地幔柱构造研究概述

第25卷

2009年　

第4期7月铀 矿 地 质

Uranium Geology

Vol.25J ul 1

No.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

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　?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

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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 mantle

plumes 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

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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 explaining

t 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5000

km 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。当地幔蠕动时,下降的蠕动流所造成的会聚式平向流动发生靠拢会聚时,就可能产生挤压型推覆拆离构造。当地幔蠕动时,分散式蠕动流拖曳地壳(壳体)或其有关地貌发生拉

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图4　地幔底层结构示意图(据侯渭等,2005)

Fig14　Schematic diagram of t he possible structure

of lowermost mantle

伸或离散,可能诱导伸展型拆离构造形成……”(童航寿,2002)。笔者在强调这种力源机制时,除地球自转速度变化等外因外,起主导作用的是地幔蠕动内因。它是地幔物质(包括放射性元素)不均一性引起的,温度和密度差异导致地幔蠕动,实际上相似于地幔柱理论的热物质流。

地幔柱理论的核心理念,在于提出地幔范围内存在着上升的热幔柱和回返的冷幔柱。其中,热幔柱来自核幔边界“D”层或深部地幔(约400km),其深部地幔热物质呈柱状体上涌,形成巨大球状头冠和细窄的尾柱,并在岩石圈发育成热点2裂谷2大洋扩张构造系统,产生相应的热点式、裂谷式、大洋扩张式岩浆活动,导致岩石圈减薄和超大陆解体,以及大陆岩石圈向大洋岩石圈转化。冷幔柱回流引起超大陆聚合、大陆裂谷夭折和洋壳俯冲碰撞造山、岩浆活动及大洋岩石圈向大陆岩石圈构造体制转化。地幔柱范围内的冷幔柱与热幔柱并列存在,对流作用(运动)驱动板块运动,控制了地幔热点2大陆裂谷2大洋裂谷2大洋扩张2俯冲碰撞造山的威尔逊旋回的发生和发展(Maruyama et al,1994;侯增谦等,1996;李红阳等,1998、2002)。

关于地幔柱的结构和多级演化模型,日本学者Maruyama和Fnkao等(1994)依据地震层析成像、超高压实验、计算机模拟和地球板块构造史及比较行星学研究,以核幔界面(2900km)、上地幔底界(670km)、岩石圈底界(100km)深度为界划分出地幔柱1～3级次柱以及冷幔柱和超级地幔柱的地球层圈(图5)。起源于“D”层的地幔柱,其直径约5000km者称为超级地幔柱,直径小于500 km者称亚地幔柱。超级地幔柱在下地幔下部呈颈状,大约在2000km深处呈蘑菇状朝670 km深处的上下地幔不连续面扩展,形成扁球状顶冠。进入上地幔内分为数个小的地幔柱(2级),约在100km深处的岩石圈底部再细分为更小的幔柱(3级),牛树银等(1996)称其为幔枝构造。

3　地幔柱的形成条件及多级演化模式牛根银等(2002)认为,地幔柱的形成需要具备3条相关联的地质、地球物理条件:

(1)地球在其漫长演化过程中形成的圈层结构,核2幔2壳之间存在巨大物质差异,并进而导致圈层间的差异旋转;

(2)地球的内外圈层之间存在着非常大的温度差、压力差、粘度差、质量差等物化条件差异,产生“烧开水式”的热冷物质对流;

(3)地幔属于粘滞性物质,处在热对流状态,只要足够长的时间就会产生相当显著的热流变。

只要上述3个条件具备,地幔热柱的形成、演化及由此引起的幔壳运动就成为必然,因而提出地幔柱多级演化模式(图6)。

(1)初始地幔柱的启动,形成气球膨胀式初始地幔柱(图6a)。

(2)地幔柱的形成:由于热物质的热扩散作用和同化混染作用,随着地幔热柱不断上升,柱头不断扩大,当其上升至上下地幔界面时,由于受到屏障作用,地幔热物质不断积聚,并呈蘑菇状不断增升,当热对流动力达到或超过临界面屏障阻力时,地幔热物质便会冲破阻力,穿过上下地幔界面,以地幔亚热柱的形式继续向上运移(图6b、c)。

(3)地幔亚热柱的形成及其演化:地幔亚热柱自地幔柱蘑菇状顶冠衍生而来,地幔

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图5　地幔热柱结构示意图(

Maruyama ,1994)

Fig 15　Sketch of mantle plume structure

图6　地幔柱多级演化模式图(据牛树银等,2002)

Fig 16　Model of multiple evolution for mantle plume

a ———初始地幔柱的启动;

b ———地幔柱形成;

c ———地幔亚热柱的形成;

d ———幔枝构造形成。1———地球内核;2———地球外核;3———D (超临界)层;4———下沉冷幔柱(体);5———下地幔;

6———上地幔;7———2、3级柱;8———俯冲堆叠岩块及岩石圈硬块。

热柱顶冠的热物质流同时向若干个地幔亚热柱传输。起自“D ”层的热物质只要有足够的温度差、密度差、压力差,通过地幔向上升

腾,形成地幔热柱2地幔亚热柱系统(图6c 、d )。由于地幔亚热柱遇到岩石圈的覆盖封闭

作用,形成蘑菇状顶冠,随着顶盖物质增多,

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图7　地幔热柱多级演化系列成矿模式图

Fig17　Sketch showing multiple evolution and metallogenic mode of mantle plumes (Ⅰ)———地幔热柱成矿模式图:1———地球内核;2———内外核间转换带;3———地球外核;4———核幔间转换带;

5———地幔;6———岩石圈;7———地幔柱构造;8———深源岩浆作用;(Ⅱ)———地幔亚热柱2幔枝成矿模式:1———岩石圈硬块;2———地幔亚热柱;3———基性岩脉;4———花岗质侵入体;5———变质褶皱岩系;6———深部含矿还原系统

流体,浅部氧化系统大气降水;7———低速高导层;8———韧性剪切带。

浮力增大,使岩石圈最初表现为穹状隆升。在热浮力隆升过程中,热物质对上部岩石圈物质发生同熔或顶蚀作用,使岩石圈底部不断崩落、熔蚀,并可导致拆离带下部岩块脱落下沉,较大的下沉块体会成为地幔热柱外围的冷却下降柱。

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(4)幔枝构造形成:随着地幔亚热柱活动

的不断加强,地幔热物质逐渐向上侵位,当其上升力和重力、阻力之和达到平衡状态时,地幔物质向外围拆离滑脱,会沿韧性剪切带发生岩浆活动,形成一些基性岩浆的侵入和喷发活动。强烈的岩浆活动可同熔一些壳源物质而形成地幔型2幔壳型2壳源重熔型岩浆岩。在岩石圈应力场及岩石圈断裂的控制下,地幔亚热柱蘑菇状顶冠中会发生一系列岩浆活动,形成一系列3级地幔柱构造———幔枝构造(图6d)。

在地幔亚热柱活动中期,由于亚热柱顶部大规模的岩浆活动,最初表现为热隆作用,而后会被中后期的热减薄作用取代,继而在亚热柱顶部发生减薄断陷作用,并伴随多期次的岩浆活动和形成溢流玄武岩层,而外围可能形成幔枝构造,以致于在地幔亚热柱发展演化中后期形成典型的盆2岭构造(图6d)。

4　地幔柱多级演化成矿模式及热柱结构模型

牛树银等(2006)通过对华北东部盆山偶合与内生成矿作用的研究,认为该区的An、Ag等成矿物质以深源为主,将成矿物质迁移状态抽象成地幔柱多级演化成矿模式(图7)[17,18]。

为了验证幔柱构造理论中的驱动和热柱的基本问题,20世纪80年代Whitehead和Luther(1975),Criffiths和Campbell(1990)均进行了实验与模拟研究。Whitehead和L u2 t her首先用葡萄糖浆作实验,获得了满意结果。图8是葡萄糖浆中的一个柱状构造在其上升不同阶段的照片,其各分图的比例尺均相同,图8c中头部直径为619m。热的柱状物被染成红色,之后以稳定的速度注入装有清糖浆的凉罐中。当这种低粘度的物质上升时形成了一个挤压头并带有一条尾(图8a)。柱状物的热量逐渐向周围流体中散失,从而使其浮力升高而上升(图8b)。这形成了A处所显示的热传输现象(图8c)。当柱状物到达顶部时头部变平并在平面上扩散(图8d)。Crif

2

图8　葡萄糖浆中的一个柱状构造在其上升

不同阶段(a～d)的照片

Fig18　Photographs of a plume in glucose

syrup at successive stages during it s ascent

fit hs和Camp bell根据流体力学实验结果和数值模拟,建立了地幔柱结构模型(图9)

。

图9　根据流体力学实验结果推测的地幔柱结构Fig19　A hydromechanical laboratory model

of a starting t hemal plume

上述只是地幔柱构造理论的一个概要,该理论研究目前正在深化过程中,新的研究成果不断有报道。本文旨在起到传递信息和抛砖引玉的作用,以期在铀矿地质领域内引起更广泛的关注。

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[参考文献]

[1]牛树银,李红阳,孙爱群,等1幔枝构造理论与

找矿实践[M]1北京:地震出版社,20021 [2]李红阳,牛树银,王立峰,高永丰1幔柱构造理

论[M]1北京:地震出版社,20021

[3]V1E1哈因1大地构造学和地球动力学现代问题

[J].长春地质学院学报,1996126(4):361～3671 [4]童航寿1拆离构造动力学与地洼理论[J]1大地

构造与成矿学,2002126(3):225～2281

[5]邓晋福,赵海玲,莫宣学,等1中国大陆根2柱

———大陆动力学的钥匙[M]1北京:地质出版社,19961

[6]谢窦克,马荣生,张禹慎,等1华南大陆地壳生

长过程与地幔柱构造[M]1北京:地质出版社, 19961

[7]李子颖,李秀珍,林锦荣1试论华南中新生代地

幔柱构造、铀成矿作用及其找矿方向[J]1铀矿地质,1999115(1):9～171

[8]李子颖,李胜祥1加拿大萨斯喀彻温省北部铀成

矿作用的特点与启示[J]1铀矿地质,2000116

(3):129～1341

[9]李子颖,黄志章,李秀珍,等1华南铀矿区域特

征标志[J]1世界核地质科学,2004121(1):1

～41

[10]李子颖,华南热点铀成矿作用[J]1铀矿地质,

2006122(2):65～691

[11]徐义刚1地幔柱构造、大火成岩省及其地质效

应[J]1地学前缘,200219(4):341～3521 [12]马宗晋,杜品仁1现今地壳运动问题[M]1北

京:地质出版社,19951

[13]侯渭,谢鸿森,周文戈1地幔底层及其在全球物

质演化中的意义[J]1地学前缘,2005112(1):

37～41.

[14]万天丰1[M]1北京:地质

出版社,20041

[15]陈国达1地洼学说

系概论[M]沙:中国工业大学出版社,

19961

[16]童航寿1试谈“聚矿构造”在铀矿区域成矿中

的意义[J]1核工业北京地质研究院年报,

19801

[17]牛树银,等1华北东部盆山耦合与内生成矿作

用[J]1大地构造与成矿学,2006,30(3):

331～3421

[18]谢桂青,等1中国东南部地幔柱及其与中生代

大规模成矿关系初探[J]1大地构造与成矿学,

2001125(2):179～1861

An summary of mantle plume tectonics

TON G Hang2shou

(Bei j i ng Research I nstit ute of Urani um Geolog y,Bei j ing100029,China)

Abstract:This paper make an briefly introduction to mantle plume tectonics and it s st udy stat us.So as to arise t he attention of uranium geologist.

K ey w ords:mantle plume;mantle branch structure;t heory of hot spot action