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接连“印”出岛屿的地下火种:热点(Hotspot)

在地图上观察夏威夷群岛,会发现岛屿从东南向西北斜斜地排成一列。更奇妙的是,位于东南端的夏威夷岛至今仍有熔岩流淌,而越往西北,岛屿就越古老、被侵蚀得越厉害,最终沉入海中成为海底山。地下深处有一个像这样依次“印”出岛屿的炽热之处,那就是“热点(Hotspot)”。

简单来说,热点是指与板块边界无关、地下深处异常炽热的地幔供给岩浆而引发火山活动的地方。大多数火山集中在板块相遇或分离的地方,而热点火山即使在板块中央也能形成,这正是它的特别之处。

本文将依次介绍热点这一想法是如何产生的、火山岛链的形成原理、地球上的代表性热点,以及至今尚未解决的争论。


在板块上留下火山足迹的地下火种

热点概念的起源

深蓝色的太平洋上火山岛斜斜地排成一列,近处的岛上可见黑色熔岩原野,远处的岛则是被侵蚀得低平的地形和珊瑚礁的航拍照片

热点这一概念起源于解开夏威夷群岛之谜的尝试。

(1)图佐·威尔逊的设想
1963年,加拿大地质学家约翰·图佐·威尔逊(John Tuzo Wilson)提出,夏威夷群岛是太平洋板块缓慢经过一个几乎不动的炽热之处而形成的。板块在移动,热源却留在原地,因此火山只能排成一列。

(2)与地幔柱的结合
随后又出现了一种假说,认为热点下方存在地幔柱(mantle plume),即炽热物质从地幔与地核边界附近像柱子一样上升。如今,热点假说与地幔柱假说几乎被视为一体来讨论。

(3)与板块边界火山的区别
阿留申群岛这样的火山岛链形成于一个板块俯冲到另一个板块之下的俯冲带。相比之下,热点火山形成于与板块边界无关的地方,因此被视为从根源上就不同的火山。


火山岛链的形成原理

盾状火山海岸的黑色岩石上,橙色熔岩缓缓流动,在与海水相遇处升起水蒸气的景象

热点的原理就好比放在传送带上的纸张,被同一位置的烛火不断熏出烟痕。

(1)原地不动的热源与移动的板块
位于热点上方的板块会被岩浆冲破,形成火山。板块移动后,这座火山远离热源而停止活动,热点上方则会长出新的火山。

(2)按年龄排列的岛屿
结果,火山按照年龄顺序排列。夏威夷群岛的主要岛屿形成于约40万年至510万年前之间,越往西北越古老,侵蚀也越严重。在夏威夷岛东南方的近海,卡马埃胡阿卡纳洛亚海山(旧称罗伊希)至今仍在海底生长。

(3)延伸到海底的长尾
夏威夷-天皇海山链是由80多座海底火山绵延约6,200km组成的巨大链条。北端的天皇海山形成于3,900万年至8,500万年前,全部已沉入海底。

热点火山大多喷出玄武质岩浆,因此不如俯冲带火山那样具有爆发性。夏威夷的火山以流淌的熔岩闻名,原因也在于此。

展示热点形成火山岛链原理的剖面信息图。地幔柱上升到原地不动的热点,其上方形成活动中的火山;随着板块向左移动,停止活动的岛屿和沉没的海山依次排列,下方的色带表示左边古老、右边年轻的年龄顺序。
由于热点留在原地而板块在移动,火山按年龄顺序排列形成。图示是为便于理解而简化的示例,实际的夏威夷-天皇海山链由80多座海底火山绵延约6,200km,且中途发生了弯折。

地球上的代表性热点

火山高原上青绿色温泉池的边缘环绕着橙色矿物带,热气升腾,后方可见松树林的景象

关于热点的数量,学者们看法不一,估计从约20个到数千个不等,但大多数认为有几十个左右。

  • 夏威夷热点(Hawaii hotspot):最著名的热点,造就了夏威夷岛上的基拉韦厄火山和冒纳罗亚火山等活火山。
  • 冰岛热点(Iceland hotspot):热点与板块分离的大西洋中脊重叠,因此全岛遍布火山和温泉。
  • 黄石热点(Yellowstone hotspot):位于大陆之上的热点。岩浆熔化大陆地壳,形成黏稠的流纹质岩浆,因此引发过地质史上屈指可数的强烈喷发。越往西,越古老的破火山口遗迹依次排列。
  • 留尼汪热点(Réunion hotspot):在印度洋的留尼汪岛上持续进行活跃火山活动的热点。

由此可见,热点既出现在大洋中央,也出现在大陆腹地,火山的性质会因所处位置不同而大相径庭。


尚未解开的热点之谜

户外桌子上放着黑色玄武岩标本、放大镜、岩石锤和空白笔记本,背景中隐约可见火山轮廓的景象

热点一直被用作解释板块运动的有力证据,但随着研究的深入,新的问题也随之出现。

(1)海山链为何会弯折
夏威夷群岛与天皇海山链以约120度的角度弯折。长期以来,这被解释为约4,700万年前太平洋板块移动方向改变留下的痕迹,但2003年前后出现了热点本身发生过移动的研究。如今最被广泛接受的解释是,板块方向的变化再加上热点的小幅移动。

(2)热点真的固定不动吗
起初人们认为热点彼此之间是固定的,但后来发现了像夏威夷和冰岛这样似乎相互移动的热点。因此,认为地幔柱比最初设想的更复杂、且各自独立移动的观点逐渐得到支持。

(3)地幔柱真的存在吗
也有反对意见认为,热点下方的地幔并不特别炽热,只是在板块较薄或较弱的地方,浅层的岩浆涌了上来而已。随着利用地震波探测地球内部的研究不断积累,看似地幔柱的结构正逐渐得到证实,但争论仍在继续。


热点是地球的记录装置,通过岛屿和海山的年龄直接展示了板块在移动这一事实。排成一列的每一座火山岛上,都刻着板块历经数千万年的旅程。

越过眼前可见的火山,去想象地下深处的流动,这正是学习这颗鲜活运动着的地球的第一步。

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