開始了解地幔對(duì)流前，先來腦補(bǔ)一下燒水的畫面：有一鍋水，在鍋的一端用火焰加熱，會(huì)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(yùn)動(dòng)，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(duì)更密集。熱的、密度小的水向上運(yùn)移，下方就有更冷的水從另一端移動(dòng)過來補(bǔ)充，這就形成了一個(gè)循環(huán)：熱的水上升移動(dòng)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(gè)過程本質(zhì)上是熱傳遞，稱為對(duì)流。

 

對(duì)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(jí)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(duì)流形式呢？

 

 

 

【地幔對(duì)流的提出】

 

Arthur Holmes

 

1912年，德國地質(zhì)學(xué)家Alfred Wegener提出了”大陸漂移”學(xué)說，他認(rèn)為石炭紀(jì)以前地球上的大陸是一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(xué)者認(rèn)為這些動(dòng)力都不足以驅(qū)動(dòng)大陸漂移。正是由于缺乏合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)制解釋，“大陸漂移”學(xué)說在剛提出的時(shí)候不被接受。

 

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

 

圖1 A.Holmes地幔對(duì)流概念圖

 

 

 

 

【地幔對(duì)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(cè)資料和以地幔巖石化學(xué)組分為主體的地球化學(xué)觀測(cè)成為認(rèn)識(shí)地幔對(duì)流強(qiáng)有力的工具，當(dāng)初作為板塊漂移驅(qū)動(dòng)力提出來的“地幔對(duì)流”假說已經(jīng)被地學(xué)界廣泛接受，地幔對(duì)流既是發(fā)生在地幔中的一種傳熱方式（通過物質(zhì)運(yùn)動(dòng)傳遞熱量），又是一種地幔物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)量和質(zhì)量的一種有效途徑。

 

但是，隨著地學(xué)家們對(duì)地幔對(duì)流認(rèn)識(shí)的加深，地幔對(duì)流的模型成為了學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的一個(gè)焦點(diǎn)，全地幔對(duì)流還是分層對(duì)流？結(jié)果是地震學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)的研究?jī)A向于全地幔對(duì)流模型，而地球化學(xué)研究則支持分層地幔對(duì)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(duì)流和分層對(duì)流兩種模型爭(zhēng)議的關(guān)鍵在于對(duì)流是否能穿透地幔轉(zhuǎn)換帶。

 

圖2 全地幔對(duì)流模型

 

全地幔對(duì)流模型（圖2）認(rèn)為對(duì)流循環(huán)貫穿了整個(gè)地幔，地球動(dòng)力學(xué)通過計(jì)算模擬與真實(shí)地球模型時(shí)間相關(guān)的對(duì)流過程發(fā)現(xiàn)：如果660km界面是化學(xué)成分差別，并且造成密度差別達(dá)2%以上，則俯沖板片不能穿透該界面，對(duì)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(shí)間的阻滯，但最終俯沖板片可以穿透該界面， 對(duì)流將囊括下地幔。實(shí)驗(yàn)室高溫高壓研究表明了660km界面的相變性質(zhì)，并且礦物學(xué)和地震學(xué)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(dá)1000km以上（圖3），這表明至少有些上地幔物質(zhì)循環(huán)進(jìn)入深部地幔中。事實(shí)上，從上地幔進(jìn)入下地幔的物質(zhì)流量是相當(dāng)大的，有學(xué)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(jìn)入下地幔的量就可達(dá)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(dá)約300km3/a，也就是說，對(duì)流可以穿透到下地幔，形成全地幔對(duì)流。

 

圖3 俯沖板片的模型

 

分層地幔對(duì)流模型（圖4）認(rèn)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(dú)立的對(duì)流系統(tǒng)，而板塊運(yùn)動(dòng)只與上地幔有關(guān)。雖然板片穿透660km界面得到了地震學(xué)觀測(cè)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(jì)算，在幾億年間上下地幔將被混合而導(dǎo)致它們?nèi)诤�，它們之間的成分差異會(huì)消失。然而地球化學(xué)表明在地幔存在兩個(gè)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(jiǎn)單直接的解釋就是地幔存在起碼兩個(gè)以上化學(xué)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(gè)源區(qū)表明上下地幔是兩層獨(dú)立的對(duì)流，因此地幔不會(huì)被對(duì)流攪拌均勻。

 

圖4 分層地幔對(duì)流模型

 

 

 

【地幔對(duì)流的力源】

 

 

        地幔對(duì)流學(xué)說是作為板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制而提出來的，但是地幔對(duì)流產(chǎn)生的機(jī)制又是什么呢？

 

      一般認(rèn)為驅(qū)動(dòng)地幔對(duì)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(duì)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(yīng)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(duì)流。外部動(dòng)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(fù)浮力”。

 

      初始認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自海底擴(kuò)張和地幔對(duì)流的拖曳力，到后來對(duì)于到底是板塊驅(qū)動(dòng)了地幔對(duì)流(主動(dòng)板塊說)，還是地幔對(duì)流驅(qū)動(dòng)并維持了板塊運(yùn)動(dòng)(被動(dòng)板塊說)出現(xiàn)了較大分歧。支持主動(dòng)板塊說的學(xué)者認(rèn)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(duì)流和板塊提供了主要的驅(qū)動(dòng)力，洋脊下的地幔物質(zhì)是為了填補(bǔ)因板塊漂移所流下的空白而被動(dòng)上升。支持被動(dòng)板塊說的學(xué)者認(rèn)為地幔對(duì)流驅(qū)動(dòng)和維持了大陸板塊的漂移，并且軟流圈內(nèi)流動(dòng)的流體在巖石圈底部所產(chǎn)生的應(yīng)力，以及在隆起、斷層、海溝處板塊間相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力控制了每一個(gè)板塊運(yùn)動(dòng)的方向，而且根據(jù)力學(xué)模型，如果對(duì)流是被動(dòng)的，則不能形成簡(jiǎn)單的對(duì)流環(huán)，而且在慢速移動(dòng)的板塊下面的流動(dòng)與板塊移動(dòng)方向沒有密切的關(guān)系。小編覺得，應(yīng)該把地幔對(duì)流和板塊運(yùn)動(dòng)看作一個(gè)完整的系統(tǒng)，它們不僅有自己的運(yùn)動(dòng)特性，而且會(huì)相互作用，即使地幔對(duì)流導(dǎo)致板塊開始運(yùn)動(dòng)，但是板塊一旦運(yùn)動(dòng)后，必然會(huì)反過來約束和影響地幔對(duì)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(duì)流研究的一些新進(jìn)展. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2001, 16(4):496-500.

3. 朱濤，地幔動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展--地幔對(duì)流. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2003, 18(1):65-73.

4. Wikipedia