地幔柱假说及其发展

Ｍｏｒｇａｎ提出的地幔柱假说之后，基于流体力学基本方程组的定常地幔柱模式研究，认为地幔柱是地幔对流的一个组合部分。组分差异驱动的地幔柱模拟实验结果，限制了地幔柱在地球动力学中的应用。热浮力驱动的模拟实验结果得到了新的动态地幔柱模式。     

地球的热演化及构造演化

构造模型与经过地幔传导的热对流模式密切相关。目前,主要的地幔对流模式是那些与板块和地幔柱有关的模式,相应地,主要的构造模型有板块构造及“地幔柱”构造。根据不断提高的对地幔对流演化的认识,可以评价这些构造模型或其它可能的构造模型的相对意义。     

古地幔柱作用“遗迹”的深部地球物理探测——以峨眉山大火成岩省为例

大火成岩省成因是国际地学界的研究热点,涉及地球内部运行机制和过程、资源和生物环境效应等多个地学前沿研究领域。峨眉山大火成岩省不仅是中国境内第一个获得国际学术界广泛认可的大火成岩省,也是全球范围内研究程度最高的大陆溢流玄武岩省之一。前人基于沉积地层学、岩石地球化学等系列证据提出了该大火成岩省的"地幔柱头熔融"成因模型。深部是否存在"地幔柱头熔融"假说所预示的大规模岩浆作用"遗迹",有待地球物理探测的进一步检验。地球物理方法是探测现代地幔柱的常用手段。本项研究集成利用人工源地震、天然源宽频带地震探测,以及密集重力/地磁剖面测量等综合地球物理手段探测"古地幔柱"作用,在峨眉山大火成岩省研究中取得了系列成果,其研究思路与方法对其他古地幔柱作用"遗迹"的识别具有重要的借鉴意义。通过几何结构-物性结构-动力学属性参数之间的联合约束,以及与地球化学、地质学研究成果的有机结合,可靠地揭示出与古地幔柱作用有关的大规模岩浆活动导致的地壳结构和组分变化以及深浅响应过程等,显示了综合地球物理方法、不同学科交叉融合在重建古老重大地质事件深部过程方面的巨大潜力。大规模岩浆作用"底侵"位置的确定、"透明"上地壳特征的发现等,对于该区未来的深部找矿具有重要的指导意义。     

地球运动的动力学模式:从板块构造到地幔柱

板块构造学说和地幔柱假说是解释地球运动的两种大地构造动力学模式。本文总结了两种构造理论的基本观点和所解决的地学问题,阐述了存在的不足和局限之处。客观引述了对德干、冰岛等原认为是典型地幔柱(或热点)的不同成因观点。认为板块构造学说和地幔柱假说各有其独到之处,两者并不矛盾,在许多方面可以互为补充、共存。但也都有其内在的缺陷,尤其缺乏了令人信服的直接证据,需要今后不断补充和完善。     

地幔柱研究中几个问题的探讨及其找矿意义

本文在简要回顾地幔柱研究历史的基础上,针对近年来研究中提出的一些科学问题进行初步的探讨,提出了识别古老地幔柱的地质一环境一地球化学综合判别原则,提出了存在地幔柱的第3种类型,而埃达克岩很可能是第3类地幔柱的典型产物之一,指出了地幔柱对于成矿作用影响的双重性,也指出了地幔柱研究将对成矿学研究产生深刻的影响及其对于地质找矿的意义。中国西南部地区以二叠纪峨眉山玄武岩为标志的峨眉地幔柱最终喷发于海陆过渡相环境,具有与俄罗斯西伯利亚地幔柱类似的成矿条件和含矿性,有着良好的找矿前景。     

贵州矿产与峨眉地幔柱演化阶段的成因联系探讨

贵州境内与峨眉地幔柱不同演化阶段有关的矿产初步分为三类,一类是在峨眉地幔柱演化的壳幔相互作用阶段,因地壳隆升于遵义断拱内形成的石炭纪沉积型铝土矿;第二类是在峨眉地幔柱演化的喷发—消退阶段,与玄武岩有直接成因关系的热水沉积型锰、铁锰、含锰菱铁矿,玄武岩铜矿及火山—沉积型硫铁矿等;第三类可能主要于峨眉地幔柱喷发—消退阶段,因壳幔相互作用,地幔热流上升诱发地壳的重熔以及各种地质响应而形成的中-低温热液矿床,还有一些是在喷发-消退阶段后期,与残留在地壳底部的固化地幔柱"活化"有关的中-低温热液矿床。     

新疆天山石炭—二叠纪大规模岩浆成矿事件与形成机制探讨

天山地质构造演化复杂,多阶段演化中岩浆活动与成矿作用规模并不均衡。而石炭-二叠纪却是天山成矿带大规模岩浆活动和金属成矿作用的"爆发"期。本研究紧紧围绕岩浆铜镍矿床、斑岩型铜(钼)矿床及火山岩型磁铁矿矿床,从含矿岩体的岩浆起源、岩浆演化及成矿特点,系统研究地球深部相应岩浆活动的地质过程。通过典型矿床的深入剖析,建立相应矿床类型的成矿模式,破解制约找矿突破的控制因素,系统阐述了板块构造与地幔柱体制叠加并存的地质特征与成矿表现。联系塔里木地幔柱的活动特点和成矿表现,将其与天山造山带三类主要矿床类型建立关联,对比岩石学、年代学及地球化学研究,发现天山成矿带成矿类型与塔里木地幔柱及板块构造存有密切关系,可能是两种构造体制叠加并存的结果。塔里木克拉通深部熔融的地幔物质,围绕刚性塔里木克拉通边缘不断上涌,并与表壳物质发生交换,随着板块俯冲的持续和减弱,深部上涌的地幔物质不断加强,先后形成因深部地幔物质多寡而金属聚集的不同矿床类型。该地幔柱形成时深部过程与成矿作用认识模型的建立,极大地推进了板块构造、地幔柱与岩浆成矿作用的研究,同时可为天山及邻区找矿突破提供借鉴和指导。     

“地球透镜计划”数据证实北美地下存在巨大地幔柱

正2018年3月26日,英国《自然·地球科学》杂志在线发表一项地球科学研究称,通过"地球透镜计划"(Earth Scope)数据,科学家发现了地球核幔边界处升起的一个地幔柱,美国西部黄石国家公园的火山活动很可能是受其驱动。此前几十年来,人们一直热议的一个问题,就是黄石国家公园下面是否可能存在地幔柱——潜在的物质上涌形成的热柱。但地幔柱本身存在争     

我国大火成岩省和地幔柱研究进展与展望

本文简要阐明大火成岩省和地幔柱研究的关键科学问题及研究方法,然后对新世纪以来我国中晚二叠纪峨眉山大火成岩省和早二叠纪塔里木大火成岩省的研究进展进行了回顾和总结.通过不同学科的地质观察与地幔柱理论预测的对比研究发现,峨眉山玄武岩喷发前的地壳隆升,高温原始岩浆,极短的岩浆作用持续时间以及不同类型岩浆的空间分布特征等均支持地幔柱模型。为了解释塔里木大火成岩省的岩浆演化,提出了一个两阶段的动力学模型。最后对大火成岩省和地幔柱领域研究进行了展望。     

试论华南中新生代地幔柱构造、铀成矿作用及其找矿方向

本文扼要地阐述了地幔柱构造的研究历史和现状,指出地幔柱构造作用是地质构造作用、火山岩浆活动、沉积变质作用、成矿作用体系的原动力;论述了华南中、新生代地幔柱构造的存在、作用特点及其与华南铀矿化的关系。华南４大类型的铀矿化应是在统一的地幔柱构造作用和影响下的产物。地幔柱构造不仅为铀的活化、迁移和富集提供热动力,而且还可能提供成矿物质来源,对进一步深入认识我国华南铀矿区域成矿规律,扩大老矿区,探索寻找成矿新区和新类型铀矿化具有积极的意义。     

浅谈对湘南地幔柱构造的认识及其地质意义

近30年来,对地幔柱的研究和探索取得了重要进展,对地幔柱在成矿学方面的应用也有了较深入的研究。湘南地区存在有地幔柱二、三次演化阶段的地质记录,即以宁远-道县为中心的二次柱和以骑田岭为中心的三次柱,通过对它们的认识和研究,有助于在找矿思路方面获取一些新的启示。     

Interaction of a thermochemical plume with free convection mantle flows and its influence on mantle melting and recrystallization

We present a thermophysical model for interaction between the conduit of a thermochemical plume and horizontal free convection flows in the mantle: The mantle flow incident on the plume conduit melts at the conduit boundary (front part) and crystallizes at its back. Geological data on the intensity of plume magmatism over the last 150 Myr are used to estimate the total thermal power of mantle plumes. A possible scenario for plume-related mantle recrystallization is proposed. Over the lifespan of a thermochemical plume, mantle melts and recrystallizes owing to the motion of the plume source and interaction between the plume conduit and horizontal free convection flows. The plume conduits can melt and recrystallize the entire mantle over a certain period of time. The model for the interaction of drifting plume conduits with mantle flows and the estimated total thermal power of mantle plumes are used to estimate the duration of plume-related melting and recrystallization of the entire mantle. The influence of mantle plumes on the convective structure of the mantle through melting is judged from the model for plume interaction with horizontal mantle flows.     

地幔柱的概念、分类、演化与大规模成矿——对中国西南部的探讨

自核幔边界上升的物质 ,当其汇聚成圆柱状的结合体 ,并因其相对于周围地幔环境来说具有温度更高、活动性更强、粘度更低等特点而能够上升到壳幔边界时 ,一般可以演化成为具有宽厚的冠状构造和细长的尾部构造的地幔柱。地幔柱进一步与地壳发生作用 ,可以在地表记录下一系列的热点或形成巨大的火成岩省。根据地幔柱最后出露的位置 ,可以将其分为洋壳和陆壳环境下产出的两种基本类型 ,也可以根据其演化历史分出不同的阶段 ,如初始阶段、上升阶段、成熟阶段和衰退阶段。中国西南部地区可能经历了两次以上的地幔柱冲击 ,二叠纪的峨眉山玄武岩是一个古生代晚期演化比较彻底的地幔柱留下的记录 ,而新生代以来的地幔柱活动可能正在发育 ,深部物质的大规模上隆可能是青藏高原隆升的一个原因 ,大量的散布的幔源岩浆活动和流体作用可能是中国西南部大规模成矿作用的重要原因。     

地幔柱的识别和演化研究述评

地幔柱的研究已逐渐成为人类认识地球深部动力学机制的重要手段，其诞生-演化与LIPs形成、超大陆裂解以及生物大灭绝事件密切相关。近几十年来，对地幔柱的研究和探索取得了重要进展，尤其是动态地幔柱模式（t ime-dependent）的提出将这一研究热点推向了新的台阶。综合了近些年在地幔柱识别和演化方面的研究资料对前人工作进行总结，归结为以下几个主要方面：地幔柱的时空尺度及其与热点、溢流玄武岩、地壳抬升间的联系；地幔柱的热和物质起源；地幔柱上升和演化的动力学基础。目前仍存在的问题包括：地幔柱是主动还是被动上涌？地幔柱起源于上-下地幔还是核-幔边界？OIB是否代表原始地幔柱的熔融岩浆？无疑这些问题的深入探索将拓宽人类对核幔耦合、地幔对流及浅部物质-能量响应等动力学机制的认识。     

峨眉山地幔柱成矿作用分析

概述了峨眉山地幔柱成矿作用的基本类型和主要特点，对主要成矿类型包括地幔柱活动直接形成的岩浆矿床和地壳响应形成的间接矿床作了全面的分析介绍，初步勾画了峨眉山大火成岩省地幔柱成矿作用的基本框架。     

Pulsations and breaks of tails of thermal mantle plumes

In the available numerical models, mantle plumes are represented by homogeneous ascending streams of thermal convection. Pulses are considered to be possible only in thermochemical plumes within the compositionally inhomogeneous mantle. We show that pulses can also occur under regular thermal convection in the homogeneous mantle. As the intensity grows, the flow in the tail of a thermal plume first begins pulsing and then the plume breaks up into a set of sequentially emerging thermals. For the present-day mantle, the pulsation periods for plumes in the lower mantle can range up to 10 Ma and about 1 Ma in the upper mantle.     

湘东南地幔柱对大规模成矿的控矿作用

湘东南是钨、锡、锑及铅锌、稀有、稀土矿床的成矿集中区.该区出露的玄武岩、与成矿有关的花岗岩和区域成矿作用是地幔柱构造环境的统一产物.湘东南地幔柱控制矿床与岩体的时空分布、区域成矿分带和成矿岩浆源区.湘东南地幔柱为成矿岩浆的熔融、分异演化和浅部就位提供了有利的热源和构造条件.地幔柱的发展演化阶段是大规模成矿得以保存的重要因素.     

Non‐uniform splitting of a single mantle plume by double cratonic roots: Insight into the origin of the central and southern East African Rift System

Using numerical thermo‐mechanical experiments we analyse the role of an active mantle plume and pre‐existing lithospheric thickness differences in the structural development of the central and southern East African Rift system. The plume‐lithosphere interaction model setup captures the essential features of the studied area: two cratonic bodies embedded into surrounding lithosphere of normal thickness. The results of the numerical experiments suggest that localization of rift branches in the crust is mainly defined by the initial position of the mantle plume relative to the cratons. We demonstrate that development of the Eastern branch, the Western branch and the Malawi rift can be the result of non‐uniform splitting of the Kenyan plume, which has been rising underneath the southern part of the Tanzanian craton. Major features associated with Cenozoic rifting can thus be reproduced in a relatively simple model of the interaction between a single mantle plume and pre‐stressed continental lithosphere with double cratonic roots.     

Application of stratigraphic frameworks and thermochronological data on the Mesozoic SW Gondwana intraplate environment to retrieve the Paraná-Etendeka plume movement

Since plate tectonics has been linked to material flow in the Earth's mantle, it is commonly accepted that convective motion in the sublithospheric mantle results in vertical deflections and horizontal plate motion on the Earths surface. Those mantle flow-driven vertical deflections are recognized through significant signals and traces in the sedimentary records (unconformities and missing sections). Recently, Friedrich et al. (2018) introduced an event-based plume stratigraphic framework that uses such signals in the stratigraphic record to detect the geological evolution near, and on the Earth's surface in areas of interregional scale caused by mantle plume movement. Information about these dynamic processes is stored in geological archives, such as (1) stratigraphic records of sedimentary basins and (2) thermochronological data sets of igneous, metamorphic, and sedimentary rocks.For the first time, this research combines these two geological archives and applies them to the Mesozoic SW Gondwana intraplate environment to retrieve the Paraná-Etendeka plume movement prior to the Paraná-Etendeka LIP. We compiled 18 stratigraphic records of the major continental and marine sedimentary basins and over 35 thermochronological data sets including >1300 apatite fission-track ages surrounding the Paraná-Etendeka Large Igneous Province to test the event-based plume stratigraphic framework and its plume stratigraphic mapping to retrieve the timing and spatial distribution of the Paraná-Etendeka plume.The plume stratigraphic mapping, using the stratigraphic records is suitable to demark a possible plume center, plume margins and distal regions (Friedrich et al., 2018). Thermochronological data reveal centers of a significant thermal Paraná-Etendeka plume influence. Both archives show significant signals and traces of mantle plume movement well in advance of the flood basalt eruptions. Our LTT data combined with stratigraphic records are modeled successfully with respect to a viable mantle plume driven thermal evolution and therefore, we suggest that thermochronological data, in combination with stratigraphy records have the potential to retrieve the Paraná-Etendeka plume movement.     

初论幔柱构造成矿体系

从板块构造与板块边界矿床、超大陆旋回与大陆边界矿床、地幔热点与大陆内部矿床的角度 ,阐述了幔柱构造成矿体系的基本思想、分类、成矿特征及旋回性 ,提出了热幔柱和冷幔柱两个成矿体系和地幔热柱 -热点、地幔热柱 -大陆裂谷、地幔热柱 -大洋扩张、冷幔柱 -前寒武纪硅铝壳造山、冷幔柱 -显生宙硅铝壳 /洋壳造山等五个成矿系统 ,并初步划分了矿床成矿系列 ,例举了某些典型矿床。