你知道吗？地球热点可分为三类

Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle

文献来源：Courtillot, V., Davaille, A., Besse, J., et al. (2003). Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters, 205(3-4), 295-308.
核心结论：地球热点可分为三类——深源地幔柱（Primary）、过渡带次级柱（Secondary）、浅层成因热点（Andersonian）

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一、热点分类的五大判断标准

作者提出5项标准用于筛选深源地幔柱（Primary Plumes）：

1. 长寿命火山链（如夏威夷-皇帝海山链）

2. 初始溢流玄武岩/大火成岩省（如德干高原对应留尼旺热点）

3. 浮力通量 $>10^{3}\,\mathrm{kg/s}$（支撑地形隆起的物质流量）

4. 高$^{3}\mathrm{He}/^{4}\mathrm{He}$或$^{21}\mathrm{Ne}/^{22}\mathrm{Ne}$比值（指示深部原始地幔来源）

5. 500 km深度低剪切波速（$V_{S}$）异常（反映高温物质上涌）

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二、三类热点的特征与成因

1. 原生热点（Primary, “Morganian”）

• 来源：核幔边界（D’'层），锚定于化学异质体

• 典型代表：夏威夷、冰岛、留尼旺、特里斯坦等（共7个）

• 关键证据：

  • 满足≥3项判断标准（如夏威夷：火山链+高He同位素+低$V_{S}$）
  • 浮力通量高达$8.7{\times}10^{3}\,\mathrm{kg/s}$（夏威夷）
  • 古纬度变化显示与真极移（TPW）同步运动（图2）

• 动力学意义：

  • 反映下地幔四极对流模式（Quadrupolar Convection）
  • 太平洋与非洲超级上涌体边缘的示踪剂

2. 次级热点（Secondary）

• 来源：过渡带（410-670 km）超级上涌体边缘

• 典型代表：塔希提、萨摩亚、皮特凯恩等（约20个）

• 特征：

  • 火山链较短（<1000 km），无溢流玄武岩
  • 浮力通量中等（$1$–$3{\times}10^{3}\,\mathrm{kg/s}$）
  • 部分显示高He同位素但缺乏深部$V_{S}$异常

• 形成机制：

  • 超级地幔柱（Supermantle Plumes）顶部热边界层失稳
  • 实验显示化学-热混合对流可同时产生超级地幔柱和小型次级柱

3. 浅源热点（Andersonian）

• 来源：上地幔（<410 km），与板块应力相关

• 典型代表：埃菲尔、百慕大等（约20个）

• 识别特征：

  • 无线性年龄序列，缺乏深部地球物理/地球化学信号
  • 可能与岩石圈破裂或边缘驱动对流有关
  • 浮力通量低（$<10^{3}\,\mathrm{kg/s}$），He同位素接近MORB

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三、地球物理证据链

1. 地震层析成像（图1）：

   • Primary热点在500 km深度显示明显低速异常，但在下地幔无连续柱体
   • 非洲和太平洋下方存在巨型低速区（超级地幔柱）

2. 古地磁数据（图2b,c）：

   • 夏威夷与留尼旺热点在50 Ma前以$\sim\!50\,\mathrm{mm/a}$速率相向运动
   • 与真极移速率变化（$\sim\!30\,\mathrm{mm/a}$）同步

3. 板块运动学：

   • 太平洋与非洲半球热点群相对运动在45 Ma后骤减至$<\!10\,\mathrm{mm/a}$
   • 阿代尔海槽（Adare Trough）古板块边界重建支持跨半球运动模型

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四、地幔动力学模型

四极对流与超级上涌体

• 结构特征：

  • 下地幔主导的四极对流模式（Quadrupolar）
  • 太平洋与非洲下方巨型热化学上涌体（Superplumes）
  • 冷物质沿环太平洋俯冲带下沉形成对流环

• Primary热点作用：

  • 作为被动示踪剂记录下地幔对流调整
  • 中生代以来的快速相对运动（$\sim\!50\,\mathrm{mm/a}$）反映超级地幔柱迁移

真极移触发机制

• 130 Ma事件：可能与过渡带冷物质崩塌触发下地幔崩塌有关

• 50 Ma转折：特提斯俯冲带关闭导致地幔热结构重组，引发：

  • 夏威夷-皇帝海山链转折
  • 四极对流速率骤降
  • 真极移停滞

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五、争议解决与启示

1. 热点参考系争议：

   • 混合三类热点导致表观快速运动（如太平洋热点间$60\,\mathrm{mm/a}$）
   • 仅Primary热点在半球内相对稳定（$<\!5\,\mathrm{mm/a}$）

2. 地幔柱理论验证：

   • 深源（Primary）与浅源（Andersonian）热点共存
   • 大型溢流玄武岩（如西伯利亚暗色岩）需深部柱头熔融

3. 对板块重建的意义：

   • 使用Primary热点可提高古板块位置精度
   • 需剔除浅源热点的干扰信号

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六、未解问题

1. 原生热点柱体是否穿透660 km不连续面？

2. 超级上涌体的化学组成（富Fe？）与Primary热点岩浆源区的关系

3. 真极移事件的触发阈值与地幔异质性空间分布的关联

文献价值：首次系统整合地球物理、地球化学与运动学证据，提出热点三分模型，调和了Morgan地幔柱与Anderson浅成论的长期争论。