地幔柱构造主要作用特征
地幔柱构造的形成和演化及动力学观点被称为是继大陆漂移和板块构造以后的第3次浪潮。俄罗斯学者哈因（1996）提出在整个地球历史中，地球和其层圈的内生过程，包括板块构造和地幔柱构造相互作用的变化，具有旋回性和方向性，是全球动力学的基本问题。 地幔柱构造最早源于1963年Wilso提出的热点（hotspots）理论，地幔柱构造的产生是由于地球内部结构分层的物理及化学性质的不同所致。这些层不仅包括液态的外地核、可发生塑性流变的地幔、还有刚性的外层地壳。在这些层中，存在着显著的内外温差、物质分异和热传导、形成热冷幔柱的对流，从而导致地幔柱构造的形成。 地幔热柱的规模，在很大程度上，取决于其运移的距离以及其通过的周围介质的物质性质，如黏度等（刘元龙，1980）。现代地幔柱在地幔中上升时，其影响的直径范围可达800～1200km，而在太古宙则要小，直径变化在600～800km。日本学者丸山茂德（S.Maruyama）、深尾良大（Fukao）利用地震层析成图研究深部构造，并以地幔底界（2900km）、上地幔底界（670km）和地壳底界（100km）为限划分为一、二、三级地幔柱（图4-1）；牛树银（1996）等以地幔热柱，地幔亚热柱和幔枝等划分地幔柱构造的不同级别，并与岩石圈变化、区域地质构造格局、构造—岩浆带活动成矿作用相联系。 地幔柱构造是地质构造作用、火山岩浆活动、沉积变质作用、成矿作用体系的原动力。当地幔柱构造接近地表时，由于热物质在地幔中的升力及浮力导致地壳隆起，其规模可达上千米，这种抬升又进一步导致地壳的伸展运动、地壳减薄、大陆裂谷事件、古陆解体、洋壳增生等。在地幔柱之上的大陆壳物质，由于地幔热柱的向上运动、热传递导致局部融熔，形成大规模的玄武岩浆的溢出及花岗岩浆侵入作用；同时，伴有区域变质、地壳重熔、构造变形等，甚至引起全球气候变化，大地水准面升降和生物灭绝等（王登红，1998）。 图4-1 地幔热柱分级图 据1998年美国《科学新闻》报道，格兰特等人通过对地震波的研究发现，在地幔底部同地核交界处存在厚度5～10km的“超低速带”（ultralow velocity zone），这些地带呈半熔解高温状态，阻滞了地震波的传递，半液体状态的地幔向外传递地核热能的速度比固体地幔快100多倍，使上面的地幔温度很高，最后导致最上层地壳很热，超低速带对应地壳表面多有火山岩浆分布，它们遥遥相对，例外非常少。 地质构造作用特征：华南地区自中生代以来，地质构造作用、岩浆活动、沉积变质作用和成矿作用进入一个相当强烈的活动时期，这种综合作用体系与华南地幔柱构造作用是分不开的，后者决定了华南中新生代以来的基本地质构造格局。 在印支期（220Ma）造山运动期间，由于地幔柱在深部的上升作用，区域上导致华南上三叠统高角度不整合覆盖在下、中三叠统及古生界，元古宇岩石之上，沉积作用以海退沉积相组合和陆相快速沉积为特征。岩浆作用以钙碱性二长—闪长花岗岩为主，岩石以富镁富钛为特点。 在侏罗纪至早白垩世（190～125Ma），即燕山期的早期阶段，随着地幔柱的进一步上升，受热动力作用的影响，区域上产生较强烈的火山喷发和岩浆侵入作用，具有幔源—壳幔源混合—壳源为主的完整岩浆成分谱系，随着岩浆活动时代变新，成分上有由钙碱性—偏碱性—碱性演化的特点。晚期典型的碱性、偏碱性花岗岩具有深源的地球化学特点，即锶同位素初始比（87Sr/86Sr）=0.7002～0.009；与此同时，受上升动力的作用，在区域隆起背景上出现一系列由于断陷作用而形成的盆地，随热减薄作用进一步加强、热柱顶冠上部进一步裂解，形成一系列“铲式”断层控制的区域性大型盆地、陆相盆地沉积建造，其中的红色沉积建造则可能是由于地幔柱构造作用，大量的热量（火山岩浆作用）进入大气，导致气候改变、气温升高，加剧表生作用过程中的氧化作用所致。此外，在沉积作用的同时，在盆地中，由于裂解作用导致深源的偏碱性—碱性岩浆喷出作用，如沉积岩层中的碱性玄武岩及与其同源的基性岩脉。 在晚白垩世（约100Ma），即燕山造山运动的主幕期间，地幔柱作用进一步加强，地幔—地核边界产生的热在地幔中以更高的地幔平均温度活动对流，产生更高温度的岩浆作用，其活动规模和强度在前述基础上继续扩大，成分上受更大深度范围的部分熔融以及更高分馏的结晶分异作用所控制，以偏碱性、碱性为特点；拉张作用增强、区域上伴随各类岩脉的贯入、盆地沉积尤其是红盆建造继续发育，从而构成了中国南方特有的红盆现象，该时期也是区内成矿作用的重要时期。 由于中新生代地幔柱构造的作用和影响，在华南也产生了各种各样的矿化作用，形成了如W，Sn，Nb，Ta，Sb，Cu，Pb，Zn，Mo，Au，U等矿化，从而使华南成为我国的多金属矿产基地。 地球物理特征：地质学家通过研究出露地表的深部岩石获得地球深部的物质组成、结构构造及存在条件的信息；地球物理学家则通过研究岩石的地球物理性质来获得类似的信息，如Woodhouse和Dzicwonski（1984）发展了一种利用时间窗口内的地震记录所包含的所有信息来进行层析成像和模拟的方法。该方法是目前研究深部地质较为有力的工具。 华南板块岩石圈构造与地球物理的研究结果揭示出壳幔内地震波速度的异常（袁学诚等，1989），清楚地显示出在华南地区有一个低速异常带，中国大陆其他地区大部分为高速带，这说明在华南确实存在一地幔热柱并与“太平洋赤道热柱组”——太平洋赤道附近的低速热柱，组成同一结构带，这一低速带从切穿华南的一条径向剖面也清楚可见，华南地幔热柱的深部作用与地表地质作用特征是相对应的，进一步验证了地表地质的演化与陆下地幔结构有着密切关系，热点作用强烈的地方一般是火山岩浆作用剧烈之处。华南低速异常块向华北大陆高速异常块下俯冲，这一异常构造约在陆下300km深度比较清楚，它与当前的地学界广泛认为的华南地块向华北大陆块俯冲的事实相符合。 地幔柱构造与成矿作用的关系：地幔柱构造也是成矿作用体系的原动力，不同元素的成矿作用特征或同一元素的不同成矿特点，都是在这种原动力的作用下，不同元素在地质体（包括矿体）或同一元素在不同地质体的表现形式。 归纳起来，地幔柱构造与成矿作用的关系主要有两个方面：提供能量，包括动力能和热能，这是成矿作用元素分馏活化和迁移富集前提条件；不同程度直接或间接提供了成矿物质来源。 华南中新生代的成矿作用实际上也不例外，是地幔柱构造的一种作用产物。成矿作用本身表现是一个“相对独立”的事件（主要是指相对含矿主岩而言），但它同时又是区域地质构造作用体系中不可分割的一部分。 受核幔边界低速带高热液体的影响产生的物质对流，形成地幔柱构造，成矿物质也可通过气态—气液混合相—含矿流体的形式随地幔柱—地幔亚热柱—幔枝构造活动向地壳浅部迁移，上升幔流勾通了成矿元素的深部来源，成矿物质的多少取决于核幔边界的涌动强度，核幔边界的涌动又受着核幔平衡状态和外来激发因素的影响。所以，上涌地幔热流柱中的成矿元素含量也会随着核幔涌动强度变化而时多时少，时断时续，成矿作用也必然具有强度差异性和不同的阶段性，此外，深部对流是一个非常复杂的过程，并伴有其他作用过程，如交代作用、混合作用、部分熔融作用和结晶分离作用等，特别是在气热的作用下，不相容元素如铀在液相中产生富集并向上迁移，因此成矿物质的深源性贯穿着整个地幔柱的对流体系及其所经历的范围。
地幔柱的发现过程
长久以来，地震学家一直未能发现地幔柱，直到后来固体地球科学家才认同它的存在。帕萨迪纳市加州理工学院行星物理学家David Stevenson说：“我的根据并非来源于观测而是来自基础理论。当有一股热量从地幔深处涌出时，最符合自然规律的方式便是如地幔柱一般将物质剥离。我十分确信这种基于理论的论点是具有说服力的。” 地幔地球化学家对于地幔柱的存在有自己的理论支撑。他们对热点区域内的火山喷发后被带到地表的微量元素、稀有气体，以及岩石中的同位素检测后发现，沉淀到地幔中的物质历经千万年之后会随着海洋火山喷发的熔岩回到地表。另外，随着海洋板块的运动，热点区域内会有一座座海洋岛屿成线状突然出现。马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所名誉科学家、地球化学家Stanley Hart说：“这些现象很难解释，除非你认可地幔柱的存在，我认为它的存在即将得到所有人的认同。” 2000年以后，即便是那些更多考虑板块构造对撞理论的地球科学家也都承认地幔柱的存在。2010年，挪威奥斯陆大学古地磁学家Trond Torsvik和地壳构造物理学家Bernhard Steinberger，以及来自休斯顿大学的Kevin Burke和同事联名在《自然》杂志上发表了一篇论文，文中总结了一些将地表浮渣与地幔底部两大火成岩省（分别位于非洲和南太平洋下方）相联系的研究成果。 实际上，为了弄清可能与地幔柱相关的地质特征的原始生成地，Torsvik与他的同事曾将地球部分板块构造的研究回溯至2亿多年前。地球化学分析及其链状结构揭示了当今11个热点地区中的10个可能深深地扎根于地幔中。Torsvik与同事发现同样数量的热点地区所处位置在熔岩堆之上或其附近。25个大火成岩省中的23个在熔岩堆边缘处喷发。 德国美因茨市马克斯·普朗克学会生物化学研究所的名誉地球化学家Albrecht Hofmann说：“这是一个强有力的地理学联系，两个巨大圆块边缘的联系强烈地说明这一切的形成存在着因果联系。”加利福尼亚理工学院地球动力学家Michael Gurnis说：“可以合理地推断非边缘部分也存在着地幔柱。” 来自地球动力学、地球化学以及地质学三个方面的证据促使学界认真研究地幔柱的存在问题：究竟是像地震学所说的那样必定存在还是根本不存在？加利福尼亚大学圣克鲁斯分校地震学家Thorne Lay说：“那里存在着相当分量的地底物质。”唯一可以解释这一现象的便是地幔柱。 一个比较新的且至今仍在不断提供证据证明地幔柱存在的科研项目于2012年3月15日在《地球与行星科学通讯》上发表了研究成果。来自新墨西哥大学的Brandon Schmandt同包括Humphreys在内的同事们通过一种独一无二的资源—移动式阵列来观测地幔柱。该阵列由400台地震仪组成，并以位于黄石国家公园附近的地震仪为补充，宽800公里，在加拿大和墨西哥边境展开。这一联合观测方法为解释说明黄石国家公园热点的地下存在着什么提供了迄今为止最深入最强力的观点。 加州大学伯克利分校地震学家Barbara Romanowicz被该结果深深地震撼。她从未被任何地幔柱证据所说服。但是在当周稍后召开的一次研讨会上听到Schmandt所作的关于黄石国家公园的研究报告后，她改变了想法。她发现两种类型的地震数据“非常有说服力”，自己不得不承认至少有一条深地幔柱涌向上地幔。