这是个好问题呀，我曾经做过大概六个月的地幔柱研究，以后可能还要继续做这个，以及本质上我是研究地幔对流的做数值模型的，我觉得可以更新一下这个问题，在之前匿名的大哥的基础上增加一些最近比较新的关于地幔对流的认知。接下来的内容可能相对专业，需要有一定的地质学背景，我先为自己不是一个好的科普作者道歉。
首先讨论与提出的问题相关的内容。这个问题问的是地幔柱、地幔对流与洋中脊、俯冲带的关系，本质上是关于地球内部地幔对流、地球表面板块运动的相关性、运作机制的问题，那我就讨论一下地幔对流和板块运动是怎么样运作的。
这个问题，目前的认知就是，我们还不知道具体的机制，特别是板块运动的问题。先上一个卡通图，我个人觉得比较好的总结了目前我们在大尺度上对地幔对流、板块运动的认知，但是这个图也是有一点问题的。
图中的箭头表示了运动的方向，在地表我们有洋中脊、俯冲带等和板块运动相关的结构，这些结构也和一些板块运动的驱动力、阻碍力有关。接下来分块说一下几个重要的区域，澄清几个问题描述中不严谨或者有些许错误的地方。
1、洋中脊与地幔柱的关系：洋中脊和地幔柱并没有直接联系，洋中脊的本质是上地幔热物质上涌，形成的（形成深度差不多100km左右），而地幔柱则是更深的物质上涌产生的（至少深度在200km及以上）。洋中脊的部分熔融或者观测到热异常主要是因为上涌物质本身比较热，然后又发生了压力下降，发生了所谓的减压熔融过程（这方面我的理解可能不是很深入，如果有不正确的地方请斧正）。
2、关于全地幔对流还是分层对流的问题：问题描述中关于对流在软流圈还是全地幔中进行是一个目前争议还很大的问题。首先是全地幔对流，又称为plume model（地幔柱模型），这个模型是基于普林斯顿的J. P. Morgan教授在上世界七十年代提出的地幔柱假说基础上形成的，核心思想是地幔对流是从核幔边界开始一直到地表的，地表产生的俯冲板片可以到达下地幔，下地幔的上涌物质也可以到达地表；第二个是分层对流模型，又称为plate model（板块模型），这个模型是加州理工的D. L. Anderson教授提出的，是相对于地幔柱模型的另一个可能行，核心思想是地球内部是分层的，我们能够观测到的对流主要发生在上地幔，而驱动力或者说主要影响因素是表面的板块运动。两人都是杰出的地球科学家，这两个模型都能解释不少事情，相关争论应该还会持续许久。
3、地幔柱和地表板块运动有没有关系：以目前的认知，有关系，还比较密切。如果接受plume model，那地幔柱和俯冲板片本质上是质量和热量平衡的两个变量，Bercovici and Karato (2003)计算过相关通量，我们观测到的俯冲板片的量、地表热通量等数据都更支持plume model。一些数值模型也显示了表面的俯冲对地幔柱的形成有影响(McNamara & Zhong, 2005; Hansen, et al., 2016)。如果接受plate model，那里面的热柱更是直接由板块运动造成的。
4、夏威夷是不是地幔柱，动不动：这个还真不知道，地幔柱不动本质上也是个假设，当然也有一些支持性的证据，比如运用独立于地幔柱的参考系进行板块重建，很多和地幔柱相关的现象比如大火成岩省、金伯利岩的形成等在发生时的位置都相对固定(Torsvik, et al., 2010)，不过还没有任何一个数值模型能够证明这事。数值模型的建立是基于我们目前对地球内部运转的物理模型的数学化，因此观测和模拟对不上，要么观测的事情存在一定的偶然性，不具备物理机制，或者我们对地球内部运作的物理机制了解地还不够。
接下来一个重要的问题，地球内部到底怎么对流。
问题中提到了两种对流模式，哪一种是真实情况或者说更接近真实情况呢？很遗憾，至今我们并不知道答案，全地幔对流和分层对流一直都在竞争，都有理有据。当然也有一种可能是地球内部本质上是两种状态交替进行的，以我们现在这个观测的时间切片来说，我们并不能知道具体情况。全地幔对流的证据主要是来自地震层析成像，最经典的例子莫过于Grand, et al. 在1997年做的层析成像，第一次追踪到了一个连续的、进入下地幔的俯冲板块。
当然，用同样的方法，也能看见停滞在地幔某些地方的俯冲板片，例如Fukao & Obayashi (2013)发现太平洋两侧的俯冲很多时候都在660左右变平，下不去，有可能地球内部是分层对流。一些晶体物理、地震波速的研究(Murakami, et al., 2012)，发现可能目前地球处于一个转换的过程中。
目前这些问题都没有很好的解答，很多有关研究都发表在Nature、Science上了，这是目前地球科学一个难点。也是一个热点前沿问题。
接下来写几个我觉得比较有意思，比较新的和问题本身相关的内容，当然会有一些和前文有重复的地方。
第一个是关于地幔柱的问题。
目前关于地幔柱起源的问题，比较热门的假说是来自下地幔。从全球、全地幔层析成像上来看，在下地幔，有两个很有意思的区域分别位于太平洋下方和非洲下方，这两个区域有着很低的S波波速，以及S波和bulk sound velocity成负相关，显示有可能存在物质异常(Master, et al., 2000)，更为新的全地幔层析成像模型显示了更多的特征(Ritsema, et al., 2011; French and Romanowicz, 2015)，例如连续性，高度可到1000km深等现象。推荐一篇相关的综述性文章Garnero, et al. (2016)，比较好的阐述了相关问题。这两个区域的重要意义在于，根据Torsvik, et al.(2010)的观测、重建，所有和地幔柱相关的结构，在产生时都在现今这两个大型的下地幔结构边缘，而这两个大结构也被认为是地幔柱的起源地。通过板块重构等方法，Torsvik等人认为这个东西能够长期保持在同一个地方，然而目前没有任何模型或者其他观测能够重现、解释这个现象。的人这个世界上也有很多研究人员并不觉得地幔柱是存在的，推荐一个有趣的网站，这里有很多关于地幔柱的争论，有包括论文汇总、演讲ppt等资料。
Do plumes exist?
第二个就是关于地球内部的分层
最基础的分层是建立于pyrolite模型的分层，上地幔、过渡带、下地幔这样的划分是比较经典的，出现在很多教科书里的分层。然而随着晶体物理、地震学、地球动力学的发展，事情变得不太一样。
Kellogg, et al. (1999)的模型，提出了一种可能性，地球在下地幔本质是分层的，最近的Ballmer, et al.(2015)做了一个模型，解释了地球内部可能存在的分层以及相关的俯冲板片停留在1000km这个深度的问题。Rudolph, et al. (2015)利用蒙特卡洛法，发现在地球内部，粘度结构在660-1000km深度有一个比较有趣的变化过程。当然我们目前还没有直接的观测可以来限制或者得到真实的结构。所以1000km可不可能成为新的分界面呢？这个问题还需要更多更直接的观测，例如晶体物理实验或者地震学的观测。
第三个就是水在地球内部的作用和影响
水在板块运动中其实有很重要的作用，但是我们对它的分布、转移、作用还是不是很了解。Bercovici and Karato (2003)这篇文章讲的是一个地球内部水循环的假设，很有意思，相关推论也有一些地震学上的证据(Song, et al., 2004)，Karato所在的耶鲁大学也还在做相关研究。不过这个问题目前还处于很初步的阶段，我们队地球内部了解地太少了，而且高温高压的条件使得实验更为难做，很难直接得到很好的限制条件。
第四个就是地球化学观测能不能提供一些更为直接的对于下地幔的约束条件。
以往研究火成岩的时候，特别是OIB(Oceanic Island Basalt)的时候，He同位素都是作为鉴别其来源是地球深部或者浅部的一个重要标志物，但是这个标准是建立在He同位素的分布本身具备上下地幔不一致的假设的，这样的观测只能作为一个间接的约束条件，对于下地幔的化学组分认知还需要更多的更直接的证据。最近用钨同位素的研究(Mundl, et al., 2017)表明可能下地幔的化学物质分布比目前的假设更复杂。
地球深部的运作机制本身是一个很复杂、很综合性的问题，目前还在探索中，上述内容中的引用文献大多出自Nature、Science或者他们的子刊，足以证明目前我们对相关问题的认知还是很粗浅的。（PS 还有很多发在其他期刊上的相关研究，不过为了说明深部目前还是一个比较难解决的问题，我大部分选择了NS或者其子刊上的文献）
趁着圣诞放假，快速地写了写我对这方面的认识，欢迎讨论~
本人文笔不太行，写这种东西的时候思路也不一定很有逻辑，望请包涵~
Reference:
Hamblin, W. K. & Christiansen, E. H. (2004).Earth's dynamic systems, 10th Edition. Pearson Education.
Anderson, D. L. (2005). Scoring hotspots: The plume and plate paradigms.SPECIAL PAPERS-GEOLOGICAL SOCIETY OF AMERICA,388, 31.
Bercovici, D., & Karato, S. I. (2003). Whole-mantle convection and the transition-zone water filter.Nature,425(6953), 39.
McNamara, A. K., & Zhong, S. (2005). Thermochemical structures beneath Africa and the Pacific Ocean.Nature,437(7062), 1136.
Hassan, R., Müller, R. D., Gurnis, M., Williams, S. E., & Flament, N. (2016). A rapid burst in hotspot motion through the interaction of tectonics and deep mantle flow.Nature,533(7602), 239.
Torsvik, T. H., Burke, K., Steinberger, B., Webb, S. J., & Ashwal, L. D. (2010). Diamonds sampled by plumes from the core–mantle boundary.Nature,466(7304), 352.
Grand, S. P., van der Hilst, R. D., & Widiyantoro, S. (1997). High resolution global tomography: a snapshot of convection in the Earth.Geological Society of America Today,7(4).
Kellogg, L. H., Hager, B. H., & Van Der Hilst, R. D. (1999). Compositional stratification in the deep mantle.Science,283(5409), 1881-1884.
Fukao, Y., & Obayashi, M. (2013). Subducted slabs stagnant above, penetrating through, and trapped below the 660 km discontinuity.Journal of Geophysical Research: Solid Earth,118(11), 5920-5938.
Murakami, M., Ohishi, Y., Hirao, N., & Hirose, K. (2012). A perovskitic lower mantle inferred from high-pressure, high-temperature sound velocity data.Nature,485(7396), 90.
Masters, G., Laske, G., Bolton, H., & Dziewonski, A. (2000). The relative behavior of shear velocity, bulk sound speed, and compressional velocity in the mantle: Implications for chemical and thermal structure.Earth's deep interior: mineral physics and tomography from the atomic to the global scale,117, 63-87.
Ritsema, J., Deuss, A. A., Van Heijst, H. J., & Woodhouse, J. H. (2011). S40RTS: a degree-40 shear-velocity model for the mantle from new Rayleigh wave dispersion, teleseismic traveltime and normal-mode splitting function measurements.Geophysical Journal International,184(3), 1223-1236.
French, S. W., & Romanowicz, B. (2015). Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots.Nature,525(7567), 95.
Garnero, E. J., McNamara, A. K., & Shim, S. H. (2016). Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth's mantle.Nature Geoscience,9(7), 481.
Kellogg, L. H., Hager, B. H., & Van Der Hilst, R. D. (1999). Compositional stratification in the deep mantle. Science, 283(5409), 1881-1884.
Ballmer, M. D., Schmerr, N. C., Nakagawa, T., & Ritsema, J. (2015). Compositional mantle layering revealed by slab stagnation at~ 1000-km depth.Science advances,1(11), e1500815.
Rudolph, M. L., Lekić, V., & Lithgow-Bertelloni, C. (2015). Viscosity jump in Earth's mid-mantle.Science,350(6266), 1349-1352.
Song, T. R. A., Helmberger, D. V., & Grand, S. P. (2004). Low-velocity zone atop the 410-km seismic discontinuity in the northwestern United States.Nature,427(6974), 530.
Mundl, A., Touboul, M., Jackson, M. G., Day, J. M., Kurz, M. D., Lekic, V., ... & Walker, R. J. (2017). Tungsten-182 heterogeneity in modern ocean island basalts.Science,356(6333), 66-69.
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：
Harry Toni 【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
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