自遠古以來，地球本身的演化在多方面塑造出了有利的條件，讓生命的誕生和發(fā)展成為可能。但是，科學家從遠古帶回的數(shù)據(jù)卻不會因人們的自作多情而改變絲毫。自5.4億年前的生物大爆發(fā)以來，幾近所有的大型滅絕發(fā)生之時，人們總能夠在當時的地層中找到某次巨型巖漿溢流災難的影子。這很難讓人相信這僅僅只是巧合。
巖漿溢流災難聽起來固然震撼，但它本身也不過是一種地質(zhì)現(xiàn)象，追根溯源，它的背后到底是什么樣的地球偉力在推動著它呢？為此我們有必要進行一次全新的地心旅行。在板塊構(gòu)造已然深入人心的今天，這趟旅行將為大家呈現(xiàn)另一種截然不同的地球動力學圖景。它鮮為人知，卻與地球上全部生命的生死存亡息息相關。它深達行星之核，橫貫地球半徑，轟裂地表，淌出巖漿洪流。這就是今天我們故事的主角——矗立在地底的宏偉巨杵：地幔柱（Mantle Plume）。
板塊構(gòu)造的補完
地球“是什么”早已擺明，但是它是“怎么動”的呢？
自從魏格納（Alfred Lothar Wegener）讓大地“漂起來”開始，將近一個世紀的時間里，越來越多的人已經(jīng)接受了這樣的圖景：我們腳下最表面的這層物質(zhì)——地殼，其實并不是剛板一塊，而是一塊塊的七巧板，即可以拼合，也可以拆開，甚至還可以被掰斷、支解。我們生活在這樣的七巧板上，有可能因板塊的拼合而匯聚為一，也同樣有可能因板塊的離散而相互支離——沒錯，這就是大家極為熟悉的板塊構(gòu)造學說。
其實早在魏格納提出板塊漂移學說之前的1858年，法國地理學家安東尼奧·斯奈德-佩列格里尼（Antonio Snider-Pellegrini）就已經(jīng)繪制了關于大西洋形成的插畫。
圖片來源：wiki commons
但是，當時的人們不得不承認，板塊構(gòu)造自建立起就一直頂著一朵“烏云”：該學說全部的內(nèi)容都建立在“地殼剛性”的預設之上，換句話說，板塊互相之間的力，只會作用在板塊的邊緣，其內(nèi)部不應該有大規(guī)模的地質(zhì)活動。但是，人們卻在穩(wěn)定板塊的內(nèi)部，的確發(fā)現(xiàn)與預測完全不相符的活躍行為——比如夏威夷劇烈流淌的火山，比如黃石公園的噴發(fā)，又比如兩億多年前的西伯利亞的巖漿溢流。這些地質(zhì)運動，無論在強度和影響效應上，都足以與板塊構(gòu)造體系下的火山弧、造山帶等經(jīng)典現(xiàn)象相媲美，完全不是那些可以忽略的誤差選項。
板塊構(gòu)造理論剛成型尚不到十年，摩根（William Jason Morgan）教授就開創(chuàng)性地指出，對于地球動力學來說，板塊構(gòu)造其實并不是一個整全性的描述，而只是其中一種行為罷了。在同一個地幔內(nèi)部，其實等價地存在著兩套截然不同的動力學圖景：
地幔軟流圈如同傳送帶那樣橫向循環(huán)，托著板塊滿世界漂，以動能的形式消耗行星內(nèi)核的放射熱，這，是其中的一種運動行為，正如我們熟悉的那樣，是為板塊構(gòu)造。
而當?shù)蒯Ｔ诳v向上以非平移的行為運動時，情景便截然不同了。在地核的加熱下，最靠近地核的那部分地幔會形成一個升騰的熱柱——就像煙囪中的滾滾濃煙一樣。它在流動的地幔中垂直上升，幾乎完全不影響、也不干涉板塊構(gòu)造的“傳送帶運動”。這，又是另一種運動行為。而這種行為的主體，就是我們這里所說的地幔柱了。
地幔柱結(jié)構(gòu)示意：藍色實心球為地核。虛線透明部分包括從地幔到地殼的范圍。黃色部分為地幔柱。色彩表示熱異常的比率，越藍表示熱梯度越正常，越紅則反之。
圖片來源：Nature.com
地幔柱不只是人們?yōu)榻忉尙F(xiàn)象而設計的一種模型，它本身是客觀存在的。地幔柱被定義為“存在于地幔中的一種呈柱狀分布的熱異常領域（Thermal Anomalies）”，簡單地說，就是與周邊地幔對比，柱中的區(qū)域要有著更高的溫度。熱脹冷縮，溫度的升高帶來密度的降低，密度的降低讓波速變慢。于是，當人們把人工地震波打向地球內(nèi)部時，波速的變化可以讓它現(xiàn)形。
基于震波勘測的事實，摩根教授和后人們發(fā)展了地幔柱理論：在地核和地幔的邊界處（Core-Mantle Boundary，CMB），星核巨溫的加熱，會令地幔中最靠近地核的部分溫度升高。溫度的升高必然帶來密度的降低，當一個均一的體系內(nèi)部發(fā)生密度分化，且還是密度低的在下，密度高的在上時，體系將發(fā)生瑞雷-泰勒失穩(wěn)。在這種情況下，地幔中將會重新演繹一個“局部行星分異”——低密度的輕物質(zhì)上浮，騰出空間讓重物質(zhì)下沉填充，地幔柱——這個低密度的流動結(jié)構(gòu)，就沿著豎直方向一路緩緩上升了。
根據(jù)流體力學的模擬，一個柱縷結(jié)構(gòu)在垂直上升中，其頭部將會緩慢地擴展開來，就像一個蘑菇緩慢地張開自己的傘蓋一樣。越向上走，周圍地幔的密度就會越低，直到地幔柱率先升起的頭部走到與其密度大抵相當?shù)牡胤剑瑐闵w就會橫向擴散，張開，緩慢地在橫向上擴展出一個巨大的區(qū)域。地幔再怎么深，其深度也畢竟有限，一直上升的后果可想而知，這么大一個傘蓋最終將“一頭頂上”巖石圈的底部。地幔柱的頭部可是富含來自地核的高溫巖漿啊，將巖石圈頂裂之后，接下來會發(fā)生什么，我想，已經(jīng)不言而喻了。
地幔柱示意圖。途中中最黃色區(qū)域為內(nèi)核，橙黃色為外核，深紅色為地幔，灰色為地殼。右側(cè)四個大小不同的地幔柱形象地表示它一邊上升一邊展開頭部，最終沖擊到巖石圈底，誘發(fā)大火成巖省的動態(tài)特征。左側(cè)一個孤立的細小地幔柱表示地幔柱頭部已經(jīng)噴出消耗之后，其尾部在地球上繼續(xù)打出的較小區(qū)域——大地熱點（Hotspot）。熱點一般形成海山，或隨板塊的移動而“搓出”無震海嶺。
圖片來源：nature.com
今天的地幔柱，明天的大滅絕
火山，是地球深部巖漿的輸出口。它的噴發(fā)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，都從來沒有哪種巖漿事件，能與那種被稱為“大火成巖省”的星球級巖漿溢流體系相提并論。與現(xiàn)代能見到的火山噴發(fā)相比，大火成巖省根本就是完全不在一個層面上的另一種星球圖景。人們雖然可（wàn）惜（xìng）地（a）沒有生活在大火成巖省極盛噴發(fā)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：大火成巖省實在太大了，大到能覆蓋三分之一個西伯利亞地域，更可怕的是，這么大的巖漿區(qū)域并不是在極長的時間內(nèi)緩慢累積出來的——它的發(fā)育完成僅僅需要十分之一個標準地質(zhì)時間單位。
這種大火成巖省的噴發(fā)，便是地幔柱直接拱裂巖石圈的可怕后果。咱們還是回到根源上想一想——地幔柱是什么？它是一個行星在極短時間內(nèi)大規(guī)模釋放內(nèi)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(zhuǎn)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(guī)模的熱量，一旦以CO2等巖漿揮發(fā)份為載體輸出，會造成極大規(guī)模的溫室效應。但與此同時，另一種主要的巖漿揮發(fā)份——SO2，又會積極地與大氣中的水分結(jié)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(chǎn)生冷室效應。在氣候的冷熱失調(diào)下，生物圈就只能有一種回饋方式了——滅絕。
于是，西伯利亞大火成巖省噴發(fā)后，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(fā)以來，持續(xù)3億年的“遠古生物時代”就此便結(jié)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后，中央大西省噴發(fā)，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，然后繁盛了幾千萬年，在白堊紀的末期，印度德干地區(qū)又出現(xiàn)了大火成巖?。@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(tài)位。
大滅絕與巨型巖漿溢流事件的時間匹配圖，其中紅色的線條表示巨型巖漿溢流事件。括號內(nèi)標出的是海底溢流事件，其中OJP表示翁通爪哇海臺、KP表示凱爾蓋朗海臺、CP表示加勒比海臺。
圖片出處：elements.geoscienceworld.org
古生代被地幔柱毀了，中生代被地幔柱毀了，咱們現(xiàn)在依然生活在新生代。地幔柱，不再來一發(fā)嗎？
事實告訴我們，當下的地球內(nèi)部不僅的確存在著地幔柱，而且還有兩個：非洲下面一個，太平洋下面一個。2012年世界末日的才剛消停，地學界權(quán)威的學術(shù)雜志《地球與行星科學學報》便發(fā)布了一個震撼性的研究（參考文獻3），把更精確的事實告訴了我們——
原來，這些地幔柱早就已經(jīng)在醞釀了。
在地核與地幔的邊界，幾乎能覆蓋整個太平洋的大型低波速域（LLSVP）正在潛伏著。為何會有低波速？溫度高了，密度低了，已經(jīng)開始不正常了。在這些LLSVP中，溫度持續(xù)升高，最終使熱力/密度分異強化為化學分異——浮力大的物質(zhì)會集中聚攏起來，進一步演化，最終形成流動性更高、活動性更強烈的超強低波速域（ULVZ）。ULVZ里邊的物質(zhì)已經(jīng)開始發(fā)生大規(guī)模的部分熔融了——說更通俗點其實就是更加高溫的巖漿，只要噴出來就可以直接玩滅絕了。不過還好，研究指出，目前這些ULVZ還是非常局部的。但是，它們畢竟在緩緩聚攏。一旦它們絲縷相連，上升到地表，新生代估計也就差不多了。
圖片來源：參考文獻3
有兩個消息。一個壞消息是，它們的確已經(jīng)在高速地匯聚上升了——否則科學家們不可能告訴你現(xiàn)在地球上已經(jīng)有兩個地幔柱；但另一個好消息是，在地學上一切離開時間談災難的行為都是不靠譜的。永遠記住，地球科學的基本時間單位不是“年”而是“百萬年”，所以，就算它們“瞬間發(fā)生”，這個瞬間也過于漫長。
對于地球來說，無論是保護你，還是毀滅你，與你其實毫不相干。你只是地球系統(tǒng)里的一份子，演化的過程中，消失了又有什么好奇怪的呢？宇宙不是目的論的試驗場。
但是，站在我們自己的立場上考慮，從宇宙中消失我們甘心嗎？不甘心。那么好，就不妨抱著這種憂患的意識繼續(xù)生存發(fā)展吧。環(huán)境賜予你壓力，世間永無溫室。無論是遠征星辰大海，還是切實改造家園，在自然的偉力前，我們必須只有一個回答：活下去。
參考文獻：
- 吳泰然等，《普通地質(zhì)學》，北京大學出版社。
- Morgan WJ. Deep mantle convection plumes and plate motions. Bull. Am. Assoc. Pet. Geol.(1972) 56:203–213.
- Thorne MS et al. Mega ultra low velocity zone and mantle flow. Earth. Planet. Sc. Lett.(2013) 364:59-67
相關小組：地球那些事兒
