地幔柱

J.摩根提出的概念

威尔逊(Wilson，1963)提出了热点的概念，Morgan(1971)提出了地幔柱的概念，Larson(1991)提出了超级地幔柱概念，Campbell et a1．(1992)提出了冷地幔柱问题，Hill et a1．(1992)对地幔柱与板块构造的关系做了初步分析；Maruyama(1994)提出了地幔柱构造说的初步概念，以及全球构造概念的热地幔柱上升与板块俯冲的冷地幔柱下降的模式，他认为地幔柱构造概括了地球表层的岩石圈板块构造、深部主体的地幔柱构造、地核的生长构造，把板块构造和地幔柱构造作为地幔热对流的两个端元。

简介

地幔柱概念是由J.摩根于1972年提出的，其所根据的事实是：洋底有一系列海山，即呈链状分布的死火山脉，它一端连接着现代活火山，沿此链距离活火山越远，其年龄越老。这被认为是当岩石圈板块运动时，固定不动的地幔柱在板块表面留下的热点迁移的轨迹，也可以说是由一系列死火山组成的无震海岭。如夏威夷活火山热点，因太平洋板块西移而在洋底留下一条由死火山形成的海山链，经年龄值4000万年的中途岛转折而成向北西延伸的皇帝海岭，一直到阿留申岛西端，年龄增至7500万年。

地幔柱估计至少来自 700 千米或更深处，直径大致在100～250千米左右，上升速率约每年几厘米，由此导致地幔顶部成直径达上百千米的穹状隆起，高出四周约 1～2千米。全球热点大多位于洋中脊的转折拐点或三联点上，少数在板块内部，总共约30余个。陆上较少，约5个。

发现过程

长久以来，地震学家一直未能发现地幔柱，直到后来固体地球科学家才认同它的存在。帕萨迪纳市加州理工学院行星物理学家David Stevenson说：“我的根据并非来源于观测而是来自基础理论。当有一股热量从地幔深处涌出时，最符合自然规律的方式便是如地幔柱一般将物质剥离。我十分确信这种基于理论的论点是具有说服力的。”

地幔地球化学家对于地幔柱的存在有自己的理论支撑。他们对热点区域内的火山喷发后被带到地表的微量元素、稀有气体，以及岩石中的同位素检测后发现，沉淀到地幔中的物质历经千万年之后会随着海洋火山喷发的熔岩回到地表。另外，随着海洋板块的运动，热点区域内会有一座座海洋岛屿成线状突然出现。马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所名誉科学家、地球化学家Stanley Hart说：“这些现象很难解释，除非你认可地幔柱的存在，我认为它的存在即将得到所有人的认同。”

2000年以后，即便是那些更多考虑板块构造对撞理论的地球科学家也都承认地幔柱的存在。2010年，挪威奥斯陆大学古地磁学家Trond Torsvik和地壳构造物理学家Bernhard Steinberger，以及来自休斯顿大学的Kevin Burke和同事联名在《自然》杂志上发表了一篇论文，文中总结了一些将地表浮渣与地幔底部两大火成岩省（分别位于非洲和南太平洋下方）相联系的研究成果。

实际上，为了弄清可能与地幔柱相关的地质特征的原始生成地，Torsvik与他的同事曾将地球部分板块构造的研究回溯至2亿多年前。地球化学分析及其链状结构揭示了当今11个热点地区中的10个可能深深地扎根于地幔中。Torsvik与同事发现同样数量的热点地区所处位置在熔岩堆之上或其附近。25个大火成岩省中的23个在熔岩堆边缘处喷发。

德国美因茨市马克斯·普朗克学会生物化学研究所的名誉地球化学家Albrecht Hofmann说：“这是一个强有力的地理学联系，两个巨大圆块边缘的联系强烈地说明这一切的形成存在着因果联系。”加利福尼亚理工学院地球动力学家Michael Gurnis说：“可以合理地推断非边缘部分也存在着地幔柱。”

来自地球动力学、地球化学以及地质学三个方面的证据促使学界认真研究地幔柱的存在问题：究竟是像地震学所说的那样必定存在还是根本不存在？加利福尼亚大学圣克鲁斯分校地震学家Thorne Lay说：“那里存在着相当分量的地底物质。”唯一可以解释这一现象的便是地幔柱。

一个比较新的且至今仍在不断提供证据证明地幔柱存在的科研项目于2012年3月15日在《地球与行星科学通讯》上发表了研究成果。来自新墨西哥大学的Brandon Schmandt同包括Humphreys在内的同事们通过一种独一无二的资源—移动式阵列来观测地幔柱。该阵列由400台地震仪组成，并以位于黄石国家公园附近的地震仪为补充，宽800公里，在加拿大和墨西哥边境展开。这一联合观测方法为解释说明黄石国家公园热点的地下存在着什么提供了迄今为止最深入最强力的观点。

加州大学伯克利分校地震学家Barbara Romanowicz被该结果深深地震撼。她从未被任何地幔柱证据所说服。但是在当周稍后召开的一次研讨会上听到Schmandt所作的关于黄石国家公园的研究报告后，她改变了想法。她发现两种类型的地震数据“非常有说服力”，自己不得不承认至少有一条深地幔柱涌向上地幔。

2022年，科学家认为，活跃的地幔柱能引发局部的持续地质活动，包括被“洞察号”探测到的火星震。

与生物灭绝的关系

火山，是地球深部岩浆的输出口。它的喷发已然可怕，但找遍地球，哪怕把岛弧链和洋中脊这种大型火山带都包括进去，都从来没有哪种岩浆事件，能与那种被称为“大火成岩省”的星球级岩浆溢流体系相提并论。与现代能见到的火山喷发相比，大火成岩省根本就是完全不在一个层面上的另一种星球图景。人们虽然没有生活在大火成岩省极盛喷发的时代，没法实际见到它的模样，但我们的地球科学家却可以精确地告诉人们：大火成岩省实在太大了，大到能覆盖三分之一个西伯利亚地域，更可怕的是，这么大的岩浆区域并不是在极长的时间内缓慢累积出来的——它的发育完成仅仅需要十分之一个标准地质时间单位。

这种大火成岩省的喷发，便是地幔柱直接拱裂岩石圈的可怕后果。咱们还是回到根源上想一想——地幔柱是什么？它是一个行星在极短时间内大规模释放内部核热的极端手段，而且，这种手段还不是板块运动那样热能对动能的转化——而是将最深部的热能直接输出到地表，输出到大气圈、水圈、生物圈这些地表的圈层。

如此规模的热量，一旦以CO2等岩浆挥发份为载体输出，会造成极大规模的温室效应。但与此同时，另一种主要的岩浆挥发份——SO2，又会积极地与大气中的水分结合，形成硫酸的气溶胶，不仅让酸雨“滋润四方水土”，更能有效地反射射至地表的太阳光，令局部产生冷室效应。在气候的冷热失调下，生物圈就只能有一种回馈方式了——灭绝。

于是，西伯利亚大火成岩省喷发后，就有了二叠纪末那场亘古大灭绝，超过95%的物种被清洗，伟大的古生代生物群至此被彻底摧垮，永远地凝固在了历史的记录中。自生物大爆发以来，持续3亿年的“远古生物时代”就此便结束了，历史进入“中古生物时代”的第一个纪元——三叠纪。又过了很长一段时间后，中央大西省喷发，把这个三叠纪连同它的生物群一起从地球日历上彻底撕掉，迎来侏罗纪。侏罗纪把恐龙推向了历史的高潮，然后繁盛了几千万年，在白垩纪的末期，印度德干地区又出现了大火成岩省——这次好像还偶然跟地外事件重合到了一起——导致中生代恐龙王国直接歇菜，让“新生生物时代”的哺乳动物开心地充填空空如也的生态位。

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