[科普中国]-地幔对流

简介

地幔对流（mantle convection）：板块构造说认为地幔对流是板块运动的主要驱动机制。这一词汇在19世纪已有人提出，英国著名地质学家霍姆斯（A Holmes，1928）和格里格斯（D.Griggs，1939）试图用地幔对流作为大陆漂移的驱动力。20世纪60年代这一观点被地质学家广泛接受，并成为海底扩张、板块移动以及地幔柱形成的重要机制。地幔是由高温的热物质组成的。由于地幔内部存在密度和温度的差异，导致固态物质也可以发生流动。地幔对流是一个复杂的系统，它既是一种热传导方式，又是一种物质流的运动。地幔对流是在缓慢的进行的，对流活动的时间可达几千万年，甚至几亿年。地幔对流的流动形态可以不同。热的地幔物质上升减压常常伴随有部分熔融作用发生。地幔对流可以是从核幔边界上升至岩石圈底部，形成全地幔对流环；也可以是分层对流，即上、下地幔分别形成对流环。近些年来地震层析和地球化学研究成果已证实地幔的流变。

地幔中，特别是地幔软流层中发生的热对流。地幔对流是一种自然对流，既是发生在地幔中的一种传热方式（通过物质运动传递热量），又是一种地幔物质的运动过程（由物质内部密度差或温度差所驱使的），是地球内部向地球表面输送能量、动量和质量的一种有效途径。由于它被认为是地球演化的最可能的驱动因素，并且与大洋中脊裂谷和大陆裂谷的形成，地表热点的分布，地震和火山活动，以及某些矿物的生成密切相关而受到重视。1

研究历程地幔对流是人们根据对地球的认识而推断出来的一种假说。早在1881年，费希尔(O.Fisher)在《地壳物理学》一书中就提出了地幔中可能存在着对流的观点。20世纪30年代，英国地质学家霍姆斯(A.Holmes)曾企图以地幔对流来解释大陆漂移的驱动机理。60年代，地幔对流的思想则成为解释海底扩张和板块大地构造学说的重要理论之一。板块学说认为，驱动板块运动的主要因素是某种形式的地幔对流。地幔对流是与地球动力学的研究同时发展起来的。

分类按流变性质划分，地球上层应分为岩石层（圈）和软流层（圈）。软流层中的地幔物质由于部分熔化具有类流体性质。在有限厚度流体层中由密度差（或温差）驱使的热对流一般呈蜂窝状结构，每个蜂窝中都有上升流、下降流和水平流动，它们构成一个完整的对流单元。二维问题中的对流单元称为对流环。完全流体层中的对流环一般呈长方形。根据深源地震资料以及地幔相变区和流变参数的估算，多数学者认为地幔对流层的最大深度为 700公里左右。因此在一个板块下面就要有几个甚至十几个对流环。相邻对流环中的流动方向相反，对浮于其上的岩石层板块的拖动力方向也相反，造成拖动力互相抵消（图1）,这就是地幔对流研究中的所谓“纵横比予盾”。

有人认为把地幔对流限制在 700公里深的上地幔内的根据是不充分的，因而主张全地幔对流。由于对流层的深度扩展到核幔边界的2900公里深处(图2)，板块水平尺度与对流层深度之比为1的量级，纵横比的矛盾就可以得到解决。70年代末80年代初，全地幔对流研究十分活跃，包括探讨全地幔对流的特征及其与地表观测数据的联系，特别是已开始考虑三维效应。但是全地幔对流假说是否成立，还要由它能否解释各种地球物理观测资料来判定。

岩石层板块在大洋中脊由热地幔物质产生，在海沟处返回地幔，因而水平运动的岩石层板块是地幔对流的组成部分。对流系统中应当同时包含具有不同流变性质的岩石层和软流层物质。初步计算结果表明，岩石层在对流系统中出现，也使对流环的纵横比更为合理。70年代末，这方面的研究工作还在不断改进，以期得到与地表观测更符合的结果。2

意义地幔对流中的上升流动对地球物理学有重要意义。它是从地球内部向地表输送能量、动量和质量的主要途径，被称为地幔上涌流动或热柱。柱状地幔上涌流有时也被称为地幔涌流。上涌流动与大洋中脊裂谷和大陆裂谷的形成，地表热点和火山现象密切相关，因而受到重视。