地幔柱经典讲座ppt
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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。
第五节地幔柱和热点从软流圈或深部地幔涌起并穿透岩石圈的一股固体物质热塑性流,呈圆柱状者称地幔柱(热柱),呈羽缕状者称地幔羽(热羽)。
地幔柱(热羽柱)在洋底或地表出露时即为热点,热点(hot spots)是地幔柱(mantle plume)的一种表现。
地幔柱特别是热点是分析板块绝对运动的参照系统(参考架)之一,但热点位置是否不随时间变化而变化的问题还有待更进一步的验证。
热点和火山岛链在大洋和大陆内部都发现有由火山锥构成的火山岛链。
它们呈线状定向展布,一端连着现代活火山,另一端连着距活火山愈远而时代愈老的串珠状死火山,火山的年代和方向性都明显的太平洋中的夏威夷岛和皇帝海山就是这类火山岛链的典型例子。
岛链东南部的夏威夷岛巍然屹立着两座活火山——莫纳火山和基拉韦厄火山,火山年龄为现代,向北西西至韦克尔,火山年龄逆变为1 000万年,至中途岛火山年龄增至4000万年,继而火山链转折为北北西向的皇帝海山,皇帝海山一直延伸到阿留申岛弧西端,火山年龄也增至7 500~8 000万年(图5.24)。
这条火山岛链的走向呈折线状定向展布,中途岛为其拐点,这似乎反映出一种确定的自然现象。
一般认为,地幔柱—热点位置大致是固定的,而板块则是持续不断地移动着的,当板块跨越呈周期性喷射岩浆的热点时,岩浆穿过板块于表面形成火山(图5.25)。
由于板块一直向前运行,如同纸带在穿孔机出口处运行并打出一系列孔洞一样,所呈周期性喷射岩浆的热点就形成了间隔较为规则的串珠状火山岛链,很显然,这些火山岛链就是岩石圈板块漂移过热点的轨迹,所记录的则是板块运动的速度和方向。
大陆也存在类似的火山岛链,中央高原自普伊山延伸到阿格德角的火山山脉即为热点在大陆上留下的火山岛链踪迹。
而自安诺本—圣多美—普林西比—比奥科等岛屿延伸到喀麦隆的火山山脉则表明,火山山脉的分布与洋陆分布无关,尽管它们穿越了洋—陆过渡带,但沿这一线的火山岛链活动仍保持稳定。
W.J.摩根(1972)指出,地幔柱并非处在挨近板块的下方,而是处在深地幔乃至核幔界面上,估计至少来自700km或更深处,直径大致为100~250km,上升速率约每年几厘米,由此导致地幔顶部形成直径达上百千米的穹状隆起,高出四周约1~2km。
以夏威夷火山为代表的众多火山存在于板块中部,可以用地幔柱来解释。
特征:相对固定,高Ti、高Nb含量是现代地幔柱的常见特征(王登红,1998)。
20世纪70年代初,科学家提出了地幔柱的概念。
借助地震波来描述地球内部的景象。
一股炙热、粘性的岩石流,向上延伸到岩石圈底部,并在那里散开,形成约100km厚的饼状结构,然后继续向上延伸,为火山提供物质和能量。
疑问,地幔柱来自哪里?他们是直线上升还是螺旋上身?什么是火山热点?夏威夷地幔柱富含榴辉岩的矿物质可能存在地幔柱:夏威夷、加拉帕戈斯群岛、冰岛以及东非的阿法尔地区。
地震图像是研究的关键目的:①地幔柱对于地球大地构造演化有着重要的影响,它控制大陆裂解聚合过程,导致板块内火山地震等现象$地幔柱理论可以解释许多板块学说不能解释的问题,很有可能成为一种更为完善的理论体系。
②洋脊分段主要受地幔岩浆周期性脉动上涌控制,即受岩浆供应方式制约。
事实上造成洋脊分段的动力学岩浆是由地幔柱提供的,而地幔柱提供岩浆的方式对洋脊分段有重要影响发展过程:①20世纪60年代,加拿大地质学家Wilson在研究夏威夷—皇帝火山岛链的起源时,②普林斯顿大学的Morgan在Maruyama的理论中,热幔柱引起超大陆裂解,大洋形成; 冷幔柱导致超大陆聚合等。
日本学者丸山茂德( Maruyama) 认为“板块构造理论只能解释地球表层200km内的现象,而只有地幔柱构造才能说明星球各个层次的演化历史。
”矿床相关对全球主要赋含钒钛磁铁矿床的层状岩体和铜镍硫化物矿床的镁铁—超镁铁质岩体的统计表明,地幔柱成因的大火成岩省是形成岩浆铜镍硫化物矿床和钒钛磁铁矿床的主要场所!卡林型金矿矿集区、与基性超基性岩有关Cu-Ni-PGE硫化物矿床(以Naldrett为首的研究组在31届国际地质大会上对近年来取得重大突破的Voisey'Bay Ni-Cu-Co-PGE矿床与地幔柱的关系进行了系统介绍)、条带状铁建造等方面取得了显著进展1998年以来,开始对地幔柱的成矿问题进行新的研究。