地幔對流模式及其意義

陳陽陽，王大豐，周 龍，柳立業(yè)，胡 宸，于 雷，魏海峰

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150000；2.中國人民武裝警察部隊黃金第三支隊，黑龍江 哈爾濱 150000）

大陸漂移—海底擴張—板塊構(gòu)造是20世紀地學革命的三步曲。板塊構(gòu)造理論雖然得到了很多地質(zhì)學家的認可，但其實它還存在一些爭論性的地方，大多數(shù)地質(zhì)學家認為地幔對流就是板塊運動的驅(qū)動力源。

20世紀60年代，地球化學家們開始了對地幔組成和演化的研究。地幔的化學組成主要是通過以玄武巖為主的熔融物質(zhì)噴發(fā)到地表而進行分析，而大約30km～100km的熔融區(qū)主要是通過地幔對流方式進行輸送。

1 地幔對流模式的簡要論述

20世紀70年代，地質(zhì)學家基于大洋中脊玄武巖和洋島玄武巖在地球化學上的差別完善了地幔成層理論，即地幔由上下兩層組成，分別為衰減層和不衰減層。兩層的化學組分或者是礦物組分都存在一些不同，地球物理學的證據(jù)也對地幔分成兩層進行了充分證明。同位素化學證明兩種類型的玄武巖分別來源于上下兩層，大洋中脊玄武巖主要來自衰減層，洋島玄武巖主要來自不衰減層。地幔成層模式是沒有什么說服力的，以為洋島玄武巖的成分變化特別大，所以洋島玄武巖肯定不會是來自化學性質(zhì)相同的原始地幔層中。因此，新的地幔對流混合模式發(fā)展了起來，兩個正常分離的對流層被階段性的破壞而接近混合。

2 層狀對流模式

地質(zhì)學家們對層狀地幔對流模式是否存在一直沒有達成共識，雖然地球內(nèi)部物質(zhì)密度的成規(guī)律性可能導致了成層模式，但是在礦物物理學和高壓礦物的晶-液分離的實驗兩個方面都否定了層狀模式①想要形成分層對流需要滿足上下地幔的密度存在較大化學組分差異。在層析技術(shù)還沒有發(fā)展時期，對俯沖板片的追蹤就可以達到大于等于1000km，當層析技術(shù)繼續(xù)發(fā)展以及分辨率的提高，又發(fā)現(xiàn)了歷史更悠久俯沖下去的板片，曾經(jīng)俯沖下去的板片到如今已經(jīng)經(jīng)過了2億年，應該已經(jīng)存在于下地幔了。②假設層狀地幔對流形成于大約660km深度的部位時，交界處兩側(cè)會產(chǎn)生熱邊界層，層狀地幔對流的熱傳遞明顯不如全地幔對流的效率高（如圖1）。

圖1 層狀地幔的對流模式圖

3 全地幔對流模式

地球動力學計算結(jié)果表明，如果660km界面是化學成分差別，從而造成密度差別達2%以上，對流將是分層的。根據(jù)地震學研究表明，從比較早的走時殘差分析，進而到后來的層析成像分析，還有轉(zhuǎn)換波的研究，全部都支持了俯沖板片可以穿透660km的深度。經(jīng)過地震波轉(zhuǎn)換和層析成像等方面的研究，更加充分的說明了確實有的地幔柱可以從核幔邊界為通道到達巖石層。對流的證據(jù)來自多個方面，地幔深處較高的地震波速構(gòu)造就是其中一個方面。

另外，熱點固定區(qū)也可以充分支持對流這個說法。產(chǎn)生于不同地幔位置的熱柱有著不同的粘度，上地幔的熱柱明顯比下地幔的熱柱粘度小，運動速度快。

通過地震學觀測提供的證據(jù)可以證明板片可以穿透660km界面，想要穿透660km界面的速度差不多和板片俯沖速度相同。

關(guān)于玄武巖流和地球化學方面都存在很大的爭議，地幔熱柱大面積的噴發(fā)物質(zhì)僅僅是熱源物質(zhì)上升過程中在熱柱端口所混熔的物質(zhì)。下地幔中存在的震源，是地幔熱柱在核幔邊界處所產(chǎn)生的。

4 混合模式

圖2 上地幔和下地幔對流模式圖

既要滿足溫壓實驗的條件又要對層析成像進行解釋以及支持660km被穿透的動力學計算，況且要繼續(xù)保存兩個地幔源區(qū)和地球化學和地熱的約束方面的解釋。新的地幔對流模式被陸續(xù)提出。地幔對流可以包括地幔的全部是它們都有的一個共性特征，雖然如此，但還是不能充分混合多有的地幔物質(zhì)，所以要繼續(xù)保存兩個地球化學要求的源區(qū)。

假設兩個不同源區(qū)存在于660km位置以下，粘滯性控制和重力控制是其存在的最有可能的兩種機制。地震學不能預見地幔中的兩種分區(qū)，因此不能證明在重力穩(wěn)定的情況下是否會被融混，礦物學也提出了特別高的溫壓下的一些可能的相變候選組合，仍需對其進行尋找證據(jù)加以支持（如圖2）。

5 結(jié)語

地幔對流假說雖仍在不斷發(fā)展中，但分歧依然存在，主要是：①地幔對流的能量來源②地幔對流的深度。地幔對流作為地球深部一種重要的運動形式，對板塊運動機制起著重要影響。隨著高精度觀測資料的積累和綜合分析的深入，地幔對流模式將會得到進一步完善和發(fā)展。