地幔柱的构造特征及岩石学和地球化学特征研究

杨焱钧，周 海，吴 涛，李 冰 （西北大学地质学系，陕西 西安 710069）

沉积盆地是地球表面的长期沉降区，盆地的沉降是岩石圈动力学演化的基本过程之一。通常将盆地的沉降机制分为3类，即热沉降机制、构造应力作用、负荷 （重力）作用，上述沉降机制并非孤立地起作用，通常是以一种机制为主，多种机制综合作用，其中有关热沉降机制的描述如下[1]：岩石圈和地壳加热造成隆起，随之地表侵蚀使地壳变薄，然后又变冷导致这种衰减地壳的沉降。热沉降机制是被动大陆边缘、大洋盆地和大陆裂谷裂后坳陷的重要沉降机制之一。热力作用是盆地发育演化和改造的主要因素，随着大陆动力学研究的深入，大陆垂向热力作用及其热力构造陆续被发现，其中地幔热柱型是热力构造中非常重要的类型。例如，太平洋板块上的夏威夷洋岛以及向西北方向年龄逐渐变老的夏威夷－皇帝岛链是板块构造理论解释不了的板内岩浆活动。Wilson[2]提出了热点假说，用来解释夏威夷岛链火山岩的成因。Morgan[3]发展了热点学说，并正式提出地幔柱假说，认为热点是下地幔圆柱状地幔柱在地表的表现，并鉴别出20个地幔柱。Griffiths等[4]建立了地幔热柱动力模型，成功解决了热驱动和大粘滞度对比的问题。下面，笔者对地幔柱研究的情况进行阐述。

1 地幔柱的构造特征

1.1 巨型放射状岩墙群

在全球铁镁质岩墙GIS数据库中收集的巨型放射状岩墙群的总数大于500个[5]。巨型放射状岩墙群主要与伸展构造环境有关，是岩浆侵位事件造成上覆地壳形成裂隙系统，岩浆随后灌入而形成的。巨型放射状岩墙群的侵位模式主要包括垂向侵位和侧向侵位2种模式，其岩性多样，但主要是超基性－基性岩，说明其与深部岩浆作用密切相关。根据几何形状，可将岩墙群分成5种类型[6]（见图1）：类型1为连续的扇状型式；类型2虽具扇状型但可进一步划分成相互隔开的亚群；类型3为由从一个公共点向四周辐射的亚岩墙群所组成；类型4为分布较宽的次平行岩墙群；类型5为窄带状的次平行岩墙。巨型放射状岩墙群 （包括类型1、类型2和类型3）的侵位和地幔柱之间具有成因联系的证据包括[7]：一个放射状岩墙群的会聚区指示岩浆源的中心位置；会聚区域之外的岩墙中有侧向侵入的岩浆熔岩流；会聚区的隆升是地幔柱到达的响应；一些岩墙群的快速侵位。

1.2 大火成岩省

大火成岩省是指巨量的富铁镁岩石的连续侵位，包括大陆溢流玄武岩 （CFB）和相关的侵入岩、火山被动边缘、大洋高原、洋脊、海山群及洋盆溢流玄武岩。大火成岩省代表了地球上已知的最大的火山事件，记录了物质和能量从地球内部向外的大量转换。大火成岩省以短时间内的巨量喷发为特征，这种特殊现象一般认为是地幔柱作用的结果，其可解释大火成岩省的相关现象[8]：①短时间内的巨量幔源岩浆；②喷发前大于500m的隆起；③高温苦橄岩和科马提岩的存在；④热点轨迹；⑤在没有挥发分和压力降低的条件下地幔发生熔融；⑥高3He／4He比值。

1.3 超大陆裂解

对超大陆裂解的研究可以从大陆裂谷、岩墙群以及非造山岩浆活动等伸展性质的构造组合入手。大火成岩省是超级大陆解体事件的重要标志之一，而在超级大陆解体事件中地幔柱的活动特征成为学者们关注的问题。例如，对于冈瓦纳大陆的解体问题的探讨，存在主动地幔柱理论与被动地幔柱理论之争议[9]，前者认为地幔柱造成大陆的上隆和碎裂致使大陆分开，后者认为在大陆裂解过程中，地幔柱没有起到任何作用，只是能导致大陆溢流玄武岩的喷溢。

2 地幔柱的岩石学及地球化学特征

2.1 岩石学特征

图1 巨型放射状岩墙群的5种形式

1）苦橄岩 苦橄岩是一种超镁铁质熔岩，通常产于火山岩系的底部和下部，对其岩石学、矿物学、元素和同位素地球化学的研究可以为探讨大火成岩省和地幔柱的关系、地幔柱的热成分结构模式以及预测Cu-Ni-PGE硫化物矿床的成矿潜力提供重要依据[10]。

2）科马提岩 科马提岩富含MgO成分 （含量大于18%）、橄榄石和辉石的原生矿物成分。Richard等[11]通过对加拿大魁北克北部环苏比利尔湖区Ottawa岛科马提岩 （19×108a）、安大略阿比提比带中Alexo科马提岩 （19×108a）及津巴布韦Belingwe绿岩带区Zvishevane科马提岩 （27×108a）中的橄榄石进行氦同位素研究。结果表明，橄榄石晶体捕获了具有较高3He／4He比值的地幔流体，其中Alexo橄榄石中3He／4He比值最高可达大气值的39倍，说明科马提岩可能来自含有深源区成分的地幔柱。此外，在科马提岩形成过程中，由于温度很高，以至于地幔柱中占主导、耐熔的的组分页发生了广泛的熔融。

3）变质核杂岩 变质核杂岩是大陆流变伸展的重要表现形式，其构造是热穹隆构造的进一步发展与演化，属于地幔热柱－热点构造系统，也是地幔热柱对大陆地壳作用的重要标志与特征之一。变质核杂岩具有明显的双层结构，表现为不变质或浅变质盖层环绕中－深变质基底呈剥离断层接触，主要由变质－岩浆杂岩核、拆离滑脱带、拆离断层及盖层等4个构造层次组成。变质核杂岩的构造背景可以简要归纳为如下不同构造背景：①大洋板块俯冲后期的大陆边缘弧内及弧后构造背景，如北美洲的科迪勒拉变质核杂岩带[12]；②陆－陆碰撞带构造背景，如东阿尔卑斯的中新世变质核杂岩[13]；③与雁行状板内走滑断层系相关的走滑伸展区构造背景，如加州死谷的黑山上新世－全新世变质核杂岩[14]；④海底扩张裂谷系向陆缘扩张部位构造背景，如D’Entrecasteaux岛变质核杂岩[15]；⑤板内伸展区构造背景，如云蒙山变质核杂岩[16]。

2.2 地球化学特征

Crittenden等[17]研究了采自地幔热柱岩浆作用地区的幔源超基性岩包体中的流体包裹体，结果表明，CO2是主要是挥发份，且C和He的含量具有良好的相关性，说明C和He在流体迁移过程中难以分离，这有助于根据He流通和C／He比值来准确推测全球碳脱气过程。此外，铅同位素对于判别成岩成矿环境具有重要意义。不同大洋环境 （如大西洋、太平洋、印度洋）洋中脊玄武岩的铅同位素组成较为均匀，这反映其来自较为均匀的上地幔源区[18]。关于87Sr／86Sr比值，洋岛玄武岩高于中央海岭玄武岩，而大陆溢流玄武岩又高于洋岛玄武岩，这种变化与地幔交代和壳幔相互作用及地壳的混染有关。然而，地幔热柱岩浆作用产生的洋岛玄武岩和中央海岭玄武岩以及基性－超基性侵入岩、碱性岩，其87Sr／86Sr初始比值普遍相对较低，具有典型的深部幔源特征[19]。

3 结 语

自从地幔柱学说与热点学说的理论提出以后，关于地幔柱的研究一直受到学者的关注。热力因素对盆地的形成、演化与改造具有重要影响。为了弄清地幔柱对盆地形成和演化的影响，还需要对地幔柱的成因、起源、动力学机制及其对成矿作用的影响进行深入研究。

[1]杨兴科，刘池阳，杨永恒，等 .热力构造的概念分类特征及其研究进展 [J].地学前缘，2005，12（4）：386-395.

[2]Wilson J T.A possible origin of the Hawaiian islands [J].Canada Physical，1963，41：863-870.

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

[4]Griffiths R W，Campbell I H.Stirring and structure in mantle starting plumes [J].Earth Planet Science Letters，1990，99：66-78.

[5]Larson R L.Geological consequences of superplumes [J].Geology，1991，19：963-966.

[6]Kellogg L H，Wasserburg G J.The role of plumes in mantle helium fluxes[J].Earth Planet Science Letters，1990，99：276-289.

[7]Lecheminant A N，Heaman L M.Mackenzie igneous events，Canada：Middle Proterozoic hotspot magmatism associated with ocean opening [J].Earth Planet Science Letters，1989，98：38-48.

[8]Jones C H，Unruh J R，Sonder L J.The role of gravitat ional potential energy in active deformation in the southwestern United States[J].Nature，1996，381：37-41.

[9]Storey B C，Kyle P R.An active mantle mechanism for Gondwana breakup [J].Nature，1996，380：283-290.

[10]张招崇，郝艳丽，王福生 .大火成岩省中苦橄岩的研究意义 [J].地学前缘，2003，10（3）：105-114.

[11]Richards M A，Duncan R A，Courtillot V E.Flood basalts and hotspot tracks；plume heads and tails [J].Science，1989，246：103-107.

[12]Davis G A，Arderson J L，Frost E G，et al.Mylonit izat ion and detachment faulting in the Whipple-Buckskin-Rawhide Mountains terrane，Southeastern California and Western Arizona[J].Earth Planet Science Letters，1980，153：79-129.

[13]Ratschbacher L，Friwsch W，Linzer H G，et al.Lateral extrusion in the Eastern Alps，Part 2：St ructural Analysis[J].Tectonics，1991，10：257-273.

[14]郑亚东 .变质核杂岩的定义、类型及构造背景 [J].地质通报，2002，21（4-5）：185-192.

[15]Hill E J，Baldw in S L，Lister G S.Unroofing of active metamorphic core complexes in the D.Entrecasteau Islands，Papua New Guinea[J].Geology，1992，20：907-910.

[16]Foulger G R.地幔柱：为什么现在怀疑？[J].科学通报，2005，50 （17）：1814-1819.

[17]Trull T W，Kurz M D，Jenkins W J.Diffusion of cosmogenic 3He in olivine and quartz：implications for surface exposure dating [J].Earth and Planetary Science Letters，1991，103 （4）：241-256.

[18]Crittenden M D.Metamorphic core complexes of the North American Cordillera：Summary [J].Earth Planet Science Letters，1980，153：485-490.

[19]Zhang Y，Wang Y，Liu R，et al.Sliding-thrusting tectonics caused by thermal uplift in the Yunmeng Mountains [J].Tectonics，1988，10：135-144.