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【前沿论坛】Gillian R. Foulger:深源地幔柱是否存在?
2019-11-22 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

報告人:Gillian R. Foulger | 整理:許晶瑤、黃永樹(岩石圈室) 

  板塊構造理論是當今地球科學的基石,描繪了大洋岩石圈從産生到消亡的動力學過程,能合理解釋沿彙聚板塊邊界分布的火山弧成因,但難以解釋位于板塊內部的岩漿作用,如夏威夷群島、黃石和冰島等。因此,在板塊構造理論誕生後不久,地幔柱假說也隨即提出。加拿大地質學家Wilson (1963)認爲太平洋板塊在下伏熱點上移动,类似打点计时器,熱點将上覆板块穿透,最终形成年龄逐渐变年轻的夏威夷岛链。在此基础上,美国地球物理学家 Morgan (1971)將其抽象爲地幔柱假說,認爲在活動板片下,源于地球深部的熾熱物質上湧産生大量熔體,噴出地表,最終形成一系列島鏈。地幔柱假說被廣泛采用,以解釋包括生命滅絕、雪球地球等重大地質事件的成因。但作爲假說,對其進行驗證是將其升華爲理論/定理的基本要求。因此,關于地幔柱假說的檢驗一直是地球科學研究的焦點和前沿問題之一。 

  針對上述科學問題,英國杜倫大學地球物理學家Gillian R. Foulger 教授在我所前沿論壇展開了相關討論。Foulger教授首先簡要回顧了地幔柱假說提出的背景,然後論述了地幔柱假說的定義、內涵和基本預測,並在此基礎上評述了地幔柱假說的驗證情況。Foulger教授認爲,迄今爲止,有關地幔柱假說基本預測證據常具有多解性,或仍未得到檢驗,有待繼續研究。Foulger教授最後結合自己在冰島的研究,提出板塊構造理論可以較好的解釋冰島的地質現象,相關模型和思路對全球其他地熱點成因解釋有重要參考價值。 

  第一部分:地幔柱假說存在的問題

  根據地幔柱假說,地幔柱起源于地幔深部熱邊界層(上-下地幔邊界或核-幔邊界),其上湧至淺部地幔時將伴有如下地質現象:(1)地表強烈隆起;(2)形成大規模的溢流玄武岩;(3)隨著時間推移形成類似夏威夷的火山鏈,火山鏈延伸的方向就是板塊運移的方向;(4)高溫岩漿作用。在Foulger教授看來,這些預測尚未得到證實: 

  1)地表強烈隆起 

  當地幔柱柱頭到達上地幔時,會導致地表強烈隆起 (Campbell, 2005),這是地幔柱假說最重要的預測之一。峨眉山大火成岩省是少數被認爲有上千米尺度隆起的大火成岩省,但Peate and Bryan (2009)认为对该隆起的认识建立在错误的火山地层学工作之上,其真正隆升的幅度有限。总的来说,全球有地幔柱报道的地區,还缺乏地表强烈隆起的确凿證據。 

  2)溢流玄武岩省 

  一般認爲,溢流玄武岩岩漿噴發速度快且規模巨大,能在1-5 Ma內噴發幾百萬立方千米的岩漿,例如北大西洋大火成岩省産生了約5x106 km3岩漿,而西伯利亞玄武岩達到10x106 km3。地幔柱被廣泛用來解釋該類地質現象。但是,地幔柱能否産生如此大規模的熔體尚無定論。根據Cordery et al. (1997)的計算,即便是溫度很高的情況下,地幔柱也很難在短期産生如此大體積的岩漿。Foulger教授認爲要産生如此巨量的岩漿可能需要一個長時間的岩漿儲庫,而不是短時間一次形成。 

  3)地幔柱尾部延伸至核-幔邊界 

  地幔柱假说另一个重要的假设是地幔柱尾部能延伸到核幔邊界。目前主要通过地震层析成像的方法来探讨地幔柱的尾端深度。Foulger教授指出,我们须谨慎对待地震层析成像的结果,同一地區不同作者发表的地震层析成像数据解释存在差异,很难重复。例如,对夏威夷地區的研究中(圖1),Li et al.2008認爲地幔柱的尾部向西北方向(圖1左),而Wolfe et al.2009的工作(圖1右)提出了一個向東南方向的地幔柱(和左圖方向完全相反)。 

1 不同作者发表的夏威夷下地震层析成像:左圖显示了一个低速体,被解释为地幔柱,从夏威夷大岛向夏威夷岛链下方的西北方向倾斜(Li et al., 2008);右圖显示了类似的低速体,也被解释为地幔柱,从夏威夷大岛下方向东南方向完全相反的方向倾斜(修改自Wolfe et al., 2009附件)。与之类似,最近有关黄石熱點的地球物理观测也呈现出相左的解释

  4)隨著時間推移的火山鏈

  地幔柱假說認爲地幔柱相對靜止,夏威夷島鏈的延伸方向代表了太平洋板塊的運動方向。Foulger教授認爲夏威夷的熱點並沒有保持固定不變,因爲大約50 Ma前的夏威夷皇帝岛链弯曲改变了方向,但当时的太平洋板块并没有改变移动方向(圖2)。 

  Foulger教授認爲地幔柱假說無法解釋這些地質現象,越來越多科學家意識到並不是所有的熱點下都有地幔柱。 

2  Hawaiian-Emperor鏈上不同年齡的海山和火山的位置(黑點),以及理論重建的位置(紅點和黃點分別代表不同理論模型重建的位置,紅/黃圈大小表示理論預測的誤差範圍)Raymond et al., 2000    

  第二部分:利用板塊構造理論解釋熱點

  作爲地幔柱假說的替代方案,Foulger教授認爲板塊構造能很好解釋這些板內出現的呈富集地幔地球化學特征的岩漿省。 

  地幔柱假說認爲岩石圈是被動的,地幔柱主動上升穿過岩石圈噴出。與之相反,板塊構造認爲地幔是被動的,而板塊在其上移動,發生伸展作用,熔體被動流出。後者認爲熱異常並不一定局限在板塊邊界,由板塊構造作用導致的板內拉張同樣可以形成板塊內部的熱異常。Foulger教授認爲,在中國峨眉山大火成岩省廣泛發育伸展構造的背景下,可以設想,如果其下擁有一個巨量的岩漿房儲庫,可在短時間內産生大量溢流玄武岩。 

  Foulger教授认为,板块构造理论可以合理解释现有的观测。地幔柱假说预测熱點出现的位置是随机的,然而除夏威夷和冰岛外,现观察到的熱點主要集中在板块边界(圖3)。地震层析成像显示冰岛在地幔浅部形成,不显示明显温度异常。另外,地球化学研究显示夏威夷岩浆源區有再循环洋壳的贡献。俯冲地壳的熔融能解释在低溫條件下較高的岩漿産率。 

3 熱點全球分布圖(Foulger and Natland, 2003)

  根據板塊構造理論,可預見:(1)岩石圈伸展拉伸。以美國黃石爲例,黃石位于兩個構造省的交界處,這兩個構造省之間微小的運動差異可能會導致大陸裂谷的擴大。另外有研究者認爲位于南太平洋Samoa群島的形成與地幔柱有關,但是Samoa刚好位于板片撕裂的位置,具有典型的伸展特征。前人研究认为,冰岛是熱點火山作用的产物,但Foulger教授認爲冰島是由大陸撕裂形成的。(2)地幔中的熔體。地震学家通过地震学数据发现地幔中存在许多低速區域,可以通过部分熔融解释。如榴輝岩的熔點比地幔岩低約200oC,榴輝岩熔融可以産生大量的熔體。此外,板片俯沖過程中揮發分的加入能導致岩石熔點降低。3)浅源。例如冰岛和黄石的地震低速体起源于上地幔,并没有延伸至下地幔中(圖4,圖5)。 

4 冰岛层析成像截面圖Ritsema, 1999 

5  Yellowstone地震层析成像截面圖Foulger et al., 2015

  最後,Foulger教授強調我們應該重視構造地質學的研究,並結合地球物理、岩石學、地球化學等多個學科來解析地球動力學演化之謎。 

  主要參考文獻 

  Campbell I H. Large igneous provinces and the mantle plume hypothesis[J]. Elements, 2005, 1(5): 265-269.鏈接 

  Cordery M J, Davies G F, Campbell I H. Genesis of flood basalts from eclogitebearing mantle plumes[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1997, 102(B9): 20179-20197.鏈接 

  Foulger G R, Natland J H. Is" hotspot" volcanism a consequence of plate tectonics[J]. Science, 2003, 300(5621): 921-922.鏈接 

  Foulger G R, Christiansen R L, Anderson D L. The Yellowstone “hot spot” track results from migrating basin-range extension[C]//The Interdisciplinary Earth: A Volume in Honor of Don L. Anderson.Geological Society of America Special Paper, 2015, 514: 215-238.鏈接 

  Li C, van der Hilst R D, Engdahl E R, et al. A new global model for P wave speed variations in Earth's mantle[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(5).鏈接 

  Morgan W J. Convection plumes in the lower mantle[J]. Nature, 1971, 230(5288): 42-43.鏈接 

  Raymond C, Stock J, Cande S. Fast Paleogene motion of the Pacific hotspots from revised global plate circuit constraints[C]//Richards M A, Gordon R G, van der Hilst R D. The History and Dynamics of Global Plate Motions, Volume 121. Washington: American Geophysical Union, 2000.鏈接  

  Ritsema J, van Heijst H J, Woodhouse J H. Complex shear wave velocity structure imaged beneath Africa and Iceland[J]. Science, 1999, 286(5446): 1925-1928.鏈接 

  Peate I U, Bryan S E. Pre-eruptive uplift in the Emeishan?[J]. Nature Geoscience, 2009, 2(8): 531–532.鏈接 

  Wolfe C J, Solomon S C, Laske G, et al. Mantle shear-wave velocity structure beneath the Hawaiian hot spot[J]. Science, 2009, 326(5958): 1388-1390.鏈接 

  【更多閱讀】 

  Chang W L, Smith R B, Wicks C, et al. Accelerated uplift and magmatic intrusion of the Yellowstone caldera, 2004 to 2006[J]. Science, 2007, 318(5852): 952-956.鏈接 

  French S W, Romanowicz B. Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots[J]. Nature, 2015, 525(7567): 95.鏈接 

  Hand E. Mantle plumes seen rising from Earth's core[J]. Science, 2015, 349(6252):1032-1033.鏈接 

  Huang H H, Lin F C, Schmandt B, et al. The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust[J]. Science, 2015, 348(6236): 773-776.鏈接 

  Nelson P L, Grand S P. Lower-mantle plume beneath the Yellowstone hotspot revealed by core waves[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(4): 280.鏈接 

  Zhou Y. Anomalous mantle transition zone beneath the Yellowstone hotspot track[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(6): 449.鏈接 

  (地幔柱有關信息參考網頁:http://www.mantleplumes.org.

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