地球物理学家搜遍全球寻找地幔柱新证据

通过释放地壳中被抑制的热量，地幔柱在数十亿年的地球演化中扮演了重要角色。

地幔柱可能存在于法国留尼旺岛的福提斯山下。

资料来源:RICHARD BOUHET

今年秋天，卡琳·西格洛克航行到印度洋，探索她一年前在那里安装的监视器。这一次，她不是在寻找深海动物，而是寻找更深刻、更难以捉摸的东西——地球内部上升的热流。

作为德国慕尼黑大学的地球物理学家，Sigloch致力于研究地幔柱。地幔柱的某些特征被认为“支持”了地球上大多数活火山，并能“点燃”历史上最大的火山爆发。例如，西格洛克观察到的现象之一与6500万年前印度的一次火山爆发有关，那次火山爆发非常大，可能导致恐龙灭绝。

神秘的地幔柱

地幔羽也可以解释夏威夷火山和地壳板块中间其他火山的形成。此外，数十亿年来，地幔柱通过释放地壳内部被抑制的热量，在地球的演化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支柱，关于地幔柱的各种推测始于20世纪70年代。40年来，科学家们一直在争论地球内部周围的热量和物质将通过某种未知的作用被带回到地表的自然现象。这是由比正常温度高的岩石组成的地幔柱上涌引起的吗？利用地震波对地球内部结构成像，通过地球化学知识揭示地球深处的自然状态，利用气象学家预测天气变化来构建地幔运动模型，研究人员已经能够捕捉地幔柱的线索。然而，一些批评家继续怀疑地幔柱的存在。

这就是为什么法国留尼汪大学的Sigloch和他的同事Guilhem Barruol在海洋深处工作了六周。在经历了恶劣的天气、设备故障和偶尔的鲨鱼袭击之后，法德专家小组在2012年秋季在海底发现了57个地震仪。通过分析地震仪记录的地震波，研究人员计划绘制留尼汪岛地下岩石的分布图，以进一步确定地幔柱是否为该岛的主要火山“提供食物”。

巴罗说:“直到现在，人们一直习惯于在没有直接观察的情况下谈论羽流。我们的现场调查将告诉你是否有地幔柱。”

极其复杂

研究人员对夏威夷地幔柱了解得越深，就越能感受到它的复杂性。根据经典的地幔柱模式，热粘性岩石从地面流向岩石圈，并在那里停留一段时间，直到形成一层厚度约100公里的堆积层，然后继续向上流动，最终成为火山熔岩的一部分。然而，地震图像显示夏威夷的地下结构不同，岩石圈下的地幔柱正在膨胀，这是一个意想不到的结果。

美国夏威夷大学的地球物理学家马克西姆·鲍尔默认为，岩石化学可以解释地幔柱的膨胀。如果夏威夷的地幔柱含有丰富的榴辉岩，它将滞留在地下400公里左右，因为榴辉岩的浓度高于普通地幔物质。夏威夷的地幔柱将在那里聚集并水平扩散。最终，随着越来越多的热量从下方流入，富含榴辉岩的岩石将像“减少的”地幔柱一样向上流动。

研究人员还在夏威夷的地下发现了其他奇怪的现象。由英国南安普敦大学的凯瑟琳·雷切特领导的一个小组利用地幔柱实验的数据来探测地表下大约110到155公里处的暖池。但是研究小组发现暖池并不在夏威夷群岛主岛的正下方，而是位于主岛以西约100公里处。赖切特说，这可能表明夏威夷地幔柱在到达地表后“转向”，这可能受到某种影响，在这种影响下，地幔柱转向另一个方向流动。或者羽流本身沿着倾斜的通道前进。

在这些推测的背后是关于地幔柱实验可以达到的深度的争论。为了获得可靠的数据，地下1500公里可能是它的极限。西格洛克和巴罗的目标之一是通过在留尼汪岛周围密集排列一系列工具来研究更深的地幔柱。西格洛克补充道:“在这里，我们希望将观测范围扩大到地幔的下半部，但不可能以同样的方式研究夏威夷地幔柱。”

关于实验的争论

这种情况的“罪魁祸首”是夏威夷群岛的地理位置:它位于太平洋的中心。相比之下，留尼旺岛的优势在于它靠近马达加斯加，相对来说更靠近南部非洲。研究人员可以更容易地安排地震仪器。西格洛克和巴罗尔的研究使用了来自马达加斯加和非洲的数据。此外，他们还在莫桑比克海峡的一些岛屿上安装了该仪器，作为Sigloch和Barruol于2012年开发的海底地震仪的辅助设施。留尼汪岛地幔柱的研究得到了120个地震监测站的支持，覆盖面积为2000至3000公里。

尽管如此，地震学家、夏威夷大学地幔柱研究负责人塞西莉·沃尔夫(Cecily Wolfe)仍然认为留尼汪岛地幔柱的研究是不确定的。她说:“那里地幔柱的成像非常依赖于地形结构、技术和工艺的应用。”

不管留尼汪岛的研究发现什么，结果似乎很难说服一些对地幔柱假说持批评态度的人。其中之一是沃伦·汉密尔顿，他是美国戈登科罗拉多矿业科技大学的地球物理学家。他认为所谓的“地幔柱科学家”通过对地震数据的片面解释发现了地幔柱。

然而，毫无疑问，地幔柱比最初预计的要复杂得多。

最近，在加州旧金山举行的美国地球物理联盟会议上，Rychert讨论了几个可能的地幔柱地震研究，这些地幔柱分布在夏威夷群岛、加拉帕戈斯群岛、冰岛群岛和东非的阿法尔地区。然而，它的相关探测器只能探测地下数百公里的位置，而不能穿透地幔。

例如，在大多数研究中，在夏威夷群岛，Rychert发现了类似于地下100公里的熔岩池的地理特征，这些熔岩池被认为是由地幔柱形成的。瑞切特还发现，这些羽状物的位置并不总是与研究人员的预期一致。

里切特标出了加拉帕戈斯群岛地区三个类似熔岩池的地理特征:一个是地幔柱最初被发现的地方，另外两个是在其他地区。这一发现可能意味着，当当地地幔柱到达岩石圈时，它将四处扩散，其路径将会改变，最终融合成不同的火山。瑞切特说:“地震研究方法使我们能够更详细地研究地幔柱，有时可以观察到更复杂的现象。这就是我们在研究中感到兴奋的地方。”

西格洛克和巴罗预计在接下来的几个月里会经历许多这样激动人心的时刻。几天前，他们的研究船带着地震数据和其他珍贵数据返回留尼旺岛的港口。他们将花至少一年的时间深入分析这些数据，以找出留尼汪岛下的地质活动。幸运的是，他们从水下地震仪上获得了想要的数据。

(段鑫)

中国科学新闻(2013-12-17第三版国际版)