開始了解地幔對流前，先來腦補一下燒水的畫面：有一鍋水，在鍋的一端用火焰加熱，會有什么現(xiàn)象發(fā)生呢？

 

在火焰上方的水比其他地方更熱，加熱的水分子加速運動，增加了彼此間的距離，所以該處的密度減小，周圍物質(zhì)就相對更密集。熱的、密度小的水向上運移，下方就有更冷的水從另一端移動過來補充，這就形成了一個循環(huán)：熱的水上升移動到右上方，之后由于降溫密度增大而下沉，然后再次被加熱。這個過程本質(zhì)上是熱傳遞，稱為對流。

 

對流示意圖

 

 

在以百萬年為尺度的地質(zhì)年代中，我們可以把地幔看作超級厚的粘性物質(zhì)，不是固體，也不是完全的液體，地幔的某些區(qū)域溫度較高，那么在地幔中是不是也存在類似的對流形式呢？

 

 

 

【地幔對流的提出】

 

Arthur Holmes

 

1912年，德國地質(zhì)學家Alfred Wegener提出了”大陸漂移”學說，他認為石炭紀以前地球上的大陸是一個統(tǒng)一的大陸（泛大陸），四周被大洋包圍，從中生代以來泛大陸逐步解體，較輕的硅鋁質(zhì)大陸塊漂浮在較重的粘性的硅鎂質(zhì)大洋底之上。

 

他分析運動的力主要來源于：由兩極向赤道的離極力、地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向西的力、重力均衡產(chǎn)生的垂直向上的力，但是廣大學者認為這些動力都不足以驅(qū)動大陸漂移。正是由于缺乏合理的運動機制解釋，“大陸漂移”學說在剛提出的時候不被接受。

 

英國地質(zhì)學家Arthur Holmes是“大陸漂移”學說的支持者，他在1928年提出了著名的地幔對流假說，試圖用地幔對流解釋大陸漂移的驅(qū)動力，他認為大陸是在流動的地幔之上，地球內(nèi)部的巖石在被放射性物質(zhì)加熱時會從地球深處向上運移，上升的地幔流遇到大陸屏障后向兩邊流動，橫向運動可能會像傳送帶一樣推動地殼側(cè)向移動，導致大陸破裂，然后地幔流在運動過程中冷卻并變得更加致密而下沉（圖1）。Holmes提出“地幔對流”純粹是推測性的，當時的大陸地質(zhì)學和海洋地質(zhì)學都還不能提供地幔對流的足夠證據(jù)，直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，“地幔對流”不斷得到地震學家，礦物物理學家和地球化學家的數(shù)據(jù)支持。

 

圖1 A.Holmes地幔對流概念圖

 

 

 

 

【地幔對流的模型】

 

現(xiàn)在，以地震層析成像為主體的地震、地球物理觀測資料和以地幔巖石化學組分為主體的地球化學觀測成為認識地幔對流強有力的工具，當初作為板塊漂移驅(qū)動力提出來的“地幔對流”假說已經(jīng)被地學界廣泛接受，地幔對流既是發(fā)生在地幔中的一種傳熱方式（通過物質(zhì)運動傳遞熱量），又是一種地幔物質(zhì)的運動過程（由物質(zhì)內(nèi)部密度差或溫度差所驅(qū)使的），是地球內(nèi)部向地球表面輸送能量、動量和質(zhì)量的一種有效途徑。

 

但是，隨著地學家們對地幔對流認識的加深，地幔對流的模型成為了學術(shù)界爭論的一個焦點，全地幔對流還是分層對流？結(jié)果是地震學、地球動力學的研究傾向于全地幔對流模型，而地球化學研究則支持分層地幔對流。在地下410km到660km是地幔轉(zhuǎn)換帶，這是上地幔和下地幔的分界面，全地幔對流和分層對流兩種模型爭議的關(guān)鍵在于對流是否能穿透地幔轉(zhuǎn)換帶。

 

圖2 全地幔對流模型

 

全地幔對流模型（圖2）認為對流循環(huán)貫穿了整個地幔，地球動力學通過計算模擬與真實地球模型時間相關(guān)的對流過程發(fā)現(xiàn)：如果660km界面是化學成分差別，并且造成密度差別達2%以上，則俯沖板片不能穿透該界面，對流將是分層的；但如果是相變界面，且相變的克拉柏龍斜率不夠大，則雖然可能造成一定時間的阻滯，但最終俯沖板片可以穿透該界面， 對流將囊括下地幔。實驗室高溫高壓研究表明了660km界面的相變性質(zhì)，并且礦物學和地震學沒有表明下地幔密度比上地幔大2%以上這種差別的證據(jù)。

 

此外，地震層析成像結(jié)果表明：在俯沖帶，板塊能俯沖到下地幔，深度達1000km以上（圖3），這表明至少有些上地幔物質(zhì)循環(huán)進入深部地幔中。事實上，從上地幔進入下地幔的物質(zhì)流量是相當大的，有學者分析：如果僅考慮從馬里亞納到勘察加的太平洋西北部的俯沖區(qū)，僅板塊進入下地幔的量就可達到70km3/a（a表示單位年），如果包括所有的海洋俯沖區(qū)，其流量可達約300km3/a，也就是說，對流可以穿透到下地幔，形成全地幔對流。

 

圖3 俯沖板片的模型

 

分層地幔對流模型（圖4）認為：上、下地幔之間不存在物質(zhì)交換，只有熱的交換，所以上、下地幔各自組成獨立的對流系統(tǒng)，而板塊運動只與上地幔有關(guān)。雖然板片穿透660km界面得到了地震學觀測的支持，但如果穿透660km界面速度大體等于板片俯沖速度，則根據(jù)計算，在幾億年間上下地幔將被混合而導致它們?nèi)诤�，它們之間的成分差異會消失。然而地球化學表明在地幔存在兩個源區(qū)：脫氣和虧損了親石元素的上地幔，及保留耐熔元素、未受俯沖板片影響的下地幔。大洋中脊、火山島弧、大洋海島玄武巖和大陸溢流玄武巖等，同類熔巖的同位素特征具有顯著的相似性，不同類巖石則顯著不同。在親石痕量元素、耐熔放射性元素及主要元素組成一定程度上也有類似規(guī)律。這一顯著的規(guī)律性最簡單直接的解釋就是地幔存在起碼兩個以上化學成分不同的源區(qū)：虧損了的地幔和未虧損的地幔。未虧損的地幔（下地幔）具備類似球粒隕石組成，代表著地幔原始的成分，虧損的地幔（上地幔）是在地幔物質(zhì)分異形成大陸的過程中虧損了親石元素和排除了氣體。地幔持續(xù)存在兩個源區(qū)表明上下地幔是兩層獨立的對流，因此地幔不會被對流攪拌均勻。

 

圖4 分層地幔對流模型

 

 

 

【地幔對流的力源】

 

 

        地幔對流學說是作為板塊運動的驅(qū)動機制而提出來的，但是地幔對流產(chǎn)生的機制又是什么呢？

 

      一般認為驅(qū)動地幔對流的內(nèi)部力源有兩種：第一種是地幔物質(zhì)密度橫向不均勻性，這使地幔產(chǎn)生了重力對流；第二種是地幔本身的加熱作用，這種加熱作用主要是來自于地幔中放射性元素的輻射加熱作用、剪切應變加熱作用，以及過渡帶中的相變加熱作用，這使地幔產(chǎn)生了熱對流。外部動力源主要是核-幔邊界處來自地核的熱流產(chǎn)生的“正浮力”，和巖石圈板塊冷卻作用產(chǎn)生的“負浮力”。

 

      初始認為板塊運動的動力來自海底擴張和地幔對流的拖曳力，到后來對于到底是板塊驅(qū)動了地幔對流(主動板塊說)，還是地幔對流驅(qū)動并維持了板塊運動(被動板塊說)出現(xiàn)了較大分歧。支持主動板塊說的學者認為，俯沖帶處下沉的海洋巖石圈產(chǎn)生了作用于粘性地幔的力矩，并為對流和板塊提供了主要的驅(qū)動力，洋脊下的地幔物質(zhì)是為了填補因板塊漂移所流下的空白而被動上升。支持被動板塊說的學者認為地幔對流驅(qū)動和維持了大陸板塊的漂移，并且軟流圈內(nèi)流動的流體在巖石圈底部所產(chǎn)生的應力，以及在隆起、斷層、海溝處板塊間相互作用產(chǎn)生的應力控制了每一個板塊運動的方向，而且根據(jù)力學模型，如果對流是被動的，則不能形成簡單的對流環(huán)，而且在慢速移動的板塊下面的流動與板塊移動方向沒有密切的關(guān)系。小編覺得，應該把地幔對流和板塊運動看作一個完整的系統(tǒng)，它們不僅有自己的運動特性，而且會相互作用，即使地幔對流導致板塊開始運動，但是板塊一旦運動后，必然會反過來約束和影響地幔對流。

 

 

 

 

主要參考資料：

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

2. 石耀霖，地幔對流研究的一些新進展. 地球科學進展, 2001, 16(4):496-500.

3. 朱濤，地幔動力學研究進展--地幔對流. 地球物理學進展, 2003, 18(1):65-73.

4. Wikipedia