1、地幔對流研討的一些新進展石耀霖,2019地球科學進展1引言 在地球演化的歷史中，重力位能和地熱能二者發揚著主導的作用。 重力位能，驅動地球內部核幔重力分異、夷平地表、構成圈層、使地球趨于穩定平衡形狀。 以熱能為主要形狀的分子內能，那么突破平衡、構成對流、得以穿透圈層和推進巖石層構造運動，呵斥種種形狀的地球動力過程。 它們構成了吸引和排斥一對矛盾，而熱是矛盾對立面中的最積極最活潑的要素。1引言 終究是全地幔對流還是分層地幔對流仍是學術界爭論的一個焦點。 地震學、地球動力學研討傾向于全地幔對流模型。地球化學研討那么支持分層地幔對流。 為了協調二者的矛盾，人們提出了一些其它混合類模型，例如拉瓦燈模型

2、等。2全地幔對流和分層地幔對流地球動力學計算思索隨深度變化的粘滯性、相變、內核產熱、板塊與地幔對流的耦合效應等條件，計算模擬真實地球模型時間相關的對流過程。計算闡明，假設660km界面是化學成分差別，從而呵斥密度差別達2%以上，那么爬升板片不能穿透該界面，對流將是分層的；但假設是相變界面，且相變的克拉柏龍Clapeyron斜率不夠大，那么雖然能夠呵斥一定時間的阻滯，但最終爬升板片可以穿透該界面，對流將囊括下地幔。高溫高壓研討闡明了660km界面的相變性質。地震學觀測，從早期走時殘差層析成像轉換波研討，均支持660 km界面是可以被爬升板片穿透的，也證明了有些地幔柱確實是從核幔邊境上涌而抵達巖石

3、圈的。2全地幔對流和分層地幔對流地球化學的證據劇烈要求分層地幔對流的存在。大洋中脊MORB、火山島弧、大洋海島玄武巖OIB和大陸溢流玄武巖等，雖然它們位于不同板塊內，程度間隔相差數千公里，但同類熔巖的同位素特征如87Sr/86Sr，143Nd/144Nd)具有顯著的類似性，不同類巖石那么顯著不同。在親石痕量元素、耐熔放射性元素及一定程度上主要元素組成上也有類似規律。這一規律性最簡單的解釋，就是地幔存在起碼兩個以上化學成分不同的源區：虧損了的地幔和未虧損的地幔。后者代表著原始的成分。而在部分地幔物質分異構成大陸的過程中，構成了虧損了親石元素和排除了氣體的上地幔。大洋中脊玄武巖源區的地幔是排除了氣

4、體的上地幔，親石元素、稀土元素、放射性元素K、U、Tu徹底虧損，這些元素富集于大陸地殼。來自兩個不同源區的熔巖在穿透至地表過程中又能夠被上覆巖層污染，這樣大致可以解釋觀測到的不同類別的熔巖地球化學特征。2全地幔對流和分層地幔對流 地球化學定性模型無法準確估計虧損和未虧損地幔的地球化學定性模型無法準確估計虧損和未虧損地幔的比例，也不能約束未虧損地幔的界面地形和深度。比例，也不能約束未虧損地幔的界面地形和深度。 界面終究在哪里以及是什么形狀的，必需綜合思索其界面終究在哪里以及是什么形狀的，必需綜合思索其它學科的研討成果。它學科的研討成果。 傳統上將界面放在傳統上將界面放在660km660km，該界

5、面是地震學發現的上，該界面是地震學發現的上下地幔最突出相變引起彈性變化的界面，而上地幔體下地幔最突出相變引起彈性變化的界面，而上地幔體積約占地幔積約占地幔1/31/3，也似乎處于地球化學推測的合理范，也似乎處于地球化學推測的合理范圍之內。因此，以圍之內。因此，以660km660km為界，分成上下地幔對流就為界，分成上下地幔對流就是一種合理的推論。是一種合理的推論。3不利于660km分層對流的證據 礦物高壓實驗和地震觀測闡明660km從尖晶石向鈣鈦礦相變時放熱，這樣爬升的溫度較低的板片要在深于660km時才會發生相變，同一深度周圍已相變地幔物質密度較大，對爬升板片會有阻滯作用。然而，由于相變的克

6、拉柏龍斜率太小，缺乏以耐久地阻止板片穿透。3不利于660km分層對流的證據 假設化學成分差別使下地幔密度比上地幔大2%以上，可構成分層對流，但礦物學和地震學沒有闡明存在這種差別的證據。 早期人們可以對爬升板片追蹤到1000km或更深。而且隨著層析技術的開展和分辨率的提高，如今人們以為曾經發現了更古老的爬升下去的板片，有些過去2億年前的爬升板片，如今被以為曾經到達了下地幔。3不利于660km分層對流的證據 層析成像闡明660km界面可以使爬升板片運動軌跡發生畸變，但數值計算和模擬實驗闡明這種畸變不能長期繼續而呵斥分層對流。這種部分和暫態的分層僅會影響板塊相對運動形狀(如海溝后撤和弧后擴張)和爬升

7、板片形狀。 假設是在660km上下構成分層地幔對流,沿該界面兩側會發育熱邊境層,雙層地幔對流傳送熱的效率遠遠低于全地幔對流。下地幔溫度會升高,粘滯性會降低。然而,利用冰川后回彈和大地水準面資料計算出的下地幔粘滯性模型,不支持低粘滯性的下地幔。按分層對流推測的核幔邊境溫度，也大大高于高壓實驗確定的鐵的熔點,以上證據均不利于以660 km為界面的分層地幔對流模型。4不利于全地幔對流的證據 雖然板片穿透660km界面得到了地震學觀測的支持，但假設穿透660km界面速度大體等于板片爬升速度，那么計算闡明在幾億年間上下地幔將被混合而導致它們交融，它們之間的成分差別會消逝。 然而，地球化學闡明存在兩個源區

8、：脫氣和虧損了親石元素的上地幔，及保管耐熔元素、未受爬升板片影響的下地幔。4不利于全地幔對流的證據惰性氣體資料及其混合時間量級也有利于分層地幔對流方式。惰性氣體資料及其混合時間量級也有利于分層地幔對流方式。40Ar40Ar是放射性是放射性40K40K的產物，深地幔起碼有部分區域是未排氣的，的產物，深地幔起碼有部分區域是未排氣的，即地球生成以來約半數的即地球生成以來約半數的40Ar40Ar仍未散失而保管在未虧損的深地仍未散失而保管在未虧損的深地幔中。夏威夷玄武巖的橄欖石中幔中。夏威夷玄武巖的橄欖石中CO2CO2氣泡內高氣泡內高3He/4He3He/4He比值闡明比值闡明它們比大洋中脊玄武巖失去的

9、它們比大洋中脊玄武巖失去的3He3He要少得多。雖然要少得多。雖然3He3He反映深地反映深地幔仍保管相當原始的形狀，但同位素證據又闡明大洋海島玄武幔仍保管相當原始的形狀，但同位素證據又闡明大洋海島玄武巖巖OIBOIB來源于循環了的海洋巖石圈物質，循環的海洋地殼堆積來源于循環了的海洋巖石圈物質，循環的海洋地殼堆積和巖漿巖在和巖漿巖在OIBOIB中留下了同位素指紋。中留下了同位素指紋。既是來自未虧損的深地幔，卻又有爬升巖石層的痕跡，這一矛既是來自未虧損的深地幔，卻又有爬升巖石層的痕跡，這一矛盾現實能夠闡明熱點巖漿巖能夠來自未虧損，深地幔和堆積的盾現實能夠闡明熱點巖漿巖能夠來自未虧損，深地幔和堆積

10、的爬升板片的邊境處。許多非揮發性元素，如稀土元素在大陸地爬升板片的邊境處。許多非揮發性元素，如稀土元素在大陸地殼和大洋中脊地幔成分似乎支持下地幔為球粒隕石成分組成。殼和大洋中脊地幔成分似乎支持下地幔為球粒隕石成分組成。4不利于全地幔對流的證據不僅地球化學證據不支持簡單的全地幔對流，有的科學家還以為地球外表喪失的熱流總量也不能用全地幔對流模型解釋。假設地球內部產熱和散熱已處于平衡，假定下地幔放射性元素含量與上地幔大體一樣，那么大陸地殼產熱和地幔產熱的總和，缺乏以解釋現今地球總的地熱流所散失的熱量。假設地球產熱和散失熱量處于穩態，那么地幔對流不能夠是全地幔對流。當然，假設地球的熱傳送仍處于暫態，即

11、原始地球很熱，現仍處在冷卻過程中，現今失去的熱量，既包括這種溫度降低提供的熱，也包括大陸地殼和地幔放射性元素產生的熱，是這一問題的一種能夠解釋。但這時暫態模型必需假定前寒武地幔異常的熱，目前尚沒有這樣的地質證據,因此依然傾向于否認全地幔對流模型。總之,地熱收支平衡要求地幔中有一部分應該比上地幔有更高含量U、Tu、K及其它不相容元素的地幔源區，而且這部分地域能繼續存在，不會被地幔對流攪拌均勻。D區體積太小，不能滿足要求，在下地幔中應該存在這樣的源區。5地幔對流模型新觀念地幔不充分混合模型 既要能解釋層析成像和高溫高壓實驗及地球動力學計算支持的660km界面可以被穿透，又要保管兩個地幔源區的存在以

12、解釋地球化學和地熱等的約束，一些新的模型陸續被提出，它們的特征是地幔對流可以囊括上下地幔全部，但依然不能使一切地幔物質充分混合，因此依然保管地球化學所要求的兩個源區。5地幔對流模型新觀念地幔不充分混合模型 假設假定660km深度以下的下地幔中存在兩個不同源區，其存在機制有兩種能夠方式：粘滯性控制、重力控制或二者兼有。 粘滯性控制指隔絕的對流層受不同粘滯性和時間尺度控制。部分高粘性下地幔還沒有混合,或高粘性塊體存在于對流環核部地震學無法“看見這種分區。 密度差別控制指本身密度較大的體積在重力下穩定,以致可以不被融混。礦物學提出了高溫高壓下一些能夠相變候選組合但仍有待證明。5地幔對流模型新觀念地幔

13、不充分混合模型 團塊(blob)模型：在下地幔中存在一些未虧損地幔的團塊,粘滯性較大,密度適度較高,內部生熱的正浮力為本身高密度所抵消而不致浮升。因此在存在全地幔對流時,總是懸浮在下地幔內,化學上不會與虧損地幔融混,但地幔熱柱有時會帶出其部分物質構成巖漿巖。 這種模型遭到的質疑:假設這種團塊放射性元素含量較高而又不參與對流,累積的熱量必然使團塊內部溫度升高、密度變小、粘滯性降低。可是假設密度變小、粘滯性降低,團塊就不能夠再長期存在下去必然要與對流環物質融混。 團塊模型也沒有地震學觀測的支持。5地幔對流模型新觀念地幔不充分混合模型拉瓦燈模型：在分層地幔對流守不住660km的防線后，卻又試圖保管地

14、幔存在兩個源區以解釋地球化學特征的優點，因此將分層對流邊境從660km深度撤到了1000 km以下到核幔邊境之間相當大的動態范圍內。拉瓦燈模型以為,下地幔內確實存在未虧損的地幔,具有相當量的放射性產熱元素,以及一些關鍵的同位素。但虧損與未虧損地幔物質化學和熱呵斥的密度差微小,導致起伏的動力界面,難以用地震學方法探測。即該界面并不位于一個固定的深度,與660 km界面等只需小尺度起伏截然不同，這一界面易被爬升板片推進而大幅度變化,深可達D區,淺僅距地表1000km。這一化學成分不同的深層,約占1/3地幔體積。爬升板片不是穿透這一界面,而是向下推擠這一界面。因此,爬升板片可以抵達核幔邊境(與某些觀

15、測一致)，但不一定爬升板片最終都到達核幔邊境。而熱柱從虧損和未虧損地幔界面邊境層升起，可以解釋各類巖漿巖地球化學同位素特征。未虧損地幔中的放射性元素含量較高，可以解釋地球地熱散失總量。Fig1A sketch map showing Lava Lamp mantle convection model地幔分為虧損白色和未虧損淺灰色兩部分；爬升板片深色可穿透660km界面虛線，抵達虧損和未虧損地幔界面；熱柱從該界面升起，在地表構成熱點為了證明這種模型的合理性,實際上,從地球動力學方面進展了計算，結果闡明,可以存在分層對流,而虧損地幔的下降翼確實可以將虧損和未虧損地幔界面推擠到下邊境位置。實踐觀測中

16、,雖然有一些觀測闡明在1000 km下某些部分觀測到存在界面的跡象,但直接觀測到這一全部界面頗為困難。因此,主要經過研討不同深度上P波速度和S波速度的相關性和它們比值的變化。在4001000km和16002500 km相關性減小,前者對應爬升板片穿透400 km和660 km相變界面的效應,后者能夠與起伏的虧損和未虧損地幔界面有關11。PKP波的散射主要也發生在這一深度,這些高頻地震波在深地幔的散射,特別在1 500 km深度,能夠是堆積的爬升板片引起3。層析成像結果也闡明1 000km以下構造與以上不是非常延續的。目前,這些都被作為拉瓦燈對流模型的觀測證據。 拉瓦燈模型引起了較大影響12,有

17、些研討者對模型進展了進一步完善。傾向于把地幔約2 000km以上區域作為主要元素成分均勻虧損和排氣的區域,該區又可細分為4001 000 km以上為低粘滯性軟流層充分混合區,4001000 km以下為高粘滯性區慢速混合區。2 000 km以下為較高密度、未排氣、含高放射性生熱元素的與球粒隕石組成類似的未虧損地幔。OIB源于其頂部或與爬升板片堆積的邊境層。二者分界熱與化學組成的密度差恰好幾乎抵消,這樣界面為動力學控制的復雜地形,難以用地震學方法探測。分界面起伏可以很大,深者接近核幔邊境,但爬升板片的墓地并不一定都是核幔邊境。6穿透660km相變界面的暫態效應雖然地幔對流可以穿透660 km界面，

18、但由于相變界面的存在，由于粘滯性隨深度和溫度的變化，即使在虧損的地幔內，既存在全地幔規模的對流,也能夠存在不同尺度規模的對流環，包括部分小尺度的對流。地幔對流中穿透660 km相變界面的效應，能夠具有深化的影響。它呵斥了對流不能夠是穩態的,而是時間相關的,從而呵斥地質構造運動是幕式的。爬升板片比一樣深度地幔要冷,因此密度較高,從而在負浮力下下沉。但沖板片在抵達660 km相變界面時，由于下地幔物質密度略高，爬升板片溫度呵斥的較高密度缺乏以立刻抑制阻力穿透界面。爬升板片能夠在界面上堆積，對流被局限在上地幔小規模尺度內。只需累積到達一定的臨界形狀后，才得以忽然穿透相變界面,對流擴展到全地幔范圍。這樣,對流不是穩態的，而是與時間相關的。深部爬升板片的速度,對流環的形狀,地表海溝位置的變化和弧后的應力形狀，以及板塊運動形狀等，都會發生變化，從而解釋地質構造運動往往呈現幕式特征。 全地幔對流有較高的熱傳送效率,可以有效地從地球外表散熱,降低核幔邊境的溫度。分層地幔對流熱傳送效率較低,在分層界面上會再發育相關的熱邊境層,核幔邊境溫度會較高。從總體來看,全地幔對流成分占上風時,有效傳熱,使下地幔溫度降低,爬升板片與下地幔溫差變小,因此變得難以穿透相變界面,逐漸轉變為分層地幔對流。