冰岛的地质历史说明海底扩张和地幔柱不存在

The geological history of Iceland shows “seafloor spreading and mantle plume do not exist”

（本文是2014第三届流体地球科学与巨型成矿带及重大自然灾害学术研讨会报告部分内容）

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京，100029

lgh@mail.iggcas.ac.cn

2014-05-01

1 海底扩张和地幔柱解释不了冰岛的地质现象

众所周知冰岛是飘浮在北大西洋洋中脊上的一个孤立岛屿（图1），组成冰岛的岩石都是岩浆岩，以玄武岩分布最广，还有安山岩、流纹岩等。其独特的地质演化历史让地质学家难以使用传统的海底扩张来解释，因为在冰岛中间的“洋中脊”上发现了古老的岩石，测年数据表明其年龄值达13Ma（图2，3），如果按照海底扩张假说，北大西洋在冰岛纬度上的扩张速率为2cm/年(Nunns，1983)，这样势必要在冰岛中间裂出至少260公里宽的裂谷，但实际上我们没有看到这种情况发生，因此海底扩张在这里并不适用。但仍然有人不符合逻辑地提出：大西洋之下可能存在一个残留的古陆壳岩石圈地幔，如果这样，海底扩张对它不起作用？地幔对流也对它不起作用？还有一种说法是冰岛是地幔深处玄武岩分异出来的壳源物质，但这更不符合逻辑，大西洋洋中脊很长，为什么其他地方不分异出类似壳源物质？

   为了解释这个奇怪的地质现象，地质学家找了另外一个假说来解释，他们把冰岛解释为地幔柱成因（图4），也就是说由冰岛到格陵兰岛横穿大西洋存在一个地幔热柱，形成了冰岛。这个靠谱吗？岩石学证据否定了这个说法，冰岛发现大量现代流纹岩（图5中的三角点），我们知道流纹岩是一种陆壳成因为主的火成岩，属于酸性喷出岩，其化学成分与花岗岩相同，二氧化硅含量大于69%，由于形成时冷却速度较快使矿物来不及结晶，有斑状结构和流纹状结构，其斑晶主要为钾长石和石英组成。海底扩张和地幔柱都无法对此给出合理解释，按照海底扩张和地幔住假说，冰岛的洋中脊附近不可能出现大量陆壳成因的火成岩。

图1冰岛地形地貌及交通图（据百度图片）

图2 冰岛地区大地构造图（据G.R.Foulger,2006修编）

图3冰岛地区洋中脊分布图（据33 IGC 2008 Excursion5 修编）

图4 冰岛的地幔住解释（据Tobias Weisenberger）

地幔柱引起的熔融应该由高温的岩浆来解释（张丽芬等，2005）。但是在冰岛并未发现有代表高温的辉石, 冰岛中央岩浆喷发温度也仅约为1240度 , 接近于亏损的N-MORB熔融的温度, 说明不存在高的热异常(Condomines et al.,1983)。地幔柱模型将⁸⁷Sr/⁸⁶Sr作为地幔柱的地球化学指示, 因而它应该在幔柱中心有最高的比率, 然而这个比率却是远离幔柱中心向边缘逐渐变大的(Breddam, 2002)。冰岛下可测量的高热流在地幔柱中并不存在, 冰岛地幔柱也没有时间增长的痕迹, 也就是说在冰岛并未发现有热点痕迹,也没发现任何幔柱要求的高的岩浆温度的证据(Anderson,2000)。

图5 冰岛地区流纹岩分布图（据D. McGarvie，2009）

图6是冰岛地质及岩浆岩分布图，图中右下角标识出来的两类岩性。作者特别用红色背景的汉字将他们翻译出来了，分别是：基性中性侵入岩，辉绿岩、闪长岩；酸性侵入岩，流纹岩、花斑岩、花岗岩。冰岛发现大量酸性侵入岩（图7），海底扩张和地幔柱更无法解释。

冰岛更详细测年数据（Jancin et al, 1985）也不支持海底扩张和地幔柱（图8）。

图6 冰岛地质图和岩性分布图（据33 IGC Excursion no. 5，2008）

图7  冰岛发现的流纹岩（据D.McGarvie，2009）

图8 冰岛洋中脊附近古地磁测年数据（据Jancin et al,1985）

   冰岛的地壳厚度分布也不支持海底扩张（图9），图中上部是海底扩张假说概念图，下部是冰岛的地壳厚度和洋中脊位置叠合图（洋中脊为纯红色部分）。我们知道如果存在海底扩张，其洋中脊处地壳厚度一定很小（通常5-10Km）。但通过地震接收函数得到冰岛的地壳厚度是20-40Km，而且洋中脊处更厚，达到30-40Km。因此海底扩张在这里不符合逻辑，这说明海底扩张不存在。

图9 冰岛地壳厚度分布图（据G. R. Foulger，2006修编）

   冰岛的岩石年龄没有显示出以洋中脊为中心的对称性，不支持海底扩张（图10）

图10 冰岛的岩石测年数据（据Jancin,M.,et al,1985)

2 新大陆漂移模型可以合理解释冰岛的成因及各种地质现象

上面通过多个实例说明海底扩张和地幔柱都无法解释冰岛的成因。那冰岛到底是怎么形成的呢？按照作者（梁光河，2013）提出的新大陆漂移说（http://hi.baidu.com/liangguanghe1/item/a47c4972ab1c3a206e29f6d1），这很容易解释，在泛大陆裂解过程中，冰岛被裂解形成一个特立独行的小古地块，当北美洲和欧洲板块以大西洋为中心向东西两边裂解分离漂移出去的过程中，冰岛沿着另外一个方向（北北东）独自飘浮在洋中脊上。

   图11清楚地展示了冰岛的漂移轨迹，可以看出，冰岛是从西南方向漂移过来的，目前正向北东方向漂移，尾部存在拖尾隆起。

图11 冰岛在google-earth地图上的位置（据Google地图修编）

全球GPS测量也支持这个说法，图12中的红色椭圆框内就是冰岛的位置和位移速度矢量，这表明目前冰岛正在向北东方向漂移。

图12 全球GPS测量矢量图及冰岛位置（据百度图片）

冰岛区域的重力异常(图13）说明冰岛的基底是一个古老的高密度克拉通地块，这能合理解释玄武岩、安山岩、流纹岩的成因和地壳厚度的分布特征，也就是说冰岛是一个活化克拉通古陆壳地块。由于密度大，其大部分沉降较深（应当位于海平面以下），当前的火山岩下面就应该是古老的陆壳地块，这就很合理地解释了大量酸性岩浆岩的成因。通常古老克拉通具有较大的地壳厚度（大于50Km），但由于冰岛古克拉通长期漂浮在洋中脊上，因此其底部被高温熔融，造成了当前较薄的地壳厚度。

图13 冰岛区域重力异常图（据Wikipedia百科图片）

   古生物学家(Thomas Denk el al,2010 )在冰岛西北部的沉积物(15-5Ma)中发现大量的橡木属孢子（图14），这表明古冰岛位于较温暖的气候带，因为橡木属广泛地分布在北半球的温带和亚热带地区(Camus,1936–1938,1938–1939,1952–1954)。这说明冰岛在15-5Ma之前并不在当前的纬度，她应位于之南很远的温带或者亚热带地区。因为这些橡木属孢子当前所处的位置属于苔原带（图15）。

图14 冰岛发现大量的橡木属孢子（据Thomas Denk et al,2010）

图15 世界陆地自然带分布图

古植物学家还在冰岛发现大量的15Ma年前的水青冈属和松柏类（Fagus and conifers）植物叶片化石（图16），说明当时冰岛处于潮湿温暖的温带气候条件下（F. Grímsson et al.2007）。

图16 冰岛发现的15Ma古植物化石及古气候重建（F. Grímsson et al.2007）

   在美国NOAA给出的北大西洋地区海底沉积物分布图（图17），可以清楚看出冰岛南部存在厚达3000米的现代深海沉积，新的大陆漂移模型可以很容易解释这种现象，冰岛漂移滑过洋壳，在后面切割较深并形成深海沉积物。如果按照海底扩张假说，在洋中脊附近是不应该存在如此厚度的深海沉积物的，这从另外一个方面说明海底扩张不存在，大陆自己会漂移，并留下尾迹。

图17 冰岛及北大西洋地区海底沉积物分布图（据NOAA）

   从冰岛地区的地形地貌图，我们可以了解更多，如图18所示，冰岛目前在顺时针旋转中漂移中，在其周围环带状的地形高（浅海中灰白色部分）其实是其漂移中的下地壳流引起的，图中两个红色箭头指示还有2个小陆块在漂移并留下了清晰的尾迹。

图18 冰岛地区地形地貌图（据NOAA修编）

3 关于洋中脊和磁异常条带的合理解释

既然海底扩张和地幔住都不存在，那如何解释北大西洋出现的洋中脊和磁异常条带？其实很简单，洋中脊应该是由于2个或多个大陆板块带动大洋地壳相互运动错开的裂缝中的玄武岩溢流所形成的，这一点足以解释大洋中脊附近大规模的转换断层和磁异常条带分布特征。整个地球洋壳本来是不应该分板块的，它们应该是一个整体，不过中间有些裂痕（洋中脊）罢了。

4  参考文献

1)  梁光河.大陆漂移的源动力[J].地球科学前沿，2013，3 ,86-96.

2)  张丽芬, 张树明, BREWERT S，2005，地球运动的动力学模式: 从板块构造到地幔柱，大地构造与成矿学，29（4）:551–553

3)  Anderson D L.2000.The thermal state of the upper mantle:no role for mantle plum es. Geophysical Research Letters,27(22):3623-3626.

4)  Breddam K. 2002. Primitive melt from the Iceland mantle plume.J Pet,43: 345-373.

5)  Condomines M,Gronvold K,Hooker P J et al.1983. Helium,oxygen, strontium and neodym ium isotopic relationships in Iceland icvolcanics.Earth Planet SciLett,66: 125-136

6)  Tobias Weisenberger，http://www.tobias-weisenberger.de/6Iceland.html

7)  Nunns, A.G., 1983. Plate tectonic evolution of theGreenland-Scotland ridge and surrounding regions,in Structure and Developmentof the Greenland-Scotland Ridge, pp.1–30, eds Bott, M.H.P., Saxov, S., Talwani,M. & Thiede, J., Plenum Press, New York and London.

8)  The author with GMT (26/9/2005)，Free-air anomaly in the north Atlanticaround Iceland，http://en.wikipedia.org/wiki/File:N-Atlantic-grav.png

9)  Dave McGarvie,2009, Rhyolitic volcano–ice interactions inIceland,Journal of Volcanology and Geothermal Research 185 ,367–389

10) 33 IGC Excursion no. 5, the Geology of Iceland，2008

11) Thomas Denk , Fridgeir Grímsson and Reinhard Zetter，2010.EPISODICMIGRATION OF OAKS TO ICELAND: EVIDENCE FOR A NORTH ATLANTIC“LAND BRIDGE” IN THELATEST MIOCENE, American Journal of Botany 97(2):276–287.

12) G. R. Foulger，Older crust underlies Iceland，2006，Geophys.J.Int.165,672–676

13) Jancin,M.,Young,K.D.,Voight,B.,Aronson,J.L.&Saemundsson,K.,1985,Stratigraphyand K/Ar ages across the west flank of the northeast iceland axial rift zone,in relation to the 7 Ma volcano-tectonic reoaganization of iceland,Journal ofGeophysical Research, Vol.90,No.B12,9961-9985

14) Camus, A. 1936–1938. Les chênes. Monographie du genre Quercus.Tome I. Genre Quercus, sous-genre Cyclobalanopsis,sous-genreEuquercus(sections Cerris et Mesobalanus ). Texte. Paul Lechevalier,Paris,France.

15) Camus, A. 1938–1939. Les chênes. Monographie du genre Quercus .Tome II. Genre Quercus, sous-genre Euquercus (sections Lepidobalanus etMacrobalanus ). Texte. Paul Lechevalier, Paris.

16) Camus, A. 1952–1954. Les chênes. Monographie du genre Quercus .Tome III. Genre Quercus: sous-genre Euquercus (sections Protobalanus et Erythrobalanus) et genre Lithocarpus . Texte. Paul Lechevalier, Paris.

17)  F. Grímsson, Thomas Denk, Leifur A. Símonarson. 2007.MiddleMiocene floras of Iceland — the early colonization of an island?  Review of Palaeobotany and Palynology 144 ：181–219