巨大的克拉通沉积盆地。,（c）下沉岩块挤压的结果，一条热超地幔柱可在超大陆的核部发育。,第四节 地史时期的地幔柱,地幔热流体的大量上升和地幔柱头的上顶，在 岩石圈底面造成局部熔融，岩浆向上侵位引起岩 石圈上部形成放射状张裂，有时还可以使原来的 一个岩石圈板块张裂成几个板块，由于岩浆的大 量上涌不断推动板块在水平方向上朝四周扩张、 裂开。 受地幔柱控制的大规模岩浆活动，当岩浆喷出 地表时就形成分布面积十分巨大的溢流玄武岩 区，侵入到近水平的界面中就形成大范围的岩 床，而在其下部常沿着陡倾斜的放射状张裂隙形 成岩墙群。,一般认为，大型火成岩省是地幔柱巨大的 “蘑菇”状顶冠到达地表形成的。大型火成 岩省的特点是成分上以基性岩为主，体积 巨大，出露面积多数大于1l06 km2，且主 要在3Ma甚至1Ma的短期内喷发，其出露 地区的地壳厚度一般也较大。按照大型火 成岩省的出现位置，可进一步分为位于大 陆内部的大陆溢流玄武岩、位于大陆边缘 的火山型被动陆缘或位于大洋中的洋底高 原。,在地貌上，当地幔柱头部上升至大陆下， 在大规模火山活动前可使地表隆升多达 l km左右，产生上千km2的穹隆，相应的 地表水系均表现为向穹隆边缘流。这种特 征地形和水系在地幔柱上升200Ma多年后 仍能有所保存。 而在大洋中，受地幔柱/热 点影响的区域，表现出大洋内隆起几百至 上千米的火山岛或洋底高原。,研究地史时期的地幔柱，特别是要判断地质历 史比较久远时期存在的地幔柱，常常碰到证据 被破坏或证据不够充分的困难。例如，根据北 美大陆呈扇形分布的1267 Ma时期岩墙群朝西北 方向收敛的特征，可以推断古地幔柱可能处在 靠近北极的加拿大地盾的西北部，但其它证据 不足； 在250Ma时期，西伯利亚发育着最大规模的大 陆溢流玄武岩，其覆盖面积达2. 5106 km2，体 积21063106km3，但地幔柱的位置至今未 获得统一的认识；,相比之下，中生代以来的几个超级地幔柱的证据