地幔柱的概念分类演化与大规模成矿

第8卷第3期2001年9月

EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing)

地学前缘(中国地质大学,北京)

Vol.8No.3Sep.2001

地幔柱的概念、分类、演化与大规模成矿

———对中国西南部的探讨

王登红

(中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037)

摘　要:自核幔边界上升的物质,当其汇聚成圆柱状的结合体,并因其相对于周围地幔环境来说具有温度更高、活动性更强、粘度更低等特点而能够上升到壳幔边界时,一般可以演化成为具有宽厚的冠状构造和细长的尾部构造的地幔柱。地幔柱进一步与地壳发生作用,可以在地表记录下一系列的热点或形成巨大的火成岩省。根据地幔柱最后出露的位置,可以将其分为洋壳和陆壳环境下产出的两种基本类型,也可以根据其演化历史分出不同的阶段,如初始阶段、上升阶段、成熟阶段和衰退阶段。中国西南部地区可能经历了两次以上的地幔柱冲击,比较彻底的地幔柱留下的记录,而新生代以来的地幔柱活动可能正在发育,能是青藏高原隆升的一个原因,矿作用的重要原因。

关键词:地幔柱;热点;地幔柱分类;中图分类号:P51;P611　　()03006706

　　在哪里,在目前看来难度很大,但并不能因为找不到而否定其曾经存在。无疑,对于年代越古老的地幔柱,越难研究[1,2]。目前人们比较熟悉的也就是250Ma以来的地幔柱,但研究古代地幔柱是极为重

1　地幔柱的概念目前在国际上还没有一个统一的

定义,一般趋向于认为自核幔边界上升、在地幔中演化、到近地表与地壳发生壳幔相互作用的圆柱状地质体。这一地质体在物质、能量和物理化学性质等方面与其成生的环境(主要是正常地幔)之间具有一

要的,如Isley等人(1999)编制了38～16亿年间地幔柱活动的时间表[3];R1A1Sproule(2000)研究了太古宙绿岩带中的地幔柱成因岩浆岩[4]

;加拿大地质调查局还将35亿年以来全球200多个属于地幔柱头部产物的大型火成岩省按地质年代进行了排

定的明显或比较明显的差别,因而可以被人类用不队,并在2000年巴西31届国际地质大会上进行了同的方法———目前来说主要是地球物理的方法识别展示。关于地幔柱及热点概念的形成与发展,笔者出来。但是,地球物理方法只能识别现代的正在形

已在不同的文献中作过介绍[5,6],此不赘述。

成或演化之中的地幔柱,对于古代已经消亡的地幔

古代的地幔柱当它停留在岩石圈下部,没有完

柱则只有通过研究其在地表留下的地质记录(包括

全通过火山喷发等形式上升到地表的话,可以称为

物质的岩石学记录、构造的形态学记录和能量的热

“固化地幔柱”,Lee和Halliday等(1994)提出固化

)演化记录等来推断地幔柱的存在。要用地球物理

的地幔柱头部的概念来解释喀麦隆线状分布的火

的方法去寻找古代地幔柱,如峨眉地幔柱的“柱子”

山[7];地幔柱喷发到地表的部分当其面积很大时一般称为大型火成岩省(LIP),面积较小并且是在海

收稿日期:20010105;修订日期:20010625

基金项目:国家重点基础研究规划973资助项目(G1999043203)

),男,博士,研究员,主要从事矿床及作者简介:王登红(1967—　

地幔柱方面的研究。

洋中喷发的话则一般称为洋岛玄武岩(OIB)。实际上,OIB只是地幔柱留下的部分记录,当地幔柱刚到达洋壳的底部,地幔柱自身的能量也可以导致地壳

　68　　()()

特别是古老陆壳(如因为裂谷化而沉入海底的古老陆壳)发生重熔形成酸性岩浆。另外,地幔柱中巨量的物质在一定条件下也可能分异出酸性的岩浆来。因此,地幔柱不但可以产生OIB,同样可能产生中酸性岩浆岩(如Kergulen地幔柱产生的粗面岩,SiO2

应着强大的成矿作用,特别是一些大型、超大型矿床以及大型矿集区的形成,很可能与地幔柱有着内在的成因联系,因而引起了矿床学家的特别关注,以至于Sillitoe早在1974年就在Nature上撰文论述热点与锡矿的关系[13]。但办法总是会有的,对于与热

质量分数平均可达63.46%)[8,9]。这在大陆环境下点有关的锡矿,人们可以利用非造山碱性花岗岩来产生的LIP中是常见的(如西伯利亚、峨眉、德干),作为热点的一个标志(尽管还存在分歧);对于其它

“热在大洋主要是新生洋壳环境下产生的LIP中也是的成矿作用,人们还在努力寻找办法,目前比较

门”的一个方向是“煌斑岩是否可以作为地幔柱头部存在的(如冰岛)。

。尽管M1Storey等人近现代活动的地幔柱在地表留下的记录通常称在大陆上留下的记录?”

为热点,但仅仅有能量上的异常记录还不足以证明(1989)将煌斑岩(130～110Ma)作为Kerguelen地存在地幔柱。因此,往往需要有一定规模的火山岩,幔柱头部的标志产物之一[14],但由于煌斑岩地球化尤其是碱性玄武岩(洋壳)或碱性的中、酸性岩浆作学特征的复杂性,这一标志似乎还没有被广泛运用。用(陆壳)相耦合,才比较容易使人相信是地幔柱在起作用。反之,也并非所有的地幔柱在温度上一定高于周围的环境地幔,为此,Anderson早在1975年就指出地幔柱与其说是“热”柱不如说是“化学”柱[10],Bonatti(1990)也进一步证实地幔柱不一定真

[11]

的很“热”。目前一般用化学地幔柱的概念来指地幔明显不同的地幔柱(,LREE,C,),,,如水的存在,,从而增强地幔柱物质的活动性。Schilling等人还提出用“湿热点”来指代那些不是很热也不像是起源于核幔边界的热点[12],类似于笔者提出的起源670km深处不连续面、活动范围主要在上地幔和地壳中的一类地幔柱[5]。

一般将海洋环境中由地幔柱形成的高出海底一定高度又具有一定规模的地质体叫做洋岛,但对于大陆壳环境下形成的面积又不大的地幔柱产物(有别于LIP)目前还没有深入研究,但可以肯定,自核幔边界上升的地幔柱,既可以出现在洋壳环境,也可以出现在陆壳环境。因此,当地幔柱在大陆壳上“小荷才露尖尖角”时一定也会留下记录。这一部分“记录”对于成矿作用来说可能更为重要,因为一旦发生

2　关于分类的探讨

虽然(1973),包括(1);(2;3);(;(5)已被掩[15]。显然,这种分类并未揭示地幔柱的

源区特征(或深度),也没有揭示地幔柱的演化特点(阶段性)。笔者(1998)曾提出,在研究的起步阶段,

可以根据产出环境的不同将热点分为产于大陆上的热点和产于海洋中的热点两大类,理论上还应分出产于海陆过渡部位的热点;在研究的深化阶段,可以分出起源于核幔边界的深源地幔柱和起源于上地幔与下地幔边界的浅源地幔柱,还可以根据地幔柱本身的演化规律区分出初始阶段的地幔柱、上升阶段的地幔柱、作用于地壳的地幔柱及衰退阶段的地幔柱(表1)。

Table1

表1热点与地幔柱的分类

Aclassificationofmantleplumeandhotspot

按演化阶段分初始阶段的地幔柱上升阶段的地幔柱

按产出环境分产于大陆地壳的地幔柱(热点)产于大洋地壳的地幔柱(热点)

按起源深度分深源:2900km核幔边界

浅源:670km壳幔相互作用阶段大规模火山作用,巨大的玄武质岩浆作用和能量作

不连续面的地幔柱产于洋壳与陆壳

用可能更显著地破坏已经形成的矿床。对于这部分

衰退阶段的地幔柱过渡环境的地幔

在大陆环境下发生的、由地幔柱头部物质和能量形[5]

成的地质记录,目前既是地幔柱研究的难点,也是　　据王登红(1998)略修改。

不难想象,自核幔边界2900km深处上升的地“热点”。说它难,是因为用地球物理的方法难以识　　

别(因为规模小)、用地球化学的办法也难以分辨(因幔柱到了只有几十km的近地表环境后,其自身的

能量和物理化学状态会发生明显的变化;当它为有地壳物质的混入);说它“热”,是因为它往往对物质、

王登红/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2001,8(3)　　　69

为4个演化阶段:

(1)初始阶段:核幔边界由于某些原因而分异出具有明显活动性的物质,并逐渐聚集形成“预地幔柱”,那些原先在地核中富集但又难以在高温高压条件下“安定”下来的元素很可能起了非常重要的作用,离子半径大的元素和轻元素以及放射性元素也可能积极参加进来。从行星对比和地球演化的角度看,地幔柱的形成似乎是必然的,它是导致地球大尺度物质和能量交换的一种重要方式。比如,W,Sn,Mo,Bi,Au,Ag等等,这些元素在地核中的丰度可远远高于地幔和地壳[18],但它们与地核中的主要元素Fe,Ni在地球化学性质上还存在明显的差别,难以为地核所“容纳”,从而可能随着地幔柱的上升而向地表聚集。

(2)上升阶段:趋向于形成地幔柱的物质集中到一起,形成具有一定规模、,如Griffiths1986)、蘑菇状或气],、温能够缓慢地脱离核幔(当然,一些小规模的雏地幔)上升到近地表。

(3)壳幔相互作用阶段:规模巨大的雏地幔柱不

与地壳发生壳幔相互作用并喷发出地表之后,人们所得到的样品在物质组成、化学成分等方面又会发生各种各样的变化。对于前者,主要涉及到地幔柱自身的演化及其与环境地幔之间物质和能量的交换问题,目前国际上也还只是通过地球物理的途径来观察并利用实验手段和计算机技术来模拟,尚处于不断探索之中;对于后者,更多地涉及到壳幔相互作用的问题,实际上是地幔柱与地壳之间物质与能量的交换问题,目前国际上大量的研究都聚焦于此。显然,假设物质组成和能量结构相同的地幔柱,只是由于所作用的对象不同,其结果也会明显不同(当然,不同的地幔柱与不同的对象发生作用,其结果会

“出露”的环更复杂)。因此,首先有必要将地幔柱按

境不同,分为两大类,即陆壳环境下产出的地幔柱(不妨简称陆柱,即CP)和洋壳环境下产出的地幔柱(不妨简称洋柱,即OP)。这是为了方便人们研究而划分的,实际上CP和OP在其发源地并无此区别,只是因为最终作用的对象不同而不同,CP产物中或多或少会留下陆壳物质混入的记录,而OP则会留下洋壳物质混入的记录陆壳物质主要是硅铝质,(2量分数为45%Al2O3质

8%[16];但本身具有足够的物质和能量,而且能够导致周围Al2O3质量分数多小于11%,环境中的正常地幔物质发生部分熔融,熔融的部分MgO质量分数多大于16%[17]。因此,将地幔柱按被地幔柱吸纳,从而使地幔柱的体积更加庞大,同时结果分为两大类是必要的也是可行的。当然,实际上还存在第三大类,即混合型,主要指板块俯冲环境下产出的地幔柱,因为在这种环境下产出的地幔柱既可能受到俯冲洋壳物质的混入,也可能受到地壳物质的污染。另外还可能出现更复杂的情况,如地幔柱在上升过程中还没有到达近地表环境就遇到正在下插的或古老的但还没有被地幔“消耗”掉的洋壳板片,抑或地幔柱在穿透大陆壳时遇到的是由古老洋壳褶皱造山形成的偏硅镁质成分的陆壳,等等。这些情况,在研究新生代以前的地幔柱时会经常遇到,因此在研究过程中要开拓思路,特别是在利用地球化学图解时更应注意。

物质成分也会发生明显变化、能量则可能慢慢衰竭,但由于压力的降低,地幔柱的活动性可能更显著,因而,此时的地幔柱趋于“成熟”,当它到达670km处的不连续面时可能会分化出次级的“幔枝”,并且与上地幔和地壳发生充分的反应。此时的地幔柱一方面向地壳不断输送物质和辐射能量,引起地壳范围的一系列变化(如碱性岩浆的上侵、变质作用、裂谷化、盆地的形成);另一方面地幔柱本身演化出巨大的头冠构造和细长的尾部构造,定位也较浅,能够被人类所探测到,因而是目前研究的重点。

(4)喷发—消退阶段:随着地幔柱的继续上升和

地壳的局部张裂,地幔柱物质将在非常短暂的时间间隔内发生大规模的喷发与侵位,从而使地幔柱顶冠的体积萎缩,能量耗尽,只留下残余部分停留在地3　演化

壳的底部,慢慢失去活动性而成为固化的地幔柱,成“化石”

。但这部分残留地幔柱一旦遇到合适的条地幔柱自核幔边界上升到地表,最终以大规模为

岩浆作用的形式喷发或侵位,这是一个非常复杂的件,如深大断裂或超岩石圈断裂,仍然可能发生上过程,也是一个演化的过程。笔者认为至少可以分侵,并且可能带来与基性超基性岩有关的CuNi

　70　　PGE矿床。

()()

4

最近,在毛景文和胡瑞忠负责的国家重点基础研究

规划973项目“大规模成矿作用及大型矿集区预测”中也首次设立了国家级的研究课题(范蔚茗负责),　研究现状与动向

对峨眉地幔柱及其成矿作用进行专门研究,预计会

近年来,地幔柱在国内外的研究处于重大变革涌现大量的新资料、新成果。

的前夜,或者说国内外的地学界正在从不同的角度、不同的学科领域对地幔柱的基本概念、理论与方法5　对于我国西南部大规模成矿作用的进行检验。有两个动向值得注意,日本的地质学家探讨特别是地球物理学家多从现代地球物理资料出发来

研究地幔柱的结构,而欧美的地质学家以及独联体　　地幔柱与大规模成矿作用之间有没有联系,如国家多从地球化学的角度来研究地幔柱在地球演化进程中的地位。其结论也不完全相同,比如日本人特别强调的冷幔柱观点在欧美反映平平,并在10年

[20]

前就被认为“存在明显的差错”。笔者查阅了在1999年全年的Nature,Geology,Science等刊物上发表的有关地幔柱的文章,发现几乎无人引用“冷幔柱”的概念。多数意见认为,冷幔柱的存在还需要更多的事实依据,至少可以认为目前还没有地壳(包括洋壳)能够俯冲到下地幔乃至于核幔边界的依据。显然,外,,视[21]。

,如在卡林型金矿矿集区[22～24]、与基性超基性岩有关Cu2Ni2PGE硫化物矿床(以Naldrett为首的研究组在31届国际地质大会上对近年来取得重大突破的Voisey’BayNi2Cu2Co2PGE矿床与地幔柱的关系进行了系统介绍)、条带状铁建造[3]等方面取得了显著进展。国内近年来对于地幔柱概念的响应也比较积极,除了邓晋福等人(1992)较早开始运用地幔柱理论研究岩石圈运动之外[25]《地幔柱及其成矿作,用》一书[11]的出版对于国内广大读者比较系统地了解地幔柱理论具有现实意义。我国在成矿学方面比较多地运用了地幔柱理论,如牛树银等(1996)对于幔枝构造及成矿的研究[26],陈毓川等(1998)对于分散元素形成独立矿床(如大水沟碲金矿)的研究[27],王登红等(1998,1999,2000)对于胶东和滇黔桂两大

果有,又是什么样的联系,这是一个非常重要的研究课题,国内外都在探索之中。如虽然Oppliger等人(1997)提出了卡林型金矿矿集区与黄石热点存在成因联系[22],Isley和Abbott(1999)建立了地幔柱与BIF型铁矿之间的联系[3],但并不清楚为什么有的地幔柱形成金矿矿集区,。,,是,但无疑必,除了大面积分布的峨,近年来还在雅鲁藏布江大拐弯处发现了现代的“热点”。

考虑到峨眉地幔柱在二叠纪时位于赤道附近,与现代的“热点”相隔数千km,因此,如果现代的地幔柱能够进一步确认的话,则我国西南部的大陆地壳至少遭到了两个不同地幔柱的两次“冲击”。对于二叠纪的地幔柱,由于玄武岩已经大规模喷发,因此,峨眉地幔柱实际上演化得比较彻底,其所对应的成矿作用除了带来一些与基性超基性岩有关的Cu2Ni2PGE矿床和V2Ti2Mt外(如杨柳坪、金宝山的Cu2Ni2PGE矿床和攀枝花的钒钛磁铁矿),还可能导致一些先前形成的矿床被破坏或成矿元素发生迁移、重新组合形成新的矿床或矿集区,峨眉山玄武岩分布区外围的热液型Hg,Sb,Pb2Zn矿床具有一定的分带性,可能与此有关。另外,峨眉山玄武岩本身携带有大量的铜,在后续热液作用和/或地下水的

淋滤下也可以形成铜矿床,如在四川省丹巴县铜炉房等地可以见到玄武岩裂隙中的自然铜,并且已经

金矿矿集区及新疆北部Cu2Ni2PGE成矿系列的研在古鲁、花滩、吊红崖等地发现了多个中型以上的铜究[28～30],谢窦克等(1996)、毛景文等(1998)、华仁矿。

民等(1999)、毛建仁(1999)和李子颖等(1998)分别对于现代的“热点”,或许在新生代之初就已经对华南中新生代大规模成矿作用的研究[31～35],最存在并开始活动,并形成了一系列的活动性很强的近还有人运用于秦岭造山带的金属成矿作用[36]。岩浆岩,如四川牦牛坪的岩浆碳酸岩、煌斑岩和碱性

王登红/地学前缘(EarthScienceFrontiers)2001,8(3)　　　71

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地的碱性火山岩,洱海东侧的高钾火山岩和钾镁煌斑岩等,东喜马拉雅的岩浆碳酸岩[37],藏北的板内火山岩

[38]

等,都可能暗示着地幔柱的存在。这个地

幔柱尚在活动、上升,其部分头冠物质可能刚刚到达近地表环境,因而在地表留下的只是蛛丝马迹,需要仔细分辨,因为此时即使是地幔柱直接来源的岩浆岩也会混入大量的地壳物质,包括古老的已经消失在地幔中的俯冲残片,以至于在地球化学特征上往往出现复杂性和多解性。边千韬(2000)根据前人地震层析资料,编制了扬子地台西南缘立体速度异常图,发现存在两个低速柱,东侧的低速柱在垂向上对应于个旧、老王寨和都龙,西侧的低速柱对应于腾冲、金顶和临沧[39]。这两个低速区在50km深度明显分开,在20km深度连成一片,但有隔阂,在200km深度连成一个大的低速区。300km以下,地幔横向不均匀性依然存在,低速异常仍然存在,它向下至少延深到1100km的下地幔。如果该地幔柱能够被进一步确认的话,则不妨可以从全新的角步,。,这还只是一个“参考文献:

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Abstract:Mantleplumetoaofmaterialsoriginatedfromthemantle/coreboundary,of,lowerviscosityandmoreactivethanitssurroundingmantle,aofwithinthemantleandevolvesintoamushroomshapewithalargeheadandabeneaththecrust.Aftertheinteractionbetweenmantleplumeandcrust,atrailofhotspotsandalargeigneousprovincewillbeformedbymantleplumeonthesurfaceoftheEarth.Twobasic

typesofmantleplumescanbeidentifiedaccordingtotheirfinalenvironment(continentaloroceanic),andatypicalmantleplumewillevolvefrominitialstage,toascendingstage,tomaturestageandtowaningstage.SouthwesternChinamighthavebeenaffectedbytwomantleplumes,i.e.thePermianEmeimantleplumeandtheCenozoicmantleplume.TheformerfossilplumehaswanedandproducedtheEmeilargeigneousprovince,whilethelateradolescenceplumeisswellingupandhasproducedalotofmantle2originatedmagma2tism,regionalfluidmovement,andlargescalemineralizationinsouthwesternChina.

Keywords:mantleplume;hotspot;classificationofmantleplume;evolutionofmantleplume;largescalemineralization;southwesternChina