地幔对流和地幔动力学分解课件

1、壳幔物质与深部过程是大陆动力学研究的关键科学问题之一。壳幔物质的组成与性质、化学与物理学控制深部过程及其动力学。壳幔内物质的密度差异驱动物质对流，温度差异驱动热对流，两者常常相互伴生。密度的大小既依赖于温度，又与物质组成、挥发份含量密切相关。对流或流动尚需一定的粘度条件。因此，壳幔物质在化学和物理学上的不均一性是对流的驱动力第三章、地幔对流和地幔动力学 本世纪初，魏格纳的大陆漂移假说震撼了整个地球科学，尽管魏格纳列举了大量的地质学、地理学、气候学和古生物学的证据，论证了我们这个行星的几个大陆在两亿年前曾经是一个古大陆，后来被分裂、漂移，形成了现代的格局。但当时大陆漂移学说却面临绝境，因为没有人

2、能够解释大陆为什么能漂移。与之相反，著名的地球物理学家Jeffreys从理论上证明固体的硅铝层地壳和硅镁层地幔之间存在的巨大摩擦力使大陆不可能漂移。 1、地幔对流假说的科学依据及对流模型然而，30年代物理学家霍姆斯提出的地幔对流作为一个地球物理学的概念和猜想却使得大陆漂移学说渡过了它最为艰难的时期。从20年代的大陆漂移到50年代的海底扩张、60年代的板块构造理论，板块构造这个革命性的理论对于人类认识自然的影响可以和16世纪哥白尼的太阳中心学说，17世纪的牛顿万有引力理论，19世纪后期的生物学进化理论和20世纪的量子力学和相对论相提并论。 1、地幔对流假说的科学依据及对流模型地幔作为地球结构中最

3、大的部分，成为研究中一个最重要环节。研究地幔对流在地幔中运行的模式，探讨它对地壳、岩石圈构造、运动，和对地核物质运动的影响，以及研究它们之间的相互作用已成为当代固体地球科学研究的最优先研究的课题之一。1、地幔对流假说的科学依据及对流模型 科学的发展和地球科学家们长期的努力，至少可以从四个方面去证实地幔对流的存在。 第一，无论从地质时间尺度去估计，还是从现在大地测量的数据，都证实了板块运动是一个客观的存在。从古地磁极的轨迹；大洋中脊磁条带异常；相对于热点的海山链的研究等资料确定可以定量地描述在过去两亿年地质史中最新一次板块构造运动的方向及速率（Minster and Jordan 1978；De

4、Mets etal，1990）。所以板块运动本身证明了地幔对流的存在，而且它是全球规模的。1、地幔对流假说的科学依据及对流模型第二，观测表明在过去近百年的历史中，北欧斯堪的纳维亚半岛和北美大湖区在不断地上升，而这两个地域在一万年以前曾被巨大的冰盖覆盖。由于气候的变暖，在几百年很短的时间中巨大的冰盖熔化消失了，随之产生了地壳持续地上升。自然，此种冰后期的地壳回升运动必定需要一个可流动的地幔的支持，以填补其由于地壳抬升而留下的空间。此种冰后期的回升现象证明了地幔中至少局部区域物质流动的可能。1、地幔对流假说的科学依据及对流模型第三，无论是天然地震还是人工爆炸产生的地震波是唯一可以穿透地球介质的射线

5、，地震波携带着有关地球内部结构、物质性质的信息。地震学家们利用地震波不仅发现了地球内部分为固体的内核、液体的外核、固体地幔和地壳等径向不均匀的分层结构，而且还发现了地球深层内部横向不均匀结构（Dziewonski，1984；Su et al，1994）。大洋中脊下部存在不断形成的洋中脊的热的物质；俯冲带下部存在延续到 670km甚至更深至 10001500km冷的物质；从核幔边界向上升起的地幔热柱可以直至地表而形成热点，这难道不是威尔逊循环的另一半吗？ 1、地幔对流假说的科学依据及对流模型第四，地球化学的资料使人们能看到的直接来自深部物质的结构和成分。大量数据表明这些物质可以来自地壳下部、上地

6、幔 670km间断面，甚至核幔边界。显然是流动的地幔将这些物质带至地表。总之，现代已有足够的证据证明地幔对流的存在 1、地幔对流假说的科学依据及对流模型 固体的地幔是否可能对流这一根本性的问题一直是地学家们最为关注的。因为科学家们从不希望把自己的研究建立在一个毫无物理依据的虚幻之上。物理学的法则告诉我们，重力场中热对流之所以能够存在，必须具备以下三个条件： l）组成系统的物质必须“软”到“足以流动”的程度， 2）系统内的温度梯度必须至少略大于组成系统的物质的绝热自压温度梯度， 3）有足够的能量以维持对流进行。 以下将就此三方面的问题作一简要地讨论。2、地幔物质发生对流的物理背景 2.1地幔粘滞

7、性地震学强有力地证明：地幔处于固体状态，因为它允许纵波（P）和横渡（S）通过。然而，实验物理学同时还证明：一个物体的力学响应不仅与物质本身结构有关，也与外界环境如温度、压力有关，同时还与加载力的持续时间有关。实验及观察都得出同一结论：地幔足够的软，容许对流存在。另外，固体物理学的理论和实验研究也为地幔粘滞性研究提供了有效的途径。2、地幔物质发生对流的物理背景 2.2地幔热状态地幔热状态和地球热演化历史有不可分割的联系，而地幔对流却与地幔热状态直接有关。因为地幔热状态不仅决定对流是否可能发生，而且也影响地幔的粘滞结构。Jeanloz和Richter（1979）研究地幔热结构时发现，在下地幔的顶部

8、，即670km深度左右的区域可能有500700K的温度跳跃，可能存在一个热边界层； 2、地幔物质发生对流的物理背景 2.3地幔热生成 Davies （1980）根据地球表面热流测量结果估算了全球热流约为4.11013W，Sclater等（1980，1981）估算出地球总热量为4.2X1013W。在地球总热量中约有0.450.65来自放射性元素衰变释放的热能（Davis，1980），而Schubert等（1980）则认为有0.650.85的地球总热流来自放射性物质的衰变。因此放射性物质衰变提供的热能成为维持地漫对流的主要能源。2、地幔物质发生对流的物理背景 2.4 相变地震波观测表明，在410k

9、m和670km深度上具有全球规模地震波速度间断面。在 410km间断面上，地震P波速度跳跃约为 5. 6，而在670km间断面上，P波速度最大变化可达7.5。间断面属于化学（物质成分）界面还是相变断面的争议尚未定论。 Anderson（1988）及 Duffy和 Anderson（1989）、Jeanloz及Knittle（1989）研究认为：410km间断面属于橄榄石a个相变，在 520km的深度上，则为R相橄榄石向尖晶石相的转换，而在670km间断面上，其尖晶石相转变为方镁铁石和钙钛矿相。在这一系列的相变过程中，伴随着放热和吸热，自然也会直接影响依赖于物质性质的对流的格局。 2、地幔物质发

10、生对流的物理背景 对流稳定性分析表明，对流可分受迫对流和自由热对流。所谓受迫流动意为流体在边界运动或者外部压力驱动下的流动，例如管道中液体的流动，河流的流动或者飞机附近气体相对于机体的流动等。而热对流却反映了流体在外部加热或内部加热情况下由于温度分布扰动而产生的流体质量分布扰动，从而在重力场作用下产生自由对流。冰后期回升和俯冲板块的角度问题则是典型的地幔物质受迫对流的例子。3. 外部力驱动下的地慢物质流动 3.1冰后期地壳回升及地幔粘滞性问题 冰后期地壳回升是一重要的地球物理现象，它反映了地壳均衡的动力学过程。用力学观念来描述，其表明了地球对于加载（冰盖）和卸载（冰盖消融）的动力学响应。观测表

11、明，一万年前北欧斯堪的纳维亚半岛和加拿大及大湖区被很厚的冰雪覆盖，在冰雪压力下地壳向下弯曲。后来由于天气变暖，冰盖在很短时间内消退，大约在公元前5000年时（加拿大则为公元前4500年），冰盖完全消失，此时原冰盖以下的地壳开始回升，同时由于冰雪消融使得附近的海平面升高。3. 外部力驱动下的地慢物质流动 3.2俯冲板块的角度问题 俯冲（消减）带板块俯冲是板块构造理论中的重要问题。利用地震学观测至少可以从三个方面探讨俯冲板块的几何形态、俯冲深度和俯冲角度。观测表明全球各大俯冲带俯冲角度在20到90之间，但大多数俯冲角度为45左右。一般物理学知识告诉我们，如果除了重力之外没有别的力作用于俯冲板块之上

12、，那么俯冲板块的角度应当接近90左右。 3. 外部力驱动下的地慢物质流动3.2俯冲板块的角度问题这与观测结果显然不同，表明必定有别的力作用于俯冲板块的上部或下部，托起下俯冲板块以保持俯冲角度。作为一个模型可以用地幔物质流动来讨论俯冲板块下插入“可流动”的地幔中产生的对流以及它们作用在俯冲板块上的力及重力矩的平衡问题（Fig.1）。以一定速度向下俯冲的板块可以延伸至无穷远并将地幔分成两个部分，岛弧角部分和海洋角部分。由此可以看出，无论是岛弧角方面作用于下俯冲板块上表面的吸力，还是作用其下面的托力都使其抗拒重力作用而保持一定的俯冲角度。3. 外部力驱动下的地慢物质流动作用于俯冲板上的力示意图（据T

13、urcotte and Schubert,1982） 3. 外部力驱动下的地慢物质流动3.2俯冲板块的角度问题地幔中可能存在五种形态的对流：1）全地幔对流；2）上地幔对流；3）层状对流；4）D”层中极小尺度对流；5）热柱对流。上述形态的对流都将影响地球表面的运动和构造。 4、地幔对流的结构模型地幔柱作为地幔热动力系统的一个单元，在地幔热动力学和岩石圈动力学中起了很重要的作用。但应注意的问题是：1）地幔热柱并不能作为全球板块运动的驱动力；2）与全球板块运动相比较，地幔热柱可以看作为一个不动的或极缓慢运动的系统，可构成一个不动的参考框架去描述板块绝对运动；3）因为地幔柱中物质垂直运动的速度比周围地

14、慢运动速度快得多，它将吸进一些D”层甚至地核顶部的物质并把它们带到上地幔甚至地表；4）地幔柱的活动是连续的，但是在地质时间尺度上它又具有一定的间歇性，这可以用以解释热点轨迹分布的图象。4、地幔对流的结构模型目前对D”层的认识：l） D”层为一个厚度 100一300km的薄层，它将地慢和地核分开；2） D”层通常被看作为全地幔对流的下热边界层；3）在D”中热传导是主要的热输运机制，它将地核的热量传给地幔，或者通过地幔热柱携带地核的热量到地幔上部甚至地表。4、地幔对流的结构模型俯冲带是板块构造中最为复杂的地域，岩石圈板块在这里将重新返回地幔之中，与之相伴随一系列重要的地质现象，例如：火山系、岛弧和

15、海沟系统、弧后扩张及边缘海、全球板块之间撞碰造山带以及地震带等等。有证据表明，在地球表面运行了近亿年的海洋岩石圈板块由于冷却的作用变得坚硬而致密。当它在重新返回地幔时其内部这一性质将保持很长的时间，至少可以保持到670km地震波速不连续面附近。俯冲板块内部的温度将一直保持低的状态。换句话说，俯冲板块内部的岩石密度将比周围大。俯冲板块内部重力负浮力将牵引俯冲板块向地幔中插入。 5、地慢对流、板块运动及俯冲带的演化当俯冲板块作为对流的一个组成部分俯冲入地幔深部之后，那么它到底可以保持到多深而终结或重新熔入地幔之中呢？尽管深地震震源深度显示，板块至少可以在700km深度上保持其冷而致密的特征，但是它

16、进一步演化又将如何？一种模型表明俯冲板块在670km断面上将终止，而且向水平方向延伸；第二种模型表明俯冲板块在 670km间断面上终止而且在此附近堆积；第三种模型显示了俯冲板块通过 670km 断面而插入地幔之中，至少可以在1000一1500km的深度上保持其相对冷而致密的特征。5、地慢对流、板块运动及俯冲带的演化地球化学资料证明，其地幔物质在横向上也不均匀，至少在上地幔是不均匀的。地幔存在许多同位素储体，如亏损大洋中脊玄武岩的地幔源储体（DM）和洋岛玄武岩储体（UIB ）等。地幔对流显然对地幔的不均匀起控制作用，因为只有对流才是一种可靠的搅拌器。它的作用使一个不均匀的地幔趋于均匀化。然而对于

17、地球而言，由于俯冲板块进入地幔之中又促进了新的不均匀性的产生。所以如果要使得地幔充分地均匀，必定有一个比现代板块运动所显示的更高效的对流系统存在于地幔早期混合的历史之中。6.地幔对流和地幔物质的混合现在地球科学家们已经认识到，大陆区域地质构造和运动受着深部动力学过程的控制。例如，在大陆内部或者在海洋板块中心地域的火山活动都和板块构造没有很明显的关系。这些火山活动区域称之为热点，就像夏威夷、冰岛、黄石、加拉帕戈斯和留尼旺这样的热点，它们与以大洋中脊系统和以平行于太平洋海沟的火山系统之间没有什么关系。7.热柱、地慢物质运动及全球气候变化地幔热柱在岩石圈板块内部或者是大陆内部的将产生大型的喷发性岩体

18、构造，使得大陆遭到破坏，同时也可能改变全球板块运动的格局。这些事件也可能引起严重的环境突变，导致生物的绝灭。因为火山喷发对于气候的影响是确定无疑的，例如 1815年Tambora火 山喷发之后立即在全球范围内出现了一个较凉爽的夏季，这是由于火山喷发出来的大量烟尘使得到达地面的太阳光能量大大地减少。 7.热柱、地慢物质运动及全球气候变化尽管人们对于深部活动所产生的构造运动以及产生的全球气候和自然环境变化的认识还很粗糙，但是我们至少已经意识到深部过程对于人类生存的环境产生了不可忽视的影响。地幔对流已经成为地幔动力学一个重要的组成部分，详细地研究对流以及影响将在未来地球动力学研究中起到关键的作用。

19、7.热柱、地慢物质运动及全球气候变化地幔柱的识别有四种标志可用来确定地幔柱活动：Komattites, flood basalts, massive mafic dike swarms and layered igneous intrusions（Isley and Abbott,1999）。最近又发展了一种标志：其它的高Mg火成岩（包括麦美奇岩meimechite和一些苦杆岩、橄榄辉玄岩ankaramites）是科马提岩显生宙的类似物（Isley and Abbott,2002）。7.热柱、地慢物质运动及全球气候变化超幔柱与幔柱之间区别 Condie（2001）把超幔柱定义为幔柱直径为150

20、0-3000km之间，喷发体积为5106km3或更大的称之。但这两种条件很难应用到古老的幔柱产物 High-Mg rocks as characteristics of superplume event，代表超幔柱活动的现代溢流玄武岩层序中有一半含有MgO18%的岩石（cf.Isley and Abbott,2002）溢流玄武岩:410,000km2为superplume event。Mafic dike:70m width为superplume event， 70m width为“normal”plume event。Superplume layered intrusions with higher platinum group element; 7.热柱、地慢物质运动及全球气候变化地幔柱地质过程（Ernst et al., 2001,Condie, 2001）1、上升作用(Swell and superswell）；2、大陆规模水系型式；3、三联点裂谷作用；4、大陆破裂；5、大陆、大洋溢流玄武岩省；6、巨型岩墙群；7、某些蛇绿岩；8、某些太古宙绿岩带；9、岩浆板底垫托作用； 10 岩石圈减落作用； 11 某些碳酸盐岩和金伯利岩。 7.热柱、地慢物质运动及