1、第九章 全球动力学模式： 从板块构造到地幔柱,A day early, but the Earth is happy you remembered.,一、板块构造理论(Plate Tectonics) 二、地幔柱理论(Mantle Plume),上世纪六十年代末兴起的板块构造学说，从全局上囊括全球构造演化多方面的基本问题，解决了“地球是怎样活动的”问题，极大地推动了地球科学的发展。而地幔柱的提出完善了板块构造学说的诸多不足 。,Plate Tectonics is a theory developed in the late 1960s, to explain how the outer la
2、yers of the Earth move and deform. The theory has caused a revolution in the way we think about the Earth. Since the development of the theory, geologists have had to reexamine almost every aspect of Geology. Plate tectonics has proven to be so useful that it can predict geologic events and explain
3、almost all aspects of what we see on the Earth.,一、板块构造理论,1. 板块构造学说的诞生背景板块构造学说的孕育，先后经历了六十年的坎坷曲折的历程，它发端于1912年魏格纳创建的大陆漂移说，经过海底扩张假说，最终形成板块构造学说。,大陆漂移学说(Continental Drift)魏格纳根据大西洋两岸海岸线吻合和中生代前地质古生物相似的特点，提出了大陆漂移学说。认为地球表面曾存在一个统一的大陆，称为泛大陆，并根据地质构造上的联系，特别是各大陆之间古生物的联系在何时中断，得出泛大陆是从侏罗纪开始破裂的，在这之后才漂移散开。现今的各大陆和大西洋，印度
4、洋都是经过大陆漂移后形成的。这一结论在多年以后被古地磁及其其他地质资料所证实。,Alfred Wegner was a German Meteorologist in the early 1900s who studied ancient climates. Like most people, the jigsaw puzzle appearance of the Atlantic continental margins caught his attention. He put together the evidence of ancient glaciations and the distr
5、ibution of fossil to formulate a theory that the continents have moved over the surface of the Earth, sometimes forming large supercontinents and other times forming separate continental masses. He proposed that prior to about 200 million years ago all of the continents formed one large land mass th
6、at he called Pangea.,大陆漂移说最大的缺陷就是未能正确说明大陆漂移的动力学机制，所认为的驱动大陆漂移的潮汐摩擦力和指向赤道的离极力太小，不足以引起大陆漂移。,海底扩张学说(Sea-Floor Spreading)随着魏格纳的献身于格陵兰草原，大陆漂移说一度陷于沉寂。直到英国学者霍姆斯提出地幔对流驱动大陆漂移的机制，这一概念才为现在的海底扩张说所采纳。海底扩张说是赫斯和迪茨上世纪60年代初在肯定了巨大的地幔对流体是影响岩石圈构造运动的基础上提出的。认为大陆是在与相邻的洋底焊接以前，被动的驮在下伏地幔对流体上，犹如传送带上一样，被运载着缓缓漂移。作为海底扩张说的自然延伸，196
7、8年一个新的大地构造学说板块构造说诞生了。,板块构造归纳了大陆漂移和海底扩张取得的重要成果，并及时吸取当时对地球上部层圈岩石圈和软流圈所获得的新认识，从全球统一的角度，阐明了地球活动和演化的许多重大问题。板块构造的提出，被誉为地球科学上的一场革命。,板块构造学的发展和创立大致可分 3 个阶段： 1912年德国学者A.L.魏格纳提出了大陆漂移说，50年代古地磁的研究测得各地在地质时代中的磁极位置变化多端，用大陆固定论无法解释，采用大陆漂移说则可得到圆满解释，大陆漂移说随之受到重视。 60年代美国地质学家H.H.赫斯和R.S.迪茨提出了得到海底磁异常研究支持的海底扩张说，论述了壳的产生和消亡，并获
8、得深海钻探的验证。 1965年加拿大学者J.T.威尔逊建立转换断层概念并指出，连绵不绝的活动带网络将地球表层划分为若干刚性板块。19671968年法国人 X.勒皮雄、美国人D.P.麦肯齐将转换断层概念外延到球面上，定量地论述了板块运动，确立了板块构造学的基本原理。,2. 板块构造的基本观点,（1）由地壳和软流圈之上的固态上地幔构成的岩石圈以洋中脊、俯冲带和转换断层为界，分成若干个刚性块体（即板块）。（2）以地幔对流为基本动力，板块在软流圈上作大规模的水平运动。（3）岩石圈板块间的相对运动分为三种形式：沿洋脊裂谷系的分离运动导致海底扩张而生成新的洋壳；沿沟岛弧系和大陆新造山带的汇聚运动导致大洋板
9、块俯冲至大陆板块之下的地幔深处消亡，引起造山运动和陆壳增生作用；沿转换断层的平移运动，这里岩石圈板块既不生长也不消减。（4）板块内部基本不变形。（5）板块边缘是地壳活动最强烈的地带。（6）板块的相互作用控制了各种内动力地质作用过程，是地球表面最重要的构造作用。,3. 板块的边界类型及板块的划分,从板块之间的相对运动方式可将板块边界分为三种基本类型:分离（离散）型板块边界 汇聚（会聚）型板块边界 俯冲带 碰撞带 平错型板块边界,板块边界类型及运动方向,全球岩石圈板块的划分,依据：地震带 六大板块(1968年法国勒皮雄X.LePichon划分)欧亚板块、非洲板块、印度板块（或称大洋洲板块、印度-澳
10、大利亚板块）、太平洋板块、美洲板块和南极洲板块。 12大板块（许多微板块） 欧亚板块、北美板块、南美板块、非洲板块、阿拉伯板块、南极洲板块； 太平洋板块、菲律宾板块、印度-澳大利亚板块、加勒比板块、纳兹卡板块和可可板块。,12个板块是在六大板块基础上的划分：美洲板块划分为南美板块、北美板块及两者之间的加勒比板块；太平洋板块西侧划分出菲律宾板块；非洲板块东北部划分出阿拉伯板块；东太平洋中隆以东与秘鲁智利海沟及中美洲之间（原属南极洲板块）划分出纳兹卡板块和可可板块。,全球十二个主要板块的分布,The red lines on this map of the world represent the
11、largest plate boundaries,板块构造理论的提出，成功的回答了先前其他构造学说难于解释的地学问题，诸如大陆裂解、大洋扩张、板块俯冲、板块碰撞、火山地震分布等许多地学现象。最大的成功之处就在于解决了这些现象产生的动力来源问题，认为板块的相互作用是引起大地构造活动的基本原因。比如汇聚型板块边界，当大洋岩石圈与大陆岩石圈板块相遇时，比重较大的洋壳板会下插或俯冲到陆壳板块之下；但如果是陆壳板块之间会聚，由于两者性质相似，将不会发生类似洋壳与陆壳板块之间的俯冲事件，其最终结果是碰撞上隆形成山脉。,4. 所解决的地学问题,板 块 运 动 及 大 洋 的 形 成,板 块 运 动 及 大
12、洋 的 闭 合,板块构造学说虽然被称为地学革命，但随着科技的发展，其不完善之处也逐渐显而易见，主要表现在板块构造的驱动力问题和板块内部地质现象问题等 。,5. 板块构造学说的困惑,（1） 板块运动的驱动力问题板块运动驱动机制或驱动力问题尚未解决板块构造学说认为板块运动的驱动力来自地幔对流，认为地幔中温度差或密度差的存在可引起物质的缓慢移动，热的、轻的地幔物质上升，冷的、重的物质下沉，连接起来构成一个个对流环。 从而使驮在软流圈之上的岩石圈板块是由于地幔对流的拖曳作用而运动的，地幔上升流使板块分离，下降流使板块聚合。,但对于地幔对流的具体动力学过程有分歧：一种认为地幔对流囊括整个地幔； 一种认为
13、对流仅局限于上地幔软流圈，下地幔粘性太大，不足以引起对流； 还有一种双层对流模式，认为对流分别在上、下地幔两层中进行，因为在650 km深度存在的不连续面可能是物质的分隔界面。,其他如俯冲板块的重力拖拉作用，中洋脊顶部的推挤作用和顺坡下滑作用等驱动力源说，更是无法解释地质历史中的板块的形成及板块运动的变更。,（2） 板块内部地质现象对于解释大陆板块内部为什么会有大陆溢流玄武岩的出现？大洋板块内部为何出现了火山链？等诸多板块内部发生的地质现象，板块构造学说就显得力不从心。,A Hotspot Alternative. The rise of a surface-related explanati
14、on is turning things upside down.,科学是不断发展的，板块构造理论并不是尽善尽美的终极真理，它只是当代地质学对地壳或岩石圈演化规律的认识，还存在许多不能解决或解释的难题。当一种理论被局限在某一个范围，不能解决更多的问题时，人们便会去寻找一种新的理论。为了弥补板块构造的不足，科学家们提出了地幔柱构造理论。,二、地幔柱理论,地幔柱假说最初是用于解释夏威夷火山岛的成因，逐渐完善后成功地解释了对板块构造学说最具挑战性的海底火山链和大陆溢流玄武岩(CFB )的成因，提出了板块内部和地球深部的活动性问题，深化、完善了板块构造学说。,1. 地幔柱的概念Morgan 最早描述的
15、地幔柱大致意思是，地幔柱（plume）是一种起源于深部地幔、能在地表形成“热点”(hot spots)的相对原始热物质流，其形成主要是由于地幔的热浮性(thermal buoyancy)。地幔柱（plume）可以说至今在地学领域还没有精确的定义，也没有得到广泛的接受，而且在不同学科里所表示的意义也不尽相同。,What is the plume hypothesis?,Proposed by Morgan (1971). Hot upwellings of relatively primordial material which rise from the deep mantle origina
16、ting from a thermal boundary layer and feed hotspots. Thought to rise from the D layer at the CMB. Concept of a plume allows for the return flow of material to the surface relative to subducted slabs.,Numerical simulation of mantle plumes. Red=hot upwellings. Blue=cold downwellings Keifer and Kellog
17、g, 1998,2.地幔柱的特征（1）形态头部粗大而颈干细小的“蘑菇”状，其在岩石圈底部直径可达1000km，经水平扩展后更是可达2000km。,(2) How hot are hotspots?,At normal mantle temperatures peridotite cannot produce melt in the correct volumes or rate of that seen at hotspots/flood basalt regions, Cordery et al. (1997). High mantle temperatures are therefore
18、required to produce the magmatism (Tp in excess of 1600oC). Griffiths and Campbell (1990) - cold head, hot tail. Farnetani and Richards (1995) - hot head, cold tail.,Fitton & Godard - Tp 1500oC for the Ontong Java PlateauNisbet et al. (1993)- Tp = 1600oC for the Galapagos starting plume Gill et al.
19、(1992) - Tp = 1550-1600oC for Iceland starting plumeThese values lie within the geophysical range so may be regarded as normal mantle temperatures!However, Thompson & Gibson (2000)- Tp = 1700oC for parts of the Tristan starting-plume head.,（3）动力学地幔柱的根位于深部地幔或核幔边界的D“层。同板块构造系统一样，它也是以一种地幔对流形式诱发的地幔缓慢运动，热
20、物质流以柱状形式从下地幔深部上升，而驱动力则在于地核向下地幔的热能转移。当垂直运动的幔柱到达岩石圈时，流动变为水平并各向扩散，形成具火山活动的热点。而放射状流体施加给岩石圈板块的合力以及各板块沿边界相互制约所产生的力，确定了板块的运动方向。,（1）热点(hot spots)热点(hot spots) 就是所谓地幔流体流出的地方。热点以板块的局部隆升、剧烈火山活动和高热流为主要标志，通常认为是地幔柱在地表的反映。局部高热流值和相关的火山活动（热点）出现在远离板块边界的地方；热点不随板块漂移而迁移，几乎静止不动，暗示起源于活动岩石圈之下的深部地幔。最令人信服的证据来自最近的地震学研究。下地幔地震波
21、低速异常代表了低密度热物质的存在，例如地震层析揭示冰岛地幔存在一低速柱状物质，至少延伸至400km以下，地幔热柱的直径为300km，而高温可能是造成柱中低速物质的主要原因。,3. 地幔柱的证据,热点及火山链,（2） 大火成岩省(LIPS)大火成岩省包括大陆溢流玄武岩和相伴生的侵入岩、被动火山边缘、海底高原、大洋盆地溢流玄武岩以及火山链等，是规模巨大的岩浆在相当短的时间内形成的，具有极高的喷发速率，覆盖范围也类似。,LIPS的成因显然不同于正常的洋底扩张过程，难以用传统的板块构造理论来解释，而与特殊的地幔动力学过程有关。如On-tong-Java海底高原是地球上面积最大的火成岩省，较相邻的深海平
22、原平均高出2 km，地球物理测量结果表明下部具有一个低速的地幔根，深达300 km，与地幔柱形态常吻合。因此地幔热柱学说是较为理想的解释LIPS这一热异常的模型，而且据估计地幔热柱头的直径与LIPS的实际覆盖范围也类似。,（3）其他地幔柱上升过程中会携带巨大的能量对地壳进行烘烤、加热，使得大陆地壳地温梯度增高并发生广泛的地壳熔融事件，这种大范围的地壳重熔也可以作为识别地幔柱的一个标志。如华南地区新元古代大面积出露的花岗岩的形成可能就是受到了地幔柱活动的影响。,从本质上看，地幔柱是地球物质垂直运动的结果，它与板块构造相互配合，可以更好地理解全球动力构造及演化规律。,4. 地幔柱研究意义,（1）
23、大陆裂解 Courtillot等认为地幔柱参与大陆裂解的方式兼有主动和被动的因素。 Hill和Storey则认为地幔柱上升产生的水平应力不足以引起大陆的裂解，更可能以被动的方式参与大陆裂解，也就是由于板块边界重组产生的力导致岩石圈的裂解，地幔柱或软流圈沿着这些新形成的板块边界被动上升。这种过程极可能部分地影响了板块的运动，甚至在某种程度上决定了大陆裂解的时间和空间位置。,（2） 板块俯冲由于地幔柱的参与，俯冲带的动力学模式发生改变，表现在地幔柱促使俯冲板片的密度减小，从而使俯冲作用难以进行。（3）地磁效应地幔柱来源物质的喷发可以影响地磁场倒转的速率。具体说，由于地幔柱起源于D“层，因而将大量热
24、能从地核传递到地幔底部，这一过程改变了地球动力运行的能量分布，从而影响到磁极倒转的频率。（4）其他地幔柱理论在解释海平面与全球气候变化、生物大灭绝、海底大滑坡等许多地质现象方面也都有非常重要的地质意义。,5.地幔柱假说的困惑,（1） 幔柱源区问题地幔柱起源于地球内部的热界面层，与热界面层间的热扰动有密切关系。地震波研究表明，地球内部有两个热界面层，一个是位于670 km处的上、下地幔不连续面(ULMB)；另一个是2900 km处的核幔边界附近的D“层。地幔柱如果起源于前者，前提是上、下地幔是分层对流的；若是起源于后者D“层，前提则是全地幔对流。虽然大多数人倾向于认为幔柱起源于D“层，但是地幔对
25、流的争论却未结束。,（2） 热源问题Davies认为，热扰动是地幔柱在D“层中启动 形成的一个必要条件。热扰动会使D“层物质粘度降低、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粘度物质会向热边界层最低处汇聚，并在那里形成地幔柱。最早认为热源可能是来自于放射性元素的衰变热，但是这种衰变热似乎不足以产生地幔柱；目前认为热源最可能来自地核一侧的不均匀加热作用。,（3） 热点和大火成岩省问题虽然热点被认为是地幔柱在地表的反映，但是有一些热点下面并不存在地幔柱。地幔热柱使大量的熔融成为可能，但仍需要大量的资料去检验是否地幔热柱产生LIPs，特别是所有的LIPs是否都与热柱有关。有证据表明不是所有LIPs都与热点有明显的联系，特别是一些被动边缘，如美国东海岸和澳大利亚西北的Cuvier边缘，它们的形成似乎都远离热点。,
