陳陽(yáng)陽(yáng)，王大豐，周 龍，柳立業(yè)，胡 宸，于 雷，魏海峰

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150000；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金第三支隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150000）

大陸漂移—海底擴(kuò)張—板塊構(gòu)造是20世紀(jì)地學(xué)革命的三步曲。板塊構(gòu)造理論雖然得到了很多地質(zhì)學(xué)家的認(rèn)可，但其實(shí)它還存在一些爭(zhēng)論性的地方，大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為地幔對(duì)流就是板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力源。

20世紀(jì)60年代，地球化學(xué)家們開(kāi)始了對(duì)地幔組成和演化的研究。地幔的化學(xué)組成主要是通過(guò)以玄武巖為主的熔融物質(zhì)噴發(fā)到地表而進(jìn)行分析，而大約30km～100km的熔融區(qū)主要是通過(guò)地幔對(duì)流方式進(jìn)行輸送。

1 地幔對(duì)流模式的簡(jiǎn)要論述

20世紀(jì)70年代，地質(zhì)學(xué)家基于大洋中脊玄武巖和洋島玄武巖在地球化學(xué)上的差別完善了地幔成層理論，即地幔由上下兩層組成，分別為衰減層和不衰減層。兩層的化學(xué)組分或者是礦物組分都存在一些不同，地球物理學(xué)的證據(jù)也對(duì)地幔分成兩層進(jìn)行了充分證明。同位素化學(xué)證明兩種類型的玄武巖分別來(lái)源于上下兩層，大洋中脊玄武巖主要來(lái)自衰減層，洋島玄武巖主要來(lái)自不衰減層。地幔成層模式是沒(méi)有什么說(shuō)服力的，以為洋島玄武巖的成分變化特別大，所以洋島玄武巖肯定不會(huì)是來(lái)自化學(xué)性質(zhì)相同的原始地幔層中。因此，新的地幔對(duì)流混合模式發(fā)展了起來(lái)，兩個(gè)正常分離的對(duì)流層被階段性的破壞而接近混合。

2 層狀對(duì)流模式

地質(zhì)學(xué)家們對(duì)層狀地幔對(duì)流模式是否存在一直沒(méi)有達(dá)成共識(shí)，雖然地球內(nèi)部物質(zhì)密度的成規(guī)律性可能導(dǎo)致了成層模式，但是在礦物物理學(xué)和高壓礦物的晶-液分離的實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面都否定了層狀模式①想要形成分層對(duì)流需要滿足上下地幔的密度存在較大化學(xué)組分差異。在層析技術(shù)還沒(méi)有發(fā)展時(shí)期，對(duì)俯沖板片的追蹤就可以達(dá)到大于等于1000km，當(dāng)層析技術(shù)繼續(xù)發(fā)展以及分辨率的提高，又發(fā)現(xiàn)了歷史更悠久俯沖下去的板片，曾經(jīng)俯沖下去的板片到如今已經(jīng)經(jīng)過(guò)了2億年，應(yīng)該已經(jīng)存在于下地幔了。②假設(shè)層狀地幔對(duì)流形成于大約660km深度的部位時(shí)，交界處兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生熱邊界層，層狀地幔對(duì)流的熱傳遞明顯不如全地幔對(duì)流的效率高（如圖1）。

圖1 層狀地幔的對(duì)流模式圖

3 全地幔對(duì)流模式

地球動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，如果660km界面是化學(xué)成分差別，從而造成密度差別達(dá)2%以上，對(duì)流將是分層的。根據(jù)地震學(xué)研究表明，從比較早的走時(shí)殘差分析，進(jìn)而到后來(lái)的層析成像分析，還有轉(zhuǎn)換波的研究，全部都支持了俯沖板片可以穿透660km的深度。經(jīng)過(guò)地震波轉(zhuǎn)換和層析成像等方面的研究，更加充分的說(shuō)明了確實(shí)有的地幔柱可以從核幔邊界為通道到達(dá)巖石層。對(duì)流的證據(jù)來(lái)自多個(gè)方面，地幔深處較高的地震波速構(gòu)造就是其中一個(gè)方面。

另外，熱點(diǎn)固定區(qū)也可以充分支持對(duì)流這個(gè)說(shuō)法。產(chǎn)生于不同地幔位置的熱柱有著不同的粘度，上地幔的熱柱明顯比下地幔的熱柱粘度小，運(yùn)動(dòng)速度快。

通過(guò)地震學(xué)觀測(cè)提供的證據(jù)可以證明板片可以穿透660km界面，想要穿透660km界面的速度差不多和板片俯沖速度相同。

關(guān)于玄武巖流和地球化學(xué)方面都存在很大的爭(zhēng)議，地幔熱柱大面積的噴發(fā)物質(zhì)僅僅是熱源物質(zhì)上升過(guò)程中在熱柱端口所混熔的物質(zhì)。下地幔中存在的震源，是地幔熱柱在核幔邊界處所產(chǎn)生的。

4 混合模式

圖2 上地幔和下地幔對(duì)流模式圖

既要滿足溫壓實(shí)驗(yàn)的條件又要對(duì)層析成像進(jìn)行解釋以及支持660km被穿透的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，況且要繼續(xù)保存兩個(gè)地幔源區(qū)和地球化學(xué)和地?zé)岬募s束方面的解釋。新的地幔對(duì)流模式被陸續(xù)提出。地幔對(duì)流可以包括地幔的全部是它們都有的一個(gè)共性特征，雖然如此，但還是不能充分混合多有的地幔物質(zhì)，所以要繼續(xù)保存兩個(gè)地球化學(xué)要求的源區(qū)。

假設(shè)兩個(gè)不同源區(qū)存在于660km位置以下，粘滯性控制和重力控制是其存在的最有可能的兩種機(jī)制。地震學(xué)不能預(yù)見(jiàn)地幔中的兩種分區(qū)，因此不能證明在重力穩(wěn)定的情況下是否會(huì)被融混，礦物學(xué)也提出了特別高的溫壓下的一些可能的相變候選組合，仍需對(duì)其進(jìn)行尋找證據(jù)加以支持（如圖2）。

5 結(jié)語(yǔ)

地幔對(duì)流假說(shuō)雖仍在不斷發(fā)展中，但分歧依然存在，主要是：①地幔對(duì)流的能量來(lái)源②地幔對(duì)流的深度。地幔對(duì)流作為地球深部一種重要的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)機(jī)制起著重要影響。隨著高精度觀測(cè)資料的積累和綜合分析的深入，地幔對(duì)流模式將會(huì)得到進(jìn)一步完善和發(fā)展。