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【前沿论坛】Gillian R. Foulger:深源地幔柱是否存在?
2019-11-22 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

报告人:Gillian R. Foulger | 整理:许晶瑶、黄永树(岩石圈室) 

  板块构造理论是当今地球科学的基石,描绘了大洋岩石圈从产生到消亡的动力学过程,能合理解释沿汇聚板块边界分布的火山弧成因,但难以解释位于板块内部的岩浆作用,如夏威夷群岛、黄石和冰岛等。因此,在板块构造理论诞生后不久,地幔柱假说也随即提出。加拿大地质学家Wilson (1963)认为太平洋板块在下伏热点上移动,类似打点计时器,热点将上覆板块穿透,最终形成年龄逐渐变年轻的夏威夷岛链。在此基础上,美国地球物理学家 Morgan (1971)将其抽象为地幔柱假说,认为在活动板片下,源于地球深部的炽热物质上涌产生大量熔体,喷出地表,最终形成一系列岛链。地幔柱假说被广泛采用,以解释包括生命灭绝、雪球地球等重大地质事件的成因。但作为假说,对其进行验证是将其升华为理论/定理的基本要求。因此,关于地幔柱假说的检验一直是地球科学研究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讨论。Foulger教授首先简要回顾了地幔柱假说提出的背景,然后论述了地幔柱假说的定义、内涵和基本预测,并在此基础上评述了地幔柱假说的验证情况。Foulger教授认为,迄今为止,有关地幔柱假说基本预测证据常具有多解性,或仍未得到检验,有待继续研究。Foulger教授最后结合自己在冰岛的研究,提出板块构造理论可以较好的解释冰岛的地质现象,相关模型和思路对全球其他地热点成因解释有重要参考价值。 

  第一部分:地幔柱假说存在的问题

  根据地幔柱假说,地幔柱起源于地幔深部热边界层(上-下地幔边界或核-幔边界),其上涌至浅部地幔时将伴有如下地质现象:(1)地表强烈隆起;(2)形成大规模的溢流玄武岩;(3)随着时间推移形成类似夏威夷的火山链,火山链延伸的方向就是板块运移的方向;(4)高温岩浆作用。在Foulger教授看来,这些预测尚未得到证实: 

  1)地表强烈隆起 

  当地幔柱柱头到达上地幔时,会导致地表强烈隆起 (Campbell, 2005),这是地幔柱假说最重要的预测之一。峨眉山大火成岩省是少数被认为有上千米尺度隆起的大火成岩省,但Peate and Bryan (2009)认为对该隆起的认识建立在错误的火山地层学工作之上,其真正隆升的幅度有限。总的来说,全球有地幔柱报道的地区,还缺乏地表强烈隆起的确凿证据。 

  2)溢流玄武岩省 

  一般认为,溢流玄武岩岩浆喷发速度快且规模巨大,能在1-5 Ma内喷发几百万立方千米的岩浆,例如北大西洋大火成岩省产生了约5x106 km3岩浆,而西伯利亚玄武岩达到10x106 km3。地幔柱被广泛用来解释该类地质现象。但是,地幔柱能否产生如此大规模的熔体尚无定论。根据Cordery et al. (1997)的计算,即便是温度很高的情况下,地幔柱也很难在短期产生如此大体积的岩浆。Foulger教授认为要产生如此巨量的岩浆可能需要一个长时间的岩浆储库,而不是短时间一次形成。 

  3)地幔柱尾部延伸至核-幔边界 

  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边界。目前主要通过地震层析成像的方法来探讨地幔柱的尾端深度。Foulger教授指出,我们须谨慎对待地震层析成像的结果,同一地区不同作者发表的地震层析成像数据解释存在差异,很难重复。例如,对夏威夷地区的研究中(图1),Li et al.2008认为地幔柱的尾部向西北方向(图1左),而Wolfe et al.2009的工作(图1右)提出了一个向东南方向的地幔柱(和左图方向完全相反)。 

1 不同作者发表的夏威夷下地震层析成像:左图显示了一个低速体,被解释为地幔柱,从夏威夷大岛向夏威夷岛链下方的西北方向倾斜(Li et al., 2008);右图显示了类似的低速体,也被解释为地幔柱,从夏威夷大岛下方向东南方向完全相反的方向倾斜(修改自Wolfe et al., 2009附件)。与之类似,最近有关黄石热点的地球物理观测也呈现出相左的解释

  4)随着时间推移的火山链

  地幔柱假说认为地幔柱相对静止,夏威夷岛链的延伸方向代表了太平洋板块的运动方向。Foulger教授认为夏威夷的热点并没有保持固定不变,因为大约50 Ma前的夏威夷皇帝岛链弯曲改变了方向,但当时的太平洋板块并没有改变移动方向(图2)。 

  Foulger教授认为地幔柱假说无法解释这些地质现象,越来越多科学家意识到并不是所有的热点下都有地幔柱。 

2  Hawaiian-Emperor链上不同年龄的海山和火山的位置(黑点),以及理论重建的位置(红点和黄点分别代表不同理论模型重建的位置,红/黄圈大小表示理论预测的误差范围)Raymond et al., 2000    

  第二部分:利用板块构造理论解释热点

  作为地幔柱假说的替代方案,Foulger教授认为板块构造能很好解释这些板内出现的呈富集地幔地球化学特征的岩浆省。 

  地幔柱假说认为岩石圈是被动的,地幔柱主动上升穿过岩石圈喷出。与之相反,板块构造认为地幔是被动的,而板块在其上移动,发生伸展作用,熔体被动流出。后者认为热异常并不一定局限在板块边界,由板块构造作用导致的板内拉张同样可以形成板块内部的热异常。Foulger教授认为,在中国峨眉山大火成岩省广泛发育伸展构造的背景下,可以设想,如果其下拥有一个巨量的岩浆房储库,可在短时间内产生大量溢流玄武岩。 

  Foulger教授认为,板块构造理论可以合理解释现有的观测。地幔柱假说预测热点出现的位置是随机的,然而除夏威夷和冰岛外,现观察到的热点主要集中在板块边界(图3)。地震层析成像显示冰岛在地幔浅部形成,不显示明显温度异常。另外,地球化学研究显示夏威夷岩浆源区有再循环洋壳的贡献。俯冲地壳的熔融能解释在低温条件下较高的岩浆产率。 

3 热点全球分布图(Foulger and Natland, 2003)

  根据板块构造理论,可预见:(1)岩石圈伸展拉伸。以美国黄石为例,黄石位于两个构造省的交界处,这两个构造省之间微小的运动差异可能会导致大陆裂谷的扩大。另外有研究者认为位于南太平洋Samoa群岛的形成与地幔柱有关,但是Samoa刚好位于板片撕裂的位置,具有典型的伸展特征。前人研究认为,冰岛是热点火山作用的产物,但Foulger教授认为冰岛是由大陆撕裂形成的。(2)地幔中的熔体。地震学家通过地震学数据发现地幔中存在许多低速区域,可以通过部分熔融解释。如榴辉岩的熔点比地幔岩低约200oC,榴辉岩熔融可以产生大量的熔体。此外,板片俯冲过程中挥发分的加入能导致岩石熔点降低。3)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,图5)。 

4 冰岛层析成像截面图Ritsema, 1999 

5  Yellowstone地震层析成像截面图Foulger et al., 2015

  最后,Foulger教授强调我们应该重视构造地质学的研究,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。 

  主要参考文献 

  Campbell I H. Large igneous provinces and the mantle plume hypothesis[J]. Elements, 2005, 1(5): 265-269.链接 

  Cordery M J, Davies G F, Campbell I H. Genesis of flood basalts from eclogitebearing mantle plumes[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1997, 102(B9): 20179-20197.链接 

  Foulger G R, Natland J H. Is" hotspot" volcanism a consequence of plate tectonics[J]. Science, 2003, 300(5621): 921-922.链接 

  Foulger G R, Christiansen R L, Anderson D L. The Yellowstone “hot spot” track results from migrating basin-range extension[C]//The Interdisciplinary Earth: A Volume in Honor of Don L. Anderson.Geological Society of America Special Paper, 2015, 514: 215-238.链接 

  Li C, van der Hilst R D, Engdahl E R, et al. A new global model for P wave speed variations in Earth's mantle[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(5).链接 

  Morgan W J. Convection plumes in the lower mantle[J]. Nature, 1971, 230(5288): 42-43.链接 

  Raymond C, Stock J, Cande S. Fast Paleogene motion of the Pacific hotspots from revised global plate circuit constraints[C]//Richards M A, Gordon R G, van der Hilst R D. The History and Dynamics of Global Plate Motions, Volume 121. Washington: American Geophysical Union, 2000.链接  

  Ritsema J, van Heijst H J, Woodhouse J H. Complex shear wave velocity structure imaged beneath Africa and Iceland[J]. Science, 1999, 286(5446): 1925-1928.链接 

  Peate I U, Bryan S E. Pre-eruptive uplift in the Emeishan?[J]. Nature Geoscience, 2009, 2(8): 531–532.链接 

  Wolfe C J, Solomon S C, Laske G, et al. Mantle shear-wave velocity structure beneath the Hawaiian hot spot[J]. Science, 2009, 326(5958): 1388-1390.链接 

  【更多阅读】 

  Chang W L, Smith R B, Wicks C, et al. Accelerated uplift and magmatic intrusion of the Yellowstone caldera, 2004 to 2006[J]. Science, 2007, 318(5852): 952-956.链接 

  French S W, Romanowicz B. Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots[J]. Nature, 2015, 525(7567): 95.链接 

  Hand E. Mantle plumes seen rising from Earth's core[J]. Science, 2015, 349(6252):1032-1033.链接 

  Huang H H, Lin F C, Schmandt B, et al. The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust[J]. Science, 2015, 348(6236): 773-776.链接 

  Nelson P L, Grand S P. Lower-mantle plume beneath the Yellowstone hotspot revealed by core waves[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(4): 280.链接 

  Zhou Y. Anomalous mantle transition zone beneath the Yellowstone hotspot track[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(6): 449.链接 

  (地幔柱有关信息参考网页:http://www.mantleplumes.org.

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