地幔对流模式及其意义

陈阳阳，王大丰，周 龙，柳立业，胡 宸，于 雷，魏海峰

（1.中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江 哈尔滨 150000；2.中国人民武装警察部队黄金第三支队，黑龙江 哈尔滨 150000）

大陆漂移—海底扩张—板块构造是20世纪地学革命的三步曲。板块构造理论虽然得到了很多地质学家的认可，但其实它还存在一些争论性的地方，大多数地质学家认为地幔对流就是板块运动的驱动力源。

20世纪60年代，地球化学家们开始了对地幔组成和演化的研究。地幔的化学组成主要是通过以玄武岩为主的熔融物质喷发到地表而进行分析，而大约30km～100km的熔融区主要是通过地幔对流方式进行输送。

1 地幔对流模式的简要论述

20世纪70年代，地质学家基于大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩在地球化学上的差别完善了地幔成层理论，即地幔由上下两层组成，分别为衰减层和不衰减层。两层的化学组分或者是矿物组分都存在一些不同，地球物理学的证据也对地幔分成两层进行了充分证明。同位素化学证明两种类型的玄武岩分别来源于上下两层，大洋中脊玄武岩主要来自衰减层，洋岛玄武岩主要来自不衰减层。地幔成层模式是没有什么说服力的，以为洋岛玄武岩的成分变化特别大，所以洋岛玄武岩肯定不会是来自化学性质相同的原始地幔层中。因此，新的地幔对流混合模式发展了起来，两个正常分离的对流层被阶段性的破坏而接近混合。

2 层状对流模式

地质学家们对层状地幔对流模式是否存在一直没有达成共识，虽然地球内部物质密度的成规律性可能导致了成层模式，但是在矿物物理学和高压矿物的晶-液分离的实验两个方面都否定了层状模式①想要形成分层对流需要满足上下地幔的密度存在较大化学组分差异。在层析技术还没有发展时期，对俯冲板片的追踪就可以达到大于等于1000km，当层析技术继续发展以及分辨率的提高，又发现了历史更悠久俯冲下去的板片，曾经俯冲下去的板片到如今已经经过了2亿年，应该已经存在于下地幔了。②假设层状地幔对流形成于大约660km深度的部位时，交界处两侧会产生热边界层，层状地幔对流的热传递明显不如全地幔对流的效率高（如图1）。

图1 层状地幔的对流模式图

3 全地幔对流模式

地球动力学计算结果表明，如果660km界面是化学成分差别，从而造成密度差别达2%以上，对流将是分层的。根据地震学研究表明，从比较早的走时残差分析，进而到后来的层析成像分析，还有转换波的研究，全部都支持了俯冲板片可以穿透660km的深度。经过地震波转换和层析成像等方面的研究，更加充分的说明了确实有的地幔柱可以从核幔边界为通道到达岩石层。对流的证据来自多个方面，地幔深处较高的地震波速构造就是其中一个方面。

另外，热点固定区也可以充分支持对流这个说法。产生于不同地幔位置的热柱有着不同的粘度，上地幔的热柱明显比下地幔的热柱粘度小，运动速度快。

通过地震学观测提供的证据可以证明板片可以穿透660km界面，想要穿透660km界面的速度差不多和板片俯冲速度相同。

关于玄武岩流和地球化学方面都存在很大的争议，地幔热柱大面积的喷发物质仅仅是热源物质上升过程中在热柱端口所混熔的物质。下地幔中存在的震源，是地幔热柱在核幔边界处所产生的。

4 混合模式

图2 上地幔和下地幔对流模式图

既要满足温压实验的条件又要对层析成像进行解释以及支持660km被穿透的动力学计算，况且要继续保存两个地幔源区和地球化学和地热的约束方面的解释。新的地幔对流模式被陆续提出。地幔对流可以包括地幔的全部是它们都有的一个共性特征，虽然如此，但还是不能充分混合多有的地幔物质，所以要继续保存两个地球化学要求的源区。

假设两个不同源区存在于660km位置以下，粘滞性控制和重力控制是其存在的最有可能的两种机制。地震学不能预见地幔中的两种分区，因此不能证明在重力稳定的情况下是否会被融混，矿物学也提出了特别高的温压下的一些可能的相变候选组合，仍需对其进行寻找证据加以支持（如图2）。

5 结语

地幔对流假说虽仍在不断发展中，但分歧依然存在，主要是：①地幔对流的能量来源②地幔对流的深度。地幔对流作为地球深部一种重要的运动形式，对板块运动机制起着重要影响。随着高精度观测资料的积累和综合分析的深入，地幔对流模式将会得到进一步完善和发展。