夏威夷-皇帝海山链成因研究进展

夏威夷－皇帝海山链成因研究进展刘钰中国地质大学（北京）（100083）E-mail cugbliuxiaochen@摘要：传统理论认为太平洋板块在固定的夏威夷热点之上运动，从而形成了夏威夷－皇帝海山链，这是板块运动学的有力证据之一，热点也成了研究板块运动方向与速率的参考系。

但是近些年在地质、古地磁、地质年代学和计算机模拟等方面的研究成果，使这一传统观点受到挑战和质疑。

不少学者提出了皇帝海岭和夏威夷海岭之间的转折是热点运动的结果，或是二者共同作用的结果，本文对此进行了探讨。

关键词：热点；海山；板块运动1.引言板块运动这一理论已被人们普遍接受，并得到古地理、古生物、古地磁、大地测量以及深海钻探等数据的支持。

1963年Wilson[1]提出了热点假说，用于解释夏威夷－皇帝海山链的成因，即运动的太平洋板块漂过固定的热点。

这一结论是板块运动学的有力证据之一，同时热点也成了研究板块运动的方向与速度的参考系。

然而近年来对一些典型地区（特别是夏威夷－皇帝海岭）的研究揭示[2-4]，热点并非是固定不动的，一些学者提出皇帝海岭和夏威夷海岭之间的转折是热点运动，或是热点与板块共同运动的结果，给传统的板块运动学及基于此的其它理论带来了强烈的冲击。

本文回顾了热点假说的提出与发展，以及夏威夷－皇帝海山链成因的研究现状。

2.热点假说的提出与发展热点的概念最初由Wilson[1]提出，用于解释夏威夷－皇帝海山链的成因。

尽管迄今为止，尚无统一严格的定义，但正如Bonatti[5]所说:“热点是指具有高的地形和过量火山的地带”。

1972年Morgan[6,7]提出地球深部来源的物质，是由于放射性元素衰变并释放热能，从重力高异常区的火山之下上升而来的。

炽热上升的圆筒状岩石类物质流就称为热柱（Plume，也有译作地柱、热缕、地慢羽、地幔柱等）。

这些概念奠定了热点假说的基础，包括：①热柱的根在深部地幔或核幔边界；②当垂直运动的热柱到达岩石圈时，流动变为水平并各向扩散，形成具火山活动的热点并可能使岩石圈隆起；③与热柱内集中的上升流相平衡的回流，由地幔其余部分非常缓慢地向下运动；④放射状流体施加给岩石圈板块的合力以及各板块沿边界相互制约所产生的力，确定了板块的运动方向等[8]。

Wilson[9]提出热点是从地幔中上升的地幔热柱在地表的反映，并以火山作用、高热流和隆起为标志。

热点假说之所以能在板块学说盛行的时期得以生存并发展起来，是因为人们认为热点彼此是相对固定的[9]，可以构成研究板块漂移方向与速率的参考系。

尽管有学者[10,11]对热点系在21Ma与38Ma以前的位置作了恢复，发现某些热点并非不动而是以每年1~2cm的速度相对运动，但与板块间的“快速”位移及软流圈内物质的快速演化相比，这种深部对流的演化速度显得太慢了，几乎可以认为是不动的[8]。

3.夏威夷－皇帝海山链成因研究进展3.1热点移动观点经典的理论告诉我们，热点是固定不动的，由于板块在软流圈之上的漂移，形成了夏威夷－皇帝海山链[9]。

在夏威夷发现的热点导致了深部热地幔柱理论的诞生，该理论认为流体地幔是夏威夷海山链及其它大洋岛链形成的根源。

传统理论认为：太平洋板块以每年10mm的速度向西北方向移动，当岩石圈板块跨越于固定的热点之上时，板块仿佛被“烧穿”了，地幔物质喷出地表，形成火山，出露洋面，便成岛屿。

先形成的火山随着太平洋板块移动离开热点，逐渐熄灭形成死火山；在热点上部对应的地壳上又会喷发形成新的火山。

如此不断的“推陈出新”，40几个百万年来发育成今天所看到的NW－SE向、由老到新的一列火山链－夏威夷群岛，有人形象的称其为“火山传送带”，标示了太平洋板块漂移过热点的轨迹，并记录了太平洋板块运动的方向。

在夏威夷群岛的北西方向，还有一连串海底火山，构成了皇帝海岭。

皇帝海岭为NNW－SSE走向，它和夏威夷群岛之间有一个明显的转折（图1）[12]。

海山链由这两部分组成：走向为N10°W的年龄较老的皇帝海岭和走向为N110°E的较新夏威夷海岭，这一走向上60°的变化，在固定的热点模式中被解释为太平洋板块运动方向发生了60°的变化。

根据古生物学和地质年龄数据，此变化时期发生在43Ma前的中始新世，这一变化也被称作“43Ma弯曲”，被用于预测沿太平洋周缘大陆边缘，甚至全球性的始新世大构造事件(43Ma事件)[13-15]。

图1夏威夷-皇帝海山链示意图[3]但是， Norton[2]认为把43Ma的夏威夷－皇帝海山转折解释为区域性构造事件存在着几个问题。

最明显的问题是：在现有的太平洋大洋磁条带中，没有关于43Ma时海底扩张方向变化的良好记录。

如果没有对太平洋海底扩张方向作任何明确的说明，则太平洋板块43Ma巨大的方向变换就必须传递到周围的俯冲带，并且应当显示出俯冲方向的变化以及周围陆缘的构造事件。

最近70Ma以来东北亚发生了两次大的构造事件，第一次发生在白垩纪末期，鄂霍次克海地体与太平洋板块的碰撞产生了堪察加岛弧[16]；第二次事件是渐新世－早中新世裂谷作用及日本海的扩张[17]，但这两次事件均不发生在43Ma。

在北美西部，始新世构造事件可能与43Ma事件有联系（例如，加利福尼亚火山弧的位置变化），但这些事件也可以简单地解释为活动大陆边缘连续演变的构造活动的一部分。

因此，迄今为止，在北美板块和北太平洋边界处的亚洲板块并没有找到能证实43Ma事件的良好记录，沿整个陆缘也没有出现可以明确地与夏威夷－皇帝转折相关联的证据[2]。

如果夏威夷－皇帝海山转折为一区域性构造事件，那么太平洋其它热点的轨迹在43Ma也应表现出相同的转折现象。

为了确定假设的43Ma事件对于相对板块运动有何影响，Norton[2]对太平洋、法拉隆和库拉板块相对于北美和亚洲的运动用一个全球性的板块线路重建了相对于夏威夷，及相对于南太平洋中可能的热点轨迹—路易斯维尔海脊的运动。

如果夏威夷－皇帝海山链或路易斯维尔海脊代表固定热点轨迹的话，则至少这些计算的线路之一应紧随一个链。

Norton[2]根据计算所得的线路虽然与路易斯维尔海脊有若干一致性，但与夏威夷－皇帝岛链的皇帝海岭部分之间存在着较大分歧。

在计算的轨迹中，也没有显示出在43Ma时有任何大的弯曲。

对Norton[2]计算结果最简单的解释是皇帝海山链部分不是固定热点的轨迹，而是一个向南（在近代坐标中）移动的热点，在约43Ma时反而为固定热点，并且自那以后它产生了海山链的夏威夷部分。

在72Ma和43Ma之间，夏威夷热点和大西洋－印度洋热点位置之间有约960km的差异，也就是说夏威夷热点相对于大西洋－印度洋热点以约3.3cm/yr的速率移动[2]。

事实上，夏威夷－皇帝海山链的形成有两种可能：传统理论中的北向运动的板块通过固定的热点，在板块上留下了一系列的海山；或南向移动的热点经过稳定的板块，在板块上留下了一系列的海山。

辨别二者的最好方法就是对海山上岩石古地磁数据的提取。

如果皇帝海山随着时间的变化古纬度相对于北极固定在同一纬度19ºN上，几乎不发生任何变化，则说明热点在当时是固定不动的，即符合前者；若古纬度随时间的变化而递减，则说明热点是迁移的，或者，也可能是二者共同作用的结果[18]。

Tarduno 等[3]对夏威夷－皇帝海岭的古地磁研究结果为：Detroit海山（75－81Ma）的古纬度32 ºN， Nintoku海山（56Ma）的古纬度26 º N，Koko海山（49Ma）的古纬度21 ºN （图2）。

根据年龄与古纬度的对比得出，火山热点正以每年3～5cm的速度向南移动。

图2 热点移动模拟图[3]且古纬度与年代对比表明[3]，在81Ma-50Ma间，若假设板块静止不动，则热点在以平均4.31cm/yr的速度南移，并且是加速的，而到了20Ma以后，逐渐减慢，最后达到现今的热点位置。

这样，也就进一步解释了Norton[2]提出的43Ma太平洋在没有发生重大事件的基础上，出现了夏威夷－皇帝海岭这一走向60°变化的疑问。

尽管Sharp和Clague[19]认为夏威夷－皇帝海山链走向转折发生在47Ma，对上面的提到的热点移动也没有什么影响。

O’Neill[20]对印度洋的热点进行古地磁分析，也得出了热点移动的结论。

如果这一观点成立的话，它将对解释板块漂移学说重要证据的固定热点假说带来很大的冲击。

2004年Steinberger等[4]对夏威夷－皇帝海山链及其它岛链进行了计算机模拟，认为只有考虑地幔柱的运动才有可能更好地解释许多大洋岛链的成因。

其通过澳大利亚将太平洋和非洲板块相联接的板块运动重建模型（Model 2）较好的拟合了65Ma以来夏威夷－皇帝海山链的轨迹，推断43-52Ma之间太平洋板块运动方向的转折可能是南极洲板块的陆内变形所致。

由此看来，单独用地幔柱运动或板内变形来解释夏威夷－皇帝海山链的成因均是不合适的，二者的结合更可能是导致这些海山链形成的真正原因。

3.2 非热点移动观点尹延鸿等[21]在东太平洋的DSDP573钻孔发现始新世末期微玻璃陨石，认为微玻璃陨石场的展布方向为250°，与太平洋板块运动方向改变所需要的矢量变化几乎一致，提出很可能是始新世末期陨星撞击引起太平洋板块运动方向由NNW突然改变为NWW，而非热点运动，这与万天丰等[21,22]提出的陨星撞击可能诱导板块运动或引起板块运动方向改变的观点相一致。

不过，始新世陨星撞击时间35.5Ma [23,24]与转折发生时间的先后还是很有争议的[25]。

根据Van der Voo[26]所提出的古地磁数据7条判别标准，夏威夷－皇帝海岭由于其特殊的地理位置，理想古地磁样品的获取难度较大，准确率较低，Tarduno 等 [3]所给出的古地磁样品及数据测定方法误差较大，可达±2º ，文章中所给出的6º的差值可在误差范围内平消，所以数据说服力不大。

最近，Geldmacher 等[27]根据大西洋热点新的40Ar/ 39Ar测年数据及地球化学分析，认为35Ma以来，热点是固定不动的，这与夏威夷热点相似，但不代表在此之前也无运动。

4.讨论长期以来固定的热点是研究板块运动方向与速率的参考系，板块运动学及推动板块运动的动力学机制都是当今研究的热点，一旦热点并非固定，这些理论就像失去了根基。

若皇帝海山链和夏威夷海山链之间的转折是由热点自身的运动而引起，那么所谓的“43Ma”重大事件也无需再论证。

一些学者根据对太平洋夏威夷－皇帝海山链转折现象的解释，提出了例如灾变论[22]的说法来解释板块运动的机制，若转折是由热点自身的运动而引起，灾变论也将无从谈起。

Song 等[28]通过对地震波经过内核产生走时差系统变化的研究，认为内核自转较其外部的地球转速快1.1°/yr，那么Stock[18]的第二种模式是否可以用核幔转速的不同来解释呢？核幔转速的不同是否也可以用以解释热点是运动的，且又都有着向东运动的趋势[8]这一现象呢？5.致谢本文的完成得益于张长厚教授和刘本培教授的指导以及韩以贵、陶小晚、石许华等研究生的帮助，在此一并致谢。