地幔柱

定义

地幔柱指深部地幔热对流运动中一股上升的圆柱状固态物质热塑性流，即从软流圈或下地幔涌起、穿透岩石圈而成的柱状热地幔物质体，因其形态近似圆柱而得名^[3]。它在地表或洋底出露时表现为热点，热点的地热流值明显高于周边地区，常形成孤立的火山，如太平洋板块内的夏威夷火山区和非洲板块内的东非阿法尔区^[2]。

地幔柱被认为源自核幔边界或上下地幔边界的热异常物质，其携带的巨大能量可导致地幔大规模熔融，并形成大火成岩省^[5]。按估算，其上升速率约为每年几厘米，由此可在地幔顶部造成直径上百千米的穹状隆起，高出四周约 1 至 2 千米^[2]。

原理

地幔柱假说把地球内部物质与能量的交换分为两种方式：一种是自上而下的俯冲板片运动，另一种是自下而上的地幔柱上升，两者共同构成地表与深部地幔之间物质和能量输送的主要通道^[2]。热物质自核幔边界上升，形成细长的柱状体并到达地表，热点则是地幔柱在地表处的表现形式^[6]。

依据实验结果和数值模拟建立的动态热柱结构模型认为，地幔柱由巨大的蘑菇状柱头和细长的柱尾组成^[6]。柱头在上升过程中一边升高一边展开，抵达岩石圈底部时可诱发大火成岩省；柱头喷出消耗之后，其尾部继续在地表打出热点^[3]。

由于地幔柱位置被认为相对固定，而上覆板块持续移动，板块跨越周期性喷发岩浆的地幔柱时便会在地表留下间隔较规则的串珠状火山岛。夏威夷群岛即为最典型的代表：位于岛链最前端西北方的考艾岛等形成最早，而位于地幔柱正上方的夏威夷岛最新^[1]。

发展历程

这一思路的起点是热点假说。在板块构造理论成型后不久，加拿大地质学家威尔逊于 1963 年根据太平洋、大西洋和印度洋中火山岛屿与海山的线状分布特征及喷发年龄顺序变化，提出岩石圈之下存在相对静止的热点，板块漂移经过热点时形成链状火山岛^[4]。在此基础上，美国地球物理学家摩根于 1971 年提出地幔柱假说，认为热物质自核幔边界上升形成细长柱状体并到达地表，全球约有 20 个热点^[6]。也有资料将该概念的提出时间记为 1972 年^[2]。

1990 年前后，随着在流体容器中模拟地幔柱对流的实验文章发表，地幔柱假说开始盛行，相关论文数量大幅增加^[7]。此后拉森于 1991 年提出超级地幔柱概念，坎贝尔等人于 1992 年讨论了冷地幔柱问题，丸山茂德于 1994 年提出地幔柱构造说的初步概念，把板块构造与地幔柱构造视为地幔热对流的两个端元^[8]。

2000 年以后，即便是更多考虑板块构造对撞观点的研究者也大多承认地幔柱的存在。2010 年，托斯维克、斯坦伯格等人联合在《自然》杂志发表论文，总结了一些把地表火山活动与地幔底部非洲和南太平洋下方两大火成岩省相联系的研究成果^[8]。

应用

地幔柱概念被用于解释远离板块边界的板内岩浆活动。板块构造理论能合理解释沿汇聚板块边界分布的火山弧成因，却难以说明夏威夷群岛、黄石和冰岛等板内岩浆作用的来源，地幔柱假说正是为填补这一空白而提出^[4]。

大火成岩省是其另一重要应用方向。峨眉山、西伯利亚和德干大陆溢流玄武岩是世界上三个重要的大火成岩省，其形成时代分别约为 260 Ma、250 Ma 和 66 Ma；识别古地幔柱通常依据先于岩浆作用的地表隆升、与大陆裂谷化和裂解事件相伴、与生物灭绝事件联系密切以及地幔柱源玄武岩的化学特征等标志^[9]。

地幔柱活动还被联系到地质历史时期的气候与生物事件。有学者统计了 2.5 亿年以来大陆溢流玄武岩火山作用与生物群体灭绝之间的关系，发现二者存在明显的对应关系，并据此讨论三叠纪、白垩纪生物灭绝的地球内部原因；白垩纪中期温度异常也被尝试用古地理因素与地幔柱释放二氧化碳的温室效应共同解释^[3]。

局限

地幔柱至今仍是一种假说，其基本预测未获一致证实。按假说，地幔柱起源于地幔深部热边界层，上涌至浅部时应伴随地表强烈隆起、大规模溢流玄武岩、随时间变年轻的火山链和高温岩浆作用，但英国杜伦大学地球物理学家福尔杰认为，这些预测或具有多解性，或尚未得到检验^[4]。

具体而言，全球有地幔柱报道的地区还缺乏地表强烈隆起的确实证据；地幔柱能否在短期内产生大火成岩省那样巨量的熔体也尚无定论，有计算表明即便温度很高，地幔柱也难以在短期内产生如此大体积的岩浆^[4]。此外，地震学经过 30 多年的持续努力和不断更新的方法，仍未观测到令人信服的、从核幔边界延伸至地表的垂直圆柱状热异常结构，冰岛、Tristan 和 Afar 之下的异常仅限于上地幔，而留尼汪、霍加尔等热点之下则没有异常^[7]。

另一类批评来自对深部物理条件的质疑。地幔深部的高压会显著影响热膨胀、热传导和黏滞性，使深部物质的热浮力难以明显增加，黏滞度还会升高 1 至 2 个数量级，从而不利于对流上升，据此有学者认为地表热点可能源于浅部板块构造过程而非深部地幔柱^[7]。对地震层析成像结果的解释同样存在分歧，同一地区不同作者给出的成像解释常有差异，难以重复^[4]。

需要注意，「地幔柱」一词在不同研究中含义并不统一。2003 年前后的讨论中，学者对地幔柱数量的估计从不到 10 个到数十个不等，对其延伸深度也存在从数百千米到数千千米的不同看法，有与会者指出该术语在每位地球科学家那里含义都不同，这使假说的可检验性本身成为争论焦点^[10]。

参见

• 热点 —— 地幔柱在地表或洋底出露时表现出的地质现象。

• 板块构造 —— 地幔柱假说据以提出并与之互补的全球构造理论。

• 大火成岩省 —— 被认为与地幔柱柱头活动密切相关的巨量镁铁质岩浆岩建造。

• 核幔边界 —— 位于约 2900 千米深处、被认为是地幔柱发源地的分界面。

• 地震层析成像 —— 用于探测地幔深部速度异常、检验地幔柱存在的主要手段。

• 夏威夷-皇帝海山链 —— 常被用作地幔柱与板块运动共同作用的典型实例。