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火山下面有什么 |
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地球物理学家搜遍全球寻找地幔柱新证据 |
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通过释放地壳内部被压抑的热量，地幔柱在地球数十亿年的演化过程中发挥了至关重要的作用。
法国留尼汪岛皮顿德拉富内兹火山下可能存在地幔柱。
图片来源：RICHARD BOUHET
今年秋季，Karin Sigloch航行进入印度洋，探寻她于一年前在此地设下的监测器。这次，她寻找的并不是深海动物，而是更深奥更难以捉摸的东西——地球内部上升的热岩流。
作为德国慕尼黑大学的一名地球物理学家，Sigloch致力于研究地幔柱。地幔柱的一些特性被认为“供养”了地球上大多数的活火山，能“点燃”史上最大规模的火山爆发。例如，Sigloch正在观察的现象之一就和6500万年前印度的一次火山喷发有关，那次火山喷发规模巨大，可能导致恐龙的灭亡。
神秘地幔柱
地幔柱还能解释夏威夷火山和其他火山形成于地壳板块中部的原因。此外，通过释放地壳内部被压抑的热量，地幔柱在地球数十亿年的演化过程中发挥了至关重要的作用。
地幔柱研究一直是地球物理学的中流砥柱，有关地幔柱的种种猜测最早始于20世纪70年代。围绕地球内部的热量和物质会由于某种未知作用被带回地表的自然现象，科学家已争论了40年。这是否是由比正常状态更炙热的岩石组成的地幔柱的上升作用导致的？利用地震波成像地球内部结构，通过地球化学知识揭示地球深处的自然状态，以及用气象学家预测天气变化的方式构造地幔运动的模型，研究人员已经能捕捉到地幔柱的蛛丝马迹。但一些批评者仍继续怀疑地幔柱是否真正存在。
这就是Sigloch和同事——法国留尼汪大学的Guilhem Barruol，花费6周在海洋深处开展作业的原因。在遭遇恶劣天气、设备故障及偶尔的鲨鱼攻击后，这支由法德专家组成的团队找到了他们于2012年秋季放置在海洋底部的57个地震仪。通过分析地震仪记录的地震波，研究人员计划绘制出留尼汪岛地下的岩石分布，以进一步确定地幔柱是否“供养”了该岛上主要的火山。
Barruol说：“直到现在，人们总是习惯于在没有直接观察的情况下谈论地幔柱。我们的实地考察将告诉大家，地幔柱是否存在。”
极为复杂
研究者对夏威夷地幔柱了解越深，便越能感受到其复杂程度。根据经典的地幔柱范式，炎热的黏性岩石从地底涌到岩石圈，在继续向上流动并最终成为火山熔岩的一部分之前会在此处停留一段时间，直到形成一层厚度约为100公里的堆积层。不过，地震图像显示夏威夷的地底结构与众不同，岩石圈下方的地幔柱呈膨胀态势，这是一个出人意料的结果。
美国马诺阿夏威夷大学地球物理学家Maxim Ballmer认为，岩石化学可以解释地幔柱膨胀的原因。如果夏威夷地幔柱蕴涵丰富的榴辉岩，它将在涌到地下约400公里处停滞下来，因为榴辉岩的浓度比一般地幔物质大。夏威夷地幔柱将在那里堆积，并水平延展开来。最终，随着越来越多的热量从下方涌来，富含榴辉岩的岩石将会像“缩小版”的地幔柱一样轻快地向上涌去。
研究者还在夏威夷地下发现了其他奇异现象。一个由英国南安普顿大学的Catherine Rychert领导的小组，利用从地幔柱实验中得到的数据探测地表下方约110至155公里深处的一片暖池。但该研究小组发现，这处暖池并非处于夏威夷群岛主岛的正下方，而是位于其西方约100公里的区域。Rychert说，可能说明夏威夷地幔柱在抵达地表之后“拐弯”了，这可能是受到了某种影响，在这种影响下，地幔柱转而朝另一个方向流动。或者地幔柱本身就是在沿着一条倾斜的通道前进。
这些推测的背后是一场围绕着地幔柱实验所能企及的深度的争论。要想获得可信数据，地下1500公里可能便是它的极限了。Sigloch和Barruol的目标之一便是通过在留尼汪岛周围密集布置一系列工具来研究更深层的地幔柱。Sigloch补充道：“在这里，我们有希望将观测范围一直延伸到地幔的下半部，然而用同样的方法研究夏威夷地幔柱是不可能的。”
实验之争
造成这个局面的“罪魁祸首”是夏威夷群岛的地理位置：它坐落于太平洋的中心。与之相比，留尼汪岛的优势在于它距离马达加斯加岛很近，且相对也更加贴近非洲南部，研究者可以更从容地布置地震仪器。Sigloch和Barruol的研究正是利用了从马达加斯加岛和非洲获得的数据。此外，他们还将仪器布置在莫桑比克海峡中的一些岛屿上，作为海底地震仪的补充设施，该仪器由Sigloch和Barruol于2012年研发。留尼汪岛地幔柱的研究得到了总计120个地震监测站的支持，覆盖范围达2000至3000公里。
但即便如此，夏威夷大学地震学家兼地幔柱研究负责人Cecily Wolfe仍认为留尼汪岛地幔柱的研究具有不确定性。她说：“对该处地幔柱的成像工作极度依赖地形结构及技术和技巧的应用。”
无论留尼汪岛的研究发现了什么，其结果似乎都将难以说服少数对地幔柱假设持批判态度的人。美国果登市科罗拉多矿业大学地球物理学家Warren Hamilton便是其中之一，他认为那些所谓的“地幔柱学家”是通过片面解读地震数据来发现地幔柱的。
不过，有一点毫无疑问：地幔柱比人们原先预想的要复杂得多。
近日，在加州旧金山市召开的美国地球物理联盟会议上，Rychert论述了几处可能存在地幔柱的地震研究，这些地幔柱分布于夏威夷群岛、加拉帕戈斯群岛、冰岛群岛及非洲东部的阿法尔地区。但其相关探针只能探测到地下数百公里深的位置，无法深入到地幔内部。
在大部分研究中，例如夏威夷群岛，Rychert在地下100公里深处发现了类似熔岩池的地理特征，这种熔岩池被认为是由地幔柱形成的。Rychert通过研究还发现这些地幔柱的位置并不总是与研究者的预期相一致。
Rychert在加拉帕戈斯群岛区域标注了3处类似熔岩池的地理特征：一处正好位于原先被探测到存在地幔柱的位置，另外两处则在其他区域。这一发现或许意味着当地幔柱抵达岩石圈后，会向四周扩散，其路径也会发生偏移，最终汇入不同的火山中。Rychert说：“地震研究方法使我们能够更详细地研究地幔柱，有些时候还能观测到更复杂的现象，这是让我们在研究中感到兴奋的地方。”
Sigloch和Barruol期望在接下来的数月内能够经历许多这样令人兴奋的时刻。数日前，他们的研究船满载着地震数据和其他珍贵资料返回了位于留尼汪岛的港口。他们将花费至少1年的时间对这些数据进行深入分析，弄清留尼汪岛下方究竟有着怎样的地质活动。幸运的是，他们已经从水下地震仪得到了想要的数据。
（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-12-17 第3版 国际)
