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地幔柱的识别和演化研究述评

来源：花匠小妙招时间：2025-06-16 09:37

第3期　　　　　　　　　　　　　贺世杰等:地幔柱的识别和演化研究述评　　　　　　　　　　　　　　435

大陆地壳地温梯度增高并发生广泛的地壳熔融事件,如李献华等[37]对中国华南地区新元古代大面积出露的同时代花岗岩研究中指出,当时华南地区受到了地幔柱活动的影响。

3　地幔柱的演变

3.1　地幔柱的演化过程概况

和富集原始3He的地幔柱,尤其形成巨大体积的溢

流玄武岩的超级地幔柱更有可能来源于核—幔边界附近的不连续面(CMB)[44]。3.3　地幔柱的运动

地幔柱演化的研究需要在一定的地幔动力学框架或模型下进行。Hofmann[44]讨论了4种较成熟的地幔动力学模型:①标准的双层对流模型,即上下地幔各自形成对流层,来自于下地幔的地幔柱混合了上地幔的亏损物质;②改进的双层模型,660km不连续界面为机械边界层或温度压力层。地幔柱起始于上地幔的底部,捕获了富集原始3He的下地幔物质;③全地幔对流模型,认为660km界面不影响俯冲岩石圈穿过进入下地幔,地幔柱起源于核幔边界;④,,又,。B岩石成因模式的观点认为,由于上、下地幔是分层对流的,上、下地幔间的不连续面为化学界面,而不是相界面,如果670km不连续面是密度差足够大的化学界面,上、下地幔就会相互独立,缺乏物质交换。由D’’层产生的地幔柱将无法穿过670km不连续面[45]。Forte等[46]利用大地测量学的

在地幔深部的局部地区,由于相变或物质不均

一性导致能量逐渐聚集,从而导致局部温度增高。当垂向温度增加到足以克服压力对密度的影响,热的物质脱离周围环境的束缚漂浮起来上升。此时上升物质团的能量获得的浮力已超过周围地幔物质形成的粘滞力。俯冲板块的下沉,也会对热幔柱上升起到相当的作用[10,11,38];一些学者假设存在原始通道(fossilconduit),如同岩浆沿裂隙上升一样,可以沿通道快速上升[39]地幔,用。响,会在上升过程中崩溃,从而完成其演化历程。3.2　地幔柱的启动由于化学边界层具有很高的温度梯度,部分熔融最有可能首先发生在化学边界层内[40]。地核的冷却释放热量,使D’’层较地幔其他区域更容易变得不稳定。另外,D’’层代表着特殊的化学层,地核上升物质和地幔沉降的致密团块聚集于此,相变或组分的变化也可以释放热量。地震学的研究提供了地幔内部不连续面发生部分熔融的证据[41],证实了D’’层是局部分层,具有不同温度梯度,附近还存在着可能与部分熔融有关的低速层[42]。

上地幔的过渡区域,一般被定义为400km和670km不连续面之间的部分地幔。400km不连续

依据认为绝对的上下地幔分层是不成立的。地球化学研究表明,在计算玄武岩组分时,需要一些下地幔的物质组分,估计每10亿年1%～2%的下地幔物质会通过670km不连续面到达上地幔[32]。地震观察结果证实,许多板片俯冲到660km不连续面以下,仍然足够冷可以引发地震,如果它们穿过相变界面,就会沉到核幔边界,地震层析模型认为,许多板片将

]

停留在离核—幔边界之上1200km处[47,有证据表明俯冲板片已经沉降到核幔边界[48]。从而“冷”的地幔柱迫使“热”的地幔柱进入上地幔[10]。Reynolds数非常小的情况下,地幔柱将以一个正常的上升速度穿过地幔[49]。实验确定的地幔柱头部在通过厚度为d的层面所需时间t的表达方程[50]:

ρ)4/7(B/Δρ)-3/7t=(d/0.16)5/7(η/gΔ

ρ为地幔柱内其中B为异常质通量(单位kg3/s),Δ

部和环境之间的密度差值,g为重力加速度,η代表周围地幔的粘度系数。

据估计地幔柱的上升速度大约为10mm/a[32]。

数值模拟研究显示了上升的物质流体的粘度明显低于外围的流体物质,形成细长管状的尾部和球状的头部顶冠[51],如图1。近年的研究结果表明,地幔柱的头部是游移的,尾部相应的跟随移动[52]。模拟计算显示,地幔柱的水平运动的速度只相当于板

面是橄榄石—尖晶石相变界,看作是均匀地幔的平衡相边界面;670km不连续面是尖晶石—钙钛矿相变界面。地震反射方面的研究,认为经过400km和670km不连续面的反射可与由实验得到的这些边界的橄榄石相变的克拉珀龙斜率一致[43]。目前,所能提供的地幔柱来自于上地幔底部的直接证据并不充分。在稳定同位素的特征上,地幔柱3He/4He比大气3He/4He至少高50倍(大气3He/4He比约为1.4×10-6),高3He/4He比值通常是地幔去气过程不充分的结果,从而作为地幔柱起源于下地幔的证据。惰性气体的证据推测代表着较小规模的、短期的和不富集原始3He的地幔柱来源于670km处的上—下地幔之间的不连续面(ULMB);较大规模的、长期的