地幔柱、大火成岩省和重大环境灾变之间的关系 （周春银 编译；原文出处： Nature 杂志） （ from http://www.nature.com/nature/journal/v477/n7364/full/477285a.html ） These rocks form part of a gigantic volcanic area that erupted 250 million years ago contemporaneously with the end-Permian mass extinction. A new study by Sobolev et al . 1 suggests that incorporation of large amounts of ocean-crust material in the erupting magma would have generated huge volumes of gases capable of triggering this environmental calamity. 【导读】地幔柱、大火成岩省以及它们和地球历史上的大灭绝事件之间的关系，一直都是地质历史学家感兴趣的话题，针对这些具有非常多争议的课题，很多学者发表了不同的观点，有些观点甚至是完全相左的。 Stephan Sobolev 等科学家提出了相关的岩石学证据证明在地幔柱头冠中存在大量的高密度大洋地壳物质，并结合他们的模型，认为在主火山作用之前这些大洋地壳物质脱气产生的 CO 2 和 HCl 气体就足以引起大灭绝。详细报道见 9 月 15 日 最新一期《 Nature 》文章。 【原文摘要】 大火成岩省（ Large igneous provinces ， LIPs ）由于其能够快速产生大量（在少于 1 百万年的时间内产生高达几百万立方千米）的岩浆（ 1 ）、造成岩石圈的明显减薄（ 2 ， 3 ）并经常以大陆裂解而告终、以及其和全球重大环境灾变之间的关系（ 4 ， 5 ）而为我们所熟知。尽管 LIPs 非常重要，但是即使围绕着其基本观点，即 LIPs 在热地幔柱的头冠中通过熔融而形成，也存在着争议（ 2 ， 3 ， 6-10 ）。二叠 - 三叠纪的西伯利亚地盾（ Siberian Traps ）（ 11 ），典型的 LIPs 例子和最大的大陆 LIP （ 1 ， 12 ），位于巨厚的克拉通岩石圈之上（ 1 ， 12 ），并和最大规模的著名大灭绝事件（ 1 ）是同时的。但是并没有证据显示如推测在地幔柱头冠之上（ 2 ， 6 ， 9 ）存在岩浆前隆起（ pre-magmatic uplift ）或巨大的岩石圈伸展（ 7 ）。而且，西伯利亚地盾的岩浆 CO 2 脱气作用被认为并不足以导致气候危机（ 13-15 ），从而推得一个假设即沉积物堆积所释放的热成因气体导致了大灭绝（ 15 ， 16 ）。本文我们展示了在地幔柱头冠中存在大量（ 15 wt% ）高密度再循环大洋地壳物质的岩石学证据，并提出了一个热力学（ thermomechanical ）模型，该模型推测并不需要存在岩浆前隆起和岩石圈伸展作用。模型推测在在几十万年时间内存在大规模的地幔柱熔融作用以及巨厚克拉通岩石圈的不均一侵蚀作用。模型认为，仅仅是大量的 CO 2 和 HCl 脱气作用，主要来自地幔柱头冠中的再循环地壳物质，就足以导致一场大灭绝，并预计大灭绝发生在主火山作用阶段之前，这与西伯利亚地盾和其他 LIPs 地区的地层学以及地质年代学数据（ 5 ）是一致的。 （参考文献见原文。） Nature 原文链接：题目： Linking mantle plumes, large igneous provinces and environmental catastrophes ： http://www.nature.com/nature/journal/v477/n7364/full/nature10385.html 另有一篇对该文的同期介绍文章： Earth science: Lethal volcanism ： http://www.nature.com/nature/journal/v477/n7364/full/477285a.html
数值模拟研究夏威夷热点火山作用的成因 Maxim D. Ballmer, Garrett Ito, Jeroen van Hunen and Paul J. Tackley （周春银编译） 夏威夷热点火山作用（ Hawaiian hotspot volcanism ）一直都是地质学家研究的热点之一，也是经典板块构造理论（ plate tectonics ）和地幔柱（ mantle plume ）理论所重点讨论的地区。但是对于夏威夷地区（及周围地区）火山的成因，尤其是火山作用的物质来源，始终存在着一定的争议。前不久《 Science 》杂志文章根据地震层析成像研究，提出了与传统地球化学观点不一样的解释，认为夏威夷火山的物质来源可能并不是深部下地幔（见本博客文章《 地幔转换带不连续面地震成像结果指示夏威夷西部存在热地幔 》介绍）。近期，科学家通过数值模型提出了与传统地幔柱观点不同的机制来解释夏威夷热点火山作用的成因机制，文章《 Spatial and temporal variability in Hawaiian hotspot volcanism induced by small-scale convection 》发表在近期《 Nature Geoscience 》杂志上。 Nature Geoscience 链接 ： http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n7/full/ngeo1187.html 补充材料： http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n7/extref/ngeo1187-s1.pdf 模拟 movie ： http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n7/extref/ngeo1187-s2.mpg 全文下载（ PDF ）： 2011-NG-Spatial and temporal variability in Hawaiian hotspot volcanism induced b.pdf 【原文摘要】远离板块边界的火山作用经常都被归因于下伏地幔柱作用。但是，目前有关夏威夷火山作用的一些观测，如火山喷发物质量随时间的变化、火山熔岩地球化学特征在地表的不对称性以及远离热点的次级火山作用，无法用经典地幔柱观点来解释。本文是对夏威夷地幔柱的数值模拟，发现地幔中的小规模对流可以侵蚀岩石圈的底部，从而在板块底部形成“搓衣板”（ washboard ）形的构造。当板块在地幔柱上升流之上移动时，地幔柱就会与厚度时而变化的岩石圈相互作用而随之产生火山喷发物质量的不断变化。原先的“搓衣板”构造也会引起地幔柱的不对称扩散和熔融。在该模拟中，这一地幔流的不对称性可以形成喷发熔岩地球化学特征的不对称性。最后，在地幔柱内会产生一种更加普遍的小规模对流作用，可以在远离热点的位置形成上升流的局部成带分布。相关的岩浆作用由起源于地幔柱管道边缘化学成分不同的物质提供物质来源。模拟结果显示浅部作用对深源地幔柱火山作用具有重要的影响。 经典的地幔柱通常都被描述为一个纯粹的由热驱动的、细小的上升流而穿越整个地幔最终在板块底部形成一个薄饼（ pancake ）构造。这样的上升流在动力学上可以形成一个拉长的抛物线形的海底地形隆起。相关的热点火山作用是定位和静止的，从而形成一条随时间递进的岛链。这一经典理论的确成功预测了热点链上的许多一级观测想象，夏威夷就是其中研究最多最著名的。 Figure 1. Overview and concept. a , Geographic overview and bathymetry of the Hawaiian Islands. Shield volcanoes are marked with triangles and arch volcanic fields with strong acoustic reflectivity are shaded. The shallow seafloor surrounding the islands is referred to as the Hawaiian arch (black dashed). b , Conceptual illustration of small-scale convection (SSC) interacting with the Hawaiian plume. Undulations on the base of the lithosphere (washboard pattern; dashed yellow line) were created by SSC in the ambient mantle. 有一系列的有关夏威夷火山作用的观测是无法用上述经典理论来解释的。首先，沿夏威夷 - 皇帝链的平均火山 flux 在一般 ~15 Myr 尺度内变化大于 2 倍之多。其次，火山熔岩地球化学特征的不对称性目前还不清楚。最后，广泛发育的远离夏威夷热点的次级火山作用目前仍难于解释成因（ Fig.1a ）。本研究模拟表明，岩石圈下小规模对流（ small-scale sublithospheric convection, SSC ）和夏威夷地幔柱的相互作用（ Fig.1b ）可以解释以上这些观测到许多重要方面。本模拟与前任动力学模拟研究的不同点在于，本模拟考虑了更大的尺度以及与温度紧密相关的地幔流变学性质，并同时模拟了地幔柱薄饼构造内外的 SSC 作用。详细的模拟条件和方法见原文 p458 第二段和补充材料。 Figure 2. Visualization of the central part of the reference model. a , Horizontal (at 130 km depth) and vertical cross-sections are coloured by potential temperature T pot . The hotspot and secondary melting zones are in black. Isotherms of 1,550 and 1,620 C are white. Black arrows show the direction and strength of ambient-mantle SSC 800 km upstream of the plume. See also Supplementary Movie . b , Vertical cross-section of T pot and viscosity η through the upwelling plume oriented perpendicular to plate-motion with contours denoting log 10 (η). Upper panel shows a blow-up of the yellow-shaded area. Light blue arrows show the schematic flow field indicating that the plume pancake spreads asymmetrically as guided by undulations in lithospheric thickness. 模拟结果预测了两种类型的 SSC 发育（ Fig.2a ）。一种是在通常地幔中， SSC 自组织于成熟的大洋岩石圈下面，可以控制大洋岩石圈的最大厚度和海底年龄降低。另外一种 SSC 发育在岩石圈下面地幔柱薄饼 (mantle-pancake) 构造内，更加普遍。前一种 SSC 可以在岩石圈底部形成“搓衣板”构造，岩石圈在上升流之上较薄而在下降流之上较厚（ Fig.2b ）。 Figure 3. Source and volume flux of surface volcanism. a , Colours give the pyroxenite contribution to volcanism (grey is no volcanism), and contours denote the rate of volcanism per area of seafloor. From outside to inside, dashed contours are at 0.01, 0.1, 1, and 10 km 3 km -2 Myr -1 . The solid contours follow the same log scale shifted by 10 0.5 . Pyroxenite contribution X PX in the centre of the hotspot is ~50%, but is slightly higher and lower along the Kea and Loa trends, respectively. This distinction persists through the postshield stage, as does the geochemical distinction between the two trends. Rejuvenated and arch volcanism shows relatively low (~40%) and high (97%, not shown) X PX , respectively. b , Dashed lines denote volcanic fluxes (km 3 Myr -1 per km of distance along the chain) for the Kea trend (red), the Loa trend (blue), and the total of both trends (black). The assumed feeding zones for the two trends are denoted light grey in a . Solid lines show the pyroxenite contribution for the same colour code, and elucidate the asymmetry of shield and postshield volcanism arising from the distribution shown in the map view in a. The bold black number indicates the total flux of hotspot volcanism in (km 3 Myr -1 ). Green and grey shadings denote the predicted durations of the major phases of Hawaiian volcanism (as defined by volume flux). 在模拟中，温度不同的 Kea 端和 Loa 端内熔融行为的差异（辉石岩源熔体比例 X PX 不同），是由 SSC 和地幔柱相互作用以及小规模成分不均一性造成的（ Fig.3 ）。而地幔中 SSC 的形态和强度对于夏威夷火山物质量也具有重要影响（ Fig.3b ），地幔柱与厚度不同的岩石圈相互作用能够引起火山物质量的变化，而这并不是深部地幔作用的产物。远离热点中心的地幔柱 - 薄饼构造中的 SSC 可以引起减压熔融，从而也可以解释广泛发育的次级火山作用的成因（ Fig.3a ）。 更多详细内容请参考原文。
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