地幔柱—生物灭绝的毁灭之柱还是地球物质循环的生命通道？ ... ...

正在融化的南极冰盖

造成南极洲冰盖融化的“元凶”正是我们这篇文章的主角—地幔柱（Mantle Plume）。有学者研究表明，地幔柱带来的大规模长时间的火山爆发，导致气候与环境的巨变，是地质历史时期生物大灭绝的幕后黑手？如果是，那么地幔柱究竟是怎么样的存在？笔者将带大家来深入了解一下这个地球里面的“巨柱”——地幔柱

板块构造理论在地球科学中具有划时代的意义，它解释了地球上许多的地质现象，如大多数活火山和地震都发生在板块的边界。但是它在解释远离板块边缘或板块之下各种地质作用的方面就受到了强烈的挑战，尤其是板块内部的大规模岩浆活动(大陆、大洋溢流玄武岩)和大洋热点火山链。Wilson根据太平洋、大西洋和印度洋中一些火山岛屿和海山具有线状分布特征以及喷发年龄顺序变化的现象，提出了“热点假说”。

卫星图片下的夏威夷群岛

他认为这些热点相对静止，所以当岩石圈板块漂移经过这些热点时就形成了链状火山岛屿。

夏威夷热点运动剖面示意图Joel E. Robinson, USGS.

美国地球物理学家William JasonMorgan在“热点假说”的基础上，正式提出了“地幔柱假说”，认为Wilson的热点是地球内部存在起源于地球核-幔边界缓慢上升的细长柱状热物质流（即地幔柱）在地表的表现形式。

2003年Morgan获得美国国家科学奖章

在充分理解地幔柱的定义之前，我们先来大致了解一下地球内部的圈层结构。如下图所示，将地球切开一个剖面之后，我们可以直观地看到地球内部复杂的圈层结构。从外到内可以看到（1）地壳（2）莫霍面（3）岩石圈地幔（4）软流圈（5）下地幔（6）D″层 （7）外核 （9)）内核。

“地幔柱假说”的基本要点是：地球深部核-幔边界附近的高温低黏度层D″层可以产生呈柱状上升的热物质-能量流，它在经过地幔达到冷的岩石圈时顶部常呈喇叭形张开，形成一个具有球状顶冠和狭窄尾柱的热物质体构造一热慢柱构造。虽然后来有些学者对地幔柱的结构有不同的理解，但其基本含义和轮廓大致相同。

地幔柱产生图解LVZ 低速区域

地幔柱的概念提出以后，很多新的地质现象都有了崭新角度的解释。例如，地幔柱的顶冠在上升过程中，会引起地壳上隆，以及大规模溢流玄武岩作用 ,随着上覆板块运动，热根柱狭窄的尾柱会产生一系列热点火山链，这个现象在夏威夷岛链上得到了很好的验证。

地幔柱与热点

不少学者认为，地幔柱理论还可以解释大陆裂解、生物大规模灭绝、全球气候变化以及海平面升降等诸多地质现象，所以说地幔柱理论是继板块构造以后又一个新的大地构造理论，同时，也是板块构造理论的重要补充。然而，地幔柱理论在提出后初期，并没有引起广泛的兴趣。直到Campbell和 Griffiths在1990年进行了著名的地幔柱模拟实验并将结果发表后，“地幔柱假说”开始盛行，虽然地幔柱的理论开始被学术界进行大范围的讨论，但是由于缺乏最直接的观测证据，至今为止对地幔柱理论反对的声音也甚嚣尘上。

地幔柱的假说有3个要点：①源于地球核-幔边界缓慢上升的细长柱状热物质流②热点下具有异常高温地幔③地幔柱是相对静止的。然而，这3点均受到了质疑，其原因是对于被公认为热点地区的一些研究结果。例如，地震层析成像显示在美国黄石( Yellowstone)地区地幔热异常仅局限于200km以上的浅部地幔，在热流测量发现冰岛地区的热流值与其他非地幔柱活动地区的热流值没有什么差别，并且在一些大火成岩省（LP）并没有存在科马提岩和苦橄岩等代表高温产物的岩石学证据。实际上，许多热点也都是迁移的，只是其迁移的速度相对板块的运动速度较慢而已。

面对质疑，地球科学家们也在不断地进行着观测，以期能够直接地观测到地幔柱的踪迹。地球物理学家Montelli等利用新的Finite Frequency技术来观察地幔柱柱尾，他们利用这种技术观察到了 Ascension，Azores，Canary，Easter，Samoa和Tahiti地幔柱起源于核幔边界。2012年，来自新墨西哥大学的Brandon Schmandt同Humphreys等在内的同事们通过一种独一无二的资源—移动式阵列方法来观测地幔柱。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，宽约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、最有说服力的观点，该成果于2012年3月15日在《地球与行星科学通讯》上发表。

要鉴定古老的地幔柱则更为困难，需要依靠最新的地球物理探测技术人们才能捕捉到一些现代地幔柱的影子。然而古老地幔柱由于其活动的时期太早，根据初步研究表明，一部分古老地幔柱形成于前寒武时期，距今已有超过五亿年的历史。如何验证古老地幔柱的存在？学术界慢慢形成了一些共有的认识，对于古老的地幔柱的重要证据有：①喷发前的地壳抬升；②代表高温产物的苦橄岩或科马提岩（高于软流圈地幔300°C以上）；③放射状岩墙群；④热点迁移的轨迹；⑤大体积的陆相溢流玄武岩。但是事实上,对于古老的大火成岩省上述现象很难都能观察到。例如在西伯利亚克拉通之下，二叠纪-三叠纪之交发育西伯利亚大火成岩省持续了最少有一百万年。但是对于西伯利亚大火成岩省与地幔柱的关系，却需要更多的工作来予以论证。

西伯利亚大火成岩省遗迹—普托拉纳高原

黄石热点，也被称为蛇河平原，是全球最著名的火山热点之一，在美国俄勒冈州、内华达州、爱达荷州和怀俄明州形成了大规模的火山活动，由于北美板块在黄石公园热点上方移动。

黄石热点成因模式

一系列火山喷发形成了东蛇河平原，也由此产生了一系列火山口，热点目前位于黄石火山口下。

黄石公园大峡谷

冰岛地区是世界上火山活动最为频繁的地区之一，平均每三年就会有一次爆发，也有数次在冰冠下的爆发从而引起了破坏性的冰川湖突发洪水，最近的一次是2010年的埃亚菲亚德拉冰盖火山爆发。而冰岛热点作为地质热点，也是附近地区频繁的火山活动之成因之一，正是这些火山活动导致了冰岛的形成。

冰岛地区克拉夫拉火山爆发，1984 年

有学者认为冰岛下面存在地幔热柱，而地质学热点则是热柱在地面上的表征。热柱造成的热对流加强了受板块拉扯引起的火山活动，并影响了冰岛中部地区及火山地域西南部的克雅内斯半岛。

冰岛地处北美板块与欧亚板块之间

冬季里的冰岛神瀑

一般认为热柱范围比较狭窄，约宽100公里，但可延伸至地表下至少400-650公里，甚至深入地幔与地核的边界。但是对于冰岛之下是否存在热点仍然有不少人反对，冰岛热点仅仅比周边地区高50-100K，故不一定能产生上升性的热柱。由于冰岛缺乏像夏威夷-天皇海山链一样顺次形成的火山链，对于冰岛热点的成因尚需进一步的研究工作。

地幔柱的存在对于地球运动、物质交换具有重要意义，同时也为板块运动提供动力支撑。目前来看，尽管地幔柱假说取得了很大的进展，但要被地质学家普遍接受尚需时日。我们相信：随着科学技术的进步，尤其是深部探测技术的发展，地幔柱假说将逐步被证实并进一步发展和完善。