“彩虹之州”成因之謎

梁光河

夏威夷地處北太平洋中心地帶，是世界上距離大陸最遠(yuǎn)的群島—離最近的大陸也有4000千米。這里的上百個(gè)島嶼鑲嵌在蔚藍(lán)色的海洋中，它們被馬克·吐溫稱為大洋中最美的島嶼，是停泊在海洋中最可愛的“島嶼艦隊(duì)”。

火山造就的彩虹之州

因?yàn)樵谟昙編缀跆焯炜梢砸姷讲屎?，夏威夷也被稱為“彩虹之州”。在世界上其他地方，每當(dāng)火山噴發(fā)時(shí)，人們都會(huì)趕緊逃避；而在夏威夷，人們會(huì)專程前來觀看火山噴發(fā)。島上建有國(guó)家火山公園，專供游客觀賞火山噴發(fā)時(shí)的壯麗景象。踏著冷卻后的巖漿，游人可以走到蒸汽繚繞的火山口去，甚至可以看到紅色巖漿滾滾流入大海的壯麗景象……這些都是在世界上其他地方難以得到的神奇體驗(yàn)。美國(guó)宇航員還把夏威夷當(dāng)作學(xué)習(xí)火山地質(zhì)學(xué)的基地。

之所以在夏威夷可以與火山親密接觸，是因?yàn)橄耐娜簫u本身就是火山噴發(fā)的產(chǎn)物—它是一個(gè)巨長(zhǎng)的火山島鏈中的很小一段，包括著名的大夏威夷島、檀香山、可愛島，等等。

前不久，全球最活躍的火山之一—夏威夷基拉韋厄火山持續(xù)噴發(fā)，科學(xué)家警告說，基拉韋厄火山在未來還可能再度出現(xiàn)一連串激烈噴發(fā)，乃至更具毀滅性的熔巖流。事實(shí)上，基拉韋厄火山真正的危險(xiǎn)來自于其內(nèi)部不斷下降的巖漿水平。如果巖漿降到水平面以下，海水會(huì)倒灌入巖漿，屆時(shí)產(chǎn)生的高熱蒸汽將會(huì)爆炸，冰箱大小的大石塊會(huì)被拋至幾百米外，有毒的火山煙霧則會(huì)覆蓋方圓19千米的范圍。

火山遍布的夏威夷群島是如何形成的？為什么說它是火山噴發(fā)的產(chǎn)物呢？

前文提到，夏威夷群島是一個(gè)巨長(zhǎng)的火山島鏈中的很小一段，這條橫穿太平洋北半部的火山島鏈全名叫夏威夷-帝王火山島鏈，它長(zhǎng)約6000多千米，夏威夷群島位于該島鏈的東南端，如圖1所示。整個(gè)島鏈呈線狀分布，中間存在一個(gè)大拐彎：南半部分叫夏威夷海嶺，北半部分叫帝王海底山。

這些火山島至少有129座，是在7000萬年以前因火山噴發(fā)形成的，每個(gè)火山島一般由一座或幾座火山組成。這些火山從海底的第一次噴發(fā)算起，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期經(jīng)過無數(shù)次噴發(fā)，最終升出海面形成島嶼。目前，最南部的大夏威夷島（也叫大島）上的火山是最活躍的，會(huì)不時(shí)噴發(fā)（圖2）。這次噴發(fā)的基拉韋厄火山就位于大島上。

同樣位于大島上的莫納克亞山是一座死火山，也是世界上總高度最高的山，有1萬多米高，其中約6000米高的山體處在海平面以下。如果從海底量到山頂?shù)脑?，它比珠穆朗瑪峰還高1000多米。

錯(cuò)誤的成因認(rèn)識(shí)

當(dāng)前對(duì)夏威夷火山島鏈成因的普遍認(rèn)識(shí)是地幔柱假說。該假說認(rèn)為，地幔內(nèi)部有一些溫度很高的圓柱狀區(qū)域，熾熱的地幔物質(zhì)從這里上升，將覆蓋在上面的巖石外殼“燒”穿，使得巖漿噴出地面，最終形成了火山，這個(gè)地方就是地球上的“熱點(diǎn)”。

相對(duì)于迅速漂移的板塊，地幔之中的熱點(diǎn)基本上是固定不動(dòng)的。當(dāng)板塊慢慢移動(dòng)并通過熱點(diǎn)時(shí)，熱點(diǎn)就會(huì)在板塊上留下一連串的“傷疤”—火山。先形成的火山隨著板塊的移動(dòng)離開熱點(diǎn)，之后在熱點(diǎn)處會(huì)形成新的火山。久而久之，就會(huì)產(chǎn)生一連串年齡由大到小的火山島鏈。夏威夷群島就是這樣形成的。

這一假說的關(guān)鍵依據(jù)是，科學(xué)家測(cè)得該火山島鏈的玄武巖年齡具有嚴(yán)格的時(shí)-空線性變化特征，但真實(shí)的原始測(cè)年數(shù)據(jù)并不具備這種規(guī)律，只是由于部分科學(xué)家將數(shù)據(jù)中不一致的部分去掉，才形成了精準(zhǔn)的線性變化。

地球化學(xué)也不支持該假說。如果夏威夷的玄武巖是地幔柱成因，那么它應(yīng)該出現(xiàn)代表地球深處地幔起源的高溫苦橄巖或科馬提巖，地質(zhì)學(xué)家并沒有在夏威夷發(fā)現(xiàn)這些巖石。在美國(guó)實(shí)施的夏威夷科學(xué)鉆探項(xiàng)目中，科研人員在莫納克亞火山2019米深度以下打出了海相火山巖和沉積巖，這是地幔柱假說難以解釋的。如果按照地幔柱假說，應(yīng)該打出玄武巖或苦橄巖或科馬提巖，不應(yīng)該打出沉積巖。鉿同位素資料則顯示，夏威夷熔巖中存在古深海沉積物。

實(shí)際的地球物理探測(cè)也沒有發(fā)現(xiàn)確鑿證據(jù)證明存在這種地幔熱點(diǎn)。

地幔柱假說同樣無法合理解釋火山島鏈中間大拐彎的形成，該處的火山巖測(cè)年大約為4300萬年，沒有證據(jù)表明當(dāng)時(shí)存在大的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，能夠讓巨大的太平洋板塊轉(zhuǎn)向。

大陸漂移與地底擴(kuò)張

夏威夷群島的成因機(jī)制一直是地球科學(xué)領(lǐng)域爭(zhēng)論的熱點(diǎn)問題之一。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為是地幔柱成因；但諸多新證據(jù)表明，該理論解釋不了夏威夷-帝王火山島鏈的特征。

既然地幔柱理論難以解釋夏威夷群島的成因，那么，夏威夷群島到底是如何形成的？

要探討這個(gè)問題，需要首先了解一點(diǎn)地球科學(xué)的基本知識(shí)，那就是大陸漂移和海底擴(kuò)張。

大陸板塊存在大規(guī)模水平漂移是地球上的普遍現(xiàn)象，而且大陸板塊當(dāng)前還在運(yùn)動(dòng)中?，F(xiàn)代精確GPS測(cè)量和古生物、古地磁學(xué)都有確鑿證據(jù)說明大陸板塊會(huì)漂移。

大陸板塊漂移的源動(dòng)力是什么呢？

魏格納在100年前提出了大陸漂移學(xué)說。他認(rèn)為，大陸板塊漂移的動(dòng)力主要包括兩個(gè)：一是因地球自轉(zhuǎn)存在一個(gè)指向赤道的離極力，二是因地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生向西的力。不過，地球物理學(xué)家計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)力非常小，不足以推動(dòng)巨大的板塊克服阻力發(fā)生漂移。更不合邏輯的是，這兩個(gè)力都是系統(tǒng)作用力，它們針對(duì)地球上的所有大陸板塊都是一樣的，因而現(xiàn)實(shí)中應(yīng)該發(fā)生大陸板塊統(tǒng)一向赤道漂移或向西漂移，但這種現(xiàn)象并不存在。于是，魏格納提出的漂移動(dòng)力被否定了。

魏格納后來也承認(rèn)，大陸運(yùn)動(dòng)的起因這一難題的真正答案仍有待繼續(xù)尋找，大陸漂移理論中的牛頓還沒有出現(xiàn)。

為了解釋大陸漂移的動(dòng)力來源，美國(guó)科學(xué)家赫斯在1961年提出了海底擴(kuò)張假說。海底擴(kuò)張假說認(rèn)為，洋中脊不斷噴發(fā)的玄武巖造成了海底擴(kuò)張，像傳送帶一樣拖動(dòng)大陸板塊發(fā)生漂移?；诒P古超級(jí)大陸的裂解，其結(jié)論是現(xiàn)代海洋中的洋殼板塊都是在1.8億年以后出現(xiàn)的，洋中脊附近因?yàn)槎际切律傻膸r石，其年齡應(yīng)該是0。事實(shí)果真如此嗎？

我國(guó)著名地學(xué)專家任紀(jì)舜院士等人在《尋找消失的大陸》一文中指出，通過全球深海鉆探、海洋地質(zhì)和地球物理調(diào)查，研究人員發(fā)現(xiàn)全球大洋中存在大量古大陸殘片。按照海底擴(kuò)張假說，洋中脊上的巖石年齡應(yīng)該接近于0，但實(shí)際上，在赤道大西洋洋中脊附近發(fā)現(xiàn)大量古老的大陸巖石分布，這些巖石年齡少則距今3.3億～3億年，多則距今18.5億～16億年。這與傳統(tǒng)的海底擴(kuò)張假說完全不符。大洋中的古大陸殘片否定了海底擴(kuò)張假說。

赫斯等人是基于太平洋東北角和大西洋北部局部的磁異常條帶與洋中脊平行提出海底擴(kuò)張假說的，但全球所有的磁異常條帶都與洋中脊平行嗎？

2007年，法國(guó)地質(zhì)局編繪了目前全球唯一一張世界磁異常圖。遺憾的是，該圖否定了磁異常條帶與洋中脊平行的這種所謂普遍規(guī)律。眾所周知，紅海是一個(gè)新生代才裂開的新海洋。按照海底擴(kuò)張假說，磁異常條帶必定和洋中脊呈現(xiàn)條帶狀平行分布；然而，在紅海西部，磁異常條帶幾乎與洋中脊垂直，在紅海東部，磁異常也并不呈條帶狀，而是呈現(xiàn)團(tuán)塊狀沿著洋中脊分布，它們都不具備平行分布的特征。

也許有人說，紅海是一個(gè)還未完全擴(kuò)張開的海洋，所以磁異常條帶與洋中脊不平行。成熟的大洋肯定不是這樣的。事實(shí)恰恰相反。紅海鄰近的印度洋是一個(gè)成熟的大洋，那里的洋中脊與磁異常條帶也沒有平行關(guān)系；甚至在太平洋和大西洋等全球其他區(qū)域，大多數(shù)地區(qū)的磁異常條帶并不平行于洋中脊。

既然海底擴(kuò)張不存在，意味著地幔柱假說也失去了根基；那么，究竟是什么原因使大陸板塊發(fā)生大規(guī)模水平漂移呢？

新的大陸漂移假說

按照地?zé)釋W(xué)常識(shí)，大陸上的平均地溫梯度是每百米增溫3℃，超深鉆探也驗(yàn)證了這個(gè)地溫梯度的正確性。這就意味著，40千米之下的地溫可達(dá)1200℃。而大洋的地溫梯度遠(yuǎn)高于大陸，在1200℃下，絕大部分巖石會(huì)變成熔融的巖漿。

由此，筆者提出了新的大陸漂移假說—大陸板塊是漂浮在大洋板塊上的。這是因?yàn)?，隨著深度的增加，地溫逐漸增高，巖石漸漸由彈性變?yōu)檐浰苄裕▓D3），大陸板塊底部因此會(huì)漂浮在大洋深處的巖漿上。

我們可以形象地把大陸漂移比喻成“平底熱鍋里的黃油會(huì)自己跑”。這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程是基于大陸板塊首先發(fā)生裂解，產(chǎn)生了一個(gè)裂縫，使得大洋深處的巖漿上涌。在初始階段，大陸漂移與海底擴(kuò)張一致；但由于洋中脊噴出的巖漿很快被海水冷卻進(jìn)而熄滅，海底擴(kuò)張不能持續(xù)，而在漂移的大陸板塊后面有巖漿持續(xù)涌出，并不斷被海水熄滅，這個(gè)熱力推動(dòng)過程的持續(xù)使得大陸板塊向前移動(dòng)。其基本邏輯很簡(jiǎn)單：大陸板塊在運(yùn)動(dòng)中，其前面處于擠壓環(huán)境，地下深處的巖漿無法外泄，其后面處于開放環(huán)境，地下深處的巖漿持續(xù)上涌，推動(dòng)大陸板塊向前運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)這個(gè)模型，大陸板塊漂移后會(huì)留下尾跡，也可能會(huì)留下火山島鏈以及大陸碎片遺撒物。據(jù)此，我們可以很容易通過大陸板塊漂移后的尾跡來追蹤其來源及漂移方向。這與刑事偵查中對(duì)足跡的分析類似：通過簡(jiǎn)單分析，就可以大致判斷嫌疑人的去向。

這種方法同樣適用于夏威夷島鏈。追溯夏威夷島鏈的軌跡，我們可以推測(cè)其起源。圖4中清晰地顯示了一個(gè)小板塊的運(yùn)移軌跡，如圖中白色虛線箭頭所指方向。該小板塊外形酷似一條拖著長(zhǎng)長(zhǎng)尾巴的蝙蝠魚，漂移后留下了一條劃痕。該小板塊目前已與西伯利亞板塊拼接在一起，名字叫科里亞克板塊。這個(gè)小板塊在其正南的尾部仍然存在一條明顯的水下海嶺。

一個(gè)小小的板塊真有漂移數(shù)千千米的強(qiáng)大能力嗎？

地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)證明，印度板塊是從南極洲分離并向北漂移的。在約1.5億年的歷史時(shí)期，漂移了超過8000千米的距離，到達(dá)如今的位置。也就是說，大陸板塊漂移數(shù)千千米并不稀奇。

這個(gè)新大陸漂移模型不但能解釋夏威夷群島的成因，也能合理解釋太平洋中其他線狀火山島的成因機(jī)制，推測(cè)出它們?cè)?jīng)是大陸板塊漂移后留下的軌跡和薄弱地帶。

在盤古超級(jí)大陸裂解后，因歐亞大陸向東北漂移，美洲板塊向西漂移；同時(shí)，澳大利亞板塊向北漂移。因此，太平洋洋殼深部總體呈現(xiàn)一種受壓環(huán)境，如圖5所示，特別是夏威夷群島附近，當(dāng)前正處于受擠壓的中心地帶。這些板塊前端深處的高壓巖漿在那些薄弱地帶被擠出，形成一系列線性火山島。目前正在噴發(fā)的基拉韋厄火山，很可能正處在四周大陸板塊擠壓的中心。

大陸板塊漂移后會(huì)在大洋中留下類似車轍的深溝。這些深溝是大洋板塊的薄弱地帶，一旦遇到壓力，大洋板塊深部的巖漿就會(huì)涌出，形成火山噴發(fā)。按照這個(gè)推論，大陸板塊漂移后應(yīng)該在洋殼上留下切割深度差不多的海溝，噴發(fā)出連續(xù)的火山島。