板块动力之谜：地幔柱为什么起源于核幔边界？

杨学祥， 杨冬红（吉林大学）

关键提示：一个科学的地球动力学理论，不在于它否定了以往的陈旧学说，而在于它吸收了前人的理论精华，站在巨人的肩上，看到更遥远的未来。历史上的地球膨胀说，实际是地球不均匀膨胀说；历史上的地球收缩说，实际是地球不均匀收缩说。地球的均匀膨胀和均匀收缩，是不会形成地表的山脉和海洋等复杂构造的。重力分异使地球的自转动能和热能集中在地核，使地核变热膨胀，使地壳地幔变冷收缩，成为地壳地幔收缩和地核膨胀说的可靠动力。

同样，地壳地幔收缩和地核膨胀说可以解释，热能为什么周期地集中在核幔边界，为地幔柱假说提供充足的动力。

总之，地壳地幔收缩和地核膨胀说汲取了收缩说、膨胀说、脉动说、板块构造说、地幔柱说等的合理成分，通过模型的理论计算和实践检验，打开了解释地球内部秘密的大门。

初始地球分为均匀地球和分层地球两个阶段，通过重力分异来完成：在重力作用下，重物质向地心集中；轻物质上浮到地表。由于地球自转的科里奥利力作用，下沉物质自转变快，上浮物质自转变慢，形成地球的圈层差异旋转。角动量交换，使旋转动能变为热能，集中在核幔边界。

 模型计算表明，早期均匀地球的初始自转角速度ω0为4.36×10^-4rad/s，自转动能为9.2×10³⁰J。重力分异使一个均匀自转的地球变为分层差异旋转的地球，由于重力位能降低，位能减少量为2.3×10³¹J，其中1.05×10³¹J转变为地核的动能，1.25×10³¹J转变为热能使地球增温1500℃，分层差异旋转的地球自转动能增加到1.97×10³¹J。通过核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w0自转，地核输出自转动能1.25×10³¹J，其中，3.85×10³⁰J使地壳和地幔的动能增大，8.66×10³⁰J变为热能积累在核幔边界。这是外核是地球内部唯一的液态圈层的原因。

地核周期胀缩的地球分为三个阶段：

第一阶段地核膨胀，胀裂地壳地幔，形成地幔柱上涌和海洋地壳产生。

第二阶段内部热能释放后，地球各圈层不均匀收缩，形成山脉、大陆和海洋。

第三阶段是不断的重力分异使这一过程反复进行，形成造陆、造海、造山的构造运动。如，大陆漂移，海底扩张、板块构造、地幔柱喷发等等。

张招崇撰文指出，Morgan[2]在热点假说的基础上，正式提出了地幔柱假说，认为Wilson的热点是地球内部存在起源于地球核-幔边界缓慢上升的细长柱状热物质流(即地幔柱）在地表的表现形式。这一假说的基本要点是：地球深部核-幔边界附近的高温低黏度层——D〃层可以产生呈柱状上升的热物质-能量流，它在经过地幔达到冷的岩石圈时，顶部常呈喇叭形张开，形成一个具有球状顶冠和狭窄尾柱的热物质体构造一热慢柱构造。虽然后来有些学者对地幔柱的结构有不同的理解，但其基本含义和轮廓大致相同(图1)。这种热幔柱巨大的球状顶冠在上升过程中可以引起地壳上隆和大规模溢流玄武岩火山作用形成大陆或大洋溢流玄武岩，并且可以造成区域变质作用、地壳熔融作用以及不同规模地壳伸展，随着上覆板块运动，热幔柱狭窄的尾柱会产生一系列热点火山链。不仅如此，它还可以解释太古宙科马提岩、大陆裂解、地磁极性反向、生物大规模灭绝、全球气候变化和海平面上升等诸多地质现象，因而受到了地学界的广泛关注，并被认为是继板块构造以后又一个新的大地构造理论，也是板块构造理论的重要补充。

地壳地幔收缩和地核膨胀说可以解释，热能为什么周期地集中在核幔边界，为地幔柱假说提供充足的动力。

参考文献

1. 杨学祥, 陈震, 刘淑琴等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘, 1997, 4(1): 187-193.

Yang X X, Chen Z, Liu S Q, et al. The discovery of fast rotation of the earth’s inner core and orbital effect of global changes. Earth Science Frontiers (in Chinese), 1997, 4(1): 187-193.

2. 杨冬红. 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用[D][博士论文].长春:吉林大学地球探测科学与技术学院.

Yang Dong-hong. 2009.Tidal Periodicity and its Application in Disasters Prediction[D]. [Ph. D.thesis]. Changchun：College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin   University.

3. 杨冬红, 杨学祥.2013.a 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 28（1）：58-70。

Yang D H, Yang XX. 2013a. Study and model on variation ofEarth’s Rotation speed. Progress inGeophysics (in Chinese), 28（1）：58-70.

4. 杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 99~104, 196~198

Yang X X, Chen D Y. Geodynamics of the Earth’s differential rotation and revolution (in Chinese). Changchun: Jilin University Press, 1998, 2, 99~104, 196~198

5. 杨学祥，陈殿友。火山活动与天文周期。地质论评。1999，45（增刊）：33~42   YANG Xue-xiang, CHEN Dian-you. The Volcanoes and the Astronomical Cycles .Geological Review. 1999,45(supper):33~42.

6. 杨学祥，陈殿友。地核的动力作用。地球物理学进展,,1996，11（1）：68-74。

7. 杨学祥，张玺云。热幔柱的启动动力。世界地质, 1996，15（2）：68-74。

8. 杨学祥，等。地球内核快速旋转的发现及其动力学意义。地壳形变与地震,1998， 18（1）：68-74。

9. 杨学祥，陈殿友。热幔柱构造和地核热能。地壳形变与地震。1996, 16（1）：27-36。

10. 杨学祥，等。地核能量的积累和释放。地壳形变与地震。1996，, 1,6（4）：85-92。

11. 杨学祥，等。对地球质心偏移及板块驱动力的讨论。长春地质学院学报。1993，, 23（4）：470-475。

12. Song X D, Richards P G. Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core. Nature, 1966, 382: 221-224.

附录 

张招崇：地幔柱构造及其验证

张招崇 地学驿站 2020-05-19

板块构造理论在地球科学中具有划时代的意义，它解释了地球上许多的地质现象，如大多的活火山和地震都分布在板块的边界；但是它在解释远离板块边缘或板块之下各种地质作用方面受到了强烈的挑战，尤其是板块内部的大规模岩浆活动(大陆、大洋溢流玄武岩)和大洋热点火山链。

Wilson根据太平洋、大西洋和印度洋中一些火山岛屿和海山具有线状分布特征以及喷发年龄顺序变化的现象，提出了热点假说[1]。他认为这些热点相对静止，所以当岩石圈板块漂移经过这些热点时就形成了链状火山岛屿。

Morgan[2]在热点假说的基础上，正式提出了地幔柱假说，认为Wilson的热点是地球内部存在起源于地球核-幔边界缓慢上升的细长柱状热物质流(即地幔柱）在地表的表现形式。这一假说的基本要点是：地球深部核-幔边界附近的高温低黏度层——D〃层可以产生呈柱状上升的热物质-能量流，它在经过地幔达到冷的岩石圈时，顶部常呈喇叭形张开，形成一个具有球状顶冠和狭窄尾柱的热物质体构造一热慢柱构造。虽然后来有些学者对地幔柱的结构有不同的理解，但其基本含义和轮廓大致相同(图1)。这种热幔柱巨大的球状顶冠在上升过程中可以引起地壳上隆和大规模溢流玄武岩火山作用形成大陆或大洋溢流玄武岩，并且可以造成区域变质作用、地壳熔融作用以及不同规模地壳伸展，随着上覆板块运动，热幔柱狭窄的尾柱会产生一系列热点火山链。不仅如此，它还可以解释太古宙科马提岩、大陆裂解、地磁极性反向、生物大规模灭绝、全球气候变化和海平面上升等诸多地质现象，因而受到了地学界的广泛关注，并被认为是继板块构造以后又一个新的大地构造理论，也是板块构造理论的重要补充。

然而地幔柱假说提出后的起初20年里，并没有引起广泛的兴趣。直到Campbell和Griffiths在1990年进行了著名的地幔柱模拟实验[4]并将结果发表后,地幔柱假说开始盛行，在此后的几年里地幔柱假说的文章数几乎增加了几十倍,随后一直维持在很高的水平。尽管如此，反对地幔柱假说的声音也从未间断过[5~7]。但是，近10年怀疑者掀起了高潮，并专门在网站(www.mantleplumes.org)上开展了专题讨论。

地幔柱的假说有3个要点：①源于地球核-幔边界缓慢上升的细长柱状热物质流；②热点下具有异常高温地幔；③地幔柱是相对静止的。然而，这3点均受到了质疑，其原因是对于被公认为热点地区的一些研究结果。

例如，地震层析成像显示在美国黄石(Yellowstone)地区地幔热异常仅局限于2⑻km以上的浅部地幔[8],在冰岛则局限于4⑻km以上的地幔[9]。热流测量发现冰岛地区的热流值与其他非地幔柱活动地区的热流值没有什么差别，并且在一些大火成岩省(LIP)并没有存在科马提岩和苦橄岩等代表高温产物的岩石学证据。

另外，实际上，许多热点也都是迁移的，只是其迁移的速度相对板块的运动速度较慢而已(热点运动速度一般<1cm/a，而板块运动速度则一般在2~10cm/a)[10]。例如大西洋“热点”相对太平洋“热点”在大约50Ma前就不固定[11]。

此外，地幔柱反对者的代表人物Anderson对地幔柱存在的各条证据进行了逐一的批评，并提出了新的非地幔柱解释[12]:①大体积的岩浆。并不一定是地幔柱可以产生大体积的岩浆，其他机制也可以产生大量的岩浆，如存在大量的断裂和岩浆管道充分的条件下，形成的岩浆在岩浆房中储存，然后再喷发，这样就可以形成大体积的岩浆。②溢流玄武岩的短时间内的巨量喷发需要特殊的条件。虽然高温以及高的熔融程度可以产生大体积的岩浆。但其他条件也可以产生短时间的巨量喷发，如挥发分的加入引起的富集型地幔的熔融、富榴辉岩源的熔融等。

根据地球物理资料估计，地幔的潜在温度为1350~1400°C[7],比岩石学模型高出大约100°C。这个温度可以使得榴辉岩发生广泛的熔融。熔融实验表明[13]，榴辉岩60%~80%的熔融可以产生LIP玄武岩。在此条件下二辉橄榄岩开始熔融，并且榴辉岩和二辉橄榄岩的熔体发生反应。因此当榴辉岩拆沉到地幔中时，在地幔温度条件下，榴辉岩发生高程度的熔融产生LIP溢流玄武岩。③大火成岩省火山迁移的轨迹是由于地幔柱尾作用的结果。不到一半的大火成岩省有柱尾的轨迹，有些所谓的轨迹可能是喷发前就已存在的构造特征。④高的3He/4He表明其来自于下地幔。Anderson认为高的3He/4He值作为地幔柱的证据是因为现代热点如夏威夷、冰岛和黄石具有高的比值，这只是假设，而不是证据。且有一些大洋中脊玄武岩也具有高的3He/4He值[14~16]。⑤喷发前没有地质作用表明有拉张作用。喷发前大量岩墙的存在表明存在拉张作用，而不是地壳的隆升。拉张作用导致了富集型地幔的熔融形成玄武岩岩浆。

对于上述提出的质疑，一些地幔柱假说的支持者也进行了解释，如没有火山迁移的轨迹是由于同位素测年还没有达到如此准确的地步；热点的迁移可能是地幔对流导致了热点的弯曲或者板块的运动导致了热点的弯曲[17]；大火成岩省中苦橄岩的缺乏则是由于苦橄岩的密度大，而被地壳过滤的结果(由于密度关系，不能上升到地表，停留在地壳深部，或者在地壳中发生分离结晶作用后形成演化的玄武岩岩浆上升到地表)[18]；地球物理资料(地震层析成像)没有观察到地幔柱的柱尾，那是因为地幔柱的直径太小(100~200km)，目前的地球物理方法还没有精确到那种程度[19]。一个显著的例外是Montelli等利用新的finite frequency技术来观察地幔柱柱尾，他们利用这种技术观察到了Ascension,Azores,Canary,Easter,Samoa和Tahiti地幔柱起源于核幔边界[20]，Montelli等注意到观察地幔柱在下地幔比上地幔更为困难⑽。

要鉴定古老的地幔柱则更为困难，其主要原因是作为判别现代热点存在的主要手段一地球物理方法反映的是近代的状态，很难用来判别古生代甚至前寒武纪的地幔柱是否存在。一般认为，对于古老的地幔柱的重要证据有：①喷发前的地壳抬升；②代表高温产物的苦橄岩或科马提岩(高于软流圈地幔300°C以上)；③放射状岩墙群；④热点迁移的轨迹；⑤大体积的陆相溢流玄武岩。但是事实上，对于古老的大火成岩省上述现象很难都能观察到。如徐义刚等认为峨眉山大火成岩省可以观察到上述的3条[21]，但在其他一些大火成岩省有时只存在1~2条证据。因此，从目前来看，尽管地幔柱假说取得了很大的进展，但要被地质学家普遍接受尚需假以时日，相信随着科学技术的进步，特别是深部探测技术的发展，地幔柱假说将逐步被证实并进一步发展和完善。

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[1]  Wilson J T. A possible origin of the Hawaiian islands. Canadian Journal of Physics, 1963, 41: 863-870.

[2]  Morgan W J. Convection plumes in t he lower mantle. Nature, 1971, 230: 42-43.

[3]  Courtillot V, Davaillie A , Besse J, et al. Three distinct types of hot spots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters, 2⑻3, 205: 295-308.

[4]  Griffiths R W, Campbell I H. Stirring and st ruct ure in mantle starting plumes. Earth and Planetary Science Letters, 1990, 99: 66-78.

[5]  Foulger G R, Natland J H, Presnall D C, et al. Plates, Plumes & Paradigms. Geological Society of America Special Paper, 2005.

[6]  Anderson D L, Tanimoto T, Zhang, Y S. Plate tectonics, and hotspots: the third dimension. Science, 1992, 256: 1645-1650.

https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1619671491&ver=3037&signature=md6Hbf0gThdVi3KM8y6YJJ0RfOXnFSP-65DpNbTRCcIM30wQ-0WI4**7oqrz9i2cvGgls3tw8IHquFxHiWtzkME0I-hjDXrq6FhxqH8Im8WX4DsvGbhhfy39PeBd9UHK&new=1