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深部地球的窗口——地幔柱在北美大陆腹地，有一个世界闻名的公园——美国黄石国家公园。
黄石公园是世界上最大的火山口之一，公园中遍布间歇泉、温泉、蒸气池、热水潭、泥地和喷气孔，导致园内多数地方存在着奇观的同时，更散发着“恶臭”的硫化氢气体。
走在黄石公园“薄薄的”地壳上，似乎有着天然的危险，好像稍一用力就会踩破“蛋壳”，落入火山口的岩浆之下。
黄石公园就是地幔柱（mantleplume）在地表对应点最直观的表达。
2019年《自然—地球科学》（Nature Geoscience）杂志发表的一项研究中，科学家通过“地球透镜计划”（Earth Scope）发现黄石公园的火山活动可能受地幔柱驱动的。
这一计划本质类似于人类给地球做“CT”，通过建立数量较大的基站接收信息，还原地球深部的三维成像，基站越密集，分辨率越高，对地球深部的成像就越清晰直观。
1971年，威廉·杰森·摩根发表了地幔热柱理论。
理论显示，地幔柱是地球等行星地幔热对流的一种方式。
较热的岩石由地幔底部一路上升至地幔顶部，此时岩石顶部会部分熔融，岩浆进而喷出地表，这可能是地表“热点”或大陆溢流玄武岩的产生机制。
规模恢弘的大陆溢流玄武岩地幔柱本质上是地球的散热通道之一。
地球在形成之后，内部由于含有的放射性元素发生衰变，产生了大量的热，这些内部热能将内部原本固化的岩石融化，产生岩浆。
这些岩浆从内部上升到地表这个过程携带着大量的热能，喷发出地表过程以完成散热。
地球自形成到30亿年前，由于热能充足，岩浆可以直接从地球深部上涌到地球浅部，这种由深部到浅部形成的柱状的岩浆通道就是地幔柱，它的起始位置被认为在地核和地幔的边界（~2900km），这一过程代表垂向的岩浆作用或者说是散热机制。
地球内部的“散热”70年代早期，模拟地幔热柱的流体力学模型显示，地幔柱呈长细柱状，由两个部分组成：底端连至地幔底部，顶端则成球状并随上升而膨胀，整体就像细长柄蘑菇。
文章编号:100922722(2004)0820016204地幔柱研究述评周连成1,白伟明1,2,赵俐红3,陆 凯1(1青岛海洋地质研究所,青岛266071;2中国海洋大学,青岛266003;3国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)摘 要:地幔柱与热点既可见于板块内部,也可见于洋中脊和造山带等板块边界,既可见于现代更可见于古代,因而它可能影响到地表各处的成矿作用。
简单介绍了地幔柱特征、类型及其在富钴结壳成矿作用中的地位。
关键词:地幔柱;热点;成矿作用中图分类号:P736.14 文献标识码:A1 地幔柱构造理论的提出J W Wilson于1963年第1个大胆地提出,海洋岩石圈在一个能产生大量岩浆的较热的固定不动的地幔区域上的水平运动可能形成诸如夏威夷—皇帝岛链的猜想,而且根据岛链形状和相应的化石年龄资料,得到了一套用以说明由岛链表现出来的值得注意的迁移形式的机制[1]。
现在看来,他提出的这套机制与板块构造模式是一致的。
他认为,形成火山的岩浆来自上地幔中相对固定的岩浆源———热点。
由于岩浆源处于地壳板块之下,而板块在不停地作横向运动,致使已形成的活火山最终离开热点,并且活动停止。
这一过程最终便形成了一个沿着海底扩张方向离开热点的死火山链,因而火山链的年龄也逐渐变老。
这一热点概念的提出基本与板块构造理论的提出同期。
20世纪70年代初,Wilson(1973)又提出热点是从地幔上升的地幔热柱在地表的反映,它主要以火山作用、高热流和上隆为标志[2]。
1972年Morgan把Wilson的这套模式扩大到了包括太平洋其他走向的岛链,认为海山物质的部分熔融需要大量岩石,并提出熔融点收稿日期:2004204213作者简介:周连成(1975—),男,研究实习员,从事海洋地球物探研究工作。
既提供了母岩物质,也提供了热。
他提出热点火山活动所需的岩浆物质来自地球深部,是由于放射性元素分裂、释放热能,从重力高处的火山底下上升出来的,明确提出了地幔柱的概念[3]。
构造变动中的地幔柱理论和石油天然气资源编译：王立群関岡正弘捕获地球系统为geo system时，处理它的理论最近的进步是显著的。
其进步的原动力在于一个古老概念的崩解和新的概念的诞生。
具体来讲，就是以前认为不动的大陆在简单地运动。
地球系统科学的革命最初在1960年采用了板块构造理论。
比较此前的地质学和化石学的点研究，已经变成了以面为对象的研究。
经过三十多年的发展，最近发展出了地幔柱构造理论。
地幔柱理论明确了以下事实：追朔到行星诞生时，大量的陨石和小行星相互撞击而形成地球，经过大融合分离出地核和地幔，其后由地幔对流而引起的热辐射进行冷却。
包括大陆在内的地球表面即地壳不过是在这一过程中形成的产物。
地幔柱构造理论是一般性的，不仅应用到地球，也可以应用到所有的行星中。
地球的表面之所以受到板块构造的支配，是因为地球的自然环境允许这种构造理论的作用（海洋的存在）。
不仅是石油，在所有的资源开发工程学中，到目前为止都依赖地质学，这种状态今后也不会变化吧。
也不能指望在小的油田勘探开发中，宏观的地幔柱构造理论能发挥巨大的作用。
但是，在地球范围内讨论石油资源时，还不允许忽视地幔柱构造理论。
不仅是石油，在地球范围内的所有资源问题，与任何事物相比，都不允许缺少对地球的理解。
地幔柱构造在板块构造中，首先它不能说明地幔为什么会对流，其次也不能说明在板块边界上，沉入地幔内部的海洋板块的最终命运。
揭开这个谜团的是地幔柱构造理论。
地幔柱构造理论利用地震波分析方法，以地震波断面分析技术做为基本的分析手段。
板块构造理论中的研究对象包括称为岩石圈的地壳和地幔上部的一部分。
厚度60到100公里。
地壳本身的厚度，在大陆部分为30公里，在海洋部分为6公里。
地球的半径是6400公里，地幔的厚度是2900公里。
所以作为板块构造理论的研究对象岩石圈就象是在地球系统总体中的苹果皮一样。
与此相对，在地幔柱构造理论中，能够以具有2900公里厚的地幔整体为对象。
综述地幔柱构造1地幔柱构造理论的形成与提出板块构造理论在解释地球上岩浆活动的分布规律时取得了空前的成功。
例如，洋中脊玄武岩是在板块离散边界软流圈被动上升过程中经减压熔融而成，而在会聚板块边界，大洋岩石圈的俯冲作用导致上地幔的交代和熔融，形成特征的火山弧岩浆作用。
板块边界概念可以解释地球上绝大部分的岩浆产出，但在解释板内岩浆的成因时往往显得力不从心，尽管这些岩浆的体积只占地球岩浆总量的2%。
热点和热柱的观点正是在解释板内岩浆作用，特别是呈链状分布的火山作用时提出的。
Wilson（1963）对夏威夷-皇帝洋岛火山链经过研究后，他提出洋岛火山链是由大量岩浆组成的固定的热地幔区在活动的地球表层上形成的；后来经Morgan（1972）正式提出地幔柱这一概念，他指出Wilson所谓的固定的热地幔区是产生于核/幔边界的一个地幔柱，在地表表现为热点（hotspot）.Morgan进一步推测地幔柱是由地幔对流体系中的上升流构成。
这些认识构成了地幔柱学说的雏形。
同板块构造理论诞生的曲折历史相比，地幔柱概念一经提出就得到了地学界的广泛认同，发展至今已成为地球科学研究中一个重要的概念模型这在很大程度上是由于动态地球以及浅表现象是深部过程的反映等概念的深入人心。
虽然地幔柱并不是直接观察到的，但有关其存在的间接证据很多。
其中包括：（1）局部高热流值和相关的火山活动（热点）出现在远离板块边界的地方；（2）热点不随板块漂移而迁移，几乎静止不动，暗示起源于活动岩石圈之下的深部地幔；（3）热点火山玄武岩的地球化学性质不同于位于离散板块边界、起源于浅部地幔的玄武岩（如MORB），说明其源区为比软流圈更深的地幔库；（4）位于热点之上的大洋岛屿通常具有规模较大的地形隆起，这需要有额外的幔源热能以使岩石圈膨胀；（5）最令人信服的证据来自最近的地震学研究。
例如地震层析揭示冰岛地幔存在一低速柱状物质，至少延伸至400 km以下，地幔热柱的直径为300km。
第25卷2009年 第4期7月铀 矿 地 质Uranium GeologyVol.25J ul 1No.42009地幔柱构造研究概述童航寿(核工业北京地质研究院,北京 100029)[摘要]地幔柱构造理论是近年来构造地质学研究的新热点,是当今地球科学———地质学、构造学、矿床学、地球物理学、生物学、环境学和气象学等许多学科关注和研究的前沿领域。
它的形成和演化及动力学观点被称为继大陆漂移和板块构造后的第3次地学浪潮,引起了中外地学者的高度重视。
本文对地幔柱构造研究现状作了概略介绍,以期在铀矿地质领域内引起关注,起到传递信息和抛砖引玉的作用。
[关键词]地幔柱;幔枝构造;热点活动理论[文章编号]100020658(2009)0420193209 [中图分类号]P541 [文献标识码]A[收稿日期]2008209217 [回稿日期]2008211214[作者简介]童航寿(1931-),男,高级工程师(研究员级),1960年毕业于莫斯科有色金属及黄金学院,长期从事铀矿地质科研工作。
1 地幔柱构造研究概况幔柱(地柱)思想起源于Wilson (1963、1965)的热点假说,后在20世纪70年代初,W 1J 摩根将其作为一种板块移动机制的学说而提出。
到了20世纪90年代Maruyama 和K omazwa (1994)、Fuka et al (1999)提出地幔结构的多级演化模式,Carson (1991)提出超级地幔柱概念,我国学者牛树银等(1996,2002)提出幔枝构造理论体系,李红阳、侯增谦(1998)提出幔柱构造理论,并紧密结合成矿作用,进一步发展了地幔柱构造理论的实践性,有新的发现与创新[1,2]。
2002年,翟裕生院士指出“幔枝构造”作为一种新的学术观点,为进一步研究地幔柱与成矿关系打下了良好基础。
早在1991年,著名大地构造学家哈因院士指出“地幔柱构造和热点活动理论已成为当今地质学、地球物理学、矿床学及至生物学、环境学和气象学等许多学科关注和研究的前沿领域,它的形成和演化及动力学观点被称为是继大陆漂移和板块构造以后的第3次地学浪潮”[3]。
总的看来,作为幔柱构造理论的提出和建立还是近十几年的事情,它在地学界引起了高度重视,发展很快,涉及太古宙到新生代各地质历史时期的浅部表层地壳、深部地幔,甚至地核的整个地球的水平和垂向物质运动的动力学体系(侯增谦,2002)。
“它是板块构造理论的进一步发展与延伸,把浅部岩石圈板块运动和深部地幔的垂直运动综合为一个全球动力学体系……”(李红阳等,2002)。
上述众多地学者的一致性认可和评论,预示着幔柱构造理论的生命力和划时代意义。
地幔柱构造理论的动力学机制亦为拆离构造动力学机制的构想“地球膨缩、热能聚散、重力分异、地幔蠕动、多因聚焦、涌动交替的・194 ・铀矿地质第25卷多因多源模式”(童航寿,1996、2001)提供了重要的理论依据[4]。
近十多年来,我国地学者出版了不少有关地幔柱构造的专著和论文,诸如《幔柱构造》(李红阳等,2002)、《幔枝构造理论与找矿实践》(牛树银等,2002)。
这些是有关地幔柱构造理论与找矿实践的跨世纪代表作,它大大深化了上世纪中叶由Wilson、Morgan 等提出的地幔柱构造理论的内涵,进一步加以系统化、理论化并扩展到指导成矿规律研究和成矿预测。
在上世纪90年代,还出版有《中国大陆根2柱构造———大陆动力学的钥匙》(邓晋福等,1996)、《华南大陆地壳生长过程与地幔柱构造》(谢窦克等,1996)等[5,6]。
此外,我国地学者还从不同侧面介绍了国外地幔柱构造的研究进展,如高坪仙(1985)、罗永国(1993,1994)等,并翻译了大量有关地幔柱的文献。
李子颖等(1999)首次将地幔柱构造理论引进核地质系统,提出了热点铀成矿作用理论,并将地幔柱、热点理论应用于华南地区铀矿的成矿规律研究和成矿预测,发表了一批论文[7～10]。
2 地幔柱构造理论基本要点地幔柱(mantle plume)由于翻译的视角不同而有不同的名称,从侧面上看因其呈柱状或筒状而译作幔柱(或热柱);从地表上观之呈点状,译作热点(广义的点状)。
在有的文献上译称地幔羽或热缨、地幔热源柱。
对其形成机制,通常理解为:它是深部物质中的放射性元素裂变、释放热能,在重力高的地点(火山底下)由地球深部物质上升而来。
在地壳以下延伸2900km的整个地幔,以每年数厘米的速度蠕动着。
物质的移动,在海底扩张带是向上的,到达地壳之下改为水平移动,然后又向下进入地幔。
根据卫星遥感资料估计,每个地幔柱直径约160km左右,其数量全球有60多个。
许多地幔柱位于两个板块的边界上或其附近,推动板块彼此分离,每个地幔柱都固定在一个位置上长期活动(地质辞典,1983)。
目前对于地幔柱概念的理解不完全一致,有的学者强调地幔柱的化学成分与周围地幔间的差异。
提出“化学柱”概念(Andersun,1975);有的学者将“热柱”与“化学柱”合称为“地幔热化学柱”(Olso n和Yuen,1982;Hawkeswoht h et al, 1993),李子颖(2006)认为热点是在地幔柱直接作用下或在其影响下较长时间、多期次改造深部壳幔物质于地表的综合地质作用,它可起源于地壳或地幔的不同深度而分为大洋型和大陆型。
大洋型热点活动产生于洋壳,由于上升的炽热地幔柱把上覆岩石圈抬升,使地壳呈现巨大穹窿构造,地幔柱冲破岩石圈作用于地表,并多以大规模的基性火山岩浆喷出作用为特点;大陆型热点活动作用于大陆,其特点是由于较厚的陆壳硅铝层,当地幔柱在深部作用于壳幔时,一般产生熔融和混熔,并在热动力作用下出露地表,多产生构造伸展、多期次成分复杂的岩浆活动和火山作用、流体活动和热泉等。
由于热点活动是地幔柱构造在地表的表现形式,不仅控制着地质构造作用,也与成矿作用有着密切的关系[10]。
关于热点与地幔柱的源区存在着不同的观点,如:(1)Parmentier(1975)和Bonatti(1990)认为,热点起源于上地幔底部或下地幔底部的热边界层。
(2)Anderson(1975)、Loper和Stacey(1983)认为,核幔边界的“D”层是地幔柱的最终源区。
(3)Camp bell J1H (1998)根据地幔源区的地球化学特征,作出核幔边界地幔源区演化的报道(图1)。
(4)从大火成岩省与各种地幔柱的关系,推导地幔柱源区(White R1S et al,1989;Camp bell J1H,1998;Arnat N,2000)(图2)。
图2中(A)扩张模型的地幔柱起源于上、下地幔边界;(B)热柱头模型地幔柱起源于核幔边界;(C)多级地幔柱模型,是兼顾(A)、(B)两模型的第3种模型,可理解为多源区模型,认为起源于核幔边界的地幔柱上升并滞留在上下地幔边界,然后形成多个次级柱上升到岩石圈底部[11]。
(5)Laper(1997)提出了地幔柱脉冲新概念,并认为地幔柱成因第4期童航寿:地幔柱构造研究概述・195 ・图1 各时代科马提岩和苦橄岩的稀土元素地球化学性质和核幔边界的地幔柱源区演化示意图(据徐义刚,2002)Fig11 REE geochemical characteristics of komatiites and picrites and schematic illustration for t he source of mantleplumes originated from t he core2mantle boundary和根部(即源区)将取决于热或水的扩散率,在地幔内部存在地幔柱的条件是在深部必须具有浮力的低粘性物源,源区一定要能供给粘滞系数比周围小几个数量级的物质,认为650km处的间断面是地幔柱的可能源区。
马宗晋(1995)认为,在此深度未能找到低粘性区的地震证据,因而最可能的地幔柱物质源区在地幔底部的“D”层[12]。
傅容珊(1993)研究地幔热动力系统(图3),提出地幔中存在5种形式的对流,核幔边界的“D”层属中小尺度对流,是地幔柱源区形成地幔柱和热点的热动力源。
(6)侯渭、谢鸿寿、周文戈(2005)提出地幔底层热柱和超级热柱的源区也是俯冲板块的最终归宿,是地幔对流的起点,又是地幔对流的终点。
侯渭等(2005)认为在核幔界面上的下地幔一侧地震波速分布极不均匀,在界面50～300km厚度范围内变化的一层物质称为地幔底层,它是由具有高地震波速和高密度的“D”区和超低速带(UL V Z)组成(图4)[13]。
地幔底层在横向上由“D”区和ULV Z相间组成。
地震层析发现,环太平洋的板块俯冲带之下正好与地幔底层中的“D”区相对应;而中心太平洋热点群之下正好与下地幔超级热柱及地幔底层UL VZ相对应。
在热柱的分类中(Cour2 tillot等,1999)除过渡带型热柱外,还・196 ・铀矿地质第25卷图2 解释大火成岩省的各种地幔柱模型(据徐义刚,2002)Fig 12 Different mantle plume models in explainingt he generation of large igneous provinces (A )———扩张模型;(B )———热柱头模型;(C )———多级地幔柱模型。
有深成热柱和上地幔热柱,推测深成热柱直接来源于地幔底部,而上地幔热柱可能来源于岩石圈下覆的软流层。
地幔底层中发生为部分熔融作用形成的超低速带(UL VZ )可能是热柱和超级热柱的源区。
(7)无根热点起源与陨石撞击有关(万天丰,2004)[14]。
一般认为,超级地幔柱区发生于核幔边界(Larson ,1991;povoui ,1997)(图3,4)。
起源于核幔边界“D ”层、直径大于5000km 者称超级地幔柱,其影响区域横向距离也许有6000km 之巨,可谓巨型地幔柱(Lar 2son ,1991);直径小于500km 者称亚地幔柱。
邓晋福(1992)提出中国东北及邻区可分出7个这样的亚地幔柱。
图3 地幔热动力系统(据傅容珊,1993)Fig 13 The t hermodynamic system of t he Eart h πs mantle地幔柱理论认为:地幔热柱往往发育于核幔边界,在上升过程中逐渐扩大,当上升到岩石圈底部时,地幔流变向外拆离扩散,形成具火山活动的热区,可使岩石圈上隆;当地幔热柱内集中的上升流相平衡回流时,由地幔其余部分非常缓慢地往下运动来完成;地幔热柱上升点呈放射状流体所施加给岩石圈板块的合力以及板块沿边界相互制约所产生的力,确定了板块运动的方向(牛树银等,2002)。
上述壳幔运动的动力学分析与陈国达(1996)提出的地幔蠕动热能聚散交替的壳体构造运动的力源机制和笔者应用此理论分析拆离构造动力学机制有许多共同点[15,16],如“当地幔蠕动上升流到达地壳底面时,将会转为沿底面平向蠕动流,在此地质环境下最易发生不同尺度的缓倾角的多种拆离构造。
