Question

对流地幔上涌的类型

Answer 1

深部含矿流体的释放机制也涉及对流地幔的活动。近年来，大陆动力学研究吸引了越来越多的关注，地球科学各分支学科的学者纷纷以自己熟悉的视角阐释大陆动力学过程(邓晋福，1994;张国伟等，1996;邵济安等，2003，许志琴等，2006)。谈论地质过程的驱动机制时，多数学者都将注意力转向深部过程，特别是对流地幔的上涌(邓晋福，1988;Bird，1978，1979)。但是，对于对流地幔上涌的机制则众说纷纭，甚至造成中国大陆处处都存在地幔柱的混乱状态。因此，正确理解对流地幔上涌的机制是大陆动力学研究的重要前提之一。

罗照华等(2008b)基于地球动力学过程的能量驱动机制，将对流地幔的上涌划分成主动型(洋中脊型上涌、弧后型地幔上涌)和被动型(地形型地幔上涌、填充型地幔上涌)两种方式，其中后两种地幔上涌类型与大陆构造密切相关。不同的上涌方式具有不同的驱动机制，可以根据深部过程的持续时间来识别。

1.洋中脊型对流地幔上涌

这是学者们最为熟悉的地幔上涌类型，常常用来解释大陆的裂解和地幔的减压熔融。洋中脊型对流地幔上涌的驱动能量可能来自核幔边界，是全地幔对流机制的一部分(Tackley，2000)。根据这种机制，对流地幔应当是在核幔边界附近被加热，因体积膨胀而上升，并在浅部发生减压熔融形成玄武质岩浆和洋壳。随着洋壳远离热中心，大洋岩石圈不断冷却并增厚，在俯冲带重返地幔。

由于地幔物质的固态属性，一旦地幔对流系统被启动，系统就拥有了动能，很难轻易使它停止下来。因此，洋中脊型对流地幔上涌通常可以持续很长的时间，直到洋中脊被倾没为止。

2.弧后型地幔上涌

另一种典型情况是大洋板片俯冲导致的地幔上涌。大洋岩石圈形成以后，随着向汇聚板块边界运移而冷却和增厚，最终再循环进入地球内部。在这个过程中，水化了的大洋板片将不断发生变质作用，直至部分熔融形成岩浆(见图4-1)。流体和熔浆的加入将导致地幔楔形区体积膨胀，发生一系列复杂的物理化学过程，进而导致地幔的上涌。这种类型的地幔上涌常常与弧后扩张联系在一起，也是持续时间很长的深部过程，在经典板块构造理论中占有重要的地位。但是，由于汇聚板块边缘的远程应力场具有挤压性质，这种局部的软流圈地幔上涌应当不会像第一种类型那样持续很长时间。

可以预期的是，大洋板片的俯冲速率改变、俯冲角度的变化和断离都可以控制弧后盆地伸展或挤压(王二七等，2006)。因此，弧后地区的应力场是多变的，单幕构造活动的延续时间明显小于洋中脊的扩张。

3.填充型地幔上涌

在现代地球动力学中，岩石圈重力不稳定被赋予了重要的地球动力学意义(Bird，1978，1979)。地幔岩部分熔融形成的镁铁质岩石具有两个重要的属性:较低的固相线温度和具有转变成高密度榴辉岩相岩石的能力。因此，在区域地质演化过程中镁铁质地壳常常导致重力不稳定性，引起岩石圈拆沉作用(罗照华等，2007c)。这时，密度较小的软流圈物质可以充填岩石圈拆沉以后留下的空间(罗照华等，1997，1999)。由于拆沉作用的瞬时性和拆沉空间的有限性，这一过程的持续时间往往很短，与不同类型的突发性地质事件密切相关，部分学者甚至将其大火成岩省的成因联系起来(Anderson，2005;Lustrino，2005)。

需要注意的是，这类地幔上涌的机制和浅部响应常常被不正确地理解。在中国，大多数学者将其单值地理解为:岩石圈拆沉→软流圈隆升→地幔岩减压熔融→玄武岩底侵→岩石圈伸展。正是基于这样一种简单的假定，有些作者断言华北晚中生代花岗质岩浆活动是伸展环境的产物。显然，远场应力场与近场应力场的相互关系被忽略了(罗照华等，2006d)。可以想象，在强大的远场挤压应力场的作用下，局部的岩石圈拆沉作用不可能导致广泛的岩石圈伸展作用。相反，将导致更强烈的挤压(Bird，1978)。

岩石圈拆沉作用应当是一个相对短暂的过程。例如，地震资料揭示，南内华达山脉下面正在发生高密度岩石圈根的移离(removal)。根据Rayleigh-Taylor-型不稳定性推测，这一过程可能开始于10～3Ma之前(Zandt et al.，2004)。一种深部过程可以通过地球物理方法测量，可见，这种类型的地幔上涌以小时间尺度为特征，与许多岩浆活动和成矿作用的时间尺度相匹配。

4.地形型地幔上涌

经典板块构造很少关注大陆下地幔对流的效应，然而这种对流对于大陆构造的解释可能是非常重要的(Pearce，2005)，使人回想起张伯声先生提出的波浪镶嵌构造(王战等，1996)。众所周知，岩石圈底界地形的波状起伏业已得到地球物理测深的证实(滕吉文，2003)。在这种地形条件下，单一流向的对流地幔也可能发生局部的上升和下降，并不断修整岩石圈底界的形态。邓晋福等(1985)曾经用这种机制来解释东北裂谷系的成因，Kingetal.(1995，1998)的数值模拟实验证实了这种机制的可能性。

这种类型的地幔上涌过程可以持续较长的时间，但其影响岩石圈的位置是变化的。中国东部中新生代的岩石圈减薄和边缘海的形成可能与此有关(罗照华等，2006d)。

需要注意的是，地形型地幔上涌也有可能触发填充型地幔上涌的发生，导致岩石圈的灾变性质。因而这两种地幔上涌有可能与成矿作用联系起来，是深部流体释放的重要机制。此外，软流圈的突然上涌能够造成局部的引张应力场，可以为成矿物质提供有利的上升构造通道和储存空间。