【石头科普】地幔柱传说
一个幽灵，一个来自核幔边界的幽灵正在地壳表面徘徊。为了围捕这个幽灵，全世界地质学家都联合起来了。从太平洋的夏威夷群岛到大西洋的冰岛，从西伯利亚的大火成岩省到印度的德干高原，从中国的峨眉山到美国的黄石国家公园，有哪个来历不明的岩浆活动不被地质学界冠以地幔柱成因的帽子呢？
Figure 1冰岛正在喷发的火山
Figure 2冰岛地幔柱的地震波示意图
地质学家们发现，大多数的火山活动都发生在板块活动的边界，那里是板块的薄弱地带，其中最出名的便是绵延数千千米环绕整个太平洋的环太平洋火山带。在洋脊处的扩张性板块边界，地壳的厚度变小，压力的减轻导致的岩石部分熔融；在俯冲带的汇聚型板块边界，流体的加入使岩石的熔点降低产生的岩浆1。板块构造学说似乎完美的解释了所有岩浆活动的成因，地质学家似乎可以自豪的声称：板块构造学说已经完善了，所需要做的只不过是在上面修修补补罢了。
Figure 3 环太平洋火山带
然而，夏威夷的火山活动似乎无法用板块构造学说解释。夏威夷位于太平洋板块的正中间，距离任何一处板块边界都有数千千米远。然而正是在这个远离板块边界的地方，却发生了火山活动2。地质学家们经过仔细观察，发现夏威夷与周围的岛屿形成了一条岛链，定年的工作发现距离夏威夷越远的岛屿年龄越老3。也就是说，夏威夷岛上非常年轻的，既然年轻，必然有相应的地质活动发生。地质学家们推测，在夏威夷所在的位置下方有一个相对于岩石圈静止的热源，加热着运动的洋壳，这个热源被地质学家称为热点。
Figure 4夏威夷火山岛链
热点是怎么产生的？地质学家众说纷纭。地球物理学家使用地震波的手段测量了夏威夷下部的物质的波速，提出了地幔柱学说4。他们认为：地幔深部会上涌一股密度小、温度高的高温熔体，直达地表。地幔柱头大尾小，就像一个蘑菇一样，柱头接触到地壳后可以在地面产生数个热点5。甚至有人精细地计算了一个地幔柱可以在地表产生多少个热点6,7。
Figure 5 地幔柱热点模型
对于地幔柱理论，有人支持，有人反对，地质学家们甚至开了一个网站“地幔柱真的存在吗？”来搜集各方观点。有人认为地幔柱形成于2900km深的核幔边界处8，有人认为地幔柱形成于660km的地幔过渡带，甚至有人认为地幔柱并不存在，热点是由几十千米深度的浅层熔融产生的9。
Figure 6 地幔柱示意图
除夏威夷外，黄石国家公园10，冰岛11都被认为是地幔柱活动的产物。有的科学家认为，二叠纪生物大灭绝是大规模地幔柱活动造成的大规模火山喷发导致的。因此涉及到灾难的大片中，美国黄石国家公园总是频频出镜，被人们认为是下一次火山爆发的导火索。另外，西伯利亚和德干高原都有着数千平方千米的大火成岩省，被地质学家认为是地幔柱活动的产物12。
尽管存在种种疑惑，但是地幔柱假说仍然是孤立热点成因的最佳解释。然而，地幔柱就像是一个幽灵一般，令人捉摸不透，我们不知道它从哪里来，不知道它的形成机制和物质来源13。还有太多太多的秘密值得我们去挖掘，去探索，希望读者们有朝一日可以揭开地幔柱的神秘面纱吧。
图片
图1，2，4，5，6来自Hamblin, W. K. & Christiansen, E. H. Earth’s dynamic systems. (Prentice Hall, Pearson Education, 2004).
图3来自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
参考文献
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).
文章来源“石头科普”公众号
石头科普工作室成立于2016年11月，由时任中国科学技术大学地球和空间科学学院执行院长汪毓明教授牵头成立。工作室是一个具有公益性质的团队，主要致力于地球和空间科学的科普工作，旨在为广大群众提供地球和空间科学基本知识。
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