板内地幔岩浆作用成因之争：板块构造还是地幔柱

图 书 简 介

板块构造理论能有效解释发生在板块边界的所有地质现象和过程，但难以解释发生在板块内部的地质现象和过程，因此人们提出了地幔柱假说来解释“板内”岩浆活动。然而，地幔柱是否存在是固体地球科学发展史上最激烈的争辩之一。本书系统介绍了板块构造理论和地幔柱假说的基本概念、起源及演化，通过对板内地幔岩浆作用（熔融异常）成因机制的讨论，从科学方法论角度出发，客观、全面（多学科）地对比了“板块成因”或“地幔柱成因”的可能性，结合大量实例和最新研究成果，力图让读者更好地理解这一场辩论。

本书可作为地质学及相关专业本科生和研究生的选修书目和参考书目。

译 者 序

50 多年前板块构造的发现暨板块构造理论的诞生是地球科学领域的一场革命。该理论能有效解释发生在板块边界的所有地质现象和过程（如岩浆活动、变质作用、构造变形、地震活动等）。但该理论的重要假设认为岩石圈板块是刚性的，所以难以能解释发生在板块内部的地质现象和过程，尤其是诸多像夏威夷这样的“板内”岩浆活动。因此人们提出了地幔柱假说来解释“板内”岩浆活动。然而，地幔柱是否存在是固体地球科学发展史上最激烈的争辩之一。本书系统介绍了板块构造理论和地幔柱假说的基本概念、起源及演化，通过对板内地幔岩浆作用（熔融异常）成因机制的讨论，从科学方法论角度出发，客观、全面（多学科）地对比了“板块成因”或“地幔柱成因”的可能性，结合大量实例和最新研究成果，力图让读者更好地理解这一场辩论。原作者通过本书向读者传递了一个科学研究的基本思想——“任何一个假说或猜想必须经得起观察、物理原理和逻辑推论的检验”，翻译本书的目的正在于此。本书将对立志于地球科学研究的高年级大学生和研究生极有帮助。

本书是在牛耀龄教授的组织下，由团队中的在读学生共同翻译完成，包括中国地质大学（北京）的陈艳虹（博士生；翻译第1 章，校对第5 章）、田杨（硕士生；翻译第5 章，校对第4 章）、石苡宁（本科生；翻译第6 章，校对第3 章）、薛松（本科生；翻译第7 章，校对第2 章）、夏博洋（本科生；翻译第8章，校对第1 章）以及中国科学院海洋研究所的沈芳宇（博士生；翻译第2 章，校对第6 章）、单莉（硕士生；翻译第3 章，校对第7 章）、汪佩瑶（硕士生；翻译第4 章，校对第8 章）。本书译稿全部都经过了牛耀龄教授和所有翻译成员的仔细阅读和修订。在翻译的过程中，所有翻译成员都获益匪浅。希望本书的每一位读者也都能有所收获，为地球科学研究做出更多贡献。

本书翻译团队

2019 年10 月

前 言

板内幔源岩浆的成因是一个跨学科的课题。地幔柱假说认为，板内幔源岩浆是由深部地幔物质热底辟引起的；而板块构造假说认为，板内幔源岩浆与板块构造相关的浅部过程有关。有关板内幔源岩浆活动的研究资料很分散，正因如此，在过去10 年里，科学家们聚在一起，试图通过www.mantleplumes.org网站来解决这个问题。该网站自2003 年3 月5 日建立以来，迅速发展壮大，至今已有来自世界各地500多名科学家贡献的数千个条目。然而，即使这些资料都汇聚在一个网站上，对于有抱负的学生来说，要理解这一迷人课题的海量资料仍极具挑战。目前仍然缺乏有组织的实质性、连贯性的工作。

因此，在2007 年的夏天，我决定开始写这本书。在这本书中，我试图总结这场争论中一些最核心问题的立场。地幔柱假说做出了5 个最基本的预测，它们可以通过研究地表垂直运动、岩浆量、火山活动的时空分布、地壳和地幔的地震成像以及地幔源区的温度来检验。板块假说在这些方面做出了相反的预测。本书每一章都有一节专门探讨两种假说的预测与实际观察结果的吻合程度。由于地球化学被广泛应用于恢复地表喷发岩浆的起源，我还增加了一章关于地球化学的内容。要决定涵盖哪些具体内容并不容易，诸如早期岩石圈结构对区域火山活动的影响、熔体的源区、陨石撞击和行星火山活动等重要问题仍然有待详细研究。

有时候，人们会问我的知识背景是什么，为何会走上研究地幔柱、“热点”和板内幔源岩浆活动这条道路。我的整个职业生涯都是地震学家，对使用GPS 研究地壳变形和板块运动也有所涉猎。我的科研生涯开始于对冰岛地热的研究，从那时起我就坚信跨学科的工作对全面理解科学问题至关重要。我在冰岛生活了多年，学会了当地的语言，深入了解了冰岛的地质知识，我认为，只有在一个地方真正生活过，才有可能真正理解她的复杂性。已经解决的科学问题通常会被发表出来，而那些未知，潜藏着令人兴奋的新发现，仍等待着人们发掘。

在我攻读博士期间，我很早就学习到，要倾听“喧闹”数据的声音。当时我的地震数据很难被解译，因为没有一种剪切断层的机制能与之吻合。导师告诉我，一定是我将仪器安装错了。实际上，我用4 种独立的方式校准了我的网格，并且所有的校准结果都一致。6 个月后，我意识到我的地震不是由剪切断层作用引起的，而是由热拉伸裂缝引起的。一切突然就都解释通了。由热导致的断裂正在冰岛发生着，这里肯定存在一个未知的热源和一个迄今为止仍然未知的热储库。地球化学以及地质学数据同时也得出了相同的结论，这让我极度兴奋。

这便是我职业生涯的开始，接下来我开始研究更大的尺度——地幔的结构。在这方面，我受到了伊耶（H.M. Iyer）开创性工作的启发，早在1989 年，我与他一起构思了一个宏大的冰岛项目。20 世纪90年代中期，我获得了英国自然环境研究委员会（Natural Environmental Research Council）、美国国家科学基金会（National Science Foundation）和欧洲共同体（European Community）的一系列资助，用于“冰岛地幔柱”的研究。如果我以检验地幔柱是否存在为目的申请项目，我的申请很可能会被拒绝，就像在20世纪80 年代我做出的检验地震是否由剪切走滑断层引起的申请一样。

1996 年，我们安装了当时范围最广的地震台网，覆盖了整个冰岛，在操作过程中遇到了许多困难。尽管如此，我们还是获得了大量的数据集。在20 世纪最后一个11 月的一个黑暗、潮湿的深夜，我坐在书桌前，为一个低波速异常感到困惑，因为这个异常并不是我们预期的形状。所有人都得到了相同的结果，大部分人都认为它无关紧要，但我就是想弄明白到底是怎么回事。

那天晚上，我突然明白了这些数据想告诉我们什么。虽然我们不能看到异常的底部，但是它奇怪的形状告诉我们，它终止于过渡带，并没有延伸至下地幔。这意味着什么？我们匆匆向《科学》投稿，却发现就在这一周《科学》杂志就已经发表了一篇全地幔层析成像的论文，惊人地证实了我们的结论。1999 年12 月，我参加了在旧金山举办的美国地球物理联合会（American Geophysical Union）会议，会上我传达了“冰岛地幔柱”与我们今天认为的不同，它是一个“上地幔柱”。

然后，布鲁斯·朱利安（Bruce Julian）介绍我认识了唐·安德森（Don Anderson）。

“也许那里没有地幔柱”，他说。我当场惊呆了。

从那时起，我就一直在通过自己的研究检验以下假说是否成立：冰岛的火山活动是起源于地幔浅部的过程，与地幔柱无关。如果这样的假说可以解释冰岛，那么它也可以解释其他传统上被认为存在地幔柱的地方吗？一个人无法轻易挑战地幔柱假说，因为它是一个几乎普遍假定的、具有全球重要意义的跨学科假说，它支撑着地球科学几乎每一个分支中的概念。要重新审视这些概念并不是一件容易的事情，因为几乎所有的资料都是根据传统假说有选择性地加以解译的。我从彻底重新审视冰岛开始。著名的“热点轨迹”意味着什么？我们假设的高地幔温度真的存在吗？我们如何解释高海拔？如何解释声称来自下地幔的大量岩浆和独特的地球化学特征？最关键的是，如果冰岛不是由来自地球深部的地幔柱形成的，那还有什么过程能解释呢？

经过艰难的挣扎，我最终被数据说服，冰岛地幔熔融异常是源于浅部地幔过程而非深部地幔，这些数据强烈支持这一过程。符合地幔柱假说的观测结果非常少，看起来，似乎甚至比单纯从随机事件中预测的还要少。为了使观测结果符合地幔柱假说，一些学者不惜扭曲地幔柱，这是背离科学的，这坚定了我的想法，地幔柱假说不可能是正确的。

在这一场旅行中，我并不是一个人。我和唐·安德森很快就遇到了其他无法接受观察结果与假说不符的人，由此便成立了板块构造团队，现在有16 名成员。20 世纪90 年代之前电子邮件和互联网还没有普及，然而在通信发达的今天，它们使跨学科、国际性、独特的合作成为可能。这种合作的特点是完全自由、不受限制、无私地交换数据、思想，并相互支持。如果没有这个团队的支持，没有更广大的渴求真理的科学家团体支持，我的研究不可能持续下去。

目 录

译者序

前 言

专有名词中英文对照

第1 章 板块构造和地幔柱假说的起源及发展

1.1 火山

1.2 大陆漂移假说的提出及反对

1.3 地幔柱假说的萌芽

1.4 地幔柱假说的预测

1.5 地幔柱列表

1.6 检验地幔柱假说

1.7 夏威夷和冰岛

1.8 新思路

1.9 板块假说

1.10 板块假说的预测

1.11 检验板块假说

1.12 回顾夏威夷和冰岛

1.13 存在的问题

1.14 学生练习

第2 章 垂直运动

2.1 引言

2.2 地幔柱假说的预测

2.3 板块构造假说的预测

2.4 地幔柱假说与板块构造假说的对比

2.5 观察

2.6 地幔柱衍生模型

2.7 讨论

2.8 学生练

第3 章 火山活动

3.1 引言

3.2 地幔柱假说的预测

3.3 板块构造假说的预测

3.4 板块构造假说和地幔柱假说的预测比较

3.5 观察现象

3.6 地幔柱衍生模型

3.7 讨论

3.8 学生练习

第4 章 熔融异常的年龄递变及其相对固定性

4.1 引言

4.2 方法

4.3 地幔柱假说的预测

4.4 板块构造假说的预测

4.5 观察

4.6 热点参考系

4.7 地幔柱模型衍生体

4.8 讨论

4.9 学生练习

第5 章 地震学

5.1 引言

5.2 地震学方法

5.3 地幔柱假说的预测

5.4 板块构造假说的预测

5.5 观察结果

5.6 全球观测

5.7 地幔柱衍生模型

5.8 讨论

5.9 学生练习

第６章 温度和热量

6.1 引言

6.2 工作方法

6.3 地幔柱假说的预测

6.4 板块构造假说的预测

6.5 观察结果

6.6 地幔柱衍生模型

6.7 讨论

6.8 学生练习

第7 章 岩石学与地球化学

7.1 前言

7.2 基本概念

7.3 地幔柱假说预测

7.4 板块构造理论预测

7.5 深部地幔和核- 幔边界的示踪

7.6 几个关于熔融异常的实例

7.7 地幔柱衍生模型

7.8 讨论

7.9 学生练习

第8 章 总 结

8.1 引言

8.2 地幔对流

8.3 一个不可检验的假说

8.4 熔融异常多样性：反驳地幔柱的有力证据

8.5 多学科联合的需要

8.6 展望未来

8.7 学生练习

参考文献

版 本 信 息

责任编辑：程 静

印 次：2020 年6 月北京第1 次印刷

定 价：148.00 元

书 号：ISBN 978-7-116-12066-2

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