地幔柱

地幔柱

地幔柱(mantle plume),深部地幔熱對流運動中的一股上升的圓柱狀固態物質的熱塑性流,即從軟流圈下地幔涌起並穿透岩石圈而成的熱地幔物質柱狀體。它在地表或洋底出露時就表現為熱點。熱點上的地熱流值大大高于周圍廣大地區,甚至會形成孤立的火山。

  • 中文名稱
    地幔柱
  • 外文名稱
    mantle plume
  • 提出人
    J.摩根
  • 提出時間
    1972年

簡介

地幔柱

地幔柱概念是由J.摩根于1972年提出的,其所根據的事實是:洋底有一系列海山,即呈鏈狀分布的死火山脈,它一端連線著現代活火山,沿此鏈距離活火山越遠,其年齡越老。這被認為是當岩石圈板塊運動時,固定不動的地幔柱在板塊表面留下的熱點遷移的軌跡,也可以說是由一系列死火山組成的無震海嶺。如夏威夷活火山熱點,因太平洋板塊西移而在洋底留下一條由死火山形成的海山鏈,經年齡值4000萬年的中途島轉折而成向北西延伸的皇帝海嶺,一直到阿留申島西端,年齡增至7500萬年。

地幔柱估計至少來自 700 千米或更深處 ,直徑大致在100~250千米左右,上升速率約每年幾釐米,由此導致地幔頂部成直徑達上百千米的穹狀隆起 ,高出四周約 1~2千米。全球熱點大多位于洋中脊的轉折拐點或三聯點上,少數在板塊內部,總共約30餘個。陸上較少,約5個。

發現過程

長久以來,地震學家一直未能發現地幔柱,直到後來固體地球科學家才認同它的存在。帕薩迪納市加州理工學院行星物理學家David Stevenson說:"我的根據並非來源于觀測而是來自基礎理論。當有一股熱量從地幔深處涌出時,最符合自然規律的方式便是如地幔柱一般將物質剝離。我十分確信這種基于理論的論點是具有說服力的。"

地幔地球化學家對于地幔柱的存在有自己的理論支撐。他們對熱點區域內的火山噴發後被帶到地表的微量元素、稀有氣體,以及岩石中的同位素檢測後發現,沉淀到地幔中的物質歷經千萬年之後會隨著海洋火山噴發的熔岩回到地表。另外,隨著海洋板塊的運動,熱點區域內會有一座座海洋島嶼成線狀突然出現。馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所名譽科學家、地球化學家Stanley Hart說:"這些現象很難解釋,除非你認可地幔柱的存在,我認為它的存在即將得到所有人的認同。"

2000年以後,即便是那些更多考慮板塊構造對撞理論的地球科學家也都承認地幔柱的存在。2010年,挪威奧斯陸大學古地磁學家Trond Torsvik和地殼構造物理學家Bernhard Steinberger,以及來自休斯頓大學的Kevin Burke和同事聯名在《自然》雜志上發表了一篇論文,文中總結了一些將地表浮渣與地幔底部兩大火成岩省(分別位于非洲和南太平洋下方)相聯系的研究成果。

實際上,為了弄清可能與地幔柱相關的地質特征的原始生成地,Torsvik與他的同事曾將地球部分板塊構造的研究回溯至2億多年前。地球化學分析及其鏈狀結構揭示了當今11個熱點地區中的10個可能深深地扎根于地幔中。Torsvik與同事發現同樣數量的熱點地區所處位置在熔岩堆之上或其附近。25個大火成岩省中的23個在熔岩堆邊緣處噴發。

德國美因茨市馬克斯·普朗克學會生物化學研究所的名譽地球化學家Albrecht Hofmann說:"這是一個強有力的地理學聯系,兩個巨大圓塊邊緣的聯系強烈地說明這一切的形成存在著因果聯系。"加利福尼亞理工學院地球動力學家Michael Gurnis說:"可以合理地推斷非邊緣部分也存在著地幔柱。"

來自地球動力學地球化學以及地質學三個方面的證據促使學界認真研究地幔柱的存在問題:究竟是像地震學所說的那樣必定存在還是根本不存在?加利福尼亞大學聖克魯斯分校地震學家Thorne Lay說:"那裏存在著相當分量的地底物質。"唯一可以解釋這一現象的便是地幔柱。

一個比較新的且至今仍在不斷提供證據證明地幔柱存在的科研項目于2012年3月15日在《地球與行星科學通訊》上發表了研究成果。來自新墨西哥大學的Brandon Schmandt同包括Humphreys在內的同事們通過一種獨一無二的資源-移動式陣列來觀測地幔柱。該陣列由400台地震儀組成,並以位于黃石國家公園附近的地震儀為補充,寬800公裏,在加拿大和墨西哥邊境展開。這一聯合觀測方法為解釋說明黃石國家公園熱點的地下存在著什麽提供了迄今為止最深入最強力的觀點。

加州大學伯克利分校地震學家Barbara Romanowicz被該結果深深地震撼。她從未被任何地幔柱證據所說服。但是在當周稍後召開的一次研討會上聽到Schmandt所作的關于黃石國家公園的研究報告後,她改變了想法。她發現兩種類型的地震資料"非常有說服力",自己不得不承認至少有一條深地幔柱涌向上地幔。

與生物滅絕的關系

火山,是地球深部岩漿的輸出口。它的噴發已然可怕,但找遍地球,哪怕把島弧鏈和洋中脊這種大型火山帶都包括進去,都從來沒有哪種岩漿事件,能與那種被稱為"大火成岩省"的星球級岩漿溢流體系相提並論。與現代能見到的火山噴發相比,大火成岩省根本就是完全不在一個層面上的另一種星球圖景。人們雖然沒有生活在大火成岩省極盛噴發的時代,沒法實際見到它的模樣,但我們的地球科學家卻可以精確地告訴人們:大火成岩省實在太大了,大到能覆蓋三分之一個西伯利亞地域,更可怕的是,這麽大的岩漿區域並不是在極長的時間內緩慢累積出來的--它的發育完成僅僅需要十分之一個標準地質時間單位。

這種大火成岩省的噴發,便是地幔柱直接拱裂岩石圈的可怕後果。咱們還是回到根源上想一想--地幔柱是什麽?它是一個行星在極短時間內大規模釋放內部核熱的極端手段,而且,這種手段還不是板塊運動那樣熱能對動能的轉化--而是將最深部的熱能直接輸出到地表,輸出到大氣圈水圈生物圈這些地表的圈層。

如此規模的熱量,一旦以CO2等岩漿揮發份為載體輸出,會造成極大規模的溫室效應。但與此同時,另一種主要的岩漿揮發份--SO2,又會積極地與大氣中的水分結合,形成硫酸的氣溶膠,不僅讓酸雨"滋潤四方水土",更能有效地反射射至地表的太陽光,令局部產生冷室效應。在氣候的冷熱失調下,生物圈就隻能有一種回饋方式了--滅絕。

于是,西伯利亞大火成岩省噴發後,就有了二疊紀末那場亙古大滅絕,超過95%的物種被清洗,偉大的古生代生物群至此被徹底摧垮,永遠地凝固在了歷史的記錄中。自生物大爆發以來,持續3億年的"遠古生物時代"就此便結束了,歷史進入"中古生物時代"的第一個紀元--三疊紀。又過了很長一段時間後,中央大西省噴發,把這個三疊紀連同它的生物群一起從地球日歷上徹底撕掉,迎來侏羅紀。侏羅紀把恐龍推向了歷史的高潮,然後繁盛了幾千萬年,在白堊紀的末期,印度德幹地區又出現了大火成岩省--這次好像還偶然跟地外事件重合到了一起--導致中生代恐龍王國直接歇菜,讓"新生生物時代"的哺乳動物開心地充填空空如也的生態位

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