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地震基础知识
地幔柱——生物灭绝的毁灭之柱还是地球物质循环的生命通道?
发布日期:2018-06-04 点击:

  地球上有许多风光旖旎的地方,如夏威夷,如黄石公园,亦如冰岛——时令周转使它们拥有着瞬息万变的美丽,岁月沧桑亦难掩它们的魅力。世人无不感慨,怎有如此至美之地?

  冰岛

  是啊,世间怎会有如此美妙的地质景观呢?

  ——这是来自地球深处的秘密。

  自古而来,人们就对脚下的这片土地充满好奇。20世纪,魏格纳提出,全球的陆地在两亿年前是彼此相连的整体,然而,由于力的作用,“这个整体”不断漂移,或汇聚,或分离,从而形成了现在的海陆分布。

  后来,人们在“大陆漂移学说”的基础上创建了一种新的板块构造理论——板块构造学

  板块构造理论在地球科学中具有划时代的意义,它解释了地球上许多地质现象,如大多数活火山和地震的分布原理,并根据这一理论画就了我们现在常见的世界火山分布图和地震带分布图。

  在板块交界处,地壳活动频繁,因而也形成了很多或气势磅礴,或清新秀丽的自然景观。

  然而,板块构造理论也具有局限性,比如,在解释远离板块边缘或板块之下各种地质作用的方面就受到了强烈的挑战,尤其是板块内部的大规模岩浆活动(大陆、大洋溢流玄武岩)和大洋热点火山链。于是,经过一系列的研究,一种新的假说诞生了——“地幔柱假说”。

“地幔柱”?这是啥?

  提到“地幔柱假说”,就不得不先提到“热点假说”——在板块构造理论刚成型尚不到十年的时候,Wilson教授根据太平洋、大西洋和印度洋中一些火山岛屿和海山具有线状分布特征以及喷发年龄顺序变化的现象,提出了“热点假说”。

以夏威夷群岛为例:夏威夷群岛卫星图

  Wilson教授认为这些热点相对静止,所以当岩石圈板块漂移经过这些热点时就形成了链状火山岛屿。

夏威夷热点运动剖面示意图

  在“热点假说”的基础上,美国地球物理学家摩根教授正式提出了“地幔柱假说”。

 

  名词解释:地幔柱

  地幔柱:深部地幔热对流运动中的一股上升的圆柱状固态物质的热塑性流,即从软流圈或下地幔涌起并穿透岩石圈而成的热地幔物质柱状体。

  摩根教授认为Wilson所指的固定热地慢区实际上是一个产生于地幔底部附近的地幔柱,热点火山链则是长期活动的地幔柱熔融物质在上覆运动版块上留下的轨迹。

  如图所示,途中最黄色区域为内核,橙黄色为外核,深红色为地幔,灰色为地壳。右侧四个大小不同的地幔柱形象地表示它一边上升一边展开头部,最终冲击到岩石圈底,诱发大火成岩省的动态特征。左侧一个孤立的细小地幔柱表示地幔柱头部已经喷出消耗之后,其尾部在地球上继续打出“热点”。

地幔柱理论是继板块构造以后又一个新的大地构造理论,地幔柱的研究对地学探索意义深远。

  一、对研究生物群体灭绝的意义

  大量生物在三叠纪、白垩纪突然灭绝的原因一直是地学界和生物学界争论的重要问题。目前最流行的解释是外来星体撞击结果,最近,有学者在1988年统计了2.5亿年以来大陆溢流玄武岩火山作用与群体生物灭绝之间的关系,结果发现二者有着惊人的对应关系。这样,外来星体撞击学说者认为,是外来星体撞击导致地幔大量熔融和火山作用发生,使全球干化和生物灭绝。

  但也有学者认为,三叠纪,白垩纪生物灭绝应从地球内部去考虑原因,认为巨大的外来星体的撞击最多波及上地幔,而三叠纪,白垩纪大量溢流玄武岩具有富集型下地幔地球化学特征,因此这些大陆玄武岩肯定为地幔柱成因。Larson认为白垩纪全球存在着一个超级地幔柱,超级地幔柱的强烈活动造成玄武岩火山作用的广泛发育,使全球气候剧变,导致大量生物灭绝。

  二、对研究全球气候变化和海平面上升的意义

  地质历史时期中由于地幔柱活动所引起全球气候变暖问题已引起学者们的注意,有关白垩纪温度异常(引起一系列地质作用,如最大海侵、海平面大幅度上升、全球缺氧事件),原来一直用大陆的重新配置即古地理未知因素予以解释,但计算模拟表明,仅用古地理因素不足以解释白垩纪古温度异常的幅度。白垩纪中期温度上升幅度6-14℃,而大陆位置改变及其它古地理因素仅可使温度上升4.84℃,但如果将古地理和周期地幔柱释放的二氧化碳所引起的温室效应因素综合考虑,可使白垩纪中期温度上升7.6-12.54℃。

  地幔柱强烈活动所引起的全球气候变暖的一个结果,就是海平面明显上升,因此,Larson认为,白垩纪中期海平面明显上升是同期全球超级地幔柱活动的间接效应。

  三、对研究大陆溢流玄武岩的意义

  大陆溢流玄武岩的成因一直是个谜,它无法从板块理论中获得圆满解释。摩根教授在提出地幔柱概念时就注意到全球范围内多数大陆溢流玄武岩区附近都有与之对应的热点构造。例如:印度德干玄武岩与留尼旺热点,Columbia River玄武岩与yellow stone热点。显然这些大陆玄武岩和热点火山岩链都是地幔柱作用于地表的结果。一般认为,大陆溢流玄武岩是地幔柱巨大球状顶冠上升地表发生减压熔融的产物,而热点火山链则是地幔柱长期活动的结果。

  如果确实是这样,在每一大陆溢流玄武岩——热点构造组合中,大陆溢流玄武岩喷发时间应该早于对应的热点火山岩,被K-Ar和40Ar/39Ar年龄测定结果证实。

  四、对研究地磁极性变化的意义

  Larson详细地研究了大洋火山台地,海山链和大陆溢流玄武岩的体积,产生速率和形成时间与地磁极性变化时间之间的关系,研究结果表面地磁极性正向频率与地幔柱活动呈正相关。这种关系在白垩纪最明显,全球许多大陆溢流玄武岩形成于白垩纪,而这一时期正磁极性超期,由于核幔边界热迁移,地幔柱会扰乱地核的热状态,影响地磁发动机运转,通过迄今尚不清楚的某种作用使地磁发动机从反向磁极转为正向磁极。

  脚下的这片土地,就像浩瀚星空一样有着太多太多的秘密。地球之所以是我们今天看到的样子,背后也有着太多太多的故事。从古至今,一代又一代学者在探索的路上前仆后继,我们也相信,终有一天,我们能知我未知,真真正正认识我们的地球母亲!

转自:中国地震台网公众号

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