岩石圈地幔转变为软流圈地幔

如题所述

许多人认为,下地壳不可能单独拆沉,必须与岩石圈地幔一道拆沉。因为,岩石圈地幔是刚性的,不可能允许下地壳进入。而本书认为,下地壳可以单独发生拆沉,下地壳不需要与下伏的岩石圈地幔一道拆沉。其中的关键因素和最主要的障碍,是如何理解岩石圈地幔的性质。

10.1.3.1 岩石圈地幔的性质

按照Niu YL(2005)的归纳,岩石圈地幔是冷的、刚性的、硬的、低黏性的和缺少对流的;而软流圈地幔则是相对热的、塑性的、软的、低黏性的和能够对流的。基于岩石圈以热传导为主、软流圈以热对流为主的共识,岩石圈地幔相对软流圈地幔是冷的和刚性的。岩石圈地幔密度大于下地壳,使地壳稳定地漂浮在地幔之上。一旦下地壳密度超过岩石圈地幔,下地壳变得不稳定,才有沉入岩石圈地幔的可能。但是,冷的和刚性的岩石圈地幔不允许外来的物质进入,只有热的、塑性的、密度更低的软流圈地幔才允许密度比它大的物质进入。因此,许多人认为,下地壳一定要带着下伏的岩石圈地幔一道才能拆沉进入软流圈地幔(Rudnick,1995;Meissner and Mooney,1998;Jull and Keleman,2001;吴福元等,2000,2003;邓晋福等,2003;Wu FY et al.,2005a)。

10.1.3.2 岩石圈地幔与软流圈地幔的转换

在大洋地幔区,对流的软流圈地幔矿物组成间隙充满了玄武质熔体,在扩张脊下部,软流圈地幔发生部分熔融,矿物间的熔体被挤出,地幔由弱亏损的二辉橄榄岩转变为强亏损的方辉橄榄岩,转变为岩石圈地幔覆在热的软流圈地幔之上。因此,大洋岩石圈地幔是软流圈地幔部分熔融留下的残留物,比软流圈地幔更加亏损,且位于地幔上部,因而是冷的和刚性的,密度也比软流圈大(由于玄武质熔体的移出)。在大陆下的地幔,由于没有或较少地幔对流,也很少发生过大规模的部分熔融作用形成玄武质岩浆,与大洋岩石圈地幔相比通常是相对富集的,只是由于位于地幔顶部和地壳下部温度较低而具有刚性的性质。

岩石圈地幔性质是否可以改变呢?如果假定有从深部带来的大量的热使岩石圈地幔温度增加,如果同时带来大量的熔体浸润到岩石圈地幔使其塑性增加,岩石圈地幔也可以重新转化为软流圈地幔,或使其具有软流圈地幔的性质。

徐义刚(1999)认为,上涌软流圈的热传导会使岩石圈最底部物质发生软化,使其转变为软流圈的一部分(热-机械侵蚀模式,thermo-mechanic erosion),岩石圈地幔随之减薄。在这个过程中,深部熔体将以渗透性反应孔隙流的方式通过软流圈-岩石圈界面进入岩石圈地幔(化学侵蚀,chemical erosion)。他还指出,熔体-岩石反应可以改变岩石圈地幔的矿物组成,改变其渗透率和流变学性质。例如,地幔交代作用可以使原先具有高浮力的方辉橄榄岩变成与软流圈浮力相差不大的二辉橄榄岩。Niu YL(2005)认为,软流圈地幔和岩石圈地幔可以相互转换,软流圈地幔可以转化为岩石圈地幔;反之,在加热和/或水带入的情况下也可以使岩石圈地幔变为塑性、软化、黏性降低、易于流动,从而转化为软流圈地幔。邓晋福(1992)很早就指出了这种可能性,并计算了中国东部岩石圈热减薄的厚度。因此,中国东部中生代岩石圈减薄可能是其下部被改造为软流层的缘故(Niu YL,2005)。岩石圈底部改造为软流层的过程实际上就是岩石圈减薄的过程。

我们赞同岩石圈地幔向软流圈地幔转换的见解,这种转换可能是通过热和化学侵蚀的方式进行的。因为,熔体/流体在上地幔的迁移流动会导致岩石圈地幔化学性质和物理性质的变化(徐义刚,1999)。我们理解,软流圈地幔上涌不是取代岩石圈地幔,将已有的岩石圈地幔横向挤出去,而是由于来自软流圈地幔的热和含大量挥发分的熔体浸润到岩石圈地幔,使之被加热、使之塑性增加、使之密度降低,使之被改造为具有或接近软流圈地幔的性质。岩石圈地幔本身并没有被置换,只是改变了性质。这时,如果有密度更大的下地壳,拆沉即可发生。

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