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地幔柱傳說

一個幽靈,一個來自核幔邊界的幽靈正在地殼表面徘徊。為了圍捕這個幽靈,全世界地質學家都聯合起來了。從太平洋的夏威夷群島到大西洋的冰島,從西伯利亞的大火成巖省到印度的德干高原,從中國的峨眉山到美國的黃石國家公園,有哪個來歷不明的巖漿活動不被地質學界冠以地幔柱成因的帽子呢?

Figure 1 冰島正在噴發(fā)的火山

Figure 2 冰島地幔柱的地震波示意圖

地質學家們發(fā)現,大多數的火山活動都發(fā)生在板塊活動的邊界,那里是板塊的薄弱地帶,其中最出名的便是綿延數千千米環(huán)繞整個太平洋的環(huán)太平洋火山帶。在洋脊處的擴張性板塊邊界,地殼的厚度變小,壓力的減輕導致的巖石部分熔融;在俯沖帶的匯聚型板塊邊界,流體的加入使巖石的熔點降低產生的巖漿1。板塊構造學說似乎完美的解釋了所有巖漿活動的成因,地質學家似乎可以自豪的聲稱:板塊構造學說已經完善了,所需要做的只不過是在上面修修補補罷了。

Figure 3 環(huán)太平洋火山帶

然而,夏威夷的火山活動似乎無法用板塊構造學說解釋。夏威夷位于太平洋板塊的正中間,距離任何一處板塊邊界都有數千千米遠。然而正是在這個遠離板塊邊界的地方,卻發(fā)生了火山活動2。地質學家們經過仔細觀察,發(fā)現夏威夷與周圍的島嶼形成了一條島鏈,定年的工作發(fā)現距離夏威夷越遠的島嶼年齡越3。也就是說,夏威夷島上非常年輕的,既然年輕,必然有相應的地質活動發(fā)生。地質學家們推測,在夏威夷所在的位置下方有一個相對于巖石圈靜止的熱源,加熱著運動的洋殼,這個熱源被地質學家稱為熱點。

Figure 4 夏威夷火山島鏈

熱點是怎么產生的?地質學家眾說紛紜。地球物理學家使用地震波的手段測量了夏威夷下部的物質的波速,提出了地幔柱學說4。他們認為:地幔深部會上涌一股密度小、溫度高的高溫熔體,直達地表。地幔柱頭大尾小,就像一個蘑菇一樣,柱頭接觸到地殼后可以在地面產生數個熱點5。甚至有人精細地計算了一個地幔柱可以在地表產生多少個熱點6,7。

Figure 5 地幔柱熱點模型

對于地幔柱理論,有人支持,有人反對,地質學家們甚至開了一個網站“地幔柱真的存在嗎?”來搜集各方觀點。有人認為地幔柱形成于2900km深的核幔邊界處8,有人認為地幔柱形成于660km的地幔過渡帶,甚至有人認為地幔柱并不存在,熱點是由幾十千米深度的淺層熔融產生的9。

Figure 6 地幔柱示意圖

除夏威夷外,黃石國家公園10,冰島11都被認為是地幔柱活動的產物。有的科學家認為,二疊紀生物大滅絕是大規(guī)模地幔柱活動造成的大規(guī)?;鹕絿姲l(fā)導致的。因此涉及到災難的大片中,美國黃石國家公園總是頻頻出鏡,被人們認為是下一次火山爆發(fā)的導火索。另外,西伯利亞和德干高原都有著數千平方千米的大火成巖省,被地質學家認為是地幔柱活動的產物12。

盡管存在種種疑惑,但是地幔柱假說仍然是孤立熱點成因的最佳解釋。然而,地幔柱就像是一個幽靈一般,令人捉摸不透,我們不知道它從哪里來,不知道它的形成機制和物質來源13。還有太多太多的秘密值得我們去挖掘,去探索,希望讀者們有朝一日可以揭開地幔柱的神秘面紗吧。

參考文獻:

1.Stern, R. J. Subduction zones. Rev. Geophys. 40, 3–1 (2002).

2.Hauri, E. H. Major-element variability in the Hawaiian mantle plume. Nature 382, 415–419 (1996).

3.Eiler, J. M., Farley, K. A., Valley, J. W., Hofmann, A. W. & Stolper, E. M. Oxygen isotope constraints on the sources of Hawaiian volcanism. Earth Planet. Sci. Lett. 144, 453–467 (1996).

4.DePaolo, D. J. & Manga, M. Deep origin of hotspots–the mantle plume model. Science 300, 920–921 (2003).

5.Campbell, I. H. & Griffiths, R. W. Implications of mantle plume structure for the evolution of flood basalts. Earth Planet. Sci. Lett. 99, 79–93 (1990).

6.Clouard, V. & Bonneville, A. How many Pacific hotspots are fed by deep-mantle plumes? Geology 29, 695–698 (2001).

7.Malamud, B. D. & Turcotte, D. L. How many plumes are there? Earth Planet. Sci. Lett. 174, 113–124 (1999).

8.Condie, K. C. Mantle plumes and their record in Earth history. (Cambridge university press, 2001).

9.Zheng, Y.-F. Subduction zone geochemistry. Geosci. Front. 10, 1223–1254 (2019).

10.Pierce, K. L. & Morgan, L. A. Is the track of the Yellowstone hotspot driven by a deep mantle plume?—Review of volcanism, faulting, and uplift in light of new data. J. Volcanol. Geotherm. Res. 188, 1–25 (2009).

11.Bijwaard, H. & Spakman, W. Tomographic evidence for a narrow whole mantle plume below Iceland. Earth Planet. Sci. Lett. 166, 121–126 (1999).

12.Ali, J. R., Fitton, J. G. & Herzberg, C. Emeishan large igneous province (SW China) and the mantle-plume up-doming hypothesis. J. Geol. Soc. 167, 953–959 (2010).

13.Hamblin, W. K. & Christiansen, E. H. Earth’s dynamic systems. (Prentice Hall, Pearson Education, 2004).

圖片來源:

圖1,2,4,5,6來自Hamblin, W. K. & Christiansen, E. H. Earth’s dynamic systems. (Prentice Hall, Pearson Education, 2004).

圖3來自https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E7%8E%AF%E5%A4%AA%E5%B9%B3%E6%B4%8B%E7%81%AB%E5%B1%B1%E5%B8%A6




來源:石頭科普工作室
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