深部地球的窗口——地幔柱

深部地球的窗口——地幔柱
在北美大陆腹地，有一个世界闻名的公园——美国黄石国家公园。

黄石公园是世界上最大的火山口之一，公园中遍布间歇泉、温泉、蒸气池、热水潭、泥地和喷气孔，导致园内多数地方存在着奇观的同时，更散发着“恶臭”的硫化氢气体。

走在黄石公园“薄薄的”地壳上，似乎有着天然的危险，好像稍一用力就会踩破“蛋壳”，落入火山口的岩浆之下。

黄石公园就是地幔柱（mantleplume）在地表对应点最直观的表达。

2019年《自然—地球科学》（Nature Geoscience）杂志发表的一项研究中，科学家通过“地球透镜计划”（Earth Scope）发现黄石公园的火山活动可能受地幔柱驱动的。

这一计划本质类似于人类给地球做“CT”，通过建立数量较大的基站接收信息，还原地球深部的三维成像，基站越密集，分辨率越高，对地球深部的成像就越清晰直观。

1971年，威廉·杰森·摩根发表了地幔热柱理论。

理论显示，地幔柱是地球等行星地幔热对流的一种方式。

较热的岩石由地幔底部一路上升至地幔顶部，此时岩石顶部会部分熔融，岩浆进而喷出地表，这可能是地表“热点”或大陆溢流玄武岩的产生机制。

规模恢弘的大陆溢流玄武岩
地幔柱本质上是地球的散热通道之一。

地球在形成之后，内部由于含有的放射性元素发生衰变，产生了大量的热，这些内部热能将内部原本固化的岩石融化，产生岩浆。

这些岩浆从内部上升到地表这个过程携带着大量的热能，喷发出地表过程以完成散热。

地球自形成到30亿年前，由于热能充足，岩浆可以直接从地球深部上涌到地球浅部，这种由深部到浅部形成的柱状的岩浆通道就是地幔柱，它的起始位置被认为在地核和地幔的边界（~2900km），这一过程代表垂向的岩浆作用或者说是散热机制。

地球内部的“散热”
70年代早期，模拟地幔热柱的流体力学模型显示，地幔柱呈长细柱状，由两个部分组成：底端连至地幔底部，顶端则成球状并随上升而膨胀，整体就像细长柄蘑菇。

顶端呈蘑菇头状是因为地幔柱内的热物质上升速度较本体快，使物质累积于顶端膨胀所致。

1980年代晚期至1990年代早期的模型显示，球状顶上升膨胀时可能会挟带入周围的软流圈物质。

蘑菇状地幔柱
当地幔柱顶抵达岩石圈底，会开始摊平并因减压而大规模熔融形成玄武岩岩浆。

这些岩浆可能会于短时间内大量喷发至地表（短于一百万年），于大陆地壳形成溢流玄武岩，于海洋地壳形成海底高原。

溢流玄武岩的例子如印度的德干高原玄武岩与拉治马哈玄武岩（Rajmahal Traps），东亚的西伯利亚玄武岩、峨嵋山玄武岩，加拿大卑诗省的卡尔马森建造（Karmutsen Formation），南非的卡露玄武岩（Karoo basalts），南极洲的费勒粗玄岩（Ferrar dolerite），南美洲的巴拉那玄武岩（Parana basalts），非洲的艾坦德卡玄武岩（Etendeka basalts），北美洲的哥伦比亚河玄武岩（Columbia River Basalt Group）。

和地幔柱有关联的海底高原包括西南太平洋的昂东爪哇高原，印度洋的曼尼海根高原（Maniheken plateau）等。

全球溢流玄武岩及洋底高原示意图
地幔柱尾端的细柱仍会继续上升，并于固定位置不断地提供岩浆，这就形成了现在地表的“热点”。

当上方岩石圈移动，热点喷发会形成火山链，方向平行于板块移动。

经典例子为太平洋的夏威夷—帝王岛链。

夏威夷-中途岛岛链
大陆的溢流玄武岩喷发常与大陆张裂、分离有关（如衣索比亚玄武岩与东非大裂谷），因而产生了地幔柱在大陆张裂与海盆形成中扮演著重要角色的假说。

因此亦可见一些自洋脊两侧延伸
的火山链（如在南大西洋、冰岛）或对称的玄武岩区（如东南格陵兰玄武岩）。

东非大裂谷
在约30亿年之后，地球内部变得没有那么热了，衰变产生的热能已经不足以支持岩浆冲出地表，之后便逐渐演化出了板块构造，即为之前我们介绍过的魏格纳（Alfred Lothar Wegener）躺在病床上发现大地漂移的佳话。

这一理论本质上是一种水平方向的散热机制，已经固化的大陆相互之间分离、汇聚、碰撞以及俯冲用来消耗热能，这一过程中也会产生火山作用，我们在军事节目上所熟悉的日本-琉球-台湾-菲律宾这些岛构成的“第一岛链”便是东侧的太平岩板块与西侧欧亚板块以及菲律宾板块水平方向上相互作用的结果。

第一岛链
在我们的太阳系中，地球是唯一具有板块构造机制的行星，板块构造也是目前地球散热的主要机制，但它并不是目前地球唯一的散热机制。

除黄石公园，在太平洋以及大西洋上分布着大量的小型洋底高原。

作为全球知名的度假胜地夏威夷火奴鲁鲁，其实就是一座火山岛，这座火山岛就是位于地幔柱之上，时至今日的夏威夷还不停的喷发着岩浆。

早在7500万年前，这个地幔柱就已经存在，上面的板块移动就像一条传送带，将产生的火山运送到“远方”，形成了这一串折线状的岛链。

其中拐点发生的时代在4700万年前，这一拐点的存在说明了太平洋板块在这一时间点漂移方向发生了转折，最终形成了这一奇特的岛链，像一条项链，悬挂在广袤的太平洋深处，静候人类的发掘。

度假天堂火奴鲁鲁。