地幔热流值

什么是地幔对流？~

山脉的形成显然是地壳运动的结果。早在一个多世纪以前，就有人设想地球是从一个炽热的熔融的火球慢慢冷却以后形成的。在冷却过程中，地球体积逐渐收缩，于是地球的外壳就发生了褶皱和断裂，如同苹果的表面凸凹不平一样。冷却了的地球表面同样也是高低起伏的，这样就为陆地、海洋、山脉、盆地、河流等各种不同地形的形成奠定了基础，创造了雏形。这就是所谓收缩说。但是，本世纪初放射性元素的发现证实，放射性元素是地球内部的主要热源，它持续不断地放出热量，地球并不是像人们所想象的那样处在逐渐冷却之中，于是人们便开始对主张地球因冷却而收缩的收缩说产生了怀疑。同时，大量的资料表明，地球上巨大的山脉并不是因地球的冷却收缩而形成的。因此，一度流行的收缩说被否定了。
1912年，德国科学家魏格纳提出了大陆漂移的设想。他认为：全球在两亿年以前只有一块连在一起的庞大的陆地，中生代（从距今2.3亿年到7000万年以前）时才开始分裂、漂移，逐渐形成现在的位置。他找到了许多证据，证明漂移现象的存在，例如大洋两岸海岸线的轮廓，尤其是大西洋两岸的海岸线十分吻合，而大洋两岸的地质构造和生物群落等也具有相似性和连续性。1965年，布拉德等人把大西洋两岸的美洲大陆和欧非大陆像玩七巧板一样地拼合起来，令人惊奇地发现它们的吻合真可以说是“天衣无缝”。
但是，是什么力量推动大陆东漂西移的呢？当时包括魏格纳本人在内的一些科学家都认为大陆有离开两极地带而向赤道靠拢的倾向，正是这种力量——所谓离极力把大陆推动漂移。然而，根据计算结果，这种力量太小了，不可能推动大陆漂移。于是又有人提出是由于潮汐牵引的力量，但实际上，这种力量也仍然是太小了，它更不足以引起大陆的漂移。那么，究竟是什么力量推动它们的呢？这个问题不能解决，对于大陆漂移说来讲是个致命的打击。因此，不久以后的30年代，大陆漂移说自然就渐渐销声匿迹了。
大家知道，地球的表面有三分之二以上被海洋所覆盖，然而，在传统的概念中，大洋的洋底是一个没有地势起伏的平坦的盆地。可是，事实上，正如前面所谈过的，海底不仅有延伸几千公里的绵延起伏的山脉，而且还有高达3000～4000米以上的海底火山。
世界著名的海底山脉——大西洋中脊，从深达5000米的海底升起，高度可达3000米以上，宽度超过2000公里。它从北冰洋开始，往南经过大西洋中部，绕过非洲南部的好望角进入印度洋。在印度洋中部，洋中脊分叉，它的东支通过南极海伸展到南太平洋，在这里和东太平洋洋隆相接，形成环绕全球的洋中脊系统，其总长度竟达70000公里以上。大西洋中脊的面积几乎占了大西洋的三分之一，其规模之大远远地超过了陆地上的喜马拉雅山脉或阿尔卑斯山脉。
大西洋中脊有一个中心带，其宽度约为200公里，它具有高低不平的多山地形特征。在洋中脊的顶（轴）部，有一条南北向的宽约15公里的中央裂谷，有人把这个中央裂谷形象地叫做地壳的裂缝，它的确很像一条被撕开的裂缝。
海域热流测量结果表明，在各大洋的洋中脊的顶部，热流值比正常值高出7～8倍。为什么洋中脊顶部下面具有这么异常的温度呢？这是由于地幔对流的关系。由于地幔物质温度高，而洋中脊的顶部似乎是地热的排泄口，因此在洋中脊的中心地带，普遍具有高热流。距洋中脊越近，热流值越高；距洋中脊越远，热流值越低。在大西洋中脊如此，在东太平洋洋隆如此，在印度洋中脊也如此。这里，火山活动强烈，熔岩涌溢，同时这里也是海洋地震震源的集中地。
地幔对流的过程是很缓慢的，上升对流的时间可达几千万年甚至几亿年。地幔为什么会发生对流呢？格里格斯认为，这是由于岩石的传导性不良，放射性元素衰变产生的热量在地球内部聚集起来，使得地幔下层物质受热膨胀，密度减小变轻，从而引起它的上升，并发生对流，这就像锅里的粥煮开了一样。美国的赫斯和迪茨认为，正是由于地幔对流，高温炽热的地幔物质才能从洋中脊的中心带往上涌起，涌起的地幔物质便形成了新的海底，所以大洋中脊也就是新的大洋地壳——海底开始生长的地方，新的大洋地壳不断地增长，便把海底从洋中脊处向两侧慢慢地推开，东侧的向东移动，西侧的向西移动，于是海底逐渐扩张，这就是所谓海底扩张说。事实证明，距离洋中脊越近，火山岛的年龄就越轻，距离越远，年龄也就越老，这说明了海底的的确确是在逐渐扩张的。
目前，无论是主张以地壳的垂直运动为主的学派，还是主张以地壳的水平运动为主的学派，差不多都公认地幔对流是地壳运动的主要动力来源。大陆漂移说所遇到的一个致命的打击——驱动力的问题，一直到20世纪60年代后期才发生了戏剧性的变化，现在可以说基本上已经解决了：地幔对流是一个威力无比的马达。

众所周知，成矿作用不仅要有成矿物质、成矿流体，而且必须有能量供给。持续的能量供给使成矿环境长期保持在一个热状态，不仅有利于与成矿有关的岩浆岩岩体本身的分异与成矿，而且有助于形成一系列对流循环系统从周围围岩中萃取成矿物质，在一定的构造环境中成矿。地幔流体不仅是一种高温流体，而且是一种理想的热能传输介质，因此对维持成矿环境的热状态具有重要意义。
地幔柱/热点活动及其成矿作用是近年来地学界的研究热点。自从Silitoe（1974）论证巴西朗多尼亚高原前寒武纪锡矿床在成因上与非造山环境的热点活动有关以来，越来越多实例表明地幔柱/热点与大规模成矿息息相关。例如，牛树银等（1996）、李红阳等（1996）提出华北地块北缘张宣地区的金银铅锌成矿作用及分带与地幔柱枝活动有关；陈毓川等（1996）论证扬子地块西缘二叠纪峨眉山玄武岩喷发是地幔柱活动的直接产物，在西缘碲化物金矿、独立碲矿床和与碱性岩有关的稀土矿床呈4个环形分布可能反映出4个地幔柱幔枝环境；侯增谦和李红阳（1998）通过对三江地区构造与成矿的研究，论证了三江地区地幔柱成矿体系。毛景文等（1998）、王登红（1998）认为华南地区巨型多金属成矿分带可能与中生代地幔热柱活动有关；王登红等（1999）提出我国两大金矿集中区——胶东金矿集中区和滇黔桂金矿集中区与地幔柱活动密切相关。
虽然目前对地幔柱/热点的化学成分有待深入研究，但实验模拟（Loper,1991）和数字模拟（Larson and Kincaid,1996）结果表明，地幔柱从热界面像气球一样上升，尾部不断有物质供应，大头部分将周围的地幔物质裹进去，轻而热的东西大量升，以致上升过程中越变越大。可见，地幔柱活动过程中将分离出大量高温地幔流体。这些高温地幔流体可以使岩石圈发生熔融，形成一系列不同类型的花岗质岩类及其相关的矿产，如扬子中下游地区中生代大量出现的壳幔同熔型花岗岩和与之有关的铁铜金矿床，华北地块燕山期出现壳幔同熔型花岗岩大规模侵位，与之伴随形成大量铁铜铅锌金矿床；也可以与向下运动的地表流体相互混合形成一系列对流循环系统从周围围岩中萃取成矿物质，地幔流体在维持对流循环系统热状态过程中具有重要作用。

华北地区东部以及华南的东南沿海等地新生代以来广泛发育玄武质岩浆活动(刘若新等，1992)。Menzie等(1993)、Griffin等(1998)根据玄武岩及其所含地幔包体的研究，提出华北东部新生代时期岩石圈减薄、软流圈顶面抬升的深部动力学模型。地热学研究和其他地球物理探测结果均表明，现今华北地区东部和华南东南沿海一带的岩石圈厚度薄，往往小于100km(参见表2-2)。因此，华北地区东部和华南东南沿海地区必然存在深部的热扰动，这将导致地幔热流值的增高。显然正确估计这些地区的地幔热流值对岩石圈热状态和热演化的研究具有重要意义。

表2-2 华北和华南主要构造单元平均热流值和深部地热特征参数　Table2-2 Average heat flow and deep geothermal parameters of major tectonic units in North and South China

续表

注：Q：平均热流值，单位为mW·m^-2，括号内数字为构造单元内热流观测值的数目；Q_c/Q_m为壳幔热流比值；t_40km为40km深度温度；t_Moho为Moho面温度；H为热岩石圈厚度。

根据中国大陆沉积盆地的氦同位素比值与壳幔热流比值的相关关系估算了其地幔热流值(汪洋，2000a)。其中华北与华南地区的地幔热流值在东侧地区为30mW·m^-2以上；而西部则较低(参见图2-3中的十字符号)，但以地幔热流值30mW·m^-2计，其高低地区之间的分界与大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带并不重合。根据本书第四章第五节对华北和华南地区主要构造单元地幔热流值和地壳生热率的Monte Carlo反演，求得的地幔热流值及其误差显示在图2-3 中(参见第四章表4-11)。根据本书第四章第五节的认识，Monte Carlo反演结果得到的华北和华南地区地幔热流值是其下限值。从图2-3来看，Monte Carlo反演结果在华北和华南地区大部分构造单元均低于利用氦同位素组分资料求得的结果。对于华北盆地，由于氦同位素比值确定的地幔热流值是几个内部构造单元的平均值，而Monte Carlo反演采用的是比较典型地区的深部参数进行计算，所以结果有一定的偏差。兰坪-思茅盆地根据氦同位素比值资料求得的地幔热流值为29mW·m^-2，而Monte Carlo反演得到的数值为20mW·m^-2左右，比根据氦同位素资料求得的地幔热流值明显偏低(图2-3)。第四章第五节表4-11中给出的地幔热流值是Monte Carlo反演样本的算术平均值；而若采用Monte Carlo反演样本的众数，则兰坪-思茅盆地的反演热流值为25mW·m^-2左右(参见图4-14)，与根据氦同位素比值资料求得的地幔热流值相近。具体情况还有待进一步研究。同理，若采用反演样本的众数，则东南沿海造山带的地幔热流反演值为40～45mW·m^-2(参见图4-8)，与根据氦同位素比值资料求得的地幔热流值相近。苏北盆地Monte Carlo反演的地幔热流值众数为32～36mW·m^-2(参见图4-7)，小于氦同位素比值资料求得的地幔热流值，其原因应当与该盆地存在的平流热传递因素有关，详情参见第五章的相关分析。对于四川盆地和南阳盆地而言，正如我们在本章第五节所分析的那样，其岩石圈地幔中存在较多的挥发分，从而导致MT资料得到的上地幔高导层的埋深的温度比1300℃小；而在第四章第五节中Monte Carlo反演中各地均采用MT求得的上地幔高导层的埋深温度为1300℃，导致氦同位素资料求得的地幔热流值结果与Monte Carlo反演结果不太一致。我们分析的反演计算结果显示，若采用1100℃在这两地作为MT上地幔高导层的温度，则四川盆地Monte Carlo反演的地幔热流值为18±3.8mW·m^-2，南阳盆地则为20±2.9mW·m^-2，这就同氦同位素比值资料所得到的结果相符了。

图2-3 华北和华南地区主要构造单元地幔热流值

Fig.2-3Mantle heat flow of major tectonic units in North and South China

十字代表根据氦同位素比值计算的地幔热流值；圆圈代表根据Monte Carlo法反演得到的地幔热流值的算术平均值；竖线代表误差范围

BS—百色盆地；CX—楚雄盆地；DN—东南沿海；HH—河淮盆地；JH—江汉盆地及其周边；KD—康滇构造带；LS—兰坪 思茅盆地；NC—华北盆地；NY—南阳盆地；OR—鄂尔多斯盆地；SC—四川盆地；SU—苏北盆地；WU—武夷山；XC—湘中地区；Canadian Shield(Lower Limit)— 加拿大地盾地幔热流值下限；Canadian Shield(Upper Limit)—加拿大地盾地幔热流值上限；Kapavaal Craton—Kapavaal克拉通地幔热流值

综上所述，华北和华南地区的不同构造单元之间的确存在地幔热流值方面的明显差异。以华北盆地、苏北盆地和东南沿海褶皱带等新生代以来受到明显的构造-热事件影响的地区的地幔热流值为高，超过30mW·m^-2；而鄂尔多斯、南华北、南阳和江汉、四川盆地等地的地幔热流值低于25mW·m^-2，其中四川盆地的地幔热流值与典型的克拉通地盾区的地幔热流值在同一个数量级，也暗示该地区岩石圈热状态与克拉通地区非常相似，为“冷”岩石圈，存在厚的克拉通型岩石圈根。

我们注意到，华北和华南地区在大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带两侧的构造单元其地幔热流值存在有10～20mW·m^-2的差异，这同笔者的博士学位论文的第三章根据中国大陆东部地区热流值与地壳厚度的统计分析得到的，重力梯度带两侧地区地幔热流在整体上存在不少于10mW·m^-2的趋势性差异的结论完全相符。这进一步表明我们进行的热流值与地壳厚度的统计分析是有意义的，其分析结果具有很高的预见性。

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