地幔 [地幔中三种不同类型的热点]

地幔中三种不同类型的热点

摘要：自热点理论提出以来，对热点的来源一直存在争论，经典地幔柱理论认

为热点是来自核幔边界地幔柱在地表的表现形式，而“非地幔柱”学派却认为热点是岩石圈拉张破裂的被动相应。Vincent Courtillot将地球上比较著名的49个热点分为三类：只有7个来自下地幔的深部—Morgan 热点，其中3个位于太平洋半球，另外4个位于印度洋-大西洋半球；约20个来自穹窿顶部转换带底部；剩下的约20个热点是岩石圈破裂的被动响应—Anderson 热点。很多学者的研究表明Morgan 热点在各自的半球是一个相对固定的参照系，而位于不同半球的Morgan 热点间存在缓慢的相对运动。第二类热点火山轨迹较短、缺乏溢流玄武岩，是次级地幔柱所形成的热点。

关键词：Morgan 热点 Anderson热点 原始地幔柱 次级地幔柱

自下地幔深部的原始热点；由于次级地幔

[4]

柱形成的次级热点；Anderson 热点.Anderson 认为浅部的与板块运动有关的压力可以使岩石圈破裂，从而导致岩浆沿着这些裂缝上涌产生火山活动。他认为所有发生在板块内部的火山活动都可以通过这一

[5]

机制来解释。

Vincent Courtillot （2003）总结前人的研究成果，提出了判别源于下地幔深部原始地幔柱热点的五个标准，根据热点形成的原因将地球表面著名的的49个热点分为3类：1. 原始地幔柱热点（Morgan 热点）；2. 次级地幔柱形成的次级热点；3.Anderson

[6]

热点。

[2]

引言：

板块构造理论的提出，成功地解释了发生在板块边界附近的火山活动。然而它并不能解释位于板块内部和板块深部的火山活动，首先使板块构造理论受到挑战的两个突出地质现象是大洋热点火山链和大陆溢流玄武岩。Wilson (1963)根据夏威夷海岛及其西北部海山逐渐变老的现象，提出了热点假说[1]。他认为这些热点相对静止, 并将热点作为板块运动的参照物。之后，Morgan(1971)正式提出了地幔柱假说，认为Wilson 的热点是起源于地球核-幔边界的地幔柱在地表的表现形式[2]。自地幔柱（热点）理论提出之后，关于热点的来源一直存在争议，而这一争议可能是近20年来众多学者反对地幔柱构造理论的根本原因。

关于热点的来源主要有几下几种观点：

[3]

因地球岩石圈应力释放而形成的热点；来

一 判别Morgan 热点火山的的标准

深部地幔柱作用产生的的热点火山活

动可能具有以下5个典型特征[6]

：1. 火山岛链的存在；2. 火山运动轨迹源区溢流玄武岩的存在；3. 巨大的浮力；4. 持续的高3He/4He 值；5. 下地幔处低剪切波波速。

1.1 火山岛链和溢流玄武岩

根据经典的地幔柱理论，地幔柱是起源于核—幔边界的不连续层(D″层，2900km) ，其具有高温、低密度的性质。因为密度和粘度比周围地幔低而上升，当其上升到岩石圈时，由于受到岩石圈的阻挡，其头部向四周扩散，同时也由于深部物质的不断上升以及捕获了岩石圈地幔物质使得其头部逐渐增大，这样就形成了头部大、尾部细长的蘑菇形地幔柱。热点轨迹正是由于地幔柱撞击岩

石圈而在地球表面留下的痕迹[2,7]

。因此，Morgan 热点的第一和第二个特征是长的火山轨迹以及轨迹源区大面积的溢流玄武岩。

1.2 巨大的浮力

浮力控制着流体从地幔向地表的流动，可能使得地壳隆起并产生热点。具体的数值研究表明，地幔柱从地幔底部向上运动穿过老的岩石圈所要求的浮力至少是1000kg/s，而且微弱的地幔柱在到达岩石圈前可能会被地幔对流剪切消损。因此，地幔柱热点的

第三个标准就是浮力至少是1000kg/s[4]

。计算浮力要求地形异常的存在，而地形隆起正是Wilson 热点的典型特征。

1.3 高的He 值或Ne 值

早期研究表明，与大洋中脊玄武岩(MORB)相比，大洋岛玄武岩（OIB ）具有更高的3He/4He 比值。但是，Farley 和Neroda 的研究显示，很多OIB 的3He/4He 比值有的高于MORB 有的低于MORB 。21Ne/22

Ne 的比值也是如此。高的3He/4He 、21Ne/22

Ne 比值一般认为与长期孤立的、古老的源区有关，而古老的源区一般认为是位于

地幔深部，甚至是下地幔之下，而不是上地

幔底部的转换带[8]

。因此，将高的He 值或是Ne 值作为深部成因热点的第四个标准。

1.4 低速的剪切波

根据热点的定义，热点之下是高温的地

幔物质，高温意味着低密度、低粘度，因此，在热点之下的地幔物质中会出现低速的剪切波带。所以，地幔柱成因热点的第五个标

准是低速的剪切波[6]

。

二 地幔中不同类型的热点

2.1 原始地幔柱热点的选择

Vincent Courtillot （2003）选择了49个比较有名的热点，对其进行分类。只有9个热点满足地幔柱成因热点的3个以上标准

（表1）[6]

。在这9个热点中，萨摩亚群岛Samoa 具有短的、清晰的火山岛链轨迹，但是在轨迹的源区并没有溢流玄武岩或洋底高原，因此不能将Samoa 看做是原始地幔柱热点。另外，Caroline 没有地形隆起，也没有溢流玄武岩，因此将其排除。所以，只有7个热点是深部地幔柱成因，这7个热点是：位于太平洋的夏威夷岛Hawaii 、复活节岛Easter 、路斯维尔岛Louisville 、位于印度洋-大西洋的冰岛Iceland 、Afar 、留尼旺岛Reunion 、Tristan 。

剩下的40个热点是非原始地幔柱成因。这40个热点又可以分为两类：一类来源于转换带，另一类的源区可能更浅。

到目前为止，有些热点的资料还不够完善、不够精确，也许将来会有更多的热点可

以认为是地幔柱成因[6]

。

表1 9个满足3个以上标准的热点

2.2 原始地幔柱热点是否为固定的参考系

根据Morgan 的经典地幔柱理论，热点是相对固定的。从49个热点中精选出来的7个地幔柱热点是否满足这以条件呢？近20年来，有很多关于热点相对运动的文章。Molnar 的研究表明：在过去的65Ma, 夏威夷热点相对于印度洋-大西洋半球运动的平均

[9]

速率达到了10-20 mm/a。而位于太平洋的某些热点其相对运动速率甚至可能达到

[10]

60mm/a。如果将不同来源的热点加以组

合，上诉现象很好理解。而如果仅仅分析位于太平洋的3个地幔柱热点，并没有任何的

[11]

证据显示其相对运动超过5mm/a。5mm/a相对于板块运动速率来说是微小的，因此，Vincent Courtillot认为太平洋的三个原始地幔柱热点（Hawaii 、Easter 、Louisville ）满足经典地幔柱理论的基本前提—热点是相对固定。Muller 的研究也表明，位于印度洋-大西洋半岛的四个地幔柱热点（Iceland 、Afar 、Reunion 、Tristan ）

[12]

间的相对运动速率也没有超过5mm/a。所以，在过去的80-100Ma ，地幔柱热点在各自

[6]

的半球是一个相对固定的体系。

图1 Hawaii在过去65Ma 相对Reunion 的运动速率

不同半球的地幔柱热点是否也是相对固定的呢？Raymond 等人的研究表明相对于Reunion ，Hawaii 在过去的65Ma 不断的后退，与Reunion 的距离越来越远，在最后的

45Ma, 其平均速率约为10mm/a,而在此之前，其相对运动速率更大，约为50mm/a（图1）[13]

。Norton 等人的研究也支持这一结论。基于这些结论，Vincent Courtillot 将所选

择的7个地幔柱热点分为2个子集，每个子集为一独立的整体，子集内的热点是相对固定的，其相对运动速率不超过5mm/a,相对板块运动速率而言，其速率很小，因此各个子集的地幔柱热点是一个固定的参照系统。这2个子集在过去的45Ma 缓慢地相对运动，速率约为10mm/a,而在早期，其相对运动速率

更快[6]

。

三 原始地幔柱热点和次级地幔柱热点

Davaille 等人的研究表明，同一时期形成的超级地幔柱和原始热点地幔柱是由于不同性质地幔中的热化学对流而形成的。地幔柱的类型取决于浮力的比值（化学密度异

常/热密度异常）[14]

。

低浮力比值（低化学密度异常、高热密度异常）会产生巨大的穹窿和超级地幔柱；高浮力比值（高化学密度异常）则形成长期

活动的热化学地幔柱, 即原始地幔柱。

另外，超级地幔柱与其他地幔物质的界面处可能存在一个热边界层，从而产生一个次级的热地幔柱，在转换带如果穹窿被刺穿次级地幔柱更加发育。

次级热地幔柱的生命是有限的、活动强度小，能够很好的解释某些热点火山岛链轨迹短、在其轨迹源区一侧缺乏大陆溢流玄武岩。上面提到的从9个热点中排除的Samoa 和Caroline ，其热点火山岛链轨迹短、在其轨迹源区一侧均缺乏大陆溢流玄武岩，Vincent Courtillot将其归因于次级地幔

柱在地壳活动的表现形式[6]

。这类次级地幔柱来自于穹窿顶部转换带的底部，形成深度远远低于原始地幔柱（图2）。

图2 地球上三种不同类型的热点

（1：Morgan 热点；2：转换带热点；3：Anderson 热点）

四 总结

Vincent Courtillot认为地球上的热点有3种截然不同的来源（图2）。

① 至少有7个热点可能来自于下地幔深部（核幔边界的D 层），称为Morgan 热点。

原始地幔柱上涌的驱动力为化学密度异常所产生的浮力。其中3个位于太平洋半球（Hawaii 、Easter 、Louisville ），另外4个位于印度洋-大西洋半球（Iceland 、Afar 、Reunion 、Tristan ）。这7个原始地幔柱热点在各自的半球是相对静止的，而位于不同半球的Morgan 热点间存在缓慢的相对运动。

由于资料不够完善、不够精确，7个

Morgan 热点只是保守的估计，实际数量可能达到10个。

② 大约20个热点可能来自位于巨型瞬时隆起顶部转换带的底部（Caroline 、McDonald 、Pitcairn 、Samoa 、Tahiti 等）。

超级地幔柱可形成巨大的穹窿，且与周围的地幔物质存在热边界层，从而形成次级地幔柱，次级地幔柱在巨型隆起区的顶部尤其发育。次级地幔柱所导致的热点火山活动较微弱，活动时间较短，因次这类热点所产生的火山活动轨迹较短，在轨迹源区缺乏溢流玄武岩。

③ 其他大约20个热点可能来自上地幔，这种类型的热点可能是岩石圈破裂的被动响应，称为Anderson 热点。

在拉张背景下岩石圈破裂产生裂缝，下

伏的地幔物质沿着裂缝上涌进入地表。Anderson 热点产生的火山活动有别于发生在板块边界的火山活动，前者发生在板块内部，不能用板块构造理论解释。

Morgan 热点—转化带热点—Anderson 热点，形成深度越来越浅，前两者地幔物质是主动向地壳上涌，而后者则是被动上涌。

参考文献

1． Wilson J T. A possible origin of the Hawaiian Islands. Can J Phys, 1963, 41:863-870.

2. Morgan W J. Convection plumes in the lower mantle. Nature, 1971, 230:42-43.

3. Turcotte D L. E.R. Oxburgh, Mid-plate tectonics, Nature, 1973, 244:337-339.

4. Sleep N H. Hotspots and mantle plumes: some phenomenology.J.Geophys.Res, 1990, 95:6715-6736.

5. Anderson D L. The thermal state of the upper mantle: no role for mantle plumes. Geophys, Res, Lett, 2000, 27:3623-3626.

6. Vincent Courtillot, et. Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 205:295-308. 7. Richards M A, et. Flood basalts and hot spot tracks: Plume heads and tails. Science, 1989, 246:103-107.

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9. Molnar P. Relative motions of hotspots in the Pacific, Atlantic and Indian oceans since late Cretaceous time. Nature, 1987, 327:587-591.

10. Koppers A A P, et. Testing the fixed hotspot hypothesis using 40Ar/39Ar age progressions along seamount trails, Earth Planet. Science, 2001, 185: 237-252.

11. Yan C Y, et. The Cenozoic ‘fixity’ of the Hawaii and Louisville hotspots, and the rigidity of the Pacific plate. Geophys, U, 77, 1997, 17:S91.

12. Muller D M, et. Revised plate motions

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13. Raymond C A, et. Fast Paleogene motion of the Pacific hotspots from revised global plate circuit constraints, in: The History and Dynamics of Global Plate Motions. Geophys, Monogr, 2000, 121:359-375.

14. Davaille A. Simultaneous generatio-n of hotspots and superswells by con-vection in a heterogeneous planetary mantle. Nature, 1999, 402: 756-760.