自遠(yuǎn)古以來(lái)，地球本身的演化在多方面塑造出了有利的條件，讓生命的誕生和發(fā)展成為可能。但是，科學(xué)家從遠(yuǎn)古帶回的數(shù)據(jù)卻不會(huì)因人們的自作多情而改變絲毫。自5.4億年前的生物大爆發(fā)以來(lái)，幾近所有的大型滅絕發(fā)生之時(shí)，人們總能夠在當(dāng)時(shí)的地層中找到某次巨型巖漿溢流災(zāi)難的影子。這很難讓人相信這僅僅只是巧合。
巖漿溢流災(zāi)難聽(tīng)起來(lái)固然震撼，但它本身也不過(guò)是一種地質(zhì)現(xiàn)象，追根溯源，它的背后到底是什么樣的地球偉力在推動(dòng)著它呢？為此我們有必要進(jìn)行一次全新的地心旅行。在板塊構(gòu)造已然深入人心的今天，這趟旅行將為大家呈現(xiàn)另一種截然不同的地球動(dòng)力學(xué)圖景。它鮮為人知，卻與地球上全部生命的生死存亡息息相關(guān)。它深達(dá)行星之核，橫貫地球半徑，轟裂地表，淌出巖漿洪流。這就是今天我們故事的主角——矗立在地底的宏偉巨杵：地幔柱（Mantle Plume）。
板塊構(gòu)造的補(bǔ)完
地球“是什么”早已擺明，但是它是“怎么動(dòng)”的呢？
自從魏格納（Alfred Lothar Wegener）讓大地“漂起來(lái)”開(kāi)始，將近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，越來(lái)越多的人已經(jīng)接受了這樣的圖景：我們腳下最表面的這層物質(zhì)——地殼，其實(shí)并不是剛板一塊，而是一塊塊的七巧板，即可以拼合，也可以拆開(kāi)，甚至還可以被掰斷、支解。我們生活在這樣的七巧板上，有可能因板塊的拼合而匯聚為一，也同樣有可能因板塊的離散而相互支離——沒(méi)錯(cuò)，這就是大家極為熟悉的板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)。
其實(shí)早在魏格納提出板塊漂移學(xué)說(shuō)之前的1858年，法國(guó)地理學(xué)家安東尼奧·斯奈德-佩列格里尼（Antonio Snider-Pellegrini）就已經(jīng)繪制了關(guān)于大西洋形成的插畫(huà)。
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但是，當(dāng)時(shí)的人們不得不承認(rèn)，板塊構(gòu)造自建立起就一直頂著一朵“烏云”：該學(xué)說(shuō)全部的內(nèi)容都建立在“地殼剛性”的預(yù)設(shè)之上，換句話(huà)說(shuō)，板塊互相之間的力，只會(huì)作用在板塊的邊緣，其內(nèi)部不應(yīng)該有大規(guī)模的地質(zhì)活動(dòng)。但是，人們卻在穩(wěn)定板塊的內(nèi)部，的確發(fā)現(xiàn)與預(yù)測(cè)完全不相符的活躍行為——比如夏威夷劇烈流淌的火山，比如黃石公園的噴發(fā)，又比如兩億多年前的西伯利亞的巖漿溢流。這些地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)論在強(qiáng)度和影響效應(yīng)上，都足以與板塊構(gòu)造體系下的火山弧、造山帶等經(jīng)典現(xiàn)象相媲美，完全不是那些可以忽略的誤差選項(xiàng)。
板塊構(gòu)造理論剛成型尚不到十年，摩根（William Jason Morgan）教授就開(kāi)創(chuàng)性地指出，對(duì)于地球動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，板塊構(gòu)造其實(shí)并不是一個(gè)整全性的描述，而只是其中一種行為罷了。在同一個(gè)地幔內(nèi)部，其實(shí)等價(jià)地存在著兩套截然不同的動(dòng)力學(xué)圖景：
地幔軟流圈如同傳送帶那樣橫向循環(huán)，托著板塊滿(mǎn)世界漂，以動(dòng)能的形式消耗行星內(nèi)核的放射熱，這，是其中的一種運(yùn)動(dòng)行為，正如我們熟悉的那樣，是為板塊構(gòu)造。
而當(dāng)?shù)蒯Ｔ诳v向上以非平移的行為運(yùn)動(dòng)時(shí)，情景便截然不同了。在地核的加熱下，最靠近地核的那部分地幔會(huì)形成一個(gè)升騰的熱柱——就像煙囪中的滾滾濃煙一樣。它在流動(dòng)的地幔中垂直上升，幾乎完全不影響、也不干涉板塊構(gòu)造的“傳送帶運(yùn)動(dòng)”。這，又是另一種運(yùn)動(dòng)行為。而這種行為的主體，就是我們這里所說(shuō)的地幔柱了。
地幔柱結(jié)構(gòu)示意：藍(lán)色實(shí)心球?yàn)榈睾?。虛線(xiàn)透明部分包括從地幔到地殼的范圍。黃色部分為地幔柱。色彩表示熱異常的比率，越藍(lán)表示熱梯度越正常，越紅則反之。
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地幔柱不只是人們?yōu)榻忉尙F(xiàn)象而設(shè)計(jì)的一種模型，它本身是客觀存在的。地幔柱被定義為“存在于地幔中的一種呈柱狀分布的熱異常領(lǐng)域（Thermal Anomalies）”，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是與周邊地幔對(duì)比，柱中的區(qū)域要有著更高的溫度。熱脹冷縮，溫度的升高帶來(lái)密度的降低，密度的降低讓波速變慢。于是，當(dāng)人們把人工地震波打向地球內(nèi)部時(shí)，波速的變化可以讓它現(xiàn)形。
基于震波勘測(cè)的事實(shí)，摩根教授和后人們發(fā)展了地幔柱理論：在地核和地幔的邊界處（Core-Mantle Boundary，CMB），星核巨溫的加熱，會(huì)令地幔中最靠近地核的部分溫度升高。溫度的升高必然帶來(lái)密度的降低，當(dāng)一個(gè)均一的體系內(nèi)部發(fā)生密度分化，且還是密度低的在下，密度高的在上時(shí)，體系將發(fā)生瑞雷-泰勒失穩(wěn)。在這種情況下，地幔中將會(huì)重新演繹一個(gè)“局部行星分異”——低密度的輕物質(zhì)上浮，騰出空間讓重物質(zhì)下沉填充，地幔柱——這個(gè)低密度的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，就沿著豎直方向一路緩緩上升了。
根據(jù)流體力學(xué)的模擬，一個(gè)柱縷結(jié)構(gòu)在垂直上升中，其頭部將會(huì)緩慢地?cái)U(kuò)展開(kāi)來(lái)，就像一個(gè)蘑菇緩慢地張開(kāi)自己的傘蓋一樣。越向上走，周?chē)蒯５拿芏染蜁?huì)越低，直到地幔柱率先升起的頭部走到與其密度大抵相當(dāng)?shù)牡胤?，傘蓋就會(huì)橫向擴(kuò)散，張開(kāi)，緩慢地在橫向上擴(kuò)展出一個(gè)巨大的區(qū)域。地幔再怎么深，其深度也畢竟有限，一直上升的后果可想而知，這么大一個(gè)傘蓋最終將“一頭頂上”巖石圈的底部。地幔柱的頭部可是富含來(lái)自地核的高溫巖漿啊，將巖石圈頂裂之后，接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么，我想，已經(jīng)不言而喻了。
地幔柱示意圖。途中中最黃色區(qū)域?yàn)閮?nèi)核，橙黃色為外核，深紅色為地幔，灰色為地殼。右側(cè)四個(gè)大小不同的地幔柱形象地表示它一邊上升一邊展開(kāi)頭部，最終沖擊到巖石圈底，誘發(fā)大火成巖省的動(dòng)態(tài)特征。左側(cè)一個(gè)孤立的細(xì)小地幔柱表示地幔柱頭部已經(jīng)噴出消耗之后，其尾部在地球上繼續(xù)打出的較小區(qū)域——大地?zé)狳c(diǎn)（Hotspot）。熱點(diǎn)一般形成海山，或隨板塊的移動(dòng)而“搓出”無(wú)震海嶺。
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今天的地幔柱，明天的大滅絕
火山，是地球深部巖漿的輸出口。它的噴發(fā)已然可怕，但找遍地球，哪怕把島弧鏈和洋中脊這種大型火山帶都包括進(jìn)去，都從來(lái)沒(méi)有哪種巖漿事件，能與那種被稱(chēng)為“大火成巖省”的星球級(jí)巖漿溢流體系相提并論。與現(xiàn)代能見(jiàn)到的火山噴發(fā)相比，大火成巖省根本就是完全不在一個(gè)層面上的另一種星球圖景。人們雖然可（wàn）惜（xìng）地（a）沒(méi)有生活在大火成巖省極盛噴發(fā)的時(shí)代，沒(méi)法實(shí)際見(jiàn)到它的模樣，但我們的地球科學(xué)家卻可以精確地告訴人們：大火成巖省實(shí)在太大了，大到能覆蓋三分之一個(gè)西伯利亞地域，更可怕的是，這么大的巖漿區(qū)域并不是在極長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)緩慢累積出來(lái)的——它的發(fā)育完成僅僅需要十分之一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)時(shí)間單位。
這種大火成巖省的噴發(fā)，便是地幔柱直接拱裂巖石圈的可怕后果。咱們還是回到根源上想一想——地幔柱是什么？它是一個(gè)行星在極短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模釋放內(nèi)部核熱的極端手段，而且，這種手段還不是板塊運(yùn)動(dòng)那樣熱能對(duì)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化——而是將最深部的熱能直接輸出到地表，輸出到大氣圈、水圈、生物圈這些地表的圈層。
如此規(guī)模的熱量，一旦以CO2等巖漿揮發(fā)份為載體輸出，會(huì)造成極大規(guī)模的溫室效應(yīng)。但與此同時(shí)，另一種主要的巖漿揮發(fā)份——SO2，又會(huì)積極地與大氣中的水分結(jié)合，形成硫酸的氣溶膠，不僅讓酸雨“滋潤(rùn)四方水土”，更能有效地反射射至地表的太陽(yáng)光，令局部產(chǎn)生冷室效應(yīng)。在氣候的冷熱失調(diào)下，生物圈就只能有一種回饋方式了——滅絕。
于是，西伯利亞大火成巖省噴發(fā)后，就有了二疊紀(jì)末那場(chǎng)亙古大滅絕，超過(guò)95%的物種被清洗，偉大的古生代生物群至此被徹底摧垮，永遠(yuǎn)地凝固在了歷史的記錄中。自生物大爆發(fā)以來(lái)，持續(xù)3億年的“遠(yuǎn)古生物時(shí)代”就此便結(jié)束了，歷史進(jìn)入“中古生物時(shí)代”的第一個(gè)紀(jì)元——三疊紀(jì)。又過(guò)了很長(zhǎng)一段時(shí)間后，中央大西省噴發(fā)，把這個(gè)三疊紀(jì)連同它的生物群一起從地球日歷上徹底撕掉，迎來(lái)侏羅紀(jì)。侏羅紀(jì)把恐龍推向了歷史的高潮，然后繁盛了幾千萬(wàn)年，在白堊紀(jì)的末期，印度德干地區(qū)又出現(xiàn)了大火成巖?。@次好像還偶然跟地外事件重合到了一起——導(dǎo)致中生代恐龍王國(guó)直接歇菜，讓“新生生物時(shí)代”的哺乳動(dòng)物開(kāi)心地充填空空如也的生態(tài)位。
大滅絕與巨型巖漿溢流事件的時(shí)間匹配圖，其中紅色的線(xiàn)條表示巨型巖漿溢流事件。括號(hào)內(nèi)標(biāo)出的是海底溢流事件，其中OJP表示翁通爪哇海臺(tái)、KP表示凱爾蓋朗海臺(tái)、CP表示加勒比海臺(tái)。
圖片出處：elements.geoscienceworld.org
古生代被地幔柱毀了，中生代被地幔柱毀了，咱們現(xiàn)在依然生活在新生代。地幔柱，不再來(lái)一發(fā)嗎？
事實(shí)告訴我們，當(dāng)下的地球內(nèi)部不僅的確存在著地幔柱，而且還有兩個(gè)：非洲下面一個(gè)，太平洋下面一個(gè)。2012年世界末日的才剛消停，地學(xué)界權(quán)威的學(xué)術(shù)雜志《地球與行星科學(xué)學(xué)報(bào)》便發(fā)布了一個(gè)震撼性的研究（參考文獻(xiàn)3），把更精確的事實(shí)告訴了我們——
原來(lái)，這些地幔柱早就已經(jīng)在醞釀了。
在地核與地幔的邊界，幾乎能覆蓋整個(gè)太平洋的大型低波速域（LLSVP）正在潛伏著。為何會(huì)有低波速？溫度高了，密度低了，已經(jīng)開(kāi)始不正常了。在這些LLSVP中，溫度持續(xù)升高，最終使熱力/密度分異強(qiáng)化為化學(xué)分異——浮力大的物質(zhì)會(huì)集中聚攏起來(lái)，進(jìn)一步演化，最終形成流動(dòng)性更高、活動(dòng)性更強(qiáng)烈的超強(qiáng)低波速域（ULVZ）。ULVZ里邊的物質(zhì)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生大規(guī)模的部分熔融了——說(shuō)更通俗點(diǎn)其實(shí)就是更加高溫的巖漿，只要噴出來(lái)就可以直接玩滅絕了。不過(guò)還好，研究指出，目前這些ULVZ還是非常局部的。但是，它們畢竟在緩緩聚攏。一旦它們絲縷相連，上升到地表，新生代估計(jì)也就差不多了。
EPSL 2013年2月所發(fā)布的最新研究中量化出的LLSVP面積。通過(guò)大陸的輪廓（白色線(xiàn)條）可以直觀認(rèn)識(shí)其大小。
圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3
有兩個(gè)消息。一個(gè)壞消息是，它們的確已經(jīng)在高速地匯聚上升了——否則科學(xué)家們不可能告訴你現(xiàn)在地球上已經(jīng)有兩個(gè)地幔柱；但另一個(gè)好消息是，在地學(xué)上一切離開(kāi)時(shí)間談災(zāi)難的行為都是不靠譜的。永遠(yuǎn)記住，地球科學(xué)的基本時(shí)間單位不是“年”而是“百萬(wàn)年”，所以，就算它們“瞬間發(fā)生”，這個(gè)瞬間也過(guò)于漫長(zhǎng)。
對(duì)于地球來(lái)說(shuō)，無(wú)論是保護(hù)你，還是毀滅你，與你其實(shí)毫不相干。你只是地球系統(tǒng)里的一份子，演化的過(guò)程中，消失了又有什么好奇怪的呢？宇宙不是目的論的試驗(yàn)場(chǎng)。
但是，站在我們自己的立場(chǎng)上考慮，從宇宙中消失我們甘心嗎？不甘心。那么好，就不妨抱著這種憂(yōu)患的意識(shí)繼續(xù)生存發(fā)展吧。環(huán)境賜予你壓力，世間永無(wú)溫室。無(wú)論是遠(yuǎn)征星辰大海，還是切實(shí)改造家園，在自然的偉力前，我們必須只有一個(gè)回答：活下去。
參考文獻(xiàn)：
- 吳泰然等，《普通地質(zhì)學(xué)》，北京大學(xué)出版社。
- Morgan WJ. Deep mantle convection plumes and plate motions. Bull. Am. Assoc. Pet. Geol.(1972) 56:203–213.
- Thorne MS et al. Mega ultra low velocity zone and mantle flow. Earth. Planet. Sc. Lett.(2013) 364:59-67
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