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huabuxiang

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[交流] 壳幔物质与深部过程的研究

壳幔物质与深部过程的研究
崔海峰

壳幔物质与深部过程是大陆动力学研究的关键科学问题之一。壳幔物质的组成与性质、化学与物理学控制深部过程及其动力学。壳幔内物质的密度差异驱动物质对流，温度差异驱动热对流，两者常常相互伴生。密度的大小既依赖于温度，又与物质组成、挥发份含量密切相关。对流或流动尚需一定的粘度条件。因此，壳幔物质在化学和物理学上的不均一性是对流的驱动力，又是壳幔内多种作用过程留下的记录。化学与物理学的某些参数之间还有复杂的相互依赖关系。地球化学研究主要揭示化学不均一性；岩石学手段除了主要揭示化学不均一性，还可反演某些物理学不均一性；地球物理方法则主要揭示物理学的不均一性；流体的种类与含量既影响化学不均一性，又对物理学不均一性产生重要制约。
下面从岩石学、地球化学和地球物理以及对流体的研究几个方面来介绍有关壳幔物质相互作用与岩石圈演化方面的研究热点（大陆岩石圈地幔结构组成特征与演化、地幔不均一性及其成因机制、地幔柱理论及应用、深部地质流体、动态条件下熔融和物性实验、Re-Os体系在地幔研究中应用等）的现状与进展。
1. 深部过程的研究途径与方法
1.1 研究深部过程的新技术
研究深部作用过程的新技术包括以下几个方面：
（1）岩石学、地球化学与地球物理学的结合：
①火山喷发可比喻为深达壳幔的巨型超深钻：上地幔与下地壳深源捕虏体或捕虏晶为天然样品；火成岩记录了源区物质的组成与温压等物理学信息，壳幔混合型岩浆的侵入或喷发记录了壳幔相互作用的各种信息。
②前寒武纪变质岩系常常是抬升地表的深部陆壳剖面，变质岩PTt轨迹记录了岩石圈形成与构造隆升的历史信息。
③痕量元素与同位素地球化学示踪深部物质与深部过程。
④各种地球物理场获得深部结构与物理过程：地学大断面与多种地球物理成果的再开发，热结构与壳幔地震层析成像。
⑤岩石学、地球化学与地球物理学的结合关键与纽带是深部岩石高温高压相平衡实验、岩石物理性质实验与热力学研究。
（2）岩石圈运动的主要要素的反演：岩石圈运动是深部过程的响应，主要包括岩浆作用、沉积与盆地形成、造山作用、构造变形、区域隆升、地震活动和成矿作用等。
（3）实验、理论与计算机数值模拟：
①深部过程与动力学；
②驱动力系统与岩石圈运动各要素之间的耦合关系。
1.2 岩石学途径的主要理论与实验依据
（1）岩石物理化学与热力学理论，以及岩石高温高压实验提供地球物质相平衡、相转变与岩石物理性质的深度温度网格，以及岩浆源区物质的组成和性质。
（2）在上述深度温度网格中，矿物组成的变化确定地质温压计，它是岩石学途径推导壳幔热结构的主要基础。
（3）熔融反应研究提供理解火山作用与地球化学分异的基础，为软流圈的埋深与性质提供重要约束。
（4）低于固相线（subsolidus）的相平衡、相转变与物理性质提供理解壳幔岩石学结构（Petrological structure）的基础，它与地震学方法确定的壳-幔结构有好的可对比性。
（5）基于流体力学的原理发展起来的岩浆与流体动力学实验为理解深部过程提供了重要基础。
（6）深部过程诱发的壳幔物质在组成和性质上的转变，必然会导致壳幔物质在化学上的不平衡与物理学上的不稳定性，为理解岩石圈运动提供“钥匙”。
1.3 地球化学方面
（1）同位素的研究
一个简单的事实（部分熔融作用形成的岩浆将具有源区的同位素成份特点）引起了同位素地球化学两个方面的重要发展。首先，特定的源区以其特征的同位素组成而能够被识别；其次，同位素组成各异的的源区间的混合作用亦能够被识别。因此，同位素地质学的主要问题之一就是识别地壳和地幔中的不同源区，尽可能地突出其特征。
①放射性成因同位素可以用来识别一个特定岩浆岩套中的不同源区组分的贡献，同时可以限定岩浆岩源区演化的模型。现代同位素地质学的主要成就之一就是建立了地壳和地幔储库相互作用以及它们如何获得其目前组分的岩石学模型，并把储库组成与控制板块构造过程联系起来。例如，基于Pb同位素的模型，主要展示地壳储库的特征，对人们认识大陆地壳的演化起着重要作用。这种模型化过程称为铅大地构造学（Plumbotectonics）（或者为地幔柱大地构造学）。另外，同位素失踪剂之间的相关关系必然导致人们寻找解释这些现象的原因，从而产生了一系列关于地球化学的大地构造模型。这些模型受到同位素资料及我们目前对大地构造过程的理解两个方面的制约。
②稳定同位素是研究轻的元素如H，C，O，N和S的一个强有力的手段。这些元素通常是组成具有重要地质意义的流体的主要组分，因此可用于直接研究流体以及水-岩相互反映效应的一个重要途径。另外，稳定同位素可以用来作为确定元素物质来源的示踪剂，也可以用作古温度计和研究地质过程中扩散和反应机制的手段。稳定同位素研究的主要目的就是要把它作为研究地质过程的一个手段，以同位素的质量而非它们的化学成分为依据，讨论这些过程引起同位素之间的相互分馏。这种作用称为同位素分馏。
（2）微量元素的反演技术
微量元素在现代岩石学中的最重要的用途之一，就是进行地球化学过程的模拟。微量元素的反演技术是利用一套同源火成岩石的元素浓度变化，来确定其源区的成份和矿物学特征、引起元素浓度变化的物理过程（如，分离结晶作用、部分熔融作用或者其它作用过程）及其进行的程度（如，分离结晶程度、部分熔融程度或者其它作用程度）等未知因素。所以，反演方法强调由微量元素数据限定模型，提供解决地球化学问题的最大可能性的答案。
1.4 地球物理方面
（1）地球深部物质电学性质实验研究
全球性地球物理测量能提供地球深部从地幔到地核的物理参数，但对这些参数的解释最终还得依赖于对地球深部各圈层物质组成及其矿物学、地球物理、地球化学性质的了解。然而，目前受取样深度的限制，对地球深部的大部分物质不可能进行直接研究，但浅部的信息又没有足够的理由向地球深部外推，因而开展高压超高压条件下的模拟实验研究以了解地球深部的物质成分、性质和状态显得非常重要。高温高压下测定地球内部物质（岩石、矿物、流体等）的电学性质是其中最重要的内容之一。高温高压下对地球内部物质电导率的实验室测定可以获得独立于地震观测的地球内部物质的许多传导信息，可与地震观测资料相互补充和限制。此外，电导率测量还能提供地球内部相态变化、流体和熔体的形成与分布以及氧化状态等信息。地球内部存在许多高导层（HCL），根据地球内部物质电导率测定结果及有关地球化学和地球物理观测资料解释高导层微观物理和化学性质、及产生的机理也是探讨地球内部结构和组成的重要内容之一。
（2）层析地震技术（CT）
层析地震技术是借鉴医学上的CT技术，但用于地球则出现射线路径非直线性问题。尽管许多理论问题尚待解决，但它仍是80年代地球科学引人注目的重要进展之一。美国首次公布了全球三维速度结构、全球密度的三维分布、热流和大地水准面变化以及地幔对流模式等新信息。最引人注目的是用CT技术对核幔边界起伏情况的了解，若放大比例尺，其起伏之峰，不亚于地表的起伏，其地震波垂直走时，低频峰值高达1s左右。地震ＣＴ技术加深了人们对岩石圈厚度有明显变化、软流圈不具普遍性、大洋中脊下部在200～300Km以下并不一定存在上涌的热物质等岩石圈动力学问题的认识。地震ＣＴ最新研究成果表明，位于2890Km深度的核幔边界地形有±5Km的起伏，在该界面上部的Ｄ"层，其厚度为280～300Km，存在明显的横向不均匀性，这些都已成为当今地球科学新的研究热点，有待于用地震CT技术作进一步的探索。
（3）大地电磁技术（MT）
大地电磁技术是以天然电磁波作场源探测地球内部视电阻率分布的一种方法。它的探测深度大，对高导层分辨率高，不受高阻层屏蔽的干扰，设备比地震仪器轻便，费用较低。现多与地震法的结果综合使用，互相约制，以提高解释的水平，但在MT的解释中还存在不少问题有待解决。
（4）全球地震台网（GSN）
由美国及多国参与共同投资，在全球共设置了上百台高精度、宽频带地震遥测仪，实行了标准地震台站系统和交换地震数据的统一格式。地震遥感仪采用甚宽频带（VBB）三维分量传感器，具有反馈系统，以保障动态范围和线性。这种台网的建成，可对全球地幔内的非均质进行三维填图，从而可判断岩石圈和软流圈的物理化学性质，对预报地震及地球深部研究提供重要信息。据最新消息，在美国加州南部利用地震仪新网络———Trinet监测网，能够精确测量出震级大得多和小得多的地面运动。研究人员金森说：“通过日常收集地面脉动，Trinet监测网将使地震工作能够通过累加小地震的地面运动而预测大地震的地面运动。”
（5）大陆反射地震剖面（COCORP）
大陆反射地震剖面是在石油地震勘探基础上发展起来的，可以探测地壳的深部结构构造，解释地表地质构造形成的深部原因，进而揭示大地构造格架与单元的形成和发展特点搞清整个地壳构造的演化规律。该技术在美国一些地区取得了轰动世界的成果，在老地层之下找到了石油，引起石油界的极大兴趣，从而推动了这一技术的发展。西欧各国纷纷开展了这一简称为COCORP的探测技术，于是有了英国的BIRPS，德国的DEKORPS，法国的ECORS及澳大利亚的ACORPS计划等。我国有INDEPTH计划，是与美国合作的。
石油地震勘探记录时间一般为5～6s，其探测深度为10余公里，而大陆地震反射剖面的记录时间为10～15s，甚至可达50s，其探测深度可达整个地壳，甚至岩石圈地幔。震源在海上多用气枪，在陆地用可控震源车， 4～6台震源车同时震动，在我国除部分地区可用震源车外，因山地多，中、西部地壳厚，而改用爆炸震源
（6）磁卫星（Magmat）
美国首次发射了Magmat磁卫星，用它进行了全球磁力矢量测量，将整个地球磁场分为核心场、壳源场和外部场三部分。采用调和样条函数建立模型，侧重于了解磁源的区域分布特征，建立不同地壳类型的岩石圈磁模型。
（7）卫星重力
利用卫星轨道参数的变化，可获得多级大地水准面形态及地球南北半球非对称关系。不同级次大地水准面，可能反映不同深度、不同尺度的地球密度的不均匀分布，并显示岩石圈的三维结构趋势。多阶卫星重力资料可用于研究全球和区域重力场特征。
2. 大陆结构的多层性及偶合与非偶合性
大量的地球物理、地球化学和岩石学资料表明，大陆岩石圈在垂向结构上存在着明显的流变分层性，特别是在中下地壳普遍具有一层或几层软弱层。通常脆性行为出现在中、上地壳以及下地壳和上地幔的镁铁质和超镁铁质岩石中，而韧性行为发生在5～10Km之下（取决于地热梯度）的富石英岩石中。异常热体制，如上升的地幔柱、逆掩断层造成的地壳双加厚或来自于地幔的岩浆贯入，都会大大增强地壳的整体韧性。这样不同层次的脆性和韧性行为构成大陆岩石圈不同于大洋岩石圈的“三层”或“四层”流变学结构，或所谓多层软心结构（Blundell et al.，1992，NSF，1993）。从宏观上看，大陆深部根据流变学特点可分以下几层：上地壳、流体地壳层（流体相对于软流圈的意义来说的）、固态下地壳以及岩石圈的地幔部分。
近年来的深部地震反射剖面已表明，相当一部分地区的大陆Moho面以及中地壳无论在时间上还是在空间上的确具有动力学意义。在一些地区，Moho面是一个由强振幅反射层限定的突变界面，它将上部相对反射的地壳同下部无反射的地幔分割开。在另一些地区，它在垂直方向几公里范围内，作为向下漫反射的过渡带出现。深部反射研究中最引人注目的发现是，Moho面在许多显生宙造山带的缝合带下面无扰动地切割延伸，说明其形成时代新，而且它构成了这些地壳的岩性构造单元底部的断层边界。同样它代表了地壳和地幔物质之间的一个流变学界面。所以，作为地壳成分下界的Moho面肯定是一个地球动力学界面（Mengel and Kern，1992）。密度的反差表明，Moho面可能是一个能圈闭从地幔上来的岩浆的层位。其强度和粘度差表明，Moho面很可能是一剪切面或拆离面。中地壳，甚至下地壳软层的动力性质最近已引起人们特别的关注。许多欧美学者认为，中地壳整体上属软层性质，变质核杂岩折返到地表往往受中地壳软层的控制。
除了岩石圈内部层圈相互作用以外，地球内外核之间的层间相互作用也引起了人们注意，并有重大突破，特别是新近关于内核旋转的发现，强化了层圈之间相互作用的认识。宋晓东（1998）利用从50多次地震现场及1967年到1995年期间重大核试验现场发现的地震波测到的数据研究发现，90年代地震波到阿拉斯加的时间比60年代快了十分之六秒，而同一时间，同一震源通过外核的地震波到达时间在这28年中一直不变，据此推断地球内核跟地球朝同一方向旋转，但每天旋转速度比地球快。内核赤道每年比位于赤道的地壳多旋转19.31Km。在过去100年中，内核已比地球多转了四分之一圈（Song Xiaodong and Richards，1996）。也就是说，地球内核在地球内部完成相对转动一周需要大约400年。另外还发现，内核的运动比地质运动快得多。
除了层圈相互作用以外，近年来的研究还发现，大陆演化的不同阶段，地幔和地壳之间的耦合关系发生调整，形成非耦合关系，甚至会形成立交桥式的结构。例外，以往一般认为，造山带走向和深部地幔流动方向一致，这种几何关系意味着在造山过程中，壳幔之间存在很强的力学上的耦合关系。但是，最近一些观测结果却不符合这一模式，在秦岭造山带和中国东部岩石圈结构分别发现圈层非耦合关系的立交桥式结构（张国伟等，1996）。在青藏高原利用远震地震波研究也发现，中国西北地区深部地幔流动方向与造山带展布方向斜交，呈非耦合关系。
3. 大陆软流圈不具有全球性
3.1 岩石圈和软流圈的定义
关于岩石圈与软流圈的定义仍有不同意见，目前有4种定义：①力学岩石圈，指弹性、强的、刚性岩石圈；②热学岩石圈，指保持传导热梯度的地球的冷的表层，其下是一个对流的绝热梯度，叫软流圈；③地震波岩石圈，地幔浅部有一个地震波低速带，叫软流圈，位于它上面的盖层叫岩石圈；④同位素地球化学把亏损的地幔（DM）储库叫软流圈，富集的地幔（EM）储库叫岩石圈。美国著名地球物理学家Anderson（1995）发表文章，对岩石圈定义作了历史回顾与详细评论，提出不要再用同位素地球化学定义的岩石圈。邓晋福等（1998）采用岩石学途径，认为由岩浆起源反演的软流圈是达固相线的上地幔橄榄岩，含部分隙间熔浆，软流圈之上是岩石圈，与地震波和热学定义的岩石圈、软流圈概念大体一致。
3.2 软流圈可能不具有全球性
近10年来，利用地球物理方法得出的克拉通速度结构的全球层析和区域模型都表明，一些大陆的古老地块下面往往缺乏软流圈，或软流圈发育不好，在全球大部分克拉通下面，高地震波速可一直向下持续到超过200～300Km的深度（Grand et al.，1997）。这表明，在很多大陆地区，地壳之下的地幔被牢固地贴在上覆的大陆上，构成一个深深的大陆根，或构成一个长久的深深地深进地幔中的大陆井。例如，在北美下面，跟据地震S波层研究，大陆根厚达400Km，并深深插入地幔中。这一发现意味着岩石圈的概念不能未经修改就直接应用到大陆上。大洋岩石圈是一位于软流圈之上的年轻的薄火山岩层，它位于地幔对流系统之上，因此，它既是地幔对流系统的地表热边界，又是使板块具有刚性特征的力学边界层。但大陆一些地段，标志着大洋板块之下软流圈边界的地震带似乎并不普遍存在，显示软流圈的缺失，因而岩石圈与软流圈界限模糊，无法进行划分。此外，大陆的化学边界层和热边界层与岩石圈不吻合，要比大洋厚的多和老的多，因而在大陆的动力学行为中扮演了更重要的角色。

[ Last edited by dengwh82 on 2008-1-11 at 13:34 ]

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1楼 2007-08-29 16:20:15

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4. 关于Moho面的研究
4.1 关于moho面的认识
自1910年Mohorovicic发现莫霍面 (Moho)以来，人们便将 Moho定义为地下深处P波速度由下地壳中的6.8～7.2km/ s上升到上地幔中的7.8～8.4km/ s的一级不连续面，或 P波首次出现7.8km/ s的界面。然而，随着近几年深反射地震研究的进展，特别是层纹状反射下地壳的发现，促使人们对Moho的特征重新加以认识。深地震反射成果表明：莫霍面不是一个简单的面，也不是传统的地壳底面，而是一个速度递变或互变层，厚约几千米甚至更多。它具有明显的构造与岩石组成的复杂性，侧向变化较大。壳幔混合层的地震波速大于下地壳而小于上地幔，大约介于6.8～7.8km/ s之间，呈渐变或递变状态。这一观点逐渐得到了地球物理学、岩石学和地球化学等方面的初步证实。
4.2 壳幔混合层的主要物质过程
壳幔混合层不仅是一个地质或地震波的异常带，也是一个复杂的相变带、流变分层带和化学分异带，是壳幔物质交换的重要场所。壳幔混合层的地质作用和物质过程不仅控制着大陆岩石圈的运动学、动力学和流变学过程，也往往控制地球深部的地质和流变过程。底侵作用、拆沉作用和部分熔融是最主要的物质过程。
（1）底侵作用（underplating）
底侵作用是指来自深部的岩浆向上侵位、添加和囤积的过程，它实际上包括两种情况：①来自上地幔部分熔融产生的基性岩浆侵入或添加到下地壳底部；②下地壳（包括壳幔混合层）岩石的部分熔融形成的岩浆向中上地壳的侵位和添加。在很多地区（尤其是造山带碰撞后期），底侵作用是壳幔混合层的主要物质来源。底侵的基性、超基性岩会改变下地壳底部的vp速度结构，致使下地壳和上地幔之间出现一个速度递变带（即壳幔过渡带），这也是底侵作用的地震学标志。这个递变带多以镁铁质成分为主，其与长英质成分一起构成下地壳的双组分结构，体现在地震波上便是下地壳的双峰式分布特征。另外，目前探明的壳幔混合层中的“层状”,一方面可能是物质成分的互层，另一方面也可能是不同时期多次底侵作用的结果。
底侵作用不仅是壳幔混合层的物质来源，也是混合层物质过程的驱动因素之一。底侵作用提供的热可以使壳幔混合层内的物质部分熔融并进一步向中上地壳侵位。壳幔混合层的不断加厚，还会引起拆沉作用，促使壳幔混合层的物质重新返回地幔，构成壳幔物质循环。
（2）拆沉作用（delamination）
拆沉作用与底侵作用是反向的，它是指大陆下地壳、壳幔混合层或岩石圈上地幔的物质在一定条件下“下沉”的过程，它与底侵作用一起构成壳幔物质循环，改变着混合层内的成分和结构特征。拆沉作用包括岩石圈地幔的拆沉和大陆下地壳，后者与壳幔混合层关系密切。壳幔混合层的底部主要是基性麻粒岩，中基性榴辉岩。榴辉岩和地幔岩石在600MPa和室温下的密度分别为（3.43± 0.11）g/ cm3和（3.29±0.02）g/ cm3，前者明显大于后者。基性岩浆底侵于下地壳底部和下地壳部分熔融产生的残余体，经过麻粒岩相变质作用同样会获得较高的密度（3.3～3.6g/ cm3）。因此，由榴辉岩和基性麻粒岩组成的下地壳在重力上是非稳定的，当存在适当的裂隙时，壳幔混合层将沉入上地幔。
此外，壳幔混合层内的相变反应也会导致拆沉作用。壳幔混合层的相变反应主要体现为辉长岩、镁铁质麻粒岩、变泥质岩（麻粒岩）、榴辉岩之间的相变反应。这些岩类具有不同的岩石物理性质，它们之间发生相变反应不但改变着岩石圈的物质成分和波速结构，而且还可能引发一定的地质作用（如相变产生的榴辉岩由于密度增大而拆沉等）。
壳幔混合层与下地壳的区别在于：壳幔混合层在成分和vp结构上都呈现一种有规律的互层，这实际上是底侵和拆沉交替作用的结果。首先，底侵进入壳幔混合层的岩浆是基性的。这些基性岩浆经过相变成榴辉岩或经部分熔融后形成的残余体都是基性的，而这些物质很容易发生拆沉作用，下部物质拆沉之后，会使上部的物质向偏长英质方向演化，形成上部偏长英质、下部偏镁铁质的一薄层。此后每发生一次底侵和一次拆沉，都形成这样一个镁铁-长英互层体。多次底侵作用和拆沉作用之后，整个壳幔混合层就形成互层状。当然这只是一个粗浅的定性解释，实际上比这要复杂。
（3）部分熔融（partial melting）
壳幔混合层的部分熔融是指由于地热温度增高或局部压力降低，导致壳幔混合层内的岩石发生局部熔融，是壳幔混合层中重要的物质过程之一。上地幔的部分熔融通过底侵为壳幔混合层提供物质来源，壳幔混合层内发生部分熔融（底侵的岩浆供热）可进一步向中上地壳底侵。因此，部分熔融是壳幔物质交换的重要因素。部分熔融与底侵、拆沉一起，构成高原隆升不可忽视的重要因素，部分熔融也是导致壳幔混合层动态变化的主要因素。
5. 壳幔物质的化学不均一性
自19世纪80年代以来，通过地幔派生岩石的多元同位素体系研究，已揭示出全球地幔存在广泛的纵向与横向不均一性；表现出具有多个端元组分、南半球异常和全球大尺度不均一性。麻粒岩相岩石是下地壳的主要组成，但全球麻粒岩的铅同位素组成变化范围超越了Zartman铅构造模式从下地壳、地幔、造山带到上地壳的所有范围，而表现出很强的大陆块体特征。在对比中国大陆不同块体新生代火山岩（反映了上地幔源区）与中、新生代花岗岩长石铅同位素组成（代表上地壳组成）时已发现壳幔之间铅同位素组成存在明显的同步耦合变化，同样具有明显的块体效应。因此地壳也表现出大尺度的横向不均一性。这些成果为研究地球块体的化学不均一性提供了重要的依据。19世纪90年代，国内外地球化学家不断发现在地球的大洋与大陆中存在着同位素急变带，并表明可以作为地幔与大陆不同块体的边界，因此也引起了大地构造学家与地球物理学家的密切关注。同时地球物理学家根据地球深部横向波速的差异提出了对化学主成分差异的研究，并证实了南北半球这种差异的存在。因此地球不同部位不仅在垂直方向上存在地球物理、地球化学、构造和热边界层，同时在横向也存在地球物理、地球化学与构造边界。它们之间的一致性与差异性也是地球科学家共同关注的热点，是大陆动力学研究中有待解决的问题。
根据现有的资料，全球大洋可划分成三个同位素省：①太平洋省（具有NHRL特征，也包括北大西洋地区）；②印度洋省（具有DUPAL异常特征以及具有较低的206Pb/204Pb和较高的87Sr/86Sr值，也包括南大西洋南部地区）；③HU省（具有高206Pb/204Pb值和高μ特征，分布在南太平洋与南大西洋的中部地区）。全球大陆可划分四个同位素省：①北太平洋型陆块省（也具有NHRL特征，分布于北美西部以及亚洲的西伯利亚与华北之间）；②东冈瓦纳型陆块省（具有较高的206Pb/204Pb值和DUPAL异常特征，包括印度、印支、华夏、西澳与南非等地区)；③西冈瓦纳型陆块省（具有高206Pb/204Pb值和高 μ特征，分布于非洲中部、南美、南极与东澳）；④劳亚或北大西洋型陆块省（具有低206Pb/204Pb值和近于原始地幔的低μ特征，包括华北、塔里木、西伯利亚、欧洲、格陵兰与北美东部）。前三个陆块省可相当于三个大洋省，只有北大西洋型陆块省还没有找到相应的大洋省对应。
6. 地幔热柱
6.1地幔热柱（mantleplume）及其识别的主要标志
White和Mckenzie认为，位于岩石圈下面的地幔热柱直径通常为1000～2000 Km、温度超过正常值100～200℃的一个区域。洋岛和板内大陆裂谷玄武岩火山作用通常被看作为地幔热柱或热点在地表的表现，来自地球深部的地幔热柱头部的热使岩石圈弱化，然后使岩石圈裂开。中国东部和东亚大陆上新生代时期大面积的大陆裂谷型玄武质岩浆喷发作用、大型裂谷盆地与边缘海的形成、岩石圈尺度的伸展与上隆、岩石圈尺度的强烈与快速减薄、软流圈埋深浅及其底辟作用等，均暗示大陆下面存在地幔热柱。值得一提的是，东亚大陆边缘有 3个边缘海—南海、日本海和鄂霍次克海，在其西侧的东亚大陆上相应地伴生了大面积分布的新生代大陆裂谷玄武岩，可看作为东亚大陆下面存在的 3个地幔热柱在地表的表现。
地幔热柱的关键性标志是：①大面积洋岛型和大陆裂谷型玄武质火山喷发；②岩石圈尺度的伸展，与此对应的裂谷盆地发育；③软流圈埋深浅。因此，造山带型的火山作用（如青藏高原周边新生代火山作用和中国东部燕山期火山作用），与造山带有关的伸展型裂谷盆地，包括造山后崩塌阶段的裂谷盆地等，都不是地幔热柱在地表的表现。
6.2地幔热柱的类型
热柱来自地球深部，可以起源于地幔内或来自核幔边界（CMB），至今尚无充分的识别标志。Maruyanma基于地震层析成像结果，认为有两种类型的地幔热柱：一种来自400Km深度，另一种来自核幔边界。Ringwood认为，在670Km深度界面处，由于再循环的岩石圈冷物质堆积，形成巨大岩石块体（megaliths），随后的加热可形成具浮力的热柱，它是大洋下面板内热点的来源。Anderson认为，热柱是给洋岛提供岩浆的源区，发生于对流系统的底部，常常位于核幔边界，它强烈的上涌，不同于由于板块分离引起的被动上涌，亦不同于其它的对流系统的正常的大尺度上涌。Coffin和Eldholm认为，面积大的源于下地幔，面积小的源于上地幔，基于地球多层对流系统的模型，提出三类地幔热柱，源自400Km，670Km和CMB。
6.3地幔柱的驱动机制
Griffiths等（1986，1990）模拟出了热浮力驱动下的地幔表现，与世界上众多热点的地质研究结果符合的很好，特别是能够解释诸如德干高原的大片玄武岩等地质现象。Maruyama（1994）在地幔对流研究的基础上，认为地幔柱只是俯冲板块进入地幔后地幔物质调整所引发的上升流，物质差异所形成的浮力和热差异引起的浮力都存在，地幔柱的分布与地幔中的古板块俯冲密切相关。同时，他还认为地表出露的众多热点只是深部巨型上升地幔柱的分支，这一观点解释了弧后地区出现热点的合理性。
6.4地幔柱效应
地幔柱对地壳演化的影响主要有四个方面：①地幔柱在地表表现为热点，以强烈的岩浆活动和高的地热梯度为特征。地幔柱上升至岩石圈底部诱发岩石圈部分熔融，分融度一般在1%～5%之间，高者可达12%。②造成陆壳或洋壳拉张，形成拉张盆地、裂谷或洋中脊。地幔柱呈点型分布，不表现为面型，即便是洋中脊地区，上升流也呈不连续的点型。③底侵作用（underplating）。金振民和高山 (1996)对此进行了综述。④地幔柱对海洋水体的化学成分也有直接影响。东南太平洋洋中脊上部上升洋流挥发份含量较高，研究认为是由于洋中脊超速扩张即地幔柱活跃造成的。
7. 地幔对流
7.1全地幔对流和分层地幔对流
目前对地幔运动有两种不同的认识，即分层地幔和全地幔对流。VanderHilsh等（1997）认为地幔分层只是局部的或过渡性现象，而全地幔对流才是主导性的稳定的地幔物质循环方式。地幔对流分层论者提出以下两点证据：①地幔660Km深处存在一地震不连续面；②存在一个稳定的具有特定地球化学特征（包括同位素和微量元素组成）的初始地幔。全地幔对流论者则认为660Km是（Mg，Fe）2SiO4系统的矿物相转化深度，该反应为吸热反应，但计算表明仅靠此热效应还不足以引发地幔分层流动；地震层析技术也没有发现全球性的660Km深处的地幔显著不连续现象，高频地震波速异常多与板块俯冲系统有关，低频地震波数据也可以解释为下部高粘度地幔循环的中间现象。另外，区域地震研究表明俯冲板块可以在上地幔转换带停滞，从而造成地震波速的异常表现，但是仅在环太平洋带比较显著。初始地幔的特征地球化学组成也不具有全球性，并且存在多解，岩石包体的地球化学特征不能反映整个地幔的特征，因为包体可能只揭示地幔上升区域的化学组成。总的来说，地震学、地球动力学研究倾向于全地幔对流模型；地球化学研究则支持分层地幔对流。
7.2俯冲板块在地幔中的演化
在地幔研究的基础上，建立了板块俯冲后的演化过程，并且根据其在地幔中的位置划分出四种类型。俯冲板块进入地幔的过程实际上构成了地幔对流的下降流。地幔670Km深处是俯冲板块演化过程中发生重要变化的关键环节，俯冲板块在这里的确发生了一些变化：①俯冲板块在此深度上有一段时间的停滞。②（Mg，Fe）2SiO4体系的矿物相发生转化，进一步使俯冲体及其周边地幔物质的温度降低，低温体体积增大，地震高速区增大。③随着温度回升，俯冲体不稳定，分解成一些不规则的小块体。例如法拉隆板块向美洲板块俯冲时发生解体成几个独立的小板块，在进入地幔后尤其是达到 660Km的深度后，进一步解体成更多的碎块，利用地震层析技术和剪切波的分析，在北美的南部和加勒比海区域见到了这些碎块，其中一个正位于 660ｋｍ深度左右，其余的在更深处。④俯冲体的形态由席状转化为柱状或团状。

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huabuxiang

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