Gillian R. Foulger:深源地幔柱是否存在?
栏目:行业动态 发布时间:2019-12-07 19:32

报告人:Gillian R. Foulger | 收拾:许晶瑶、黄永树 

板块结构理论是当今地球科学的柱石,描绘了大洋岩石圈从发作到消亡的动力学进程,能合理解说沿会聚板块鸿沟散布的火山弧成因,但难以解说坐落板块内部的岩浆效果,如夏威夷群岛、黄石和冰岛等。因而,在板块结构理论诞生后不久,地幔柱假说也随即提出。加拿大地质学家Wilson 以为太平洋板块鄙人伏“热门”上移动,相似打点计时器,热门将上覆板块穿透,终究构成年纪逐突变年青的夏威夷岛链。在此基础上,美国地球物理学家 Morgan 将其笼统为地幔柱假说,以为在活动板片下,源于地球深部的火热物质上涌发作很多熔体,喷出地表,终究构成一系列岛链。地幔柱假说被广泛选用,以解说包含生命灭绝、雪球地球等重大地质事情的成因。但作为假说,对其进行验证是将其升华为理论/定理的根本要求。因而,关于地幔柱假说的查验一直是地球科学研讨的焦点和前沿问题之一。 

针对上述科学问题,英国杜伦大学地球物理学家Gillian R. Foulger 教授在我所前沿论坛展开了相关评论。Foulger教授首要扼要回忆了地幔柱假说提出的布景,然后论说了地幔柱假说的界说、内在和根本猜测,并在此基础上评述了地幔柱假说的验证状况。Foulger教授以为,迄今为止,有关地幔柱假说根本猜测的“依据”常具有多解性,或仍未得到查验,有待持续研讨。Foulger教授最终结合自己在冰岛的研讨,提出板块结构理论能够较好的解说冰岛的地质现象,相关模型和思路对全球其他区域“热门”成因解说有重要参考价值。 

依据地幔柱假说,地幔柱起源于地幔深部热鸿沟层,其上涌至浅部地幔时将伴有如下地质现象:地表激烈拱起;构成大规划的溢流玄武岩;跟着时间推移构成相似夏威夷的火山链,火山链延伸的方向便是板块运移的方向;高温岩浆效果。在Foulger教授看来,这些猜测没有得到证明: 

地表激烈拱起 

当地幔柱柱头抵达上地幔时,会导致地表激烈拱起 ,这是地幔柱假说最重要的猜测之一。峨眉山大火成岩省是少量被以为有上千米标准拱起的大火成岩省,但Peate and Bryan 以为对该拱起的知道建立在过错的火山地层学作业之上,其真正隆升的起伏有限。总的来说,全球有地幔柱报导的区域,还缺少地表激烈拱起的确凿依据。 

溢流玄武岩省 

一般以为,溢流玄武岩岩浆喷射速度快且规划巨大,能在1-5 Ma内喷射几百万立方千米的岩浆,例如北大西洋大火成岩省发作了约5x106 km3岩浆,而西伯利亚玄武岩到达10x106 km3。地幔柱被广泛用来解说该类地质现象。可是,地幔柱能否发作如此大规划的熔体尚无结论。依据Cordery et al. 的核算,即便是温度很高的状况下,地幔柱也很难在短期发作如此大体积的岩浆。Foulger教授以为要发作如此巨量的岩浆或许需求一个长期的岩浆储库,而不是短时间一次构成。 

地幔柱“尾部”延伸至核-幔鸿沟 

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鸿沟。现在首要经过地震层析成像的方法来讨论地幔柱的尾端深度。Foulger教授指出,咱们须慎重对待地震层析成像的成果,同一区域不同作者宣布的地震层析成像数据解说存在差异,很难重复。例如,对夏威夷区域的研讨中,Li et al.以为地幔柱的尾部向西北方向,而Wolfe et al.的作业提出了一个向东南方向的地幔柱。 

图1 不同作者宣布的夏威夷下地震层析成像:左图显现了一个低速体,被解说为地幔柱,从夏威夷大岛向夏威夷岛链下方的西北方向歪斜;右图显现了相似的低速体,也被解说为地幔柱,从夏威夷大岛下方向东南方向彻底相反的方向歪斜。与之相似,最近有关黄石热门的地球物理观测也呈现出相左的解说

跟着时间推移的火山链

地幔柱假说以为地幔柱相对停止,夏威夷岛链的延伸方向代表了太平洋板块的运动方向。Foulger教授以为夏威夷的“热门”并没有坚持固定不变,由于大约50 Ma前的夏威夷皇帝岛链曲折改动了方向,但其时的太平洋板块并没有改动移动方向。 

Foulger教授以为地幔柱假说无法解说这些地质现象,越来越多科学家意识到并不是一切的“热门”下都有地幔柱。 

图2  Hawaiian-Emperor链上不同年纪的海山和火山的方位,以及理论重建的方位  

作为地幔柱假说的代替计划,Foulger教授以为板块结构能很好解说这些板内呈现的呈富集地幔地球化学特征的岩浆省。 

地幔柱假说以为岩石圈是被迫的,地幔柱自动上升穿过岩石圈喷出。与之相反,板块结构以为地幔是被迫的,而板块在其上移动,发作扩展效果,熔体被迫流出。后者以为热反常并不一定限制在板块鸿沟,由板块结构效果导致的板内拉张相同能够构成板块内部的热反常。Foulger教授以为,在我国峨眉山大火成岩省广泛发育扩展结构的布景下,能够想象,假如其下具有一个巨量的岩浆房储库,可在短时间内发作很多溢流玄武岩。 

Foulger教授以为,板块结构理论能够合理解说现有的观测。地幔柱假说猜测热门呈现的方位是随机的,可是除夏威夷和冰岛外,现观察到的热门首要会集在板块鸿沟。地震层析成像显现冰岛在地幔浅部构成,不显现显着温度反常。别的,地球化学研讨显现夏威夷岩浆源区有再循环洋壳的奉献。爬升地壳的熔融能解说在“低温”条件下较高的岩浆产率。 

图3 热门全球散布图岩石圈扩展拉伸。以美国黄石为例,黄石坐落两个结构省的交界处,这两个结构省之间细小的运动差异或许会导致大陆裂谷的扩展。别的有研讨者以为坐落南太平洋Samoa群岛的构成与地幔柱有关,可是Samoa刚好坐落板片撕裂的方位,具有典型的扩展特征。前人研讨以为,冰岛是热门火山效果的产品,但Foulger教授以为冰岛是由大陆撕裂构成的。地幔中的熔体。地震学家经过地震学数据发现地幔中存在许多低速区域,能够经过部分熔融解说。如榴辉岩的熔点比地幔岩低约200oC,榴辉岩熔融能够发作很多的熔体。此外,板片爬升进程中蒸发分的参加能导致岩石熔点下降。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。 

图4 冰岛层析成像截面图 

图5  Yellowstone地震层析成像截面图

最终,Foulger教授着重咱们应该注重结构地质学的研讨,并结合地球物理、岩石学、地球化学等多个学科来解析地球动力学演化之谜。 

首要参考文献 

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