翻滚吧，地幔君

 

开始了解地幔对流前，先来脑补一下烧水的画面：有一锅水，在锅的一端用火焰加热，会有什么现象发生呢？

 

在火焰上方的水比其他地方更热，加热的水分子加速运动，增加了彼此间的距离，所以该处的密度减小，周围物质就相对更密集。热的、密度小的水向上运移，下方就有更冷的水从另一端移动过来补充，这就形成了一个循环：热的水上升移动到右上方，之后由于降温密度增大而下沉，然后再次被加热。这个过程本质上是热传递，称为对流。

 

对流示意图

 

 

在以百万年为尺度的地质年代中，我们可以把地幔看作超级厚的粘性物质，不是固体，也不是完全的液体，地幔的某些区域温度较高，那么在地幔中是不是也存在类似的对流形式呢？

 

 

 

【地幔对流的提出】

 

Arthur Holmes

 

1912年，德国地质学家Alfred Wegener提出了”大陆漂移”学说，他认为石炭纪以前地球上的大陆是一个统一的大陆（泛大陆），四周被大洋包围，从中生代以来泛大陆逐步解体，较轻的硅铝质大陆块漂浮在较重的粘性的硅镁质大洋底之上。

 

他分析运动的力主要来源于：由两极向赤道的离极力、地球自转产生的向西的力、重力均衡产生的垂直向上的力，但是广大学者认为这些动力都不足以驱动大陆漂移。正是由于缺乏合理的运动机制解释，“大陆漂移”学说在刚提出的时候不被接受。

 

英国地质学家Arthur Holmes是“大陆漂移”学说的支持者，他在1928年提出了著名的地幔对流假说，试图用地幔对流解释大陆漂移的驱动力，他认为大陆是在流动的地幔之上，地球内部的岩石在被放射性物质加热时会从地球深处向上运移，上升的地幔流遇到大陆屏障后向两边流动，横向运动可能会像传送带一样推动地壳侧向移动，导致大陆破裂，然后地幔流在运动过程中冷却并变得更加致密而下沉（图1）。Holmes提出“地幔对流”纯粹是推测性的，当时的大陆地质学和海洋地质学都还不能提供地幔对流的足够证据，直到第二次世界大战结束后，“地幔对流”不断得到地震学家，矿物物理学家和地球化学家的数据支持。

 

图1 A.Holmes地幔对流概念图

 

 

 

 

【地幔对流的模型】

 

现在，以地震层析成像为主体的地震、地球物理观测资料和以地幔岩石化学组分为主体的地球化学观测成为认识地幔对流强有力的工具，当初作为板块漂移驱动力提出来的“地幔对流”假说已经被地学界广泛接受，地幔对流既是发生在地幔中的一种传热方式（通过物质运动传递热量），又是一种地幔物质的运动过程（由物质内部密度差或温度差所驱使的），是地球内部向地球表面输送能量、动量和质量的一种有效途径。

 

但是，随着地学家们对地幔对流认识的加深，地幔对流的模型成为了学术界争论的一个焦点，全地幔对流还是分层对流？结果是地震学、地球动力学的研究倾向于全地幔对流模型，而地球化学研究则支持分层地幔对流。在地下410km到660km是地幔转换带，这是上地幔和下地幔的分界面，全地幔对流和分层对流两种模型争议的关键在于对流是否能穿透地幔转换带。

 

图2 全地幔对流模型

 

全地幔对流模型（图2）认为对流循环贯穿了整个地幔，地球动力学通过计算模拟与真实地球模型时间相关的对流过程发现：如果660km界面是化学成分差别，并且造成密度差别达2%以上，则俯冲板片不能穿透该界面，对流将是分层的；但如果是相变界面，且相变的克拉柏龙斜率不够大，则虽然可能造成一定时间的阻滞，但最终俯冲板片可以穿透该界面， 对流将囊括下地幔。实验室高温高压研究表明了660km界面的相变性质，并且矿物学和地震学没有表明下地幔密度比上地幔大2%以上这种差别的证据。

 

此外，地震层析成像结果表明：在俯冲带，板块能俯冲到下地幔，深度达1000km以上（图3），这表明至少有些上地幔物质循环进入深部地幔中。事实上，从上地幔进入下地幔的物质流量是相当大的，有学者分析：如果仅考虑从马里亚纳到勘察加的太平洋西北部的俯冲区，仅板块进入下地幔的量就可达到70km3/a（a表示单位年），如果包括所有的海洋俯冲区，其流量可达约300km3/a，也就是说，对流可以穿透到下地幔，形成全地幔对流。

 

图3 俯冲板片的模型

 

分层地幔对流模型（图4）认为：上、下地幔之间不存在物质交换，只有热的交换，所以上、下地幔各自组成独立的对流系统，而板块运动只与上地幔有关。虽然板片穿透660km界面得到了地震学观测的支持，但如果穿透660km界面速度大体等于板片俯冲速度，则根据计算，在几亿年间上下地幔将被混合而导致它们融合，它们之间的成分差异会消失。然而地球化学表明在地幔存在两个源区：脱气和亏损了亲石元素的上地幔，及保留耐熔元素、未受俯冲板片影响的下地幔。大洋中脊、火山岛弧、大洋海岛玄武岩和大陆溢流玄武岩等，同类熔岩的同位素特征具有显著的相似性，不同类岩石则显著不同。在亲石痕量元素、耐熔放射性元素及主要元素组成一定程度上也有类似规律。这一显著的规律性最简单直接的解释就是地幔存在起码两个以上化学成分不同的源区：亏损了的地幔和未亏损的地幔。未亏损的地幔（下地幔）具备类似球粒陨石组成，代表着地幔原始的成分，亏损的地幔（上地幔）是在地幔物质分异形成大陆的过程中亏损了亲石元素和排除了气体。地幔持续存在两个源区表明上下地幔是两层独立的对流，因此地幔不会被对流搅拌均匀。

 

图4 分层地幔对流模型

 

 

 

【地幔对流的力源】

 

 

        地幔对流学说是作为板块运动的驱动机制而提出来的，但是地幔对流产生的机制又是什么呢？

 

      一般认为驱动地幔对流的内部力源有两种：第一种是地幔物质密度横向不均匀性，这使地幔产生了重力对流；第二种是地幔本身的加热作用，这种加热作用主要是来自于地幔中放射性元素的辐射加热作用、剪切应变加热作用，以及过渡带中的相变加热作用，这使地幔产生了热对流。外部动力源主要是核-幔边界处来自地核的热流产生的“正浮力”，和岩石圈板块冷却作用产生的“负浮力”。

 

      初始认为板块运动的动力来自海底扩张和地幔对流的拖曳力，到后来对于到底是板块驱动了地幔对流(主动板块说)，还是地幔对流驱动并维持了板块运动(被动板块说)出现了较大分歧。支持主动板块说的学者认为，俯冲带处下沉的海洋岩石圈产生了作用于粘性地幔的力矩，并为对流和板块提供了主要的驱动力，洋脊下的地幔物质是为了填补因板块漂移所流下的空白而被动上升。支持被动板块说的学者认为地幔对流驱动和维持了大陆板块的漂移，并且软流圈内流动的流体在岩石圈底部所产生的应力，以及在隆起、断层、海沟处板块间相互作用产生的应力控制了每一个板块运动的方向，而且根据力学模型，如果对流是被动的，则不能形成简单的对流环，而且在慢速移动的板块下面的流动与板块移动方向没有密切的关系。小编觉得，应该把地幔对流和板块运动看作一个完整的系统，它们不仅有自己的运动特性，而且会相互作用，即使地幔对流导致板块开始运动，但是板块一旦运动后，必然会反过来约束和影响地幔对流。

 

 

 

 

主要参考资料：

1. Arthur Holmes，XVIII. Radioactivity and Earth Movements，Transactions of the Geological Society of Glasgow, 1931, 18, 559-606.

2. 石耀霖，地幔对流研究的一些新进展. 地球科学进展, 2001, 16(4):496-500.

3. 朱涛，地幔动力学研究进展--地幔对流. 地球物理学进展, 2003, 18(1):65-73.

4. Wikipedia