地幔热柱动力学机制

发布网友 发布时间：2022-05-29 06:15

我来回答

共1个回答

热心网友 时间：2023-10-09 07:57

地幔热柱动力学机制主要有两种不同的观点。一种观点(目前多数人)认为是因为地球的核-幔间存在着巨大的温度差、压力差、黏度差、质量(密度)差，尤其是温度差的巨大，使得地球内部活动异常剧烈并导致地幔热柱的形成和上升。另一种观点(Maruyama等，1994)认为地幔热柱上升的驱动力主要源自地幔冷柱的负浮力作用。

一系列模拟实验和理论计算表明，如果 D″层受到某种热扰动，地幔柱就会上升。热扰动会使 D″层物质的黏度降低，流动性增强，在热梯度的驱动下，所有受热扰动作用的高温低黏度物质向热边界最低处汇聚，形成地幔柱。导致 D″层发生热扰动可能来自于三个方面，一是原始地球物质中放射性物质的衰变热(Defeys，1972); 二是地核一侧的不均匀加热作用。三是核、幔的转速不同。地幔柱一旦启动，其上升速度是十分缓慢的，一个地幔柱从 D″层上升至地表约需 100 Ma(Chritensen，1984)。地幔柱具非牛顿流体性状。这样，一个新启动的地幔柱在上升过程中，随着热量的不断散失及温度的不断降低，其上升速度会愈来愈慢(Loper，1983)。地幔柱上升过程中其化学成分亦会不断发生变化。

从深部上升的地幔柱可以分为两部分，大而宽的头部及窄而小的尾部，这是因为地幔柱低黏度及低密度的物质流上升时受高黏度的地幔物质阻碍的缘故。由此可知，地幔柱头部直径与其迁移距离密切相关(Davies，1992)。地幔柱不仅是热流而且亦是化学流，上升时的热传递会使小部分周围地幔温度升高、密度变小，随地幔柱一起上升，地幔柱头部会因不断包裹这种周围地幔物质而增大，若按地幔柱起源于 D″层计算，到达岩石圈顶部时，地幔柱直径可在1 000 km; 地幔柱尾部在上升时一般近于垂直其包裹上覆地幔物质的量很小，它的温度及成分均接近于地幔柱源区的成分(Campbell，1993)。

地幔中的水平剪切力可使地幔柱变得倾斜，板块运动亦可使地幔柱运动的轨迹发生变化，如果地幔柱倾斜程度大于 60°，地幔柱将变得不连续，不过地幔柱中的包裹物可以影响这一过程的进行。垂直的地幔柱具分层结构，向上运动的物质流优先集中于通道内部温度最高和黏度最低的区域，造成地幔柱中温度和黏度的分层; 倾斜地幔柱由于内部对流的原因，温度、黏度趋向于均一(Gliffiths，1990)。理论模拟及岩石学研究认为，地幔柱的头部与上地幔的温度差不超过250 ℃，地幔柱尾部温度高出上地幔上千度。地幔柱头部在到达岩石圈时就变得扁平，由于地幔柱内部的温度超过了橄榄岩固相线的温度，会产生大量的玄武岩浆。Morgan(1972)认为*溢流玄武岩正是地幔柱最初热扰动事件的产物，但它亦可能是长期活动地幔柱头部上方*裂谷作用的产物。Richard(1989)认为*溢流玄武岩是地幔柱头部物质部分熔融的产物，大洋岛玄武岩是地幔柱尾部部分熔融的产物。这种论断得到了同位素年代学和地球化学的验证。

Maruyama 等(1994)认为，地幔柱应有热柱和冷柱组成，且热柱的上升于冷柱的下流促成。也就是说地核动力作用和地幔柱动力作用之间的关系如图 1-4 所示。板块运动的主要驱动力来自冷板块，即俯冲岩板的负浮力。在海沟处俯冲的岩板聚集在 670 km 深度，然后幕式地坍陷，向 D″层提供冷物质。因此，地核被每次岩板局部齐平而间歇性地冷却。对应于这种剧烈的变冷，液体核将改变对流型式来使新形成的不均匀热结构均匀化。地核中对流调整的这变化是瞬间的，这由于外核是液态。它也强烈地影响地球的动力，例如磁场倒转作用。地幔侧范围内的温度分布是十分不均匀的，因此地核侧的热结构将被液体对流立即均匀，这样通过地幔/地核界面的热流是明显非均匀的。这种非均匀的热流分布引起 D″层的不稳定，使致产生和发育地幔柱。因而，地核中的动力是由下落巨石，即冷地幔柱引起，它也可以从 D″层产生超上涌流。因而，地球的动力运动的最基本的，重要的原因是 “冷地幔柱”。

牛树银等(2002)提出，地幔热柱的形成需要具备(几个)相关联的地质、地球物理条件:

1)地球在其漫长演化过程中逐渐形成了圈层结构，且核-幔-壳之间存在着很大的物质差，并进而导致层圈之间的差异旋转。

2)地球的内外圈层之间存在着非常大的温度差、压力差、黏度差、质量差等物化条件，并且由于这种差异的悬殊而产生 “烧开水式”热、冷物质对流。

3)地幔是热流变物质，属于黏滞性物质，只要时间足够长，热流变应相当显著。

上述三个条件地球均已具备，因此，地幔热柱的形成、演化及由此引起的幔壳运动就成为必然。

图 1-4 地幔冷柱形成图(据 Maruyama 等，1994)