火山岛链和地幔柱

　　现代地球物理研究根据分析地震波观测记录，发现我们的居住的地球是一个分层的球体，由地壳，地幔和地核组成。我们人类生活在地壳上的陆地。但地球的最外层——地壳，并不是一个整体，而是分裂成几个大块和多个小块，科学家称之为板块。目前，地壳主要由6个大板块组成，分别是欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、印度洋板块和南极洲板块。其中太平洋板块全部位于海底，是典型的海底板块，也是地球上最古老和坚韧的板块。其余五个板块称为大陆板块，但它们上面既有大陆又有海洋。中国大陆就位于欧亚大陆板块。在海底，地幔岩浆从地壳板块的缝隙中冒出，形成新的地壳，并推动原来的板块移动。太平洋板块平均每年向西北方向移动8-9厘米。
　　图1 太平洋板块俯冲到大陆板块下方，相互挤压，导致上地幔岩浆喷出，在板块边界形成了很多火山。
　　当两个板块相遇时，在板块边界碰撞挤压，这时，坚韧的板块会发生弯曲，插入到较软的板块下面。科学家称这种现象为板块俯冲。通常，坚硬的太平洋板块俯冲到大陆板块下方，板块俯冲导致板块边界经常出现地震活动和火山喷发（图1）。太平洋海岸附近是太平洋板块与其它板块碰撞挤压的边界，由此形成了漫长的俯冲带，这里经常火山喷发和地震活动发生。因此，环太平洋海岸被称为是地球表面的火圈（图2）。
　　图2 太平洋板块的移动形成了多个俯冲带，火山喷发和地震经常发生在俯冲带。环太平洋海岸被称为地球的火圈。
　　地球上约95％的火山位于板块边界附近，例如最近爆发的汤加火山。但还有约5%的火山远离板块边界，出现在板块中部。这些板块中部的火山喷发很强，并形成一串火山岛，被称为火山岛链。地质学家发现，岛链中火山岛的形成时间相差很远，差异达十多万年。例如夏威夷火山群，冰岛火山群，埃塞俄比亚阿法尔火山群。科学家们一直在思考这些火山岛链是如何形成的。
　　在现有技术条件下，人类无法进入地球内部直接观测地球的内部结构。科学家研究地球内部结构的方法是：提出假设，建立模型，利用地球表面的地球物理和地球化学观测证实模型。1963年，地球物理学家威尔森（W.Tuzo Wilson）首次提出：地幔中的岩浆喷口通道（火山通道）的位置保持不动，地球板块在火山通道上方移动，经过漫长的岁月，就可能形成像夏威夷群岛那样的火山岛链。通常将远离地球板块边界的火山口被称为地球的＂热点＂。
　　这些＂热点＂的位置如何长期保持基本不变？地球物理学家摩根（W. Jason Morgan）脑洞大开，他在1971年提出了一个大胆的假设：地球的＂热点＂是源于核幔边界升起的超级热柱——地幔柱。超级地幔柱就像是地球内部巨大的大烟囱，从地核边界延伸到上地幔底部，高达2900余千米。一些超级地幔柱的分枝继续向上，形成上地幔柱。上地幔柱到达地球岩石圈底部，导致大量的岩浆上升到地表并喷发，形成位置基本固定的＂热点＂。由于地壳板块在不停地运动，几百万年后，地幔柱造就了我们现在看到的诞生时间不等的夏威夷 火山岛链。
　　图3 地幔柱示意图
　　图4 地球板块运动，地幔柱不动，最后造就了夏威夷火山岛链。
　　通过分析火山岛岩石的微量化学成分， 地球化学家可以判断火山岛是否由地幔柱的喷发形成。例如，分析地幔柱火山岛的岩石中氦气的同位素氦-3（3He）的含量。科学研究认为，地球中自然存在的氦-3源于宇宙大爆炸，在45亿年前和地球同时形成，是地球上的原始同位素。经过45亿年的漫长岁月，地球表面和浅层上地幔中的氦-3几乎都逃逸到太空中，基本耗尽。而地球深部仍然含有原始的氦-3。因此，火山岛岩石中的高含量氦-3可证明形成火山岛的岩浆是来自下地幔深处，不是来自上地幔浅处。
　　通过分析地震波在地球内部的传播速度，地球物理学家可以用地震波＂看＂到地幔柱。地震波在温度较低的岩石中传播较快，在温度较高的岩石中速度传播较慢。在地球地幔层的上部（上地幔），地幔柱的温度显著高于周边环境的温度。地震波在地幔中传播，若穿过地幔柱，其速度会显著变慢。这样。科学家就能计算出地幔柱的大小。这类研究的结果表明，，目前世界上大约有60个大小不等的地幔柱，地幔柱的直径最大可达到600~800km。
　　图5 地球上地幔柱热点的位置——图源自维基百科
　　近十几年来，科学家在南极大陆也布置了许多地震仪，分析地震波观测数据后，发现南极罗斯海附近的火山岛群也可能与地幔柱活动有关。其中埃里伯斯＂热点＂是南极火山活动频繁的地幔柱热点（图5中的第54个热点）。这个热点目前的喷发口是埃里伯斯火山，位于南极罗斯岛，海拔高度3795米，是地球最南端的一座活火山，终年和冰雪相伴。
　　自1841年被南极探险家发现以来，埃里伯斯火山一直在持续喷发。图5显示了埃里伯斯火山，这张照片是笔者摄于2018年2月，当时中国南极考察船雪龙号在埃里伯斯火山附近开展科学考察活动。
　　图6 云端上的南极埃里伯斯火山口
　　美国和新西兰在南极罗斯岛建立了常年有人驻守的观测站。其中美国的麦克默多考察站是南极最大的科考站，最多可容纳2000余人。图7显示了游弋在埃里伯斯＂热点＂下的美国南极科考队破冰船。2018年，中国南极考察队也在罗斯海岸边建立了一个新的考察站，图8是当时正在建立的罗斯海新站。
　　图7 游弋在南极埃里伯斯＂热点＂下的美国南极科考队破冰船
　　图8 正在南极罗斯海岸边建立的中国科考站