热点漫谈——接入“地球的内网”

作者:溯鹰

近期,全球的火山喷发忒不少。一会儿红海里发现岩浆喷发瞬间形成新的岛屿,一会儿冰岛面临着世纪来可能最大的火山喷发…虽然有关2012的辟谣如此之多,可我们依然还想知道没事儿搞出这么多岩浆来地球君你究竟要闹哪样?找一个有热点覆盖的区域,接入网络来一探究竟吧,只不过,我们要接,就直接接入这些岩浆活动的源址:地幔对流网,通过的,则是这些正在喷发着滚滚岩浆的——星球热点。

接入地幔对流网的星球热点

腊月寒冬,下午和煦的阳光不由得使人乐意把一下午的时光消磨在咖啡馆的桌前。这是一个网络化的便捷时代,通过咖啡馆中设立的Wifi热点,你的移动终端便可以轻松地接入互联网络。在舒缓的音乐中,一边品味着美味的咖啡,一边上网轻松地阅读着松鼠会的最新文章,于时光中调一杯知识与理性的午茶 ,我想,总是一件惬意无比的事情。

和你一样,地球科学者——这些用面朝大地来仰望星空的人们,同样有着他们所钟情的World-Wide-Web——那鼎鼎有名的地幔对流网(Convectional Mantle)。这个深埋在地下的星球级网络,蕴含着揭开地球奥秘的关键信息。然而,对于希望在这网上‘浏览’点什么的地球科学者来说,一个很现实的问题却摆在他们面前:如何才能让探索的目光接入这地下深处的对流网呢?

通过科学深钻?不,似乎不行。在通向“地下网络”的路径中,哪怕是万米级的现代深钻记录,也不过仅仅走了地表距其深度的十分之一而已。试图通过钻探接触地幔,无疑于钻到牛角尖里求真理。我们自然必须得从那“牛角尖钻井”中跳出来,换一种思维来考虑。比如说:我们能不能期待地幔来主动接触地表,使人们不但不用花巨量精力来搭建主动通向它的路径,反而可以在地表坐享其成呢?

按一般的常理来思考,地壳漂浮在对流的地幔上这很正常,但“地幔反过来来到地表”这样的说法,听起来就有点玄了。但事实确实令人吃惊:就像你的电脑可以通过Wifi热点接入互联网一样——在我们这个充满着纷繁与奥妙的地球系统中,你大可有着同样的期待。地表——这地球固体表面——确实也同样分布着地幔搭设在其上的零星热点。 它或者是千米下的深海高原,或者是空旷渺远的无人裂谷,又或者是冰层覆盖的洋中孤岛…只要是在“地球的热点“覆盖的范围内,深部的地幔物质便总会在那里悄显它神秘的身姿。或平静溢流,或轰然爆发——这些以岩浆形式产出的物质,无疑用它们点滴斑驳的炽灼,燃烧出了一个行星纵向全息的壮丽。

这便是地质学上的“热点”,字面意义上地地道道的“热点”。因为在热点里,每向地下行进一定深度,温度的升高量比正常情况下要高得多,换句话说,热点就是“地表上那些比较热的点”罢了。而之所以能够造成这种异常的热值,原因便在于热点即是地幔对流中的上升流在的作用域。于是可想而知,在这上涌地幔的上方,岩石圈受到顶拱后,自然会产生大量裂隙,使地幔物质减压熔融。而这些融化的地幔物质则在地表溢流而出,形成大规模的溢流火山岩。不过,值得一提的是,虽然热点是生成岩浆的区域,但并不是所有岩浆喷发的地方都可以被称作热点。在其他很多类型的构造背景下——譬如像日本那样的岛弧带——都会产生大量的火山与岩浆。但这与我们今天的故事没有太多的联系,我们以后可以再去专门探讨。

作为通向地下世界的门关,热点自然有着诱人一睹的传奇与神秘。譬如,你会因它而知,在冰火交映之孤岛,是谁频频向人类世界带来精灵般的干扰;抑或在红海中央,是谁又真正完成了开陆成海的奇迹;大洋底部那惊人平直的海岭,到底书写着怎样深层的奥秘,  《2012》的12月21日,地球的首难之役,又为何发生在北美黄石………?

而要想了解这一切,我们还得先把时光拨回冷战正酣的六十年代。那是故事开始的时代,星球热点的发现,曾经成为了一场深远变革的压轴之声,它成功地佐证了先驱者们对世界新秩序的构想,在悄然之间轰烈而起的新声音,最终改变了整个世界的构造格局。

热点史话,板块构造学的先驱

二十世纪六十年代,人类极大地扩展了自己的视野。这个年代,不仅有人造卫星和登月计划将人们的目光历史性地拓入了茫茫的宇宙,人们对脚下的大地的认知,同样也获得了更加深刻的变革。随着古地磁,深部海洋勘探等技术的成熟,一幅又一幅地前所未有的地球真实影像出现在人类的目光面前。可以认为,这目光将是一份最庄严的祭典,因为一个在大陆间漂移了半个世纪的灵魂,将注定随着这场深远的变革,迎来它与时光约下的壮丽涅槃。

这个沉睡在半个世纪前的灵魂,便是二十世纪初奥地利气象学家魏格纳所提出的“大陆漂移理论”。当时,这位平凡的气象人曾经和同时代的物理巨擘们一样,提出了一种完全可以称得上是跨时代的理论假设。但最终由于技术条件所限,在“证据不足,毋言理论”的科学酷则前,这个本来能够将地质学的高度提前一个世纪的假说,便成了一块落入大海中的小石头,在泛起一阵不太令人在意的涟漪后,从此石沉大海,再也杳无丝毫音信。

然而,石沉大海并不代表着故事就此迎来Bad End。半个世纪后,手握证据的援军,终于出现在了先驱者早早吹响的理论号角之前。彼时,以Hess为代表的海洋地质学家进行了数次深海钻探【1】,发现海底地层中的古地磁倒转区呈明显的带状,平行于大洋中脊,向外依次排列分布。人们对这不同的带状岩层进行测年,发现越靠近洋中脊的地壳越年轻,而越远离洋中脊的地壳年代越老。更重要的是,这样的现象在洋中脊两侧是完全对称的。

于是,在这来自深海的证据面前,人们终于可以底气十足地为大陆漂移支持呐喊了!为什么大西洋两侧的海岸线具有契合性呢?这很简单,只要逆着时间箭头,想一下大西洋中脊两侧的地壳随着时间倒流而返回未扩张的闭合状态,你就会豁然而知,非美两洲的海岸,便是这个大闸门当时还没打开的两个边棱而已。

就这样,在这洋脊扩张的铁证中,大陆漂移这个早已无人问津的理论又被重新带回台面。只不过,这一次,魏格纳的灵魂将要完成的,已经不仅仅是接受时代对它的期待和欢呼了,它要在这个冷战正酣的时代彻底颠覆地球的格局,建立新的世界秩序———颠覆传统地壳固定理论下的地球构造格局,在板块构造学的解释下,建立新的活动论地球理论体系。

颠覆旧理论而建立板块构造学说的战役进行得异常艰难,其中一点便在于:根据板块构造学说,板块是刚性的,力在其中仅仅具有传递效应,所以,地质活动进行且只能进行在板块的边缘。这就如同一个光滑平面上的小车,如果它不碰到一些障碍物,怎么可能会有力的作用呢?如果事实真是如此尚好,但人们确确实实在远离板块边缘的地方——比如夏威夷岛——看到了很剧烈的地质活动痕迹。旧理论的坚守者借此发难,新生的板块构造,一时难堪。

但不可否认的是,追求真理的路途就如同时间的齿轮,一旦启动,便再无倒转的可能。1963年左右,J.T.威尔逊,这位因提出大洋旋回理论而蜚声全球的板块构造学之父,发表了一系列文章,再次为板块构造学说的前线输送了一颗重磅的炸弹。攻下了阻拦板块构造学前进的最大一座堡垒。

这一系列文章偏偏便着眼于夏威夷,这个曾经被固定论学派拿来对活动论学派发难的洋岛。而正是这一系列文章,标志着“热点”概念的诞生,也标志着人类不仅在最活跃的板块边缘(也就是旧理论的“地槽区”)找到了板块构造学的种种证据,在平静的板块内部,那似乎有点“不合时宜”的地质活动,也同样与板块构造学说所假设的模型完全匹配。

现在我们就来还原威尔逊当年的发现,走近一个真实的热点。上文已述,在地核——这个燃料炉的不均一加热下,上部塑性的地幔会像一个盛着开水的容器一样,在受热的部位产生对流环,滚滚而动。直接受到加热的地幔物质,会因热膨胀而减小密度,从而产生浮力。这些上浮的热物质随之就像烟囱排出的烟柱,滚滚而起,这便是地幔热柱。热柱涌到地幔上层,则会顶到上覆刚性地壳的底部而停下来,从而在该地造成一个热异常区,使得该地比其他地区更“炽热”一下——这便是我们的热点了。很容易想象,热点其实就相当于给这块地壳下部平添了一个烟囱。而这烟囱上的这部分地壳呢,则会被这缕烟柱给顶裂,产生大量裂隙,地幔热柱中的融化物质,便通过这些裂隙涌出地表,形成溢流玄武岩。现在的夏威夷呢,便是这样的一个热点。如果我们来到夏威夷,你随时都可以这那热带的海风中,一睹溢流岩浆那滚滚流淌的壮丽。

【图1:夏威夷群岛的洋岛溢流玄武岩(Ocean Island Basalt,OIB)】

那么现在联系板块构造学说,看看热点最终如何为它的确立做出贡献。我们知道,在板块构造的视野下,地壳并不是静止的,虽然板块要在地幔上长距离漂移,但作为传送带本身的地幔内的对流胞,除了进行自身环形的“自转”外,在很大一段时间内是并不绕地心公转的。于是,当板块向前移动,经过下面那不动的热柱时,热柱自然会像打点计时器在纸带上敲出点迹那样,在经其而过的地壳上打下无数个“热点的痕迹”出来。而这,就是威尔逊们所说的热点迁移轨迹,换句话说,也是夏威夷——中途岛这一条北西-南东向的直线海岭的由来。夏威夷呢,作为这打点计时器在现今打下的最新的点,自然成为了这海岭的末端,在现今不断喷发着来自地幔的物质。越过夏威夷再向东南,我们便可发现,瞬间就没有丝毫海岭的痕迹了。

当威尔逊提出热点的概念,并向人们指出了地球上的第一个热点——夏威夷之后,人们仿佛得到了无上的启示。就这样,在当时板块构造学奠定的崭新体系下,学者们便开始带着寻宝般的好奇,踏入了寻找第二个、第三个…一个个星球热点的旅程。

【图2 指向北西的直线状海岭,以夏威夷群岛为末端。可以看到,这海岭至上部发生了转折,这意味着太平洋板块漂移的过程可能发生过转向。】

【图3 大陆漂移过程中的热点“打点计时器”示意图】

第三章:2012将至之时,奇迹开陆成海,冰火交融而歌

《旧约·圣经》的出埃及记里,那海水对分,开海成陆的奇迹曾经带给我们多少神秘的幻想。但对于地球来说,开陆成海的奇迹,却依然正在埃及之畔实时上演。打开世界地图,不难发现红海、亚丁湾和东非大裂谷——这三个狭长的负地貌——近似呈三叉状放射分布。而且,红海的海岸线和大西洋两侧一样,同样具有那么明显的可拼合性。那么,可否设想这里曾经是一块完整的陆地,随后由于板块活动而张开,变成了海洋呢?

地球物理研究发现,在这个巨大的三叉连点交汇的地方,确实有着强烈的地热梯度异常和重力异常。换句话说,这里便是星球上的另一个热点。此时,故事便已经瞬间明了了。在上个月新闻的报道里【2】,你可能会在意到这样一条信息:“岩浆喷发使得红海中又平添了一座新的岛屿”。在2012到来之时,这样的新闻自然又顺利地博取了惊诧之声。但实际上呢,在热点区域内,通过热点而涌出活生生的地幔物质是再也正常不过的事情:东非大裂谷、亚丁湾和红海,这三个狭长的裂缝,本来就是下部的地幔柱在地壳上顶开的一个“三尖口”。如果没有它,红海不会有,亚丁湾不会有,阿拉伯半岛到现在还与非洲大陆连成一体呢。这开陆成海的过程,自该处出现热点以来便一直在作用,如果哪一年没有岩浆作用了,反而倒不正常了。

发现还在继续。人们很快看到,在红海-亚丁湾的中部,发现了在大西洋、印度洋这些广阔的大洋中才发现大洋中脊。洋中脊是什么?是将两个板块相互推开的大型线状构造啊。红海是大洋吗?不是,那为何会出现洋中脊呢?联系大陆漂移理论,想象大西洋刚张开时的样子。对了,莫非说,这狭长的红海,其实代表着一个大洋演化的雏期阶段?!

事实的确如此。大陆的相互漂移,不可避免地带来了作为“大陆中间物”的大洋的聚散分合。提出热点概念的J.T.威尔逊博士,便最终以热点区域出现三叉连点开始,将板块漂移的过程与一个大洋的发育史结合了起来。他形象地描述了大洋发育的几个阶段——从幼年期开始,到壮年期的最盛,最后落入迟暮的终了期。而这大洋生命的过程,将在板块的漂移对弈中得到完整的演绎。下面的图4形象地阐释了大洋生命的轮回全过程,我们自然很容易看到,在B阶段下,热点顶拱,大陆开裂,这是海洋即将出现的最早阶段。

沧海桑田的故事,从此有了现代地球科学的演绎,这演绎海洋一生演化的理论,也被冠以了威尔逊博士的姓名——大洋的威尔逊旋回(Wilson Cycle.)。

wilsncircl.gif

【图4 威尔逊旋回】

好吧,那这么说来,在现代的壮年期大洋——大西洋的洋中脊上,也会发现最初使大西洋张开的始作俑者——热点咯?事实正是如此。然而这颗调皮的热点似乎给人类造成的影响可不小。且不说它经常把飞机们打搅得飞不起来,就拿上个月来说,它似乎又想制造一次“可能世纪最大”的岩浆喷发了【3】。没错,这个始作俑的热点,便是我们今天的冰火交融之岛——冰岛。

【图5 已经成功张开成为成熟大洋的大西洋,冰岛热点便位于她的洋中脊上。当年大西洋中脊打开之时便有它的一份贡献。图中北部冰雪覆盖的格陵兰岛右侧的小岛为冰岛。】

冰岛这颗辛勤的热点从雏形大西洋在盘古(Pangea)大陆中开裂的时候便开始工作了。今天的它,不过在履行中生代以来多少个百万年相同的例行公事罢了。就算它再多喷点也很正常不过。既然热点们能在历史上塑造出宏大的西伯利亚地盾(Siberian Traps),塑造出巍峨的峨眉山玄武岩。塑造出无际的德干高原,那么今天的热点们估计也不会太辜负前辈们的期待,毕竟,人家本来就是来建造大火成岩省(Large Igneous Province)【4】的。地幔与地表的亲密接触,就在这巨大的溢流区域中留下了不朽的刻印。所以,如果哪天冰岛热点又想破什么“百年一遇”“千年一遇”的喷发记录时,我们还是果断淡定就是,甚至还可以积极鼓励它朝着百万年一遇努力,当然,前提是地质学人们先得努力地找到百万年内详细的喷发记录才行。

不过,这里要说明白,二叠纪末全球大灭绝事件,可能确实是巨量的火成岩喷入地表而形成的【5】,但有一点可以肯定,那就是这样一次瞬间发生的灾变事件,并不可能是一日一夜就能完成的工程。在影片《2012》中,曾经有美国黄石岩浆大喷发的震撼镜头。黄石是地球上的另一个热点这固然没错,但我只想知道,如果一个现代的热点便能很容易地在一天之内就把板块给掀个儿的话,在地幔活动性指数级强于今日(地幔的热量很大一部分程度来自于地球内部的放射性热,地球随着时间越来越“冷”是不争的事实。),地壳厚度远薄于今日(很简单,因为尚没有那么长纪元的岩石物质在其上加积)的远古,那些动辄张开都还要以百万年为记的开陆成海过程又要情何以堪呢?撇开与我们最近的第四纪不谈,人们回溯远古地史中的事件,可从来都是拿百万年作为基本单位的。计算这些热点们的带宽,也只有使用Mkm2(百万平方千米)/Ma(百万年),大概才能一睹地幔网络在星球表面上给我们带来的信息大爆炸。只不过,就算这在地质上作为“秒”来计算的百万年,对于人类来说,大概也已经成为了一段可以被定义为永恒的时光了吧。

附注:
【1】        参见参考文献[1]
【2】        参见http://tech.qq.com/a/20111229/000147.htm
【3】        参见http://news.sina.com.cn/w/2011-12-11/102023613059.shtml
【4】        大火成岩省:在极短面积内大面积喷发的火成岩岩体。根据Bryan(2008)的定义,被定义为大火成岩省的岩体必须在50Ma之内喷发完成,且总面积必须>0.1Mkm2。
【5】        参见参考文献[3]

参考文献:

[1] 田小森,2011.《谁在鸡蛋上起舞》,科学松鼠会.
[2] J. T. Wilson, 1963. A possible origin of the Hawaiian islands. Canadian Journal of Physics 41, 863-870.
[3] P.B. Wignall, 2001. Large igneous provinces and mass extinctions. Earth science review 53, 1-33.
[4] Scott E. Bryan et al., 2008. Revised definition of Large Igneous Provinces (LIPs). Earth science review.
[5] W. J. Morgan, 1972. Deep mantle convection plumes and plate motions. The American association of petroleum geologists bulletin 56(2), 203-213.

图片版权说明:
图1: flowerplanet.com
图2、图5:Google Earth 遥感影像
图3:pubs.usgs.gov
图4:geollab.jmu.edu

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