地幔中三種不同類型的熱點(diǎn)

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流地幔中三種不同類型的熱點(diǎn).精品文檔.地幔中三種不同類型的熱點(diǎn)摘要：自熱點(diǎn)理論提出以來，對熱點(diǎn)的來源一直存在爭論，經(jīng)典地幔柱理論認(rèn)為熱點(diǎn)是來自核幔邊界地幔柱在地表的表現(xiàn)形式，而“非地幔柱”學(xué)派卻認(rèn)為熱點(diǎn)是巖石圈拉張破裂的被動相應(yīng)。Vincent Courtillot將地球上比較著名的49個熱點(diǎn)分為三類：只有7個來自下地幔的深部Morgan熱點(diǎn)，其中3個位于太平洋半球，另外4個位于印度洋-大西洋半球；約20個來自穹窿頂部轉(zhuǎn)換帶底部；剩下的約20個熱點(diǎn)是巖石圈破裂的被動響應(yīng)Anderson熱點(diǎn)。很多學(xué)者的研究表明Morgan熱點(diǎn)在各自的半球是一個相

2、對固定的參照系，而位于不同半球的Morgan熱點(diǎn)間存在緩慢的相對運(yùn)動。第二類熱點(diǎn)火山軌跡較短、缺乏溢流玄武巖，是次級地幔柱所形成的熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞：Morgan熱點(diǎn) Anderson熱點(diǎn) 原始地幔柱 次級地幔柱引言：板塊構(gòu)造理論的提出，成功地解釋了發(fā)生在板塊邊界附近的火山活動。然而它并不能解釋位于板塊內(nèi)部和板塊深部的火山活動，首先使板塊構(gòu)造理論受到挑戰(zhàn)的兩個突出地質(zhì)現(xiàn)象是大洋熱點(diǎn)火山鏈和大陸溢流玄武巖。Wilson (1963)根據(jù)夏威夷海島及其西北部海山逐漸變老的現(xiàn)象，提出了熱點(diǎn)假說1。他認(rèn)為這些熱點(diǎn)相對靜止,并將熱點(diǎn)作為板塊運(yùn)動的參照物。之后，Morgan(1971)正式提出了地幔柱假說，認(rèn)為

3、Wilson的熱點(diǎn)是起源于地球核-幔邊界的地幔柱在地表的表現(xiàn)形式2。自地幔柱（熱點(diǎn)）理論提出之后，關(guān)于熱點(diǎn)的來源一直存在爭議，而這一爭議可能是近20年來眾多學(xué)者反對地幔柱構(gòu)造理論的根本原因。關(guān)于熱點(diǎn)的來源主要有幾下幾種觀點(diǎn)：因地球巖石圈應(yīng)力釋放而形成的熱點(diǎn)3；來自下地幔深部的原始熱點(diǎn)2；由于次級地幔柱形成的次級熱點(diǎn)4；Anderson熱點(diǎn).Anderson認(rèn)為淺部的與板塊運(yùn)動有關(guān)的壓力可以使巖石圈破裂，從而導(dǎo)致巖漿沿著這些裂縫上涌產(chǎn)生火山活動。他認(rèn)為所有發(fā)生在板塊內(nèi)部的火山活動都可以通過這一機(jī)制來解釋5。Vincent Courtillot（2003）總結(jié)前人的研究成果，提出了判別源于下地幔深

4、部原始地幔柱熱點(diǎn)的五個標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)熱點(diǎn)形成的原因?qū)⒌厍虮砻嬷牡?9個熱點(diǎn)分為3類：1.原始地幔柱熱點(diǎn)（Morgan熱點(diǎn)）；2.次級地幔柱形成的次級熱點(diǎn)；3.Anderson熱點(diǎn)6。一 判別Morgan熱點(diǎn)火山的的標(biāo)準(zhǔn)深部地幔柱作用產(chǎn)生的的熱點(diǎn)火山活動可能具有以下5個典型特征6：1.火山島鏈的存在；2.火山運(yùn)動軌跡源區(qū)溢流玄武巖的存在；3.巨大的浮力；4.持續(xù)的高3He/4He值；5.下地幔處低剪切波波速。1.1 火山島鏈和溢流玄武巖根據(jù)經(jīng)典的地幔柱理論，地幔柱是起源于核幔邊界的不連續(xù)層(D層，2900km)，其具有高溫、低密度的性質(zhì)。因?yàn)槊芏群驼扯缺戎車蒯５投仙?，?dāng)其上升到巖石圈時，由于

5、受到巖石圈的阻擋，其頭部向四周擴(kuò)散，同時也由于深部物質(zhì)的不斷上升以及捕獲了巖石圈地幔物質(zhì)使得其頭部逐漸增大，這樣就形成了頭部大、尾部細(xì)長的蘑菇形地幔柱。熱點(diǎn)軌跡正是由于地幔柱撞擊巖石圈而在地球表面留下的痕跡2,7。因此，Morgan熱點(diǎn)的第一和第二個特征是長的火山軌跡以及軌跡源區(qū)大面積的溢流玄武巖。1.2 巨大的浮力浮力控制著流體從地幔向地表的流動，可能使得地殼隆起并產(chǎn)生熱點(diǎn)。具體的數(shù)值研究表明，地幔柱從地幔底部向上運(yùn)動穿過老的巖石圈所要求的浮力至少是1000kg/s，而且微弱的地幔柱在到達(dá)巖石圈前可能會被地幔對流剪切消損。因此，地幔柱熱點(diǎn)的第三個標(biāo)準(zhǔn)就是浮力至少是1000kg/s4。計(jì)算浮力

6、要求地形異常的存在，而地形隆起正是Wilson熱點(diǎn)的典型特征。1.3 高的He值或Ne值早期研究表明，與大洋中脊玄武巖(MORB)相比，大洋島玄武巖（OIB）具有更高的3He/4He比值。但是，F(xiàn)arley和Neroda的研究顯示，很多OIB的3He/4He比值有的高于MORB有的低于MORB。21Ne/22Ne的比值也是如此。高的3He/4He、21Ne/22Ne比值一般認(rèn)為與長期孤立的、古老的源區(qū)有關(guān)，而古老的源區(qū)一般認(rèn)為是位于地幔深部，甚至是下地幔之下，而不是上地幔底部的轉(zhuǎn)換帶8。因此，將高的He值或是Ne值作為深部成因熱點(diǎn)的第四個標(biāo)準(zhǔn)。1.4 低速的剪切波根據(jù)熱點(diǎn)的定義，熱點(diǎn)之下是高溫

7、的地幔物質(zhì)，高溫意味著低密度、低粘度，因此，在熱點(diǎn)之下的地幔物質(zhì)中會出現(xiàn)低速的剪切波帶。所以，地幔柱成因熱點(diǎn)的第五個標(biāo)準(zhǔn)是低速的剪切波6。二 地幔中不同類型的熱點(diǎn)2.1 原始地幔柱熱點(diǎn)的選擇Vincent Courtillot（2003）選擇了49個比較有名的熱點(diǎn)，對其進(jìn)行分類。只有9個熱點(diǎn)滿足地幔柱成因熱點(diǎn)的3個以上標(biāo)準(zhǔn)（表1）6。在這9個熱點(diǎn)中，薩摩亞群島Samoa具有短的、清晰的火山島鏈軌跡，但是在軌跡的源區(qū)并沒有溢流玄武巖或洋底高原，因此不能將Samoa看做是原始地幔柱熱點(diǎn)。另外，Caroline沒有地形隆起，也沒有溢流玄武巖，因此將其排除。所以，只有7個熱點(diǎn)是深部地幔柱成因，這7個熱

8、點(diǎn)是：位于太平洋的夏威夷島Hawaii、復(fù)活節(jié)島Easter、路斯維爾島Louisville、位于印度洋-大西洋的冰島Iceland、Afar、留尼旺島Reunion、Tristan。剩下的40個熱點(diǎn)是非原始地幔柱成因。這40個熱點(diǎn)又可以分為兩類：一類來源于轉(zhuǎn)換帶，另一類的源區(qū)可能更淺。到目前為止，有些熱點(diǎn)的資料還不夠完善、不夠精確，也許將來會有更多的熱點(diǎn)可以認(rèn)為是地幔柱成因6。熱點(diǎn)年齡(Ma)軌跡溢流玄武巖浮力3He、4He隆起總數(shù)Afer30無埃塞俄比亞1高低4Easter100有有？3高低4+？Hawaii80有被俯沖？8.7高低4+？Iceland60有？格陵蘭島1.4高低4+？Lou

9、siville115有翁通爪哇高地0.9低3+？Reunion65有德干高原1.9高04Tristan130有有1.7低03Samoa?有無1.6高低4Caroline?有無2高無3表1 9個滿足3個以上標(biāo)準(zhǔn)的熱點(diǎn)2.2 原始地幔柱熱點(diǎn)是否為固定的參考系根據(jù)Morgan的經(jīng)典地幔柱理論，熱點(diǎn)是相對固定的。從49個熱點(diǎn)中精選出來的7個地幔柱熱點(diǎn)是否滿足這以條件呢？近20年來，有很多關(guān)于熱點(diǎn)相對運(yùn)動的文章。Molnar的研究表明：在過去的65Ma,夏威夷熱點(diǎn)相對于印度洋-大西洋半球運(yùn)動的平均速率達(dá)到了10-20 mm/a9。而位于太平洋的某些熱點(diǎn)其相對運(yùn)動速率甚至可能達(dá)到60mm/a10。如果將不

10、同來源的熱點(diǎn)加以組合，上訴現(xiàn)象很好理解。而如果僅僅分析位于太平洋的3個地幔柱熱點(diǎn)，并沒有任何的證據(jù)顯示其相對運(yùn)動超過5mm/a11。5mm/a相對于板塊運(yùn)動速率來說是微小的，因此，Vincent Courtillot認(rèn)為太平洋的三個原始地幔柱熱點(diǎn)（Hawaii、Easter、Louisville）滿足經(jīng)典地幔柱理論的基本前提熱點(diǎn)是相對固定。Muller的研究也表明，位于印度洋-大西洋半島的四個地幔柱熱點(diǎn)（Iceland、Afar、Reunion、Tristan）間的相對運(yùn)動速率也沒有超過5mm/a12。所以，在過去的80-100Ma，地幔柱熱點(diǎn)在各自的半球是一個相對固定的體系6。圖1 Hawa

11、ii在過去65Ma相對Reunion的運(yùn)動速率不同半球的地幔柱熱點(diǎn)是否也是相對固定的呢？Raymond等人的研究表明相對于Reunion，Hawaii在過去的65Ma不斷的后退，與Reunion的距離越來越遠(yuǎn)，在最后的45Ma,其平均速率約為10mm/a,而在此之前，其相對運(yùn)動速率更大，約為50mm/a（圖1）13。Norton等人的研究也支持這一結(jié)論?；谶@些結(jié)論，Vincent Courtillot將所選擇的7個地幔柱熱點(diǎn)分為2個子集，每個子集為一獨(dú)立的整體，子集內(nèi)的熱點(diǎn)是相對固定的，其相對運(yùn)動速率不超過5mm/a,相對板塊運(yùn)動速率而言，其速率很小，因此各個子集的地幔柱熱點(diǎn)是一個固定的參照

12、系統(tǒng)。這2個子集在過去的45Ma緩慢地相對運(yùn)動，速率約為10mm/a,而在早期，其相對運(yùn)動速率更快6。三 原始地幔柱熱點(diǎn)和次級地幔柱熱點(diǎn)Davaille等人的研究表明，同一時期形成的超級地幔柱和原始熱點(diǎn)地幔柱是由于不同性質(zhì)地幔中的熱化學(xué)對流而形成的。地幔柱的類型取決于浮力的比值（化學(xué)密度異常/熱密度異常）14。低浮力比值（低化學(xué)密度異常、高熱密度異常）會產(chǎn)生巨大的穹窿和超級地幔柱；高浮力比值（高化學(xué)密度異常）則形成長期活動的熱化學(xué)地幔柱,即原始地幔柱。另外，超級地幔柱與其他地幔物質(zhì)的界面處可能存在一個熱邊界層，從而產(chǎn)生一個次級的熱地幔柱，在轉(zhuǎn)換帶如果穹窿被刺穿次級地幔柱更加發(fā)育。次級熱地幔柱的

13、生命是有限的、活動強(qiáng)度小，能夠很好的解釋某些熱點(diǎn)火山島鏈軌跡短、在其軌跡源區(qū)一側(cè)缺乏大陸溢流玄武巖。上面提到的從9個熱點(diǎn)中排除的Samoa和Caroline，其熱點(diǎn)火山島鏈軌跡短、在其軌跡源區(qū)一側(cè)均缺乏大陸溢流玄武巖，Vincent Courtillot將其歸因于次級地幔柱在地殼活動的表現(xiàn)形式6。這類次級地幔柱來自于穹窿頂部轉(zhuǎn)換帶的底部，形成深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原始地幔柱（圖2）。圖2 地球上三種不同類型的熱點(diǎn)（1：Morgan熱點(diǎn)；2：轉(zhuǎn)換帶熱點(diǎn)；3：Anderson熱點(diǎn)）四 總結(jié)Vincent Courtillot認(rèn)為地球上的熱點(diǎn)有3種截然不同的來源（圖2）。 至少有7個熱點(diǎn)可能來自于下地幔深部（

14、核幔邊界的D層），稱為Morgan熱點(diǎn)。原始地幔柱上涌的驅(qū)動力為化學(xué)密度異常所產(chǎn)生的浮力。其中3個位于太平洋半球（Hawaii、Easter、Louisville），另外4個位于印度洋-大西洋半球（Iceland、Afar、Reunion 、Tristan）。這7個原始地幔柱熱點(diǎn)在各自的半球是相對靜止的，而位于不同半球的Morgan熱點(diǎn)間存在緩慢的相對運(yùn)動。由于資料不夠完善、不夠精確，7個Morgan熱點(diǎn)只是保守的估計(jì)，實(shí)際數(shù)量可能達(dá)到10個。 大約20個熱點(diǎn)可能來自位于巨型瞬時隆起頂部轉(zhuǎn)換帶的底部（Caroline、McDonald、Pitcairn、Samoa、Tahiti等）。超級地幔柱

15、可形成巨大的穹窿，且與周圍的地幔物質(zhì)存在熱邊界層，從而形成次級地幔柱，次級地幔柱在巨型隆起區(qū)的頂部尤其發(fā)育。次級地幔柱所導(dǎo)致的熱點(diǎn)火山活動較微弱，活動時間較短，因次這類熱點(diǎn)所產(chǎn)生的火山活動軌跡較短，在軌跡源區(qū)缺乏溢流玄武巖。 其他大約20個熱點(diǎn)可能來自上地幔，這種類型的熱點(diǎn)可能是巖石圈破裂的被動響應(yīng)，稱為Anderson熱點(diǎn)。在拉張背景下巖石圈破裂產(chǎn)生裂縫，下伏的地幔物質(zhì)沿著裂縫上涌進(jìn)入地表。Anderson熱點(diǎn)產(chǎn)生的火山活動有別于發(fā)生在板塊邊界的火山活動，前者發(fā)生在板塊內(nèi)部，不能用板塊構(gòu)造理論解釋。Morgan熱點(diǎn)轉(zhuǎn)化帶熱點(diǎn)Anderson熱點(diǎn)，形成深度越來越淺，前兩者地幔物質(zhì)是主動向地殼上

16、涌，而后者則是被動上涌。參考文獻(xiàn)1 Wilson J T. A possible origin of the Hawaiian Islands. Can J Phys, 1963, 41:863-870.2. Morgan W J. Convection plumes in the lower mantle. Nature, 1971, 230:42-43.3. Turcotte D L. E.R. Oxburgh, Mid-plate tectonics, Nature, 1973, 244:337-339.4. Sleep N H. Hotspots and mantle plumes:

17、some phenomenology.J.Geophys.Res, 1990, 95:6715-6736.5. Anderson D L. The thermal state of the upper mantle: no role for mantle plumes. Geophys, Res, Lett, 2000, 27:3623-3626.6. Vincent Courtillot, et. Three distinct types of hotspots in the Earths mantle. Earth and Planetary Science Letters, 2003,

18、205:295-308.7. Richards M A, et. Flood basalts and hot spot tracks: Plume heads and tails. Science, 1989, 246:103-107.8. Farley K A, et. Noble gases in the mantle. Science, 1998, 26:189-218.9. Molnar P. Relative motions of hotspots in the Pacific, Atlantic and Indian oceans since late Cretaceous time. Nature, 1987, 327:587-591.10. Koppers A A P, et. Testing the fixed hotspot hypothesis using 40Ar/39Ar age progressions along seamount trails, Earth Planet. Science, 2001, 185: 237-252.11. Yan C Y, et. The