夏威夷-皇帝岛链：热点-地幔柱假说的发源地

夏威夷-皇帝岛链：热点-地幔柱假说的发源地

木已成舟（Chang' An University）

/mycz1992

摘要：热点-地幔柱假说的发展是在1972年，由Morgan倡导，盛行于1990年左右，从夏威夷-皇帝岛链的研究开始，经历了近50年的发展，虽然人们从物理学、地球化学、年代学、地震探测等方面进行了不断深入的研究，但是仍存在很多问题，包括地幔柱假说自身的解释，地幔柱能否解决所有版块构造不能解释的地震和火山活动？甚至很多人持反对意见，怀疑热点-地幔柱的存在。本次作业从夏威夷-皇帝岛链出发，学习总结热点-地幔柱假说的发生发展和争议热点。

关键词：夏威夷-皇帝岛链，热点-地幔柱假说

1夏威夷-皇帝岛链简介及研究历史

夏威夷-皇帝（天皇）岛链（海山链）位于北太平洋中部（图1），包括107座火山，绵延6000km，纵贯太平洋底。在其东南端，是夏威夷群岛的8个主要岛屿，包括该岛链中仅有的两个活火山，即冒纳罗亚火山和基拉韦亚火山。夏威夷海底山脉上，Kure岛以外的死火山已全部沉于水下。在夏威夷西北3500km处变成天皇海岛链。夏威夷-皇帝岛链的形成是典型的板内火山活动的结果，即热点-地幔柱假说。早在一百多年前，美国地质学家R. D. Dana注意到太平洋底广泛分布的锥状活火山（海山）和顶部平坦的沉没死火山（Guyot，盖奥特）呈线性排列，构成海山链，并且夏威夷西北方向上的山链离夏威夷活火山越远年龄越老，沉没也最深。Tuzo Wilson据此提出“热点”假说来解释夏威夷岛链的成因。1972年，Joson Morgan发现除了夏威夷-皇帝岛链外还有三条平行的海底山链，即马绍尔-南方岛山链、莱恩-土阿莫土山链、阿拉斯加链（图1）。Morgan提出在这四条岛链的南端，分别有四个来自地幔的热点，是上升热对流的出口，后“格洛玛·挑战者”号美国大洋科考船证实此假说的正确性。而后，在板块理论不能解释的板内火山活动中，热点-地幔柱假说成为一种较为完美的解释。然而仍有许多学者对热点-地幔柱的存在表示怀疑，比如，除阿拉斯基链外，其他三条山链都在中部转折，对此还没有较好的解释。

2.热点-地幔柱假说的提出

经典的板块构造理论认为板块是刚性的、内部不变形但彼此相互运动，简明地解释了沿板块边界分布的地震和火山活动，但难以解释板块内部出现的地震和火山活动，夏威夷-皇帝山链是最著名的板块构造理论解释不了的板内岩浆活动。1972年，Joson Morgan在Wilson“热点”假说的基础上，认为地幔柱内存在着一种上升的、圆柱状的、局部熔融的物质流，即“热柱”（Hot Plume）,热柱到达地表或地幔热流上升之处，称之为“热点”（Hot Spot）,并在地球上鉴别出大约20个这种热点或地幔柱。上升的炽热地幔柱可把上覆岩石圈抬升，使地壳呈现巨大穹隆构造，当地幔柱冲破岩石圈即形成热点。在夏威夷岛这些是可以观察到的，火山链中活动的火山作用限定在仅几十公里的“点”上，火山岛出现在大约1km高和1000km宽的海底隆起上，该隆起从地震剖面上得知不是地壳加厚造成的，如此大的宽度也不可能是由岩石圈的挤压造成的，最可能的解释是该隆起是由板块下低密度物质的浮力引起

的。因此，该隆起和当地活动的火山作用就表明火山中心下面有上升的由低密度物质组成的

图1 太平洋海底山链

太平洋的三条海山链，即天皇-夏威夷（北太平洋）山链、马绍尔-南方岛山链和莱恩-土阿莫土（南

太平洋）山链，都有一个转折。按照Morgan的意见，这三条海山链，再加上阿拉斯加湾的

第四条海山链的成因，是因为太平洋板块从地幔“热点”上移过的关系。

狭窄通道——地幔柱存在。因火山作用空间分布范围很小，所以推测上升通道比较狭窄(几十到100公里宽)。上涌是由浮力驱动的，因为需要浮力抬高很宽的隆起。隆起的宽度可以通过太平洋板块下的侧向扩展来解释。Morgan提出在太平洋四条山链（夏威夷-皇帝山链，马绍尔-南方岛山链、莱恩-土阿莫土山链、阿拉斯加链。）的南端，分别为四个热点，岛链的形成是太平洋板块移过这些热点时产生的（图2），即认为热点的位置是固定不动的（北纬19°左右），而太平洋板块在其上不断移动，从而形成岛链。夏威夷-皇帝岛链建造向西北方向年龄逐渐变老（图3），夏威夷岛上最小年龄为0.004Ma，而皇帝岛链阿留申弧附近洋岛年龄为59.6Ma（和勘察加交汇处年龄为75Ma）。这个证据很好地佐证了Morgan的想法。

3.热点-地幔柱假说之争议

地幔柱的成因和性质问题仍是一个难题，各家说法不一，甚至地幔柱是否存在仍是经常被争论的热点。比如地幔柱怎样产生？根部在何处？各地幔柱之间是否相对移动？

3.1地幔柱产生的条件和位置

理论和实验研究表明，地幔柱的产生要求地幔中存在一个高温、低粘度的热边界层，其温度要高出周围地幔物质的温度300～400℃，粘度要比周围地幔低几个数量级。这个高温低粘度层具有极不稳定的物理性质，一旦受到某种热扰动，就会在浮力作用下呈柱状上升。

地幔中只有两个符合这样条件的边界层，一个是上、下地幔之间的不连续面，其深度在650～700km；另一个是核—幔边界附近的D″层。地幔柱是来自其中一个界面还是两者兼有存在

图2 地幔柱作用于活动板块留下热点轨迹示意图

图3 夏威夷-皇帝岛链年龄从南东向西北依次变老

争议，一些学者认为，地幔柱只能来源于上、下地幔之间的热边界层，其理由是上、下地幔是分层对流的，上、下地幔间的不连续面为一个化学界面，而不是相界面，即使核-幔边界附近的D″层能够产生地幔柱，它也无法穿过这个界面上升。多数学者则认为，地幔柱来自核-幔边界附近的D″层。其理由如下：①与洋中脊玄武岩和岛弧玄武岩相比，大陆溢流玄武岩、洋底高原玄武岩和大洋岛玄武岩等典型地幔柱成因的玄武岩常反映“富集型”地幔特点，而上地幔由于分异出地壳后常表现“亏损型”地幔化学组成，因此，地幔柱不可能来源于上地幔。②与大洋中脊玄武岩（MORB）相比，大洋岛玄武岩（OIB）具有较高的3He/4He比值，表明地幔柱来源于地幔更深部位，反映原始地球形成物质的特点。③理论模拟计算表明，如果地幔柱起源于上地幔底部，那么，由地幔柱释放出的热量将占整个地球放热的60％。而实际上，由地幔柱释放的热量仅是整个地球放热的6％～10％。这个热量释放范围刚好与地核释放的热量比例相近，说明地幔柱来源于核-幔边界附近。④理论模拟还表明，在所许可的上升速度范围内，从上、下地幔边界起动的地幔柱穿过上地幔这样的距离，最多只能形成直径为300km的球状柱头，而实际上许多地幔柱头的直径都超过1000～2000km。⑤上、下地幔间不连续面的性质目前并不完全清楚，也有资料显示其为相变界面而非化学界面。也有一些学者认为，既有起源于D″层的地幔柱，也有起源于上、下地幔界面的地幔柱，前者柱头大，后者柱头小。

3.2地幔柱被怀疑的原因

热点-地幔柱假说从创始期经过大量研究后反对的声音越来越大，大致有四个原因：①观察与经典地幔柱模型的预测结果不符，如火山链空间上年龄递变规律在很多地方没有；热点彼此间的相对位置并不是固定的；地震学未观测到确信的地幔柱；岩石学未提供确信的“更热源区”证据；有些地幔柱缺失大火成岩省，有些缺失火山岩轨迹。②地幔的物理特性不支持产生经典地幔柱模型需要的对流。地幔中所有区域很可能以某种方式对流，然而,就已知地球内部的物性特征来看，对流上涌是否能从地幔深处上升到地表，并产生局部火山活动即“热点”，还值得怀疑。更值得怀疑的是深部上涌能否产生火山活动的某些具有规则性特征，如空间上数公里之大，时间上数百万年之久。③当代地幔柱假说如此宽泛以致不能反驳。“地幔柱”一词在Morgan的假说中定义明确，且“柱”在流体动力学中具有严格限定，但现今含义被扩大等。④其他可替代的模型。

4夏威夷-皇帝岛链转折端的解释

夏威夷-皇帝岛链沿着夏威夷群岛向北东方向延伸，经过一个转折（43Ma）之后进入皇帝岛链，偏转角度约60°，也就是说太平洋板块运动反向在43Ma前突然改变，Norton（1995）认为该火山连43Ma前的折曲是夏威夷地幔柱南移的结果，对此反对意见为：43Ma前的折曲不仅见于夏威夷热点轨迹，也见于太平洋板内其他热点轨迹，如果这些热点轨迹43Ma前的折曲均由地幔柱南移所致，这就需要太平洋深部所有这些地幔柱同时、同向、以同样的速度漂移。这样的“偶然”现象是难以想象的。牛耀龄（2013）提出可能43Ma前夏威夷地幔柱顶冠与当时白垩-始新世时安第斯型鄂霍茨克-勘察加活动大陆边缘的碰撞阻止了太平洋板