地球科学｜夏威夷岛链成因之谜

刘萝卜锅

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这是阿什卡微信公众号的第534篇原创文章

首发于2018年7月14日

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作者：梁光河

夏威夷地处北太平洋中心地带，是世界上距离大陆最远的群岛——离最近的大陆也有4000千米。夏威夷的上百个岛屿镶嵌在蔚蓝色的海洋中，它们被马克·吐温称为大洋中最美的岛屿，是停泊在海洋中最可爱的“岛屿舰队”。

火山造就的彩虹之州

因为在雨季几乎天天可以见到彩虹，夏威夷也被称为“彩虹之州”。在世界上其他地方，每当火山喷发时，人们都会赶紧逃避；而在夏威夷岛上，人们会专程来观看火山喷发。岛上建有国家火山公园，专供游客观赏火山喷发时的壮丽景象。踏着冷却后的岩浆，游人可以走到蒸汽缭绕的火山口去，甚至可以看到红色岩浆滚滚流入大海的壮丽景象……这些都是在世界上其他地方难以得到的神奇体验。美国宇航员还把夏威夷当作学习火山地质学的好地方。

之所以在夏威夷可以与火山亲密接触，是因为夏威夷群岛本身就是火山喷发的产物——它是一个巨长的火山岛链中的很小一段，包括著名的大夏威夷岛、檀香山、可爱岛，等等。

前不久，全球最活跃的火山之一——夏威夷基拉韦厄火山持续喷发，科学家警告说，基拉韦厄火山在未来还可能再度出现一连串激烈喷发，乃至更具毁灭性的熔岩流。事实上，基拉韦厄火山真正的危险来自于其内部不断下降的岩浆水平。如果岩浆降到水平面以下，海水会倒灌入岩浆，届时产生的高热蒸汽将会爆炸，冰箱大小的大石块会被抛至半英里外，有毒的火山烟雾则会覆盖方圆19千米的范围。

1 夏威夷-帝王（Hawaiian-Emperor）火山岛链和夏威夷群岛（据Google-earth修编）

图2 夏威夷群岛上正在喷发的火山（据Crates News Agency）

火山遍布的夏威夷群岛是如何形成的呢？为什么说它是火山喷发的产物呢？

前文提到，夏威夷群岛是一个巨长的火山岛链中的很小一段，这条横穿太平洋北半部的火山岛链全名叫夏威夷-帝王火山岛链，它长约6000多千米，夏威夷群岛位于该岛链的东南端(图1)。整个岛链呈现线状分布，中间存在一个大拐弯：南半部分叫夏威夷海岭，北半部分叫帝王海底山。

这些火山岛是在7000万年以前因火山喷发开始形成的，至少有129座火山岛，每个火山岛一般由一座或几座火山组成。这些火山从海底的第一次喷发算起，在漫长的地质时期经过无数次喷发，最终升出海面形成岛屿。目前，最南部的大夏威夷岛上的火山是最活跃的，会不时喷发（图2）。这次喷发的基拉韦厄火山就位于大夏威夷岛。

同样位于大夏威夷岛上的莫纳克亚山是一座死火山，也是世界上总高度最高的山，有1万多米，其中约6000米高的山体处在海平面以下。如果从海底量到山顶的话，它比珠穆朗玛峰还高1000多米。

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错误的成因认识

当前对夏威夷火山岛链成因的普遍认识是地幔柱假说。该假说认为，地幔内部有一些温度很高的圆柱状区域，炽热的地幔物质从这里上升，将覆盖在上面的岩石外壳“烧”穿，使得岩浆喷出地面，最终形成了火山，这个地方就是地球上的“热点”。

相对于迅速漂移的板块，地幔之中的热点基本上是固定不动的。当板块慢慢移动并通过热点时，热点就会在板块上留下一连串的“伤疤”——火山。先形成的火山随着板块的移动离开热点，之后在热点处会形成新的火山。久而久之，就会产生一连串年龄由大到小的火山岛链。夏威夷群岛就是这样形成的。

这一假说的关键依据是，科学家测得该火山岛链的玄武岩年龄具有严格的时-空线性变化特征，但真实的原始测年数据并不具备这种规律，只是由于部分科学家将数据中不一致的部分去掉，才形成了精准的线性变化。例如作者分析本哈德等人（Bernhard et al）1998年文章中测年数据就发现，在夏威夷岛链上并没有按照严格的线性分布，它们中间出现了19.9Ma-26.6Ma-20.6Ma和39.9Ma-42.4Ma-38.7Ma这样的年龄分布特征（图3）。更重要的对同一时间段，太平洋板块上众多的火山岛链方向并不一致，这难以用地幔柱进行合理解释。

即便做了数据筛选，仍存在逻辑错误，图4显示的是数据筛选后的夏威夷火山岛链年龄线性变化特征，在6500万年到5600万年这个时间段，可以看出存在两个方向迥异的火山岛链，它们不可能是地幔柱和太平洋板块运动形成的，就像一个人不可能同时向两个方向走一样。如果是地幔柱成因，同一个时间段，应该两条火山岛链在同一个方向；如果不在同一个方向，只能是太平洋板块被切割成两块分别向不同方向运动才能形成，把太平洋板块劈开更让人匪夷所思。事实上在太平洋板块上存在很多条海底山岛链，它们方向不一，用地幔柱和海底扩张无法解释其成因。

事实上，夏威夷岛链的火山岩测年数据存在逻辑错误，例如位于大夏威夷群岛的莫纳克亚山（Mauna Kea）火山，从海底算起该火山岛的总高度近10203米，这超过10公里厚的玄武岩不可能是一次喷发形成，而是历史上多次喷发形成的，从上到下喷发应该是从新到老，而当前的测年数据主要取自浅表部。由此得出该火山形成的年龄是接近0年，这显然与事实不符。我们知道，一个火山的爆发往往是多个期次的，有的火山今天爆发了又很快平息了。然后若干年后能量聚集到一定程度又再次爆发，地质历史上往往要爆发多次。如果测年过程中不考虑这种多期次性，测年结果是没有意义的。科学的测年方法应是针对每个火山点都要在不同深度的不同期次喷发的岩体上取样测年，这样才有意义和说服力。例如我国的长白山玄武岩，最底层喷发在2200万年之前，最上边的玄武岩喷发在1000年前。如果我们仅仅在长白山地表取样得到1000年的测年结果，能说长白山是1000年前才形成的吗？显然不能。

图3 太平洋上随时间-空间线性变化的典型岛链（据Bernhard et al.,1998修编）

图4 数据筛选后的夏威夷火山岛链年龄线性变化特征

图5是夏威夷火山岛链区域的几个关键点测年数据对比，从图中可以看出，不同的人对同一个点的火山活动测年数据存在极大差异，以大拐弯处的年龄为例，有大于5500万年，还有4200万年等。图4中夏威夷岛北面的红圈所指处不同人给出的测年结果差异更大，有人给出7500万年，也有人的结果是4700万年等。这说明这些火山岛的形成不是一次火山活动的结果，一个火山上不同地点不同深度测年数据应该有较大差别。更说明不能单靠测年数据就可以无限想象出一个地幔柱假说。所谓孤证存疑是地质学研究的基本理念。

图5 夏威夷火山岛链区域的几个关键点测年数据对比

岩石学也不支持该假说。如果夏威夷的玄武岩是地幔柱成因，那么它应该出现代表地球深处地幔起源的隐晶质苦橄岩或科马提岩，地质学家并没有在夏威夷发现这些岩石。在美国实施的夏威夷科学钻探项目中，科研人员在莫纳克亚火山2019米深度以下打出了海相火山岩和沉积岩，这是地幔柱假说难以解释的。因为如果按照地幔柱假说，应该打出玄武岩或苦橄岩或科马提岩，不应该打出沉积岩。铪（Hf)同位素资料则显示，夏威夷熔岩中存在古深海沉积物。

实际的地球物理探测也没有发现确凿证据证明存在这种地幔热点。沿着夏威夷岛链方向的地震接受函数剖面显示，夏威夷岛链没有上地幔异常，410公里深度地震波反射面十分平滑均匀，没有地幔柱和大断裂的特征。

地幔柱假说同样无法合理解释夏威夷-帝王火山岛链中间大拐弯的形成，该处的火山岩测年大约为4300万年，没有证据表明当时存在大的地质构造运动，能够让巨大的太平洋板块转向。

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大陆漂移与海底扩张

夏威夷群岛的成因机制一直是地球科学领域争论的热点问题之一。传统观点认为是地幔柱成因；但诸多新证据表明，该理论解释不了夏威夷-帝王火山岛链的特征。

既然地幔柱理论难以解释夏威夷群岛的成因；那么，夏威夷群岛到底是如何形成的呢？

要探讨这个问题，需要首先了解一点地球科学的基本知识，那就是大陆漂移和海底扩张。

大陆板块存在大规模水平漂移是地球上的普遍现象；而且，大陆板块当前还在运动中。现代精确GPS测量和古生物、古地磁都有确凿证据说明大陆板块会漂移。

大陆板块漂移的源动力是什么呢？

魏格纳在100年前提出了大陆漂移学说。他认为，大陆板块漂移的动力主要包括两个：一是因地球自转存在一个指向赤道的离极力，二是因地球自转产生向西的力。不过，地球物理学家计算后发现，这两个力非常小，不足以推动巨大的板块克服阻力发生漂移。更不合逻辑的是，这两个力都是系统作用力，它们针对地球上的所有大陆板块都是一样的，因而现实中应该发生大陆板块统一向赤道漂移或向西漂移，但这种现象并不存在。于是，魏格纳提出的漂移动力被否定了。

魏格纳后来也承认，大陆运动的起因这一难题的真正答案仍有待继续寻找，大陆漂移理论中的牛顿还没有出现。

为了解释大陆漂移的动力来源，美国科学家赫斯在1961年提出了海底扩张假说。海底扩张假说认为，洋中脊不断喷发的玄武岩造成了海底扩张，像传送带一样拖动大陆板块发生漂移。基于盘古超级大陆的裂解，其结论是现代海洋中的洋壳板块都是1.8亿年以后出现的的，洋中脊附近因为都是新生成的岩石，其年龄应该是0。事实果真如此吗？

我国著名地学专家任纪舜院士等人在《地质论评》上发表的题为《寻找消失的大陆》一文指出，通过全球深海钻探、海洋地质和地球物理调查，研究人员发现全球大洋中存在大量古大陆残片。按照海底扩张假说，洋中脊上的岩石年龄应该接近于0，但实际上，在赤道大西洋洋中脊附近发现大量古老的大陆岩石分布，这些岩石年龄少则3亿~3.3亿年，多则16亿~18.5亿年。这与传统的海底扩张假说完全不符。大洋中的古大陆残片否定了海底扩张假说。

赫斯等人是基于太平洋东北角和大西洋北部局部的磁异常带与洋中脊平行提出海底扩张假说的，但全球所有的磁异常条带都与洋中脊平行吗？

2007年，法国地质局编绘了目前全球唯一的世界磁异常图。遗憾的是，该图否定了条带状磁异常与洋中脊平行的这种所谓普遍规律。众所周知，红海是一个新生代才裂开的新海洋。按照海底扩张假说，磁异常条带必定和洋中脊呈现条带状平行分布；然而，在红海西部，磁异常条带几乎与洋中脊垂直，在红海东部，磁异常也并不呈条带状，而是呈现团块状沿着洋中脊分布，它们都不具备平行分布的特征。

也许有人说，红海是一个还未完全扩张开的海洋，所以磁异常条带与洋中脊不平行。成熟的大洋肯定不是这样的。事实恰恰相反。红海邻近的印度洋是一个成熟的大洋，那里的洋中脊与磁异常条带也没有平行关系；甚至在太平洋和大西洋等全球区域，大多数地区的磁异常条带并不平行洋中脊。

既然海底扩张不存在，意味着地幔柱假说也失去了根基；那么，究竟是什么原因使大陆板块发生了大规模水平漂移呢？

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新的大陆漂移假说

按照地热学常识，大陆上的平均地温梯度是每百米增温3℃，超深钻探也验证了这个地温梯度的正确性。这就意味着，40千米之下的地温可达1200℃。而大洋的地温梯度远高于大陆，在1200℃下，绝大部分岩石会变成熔融的岩浆。

由此，笔者提出了新的大陆漂移假说——大陆板块是漂浮在大洋板块上的。这是因为，随着深度的增加，地温逐渐增高，岩石渐渐由弹性变为软塑性（图6），大陆板块底部因此会漂浮在大洋深处的岩浆上。

我们可以形象地把大陆漂移比喻成“平底热锅里的黄油会自己跑”。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解，产生了一个裂缝，使得大洋深处的岩浆上涌。在初始阶段，大陆漂移与海底扩张一致；但由于洋中脊喷出的岩浆很快被海水冷却进而熄灭，海底扩张不能持续，而在漂移的大陆板块后面有岩浆持续涌出，并不断被海水熄灭，这个热力推动过程持续使得大陆板块向前移动。其基本逻辑很简单：大陆板块在运动中，其前面处于挤压环境，地下深处的岩浆无法外泄，其后面处于开放环境，地下深处的岩浆持续上涌，推动大陆板块向前运动。

图6 新大陆漂移模型，A是漂移前的状态，B是漂移后的状态（梁光河，2013）

根据这个模型，大陆板块漂移后会留下尾迹，也可能会留下火山岛链以及大陆碎片遗撒物。据此，我们可以很容易通过大陆板块漂移后的尾迹来追踪其来源及漂移方向。这与刑事侦探对足迹的分析类似：通过简单分析，就可以大致判断嫌疑人的去向。

图7 科里亚克板块漂移后产生了夏威夷-帝王（Hawaiian-Emperor）火山岛链

这种方法同样适用于夏威夷岛链。追溯夏威夷岛链的轨迹，我们可以推测其起源（图7）。图中清晰地显示了一个小板块的运移轨迹，如图中白色虚线箭头所指方向。该小板块外形酷似一条拖着长长尾巴的蝙蝠鱼，漂移后留下了一条划痕。该小板块目前已与西伯利亚板块拼接在一起，名字叫科里亚克板块。这个小板块在其正南的尾部仍然存在一条明显的水下海岭。

一个小小的板块真有漂移数千千米的强大能力吗？

地质学家已经证明，印度板块是从南极洲分离并向北漂移的。在约1.5亿年的历史时期，漂移了超过8000千米的距离，到达如今的位置。也就是说，大陆板块漂移数千公千米并不稀奇。

这个新大陆漂移模型不但能解释夏威夷群岛的成因，也能合理解释太平洋中其他线状火山岛的成因机制，推测出它们曾经是大陆板块漂移后留下的轨迹和薄弱地带。

在盘古超级大陆裂解后，因欧亚大陆向东北漂移，美洲板块向西漂移；同时，澳大利亚板块向北漂移。因此，太平洋洋壳深部总体呈现一种受压环境（图8），特别是夏威夷群岛附近，当前正处于受挤压的中心地带。这些板块前端深处的高压岩浆在那些薄弱地带被挤出，形成一系列线性火山岛。目前正在喷发的基拉韦厄火山，很可能正处在四周大陆板块挤压的中心。

图8 太平洋周边大陆板块当前运动方向说明太平洋板块深部处于挤压状态

大陆板块漂移后会在大洋中留下类似车辙的深沟。这些深沟是大洋板块的薄弱地带，一旦遇到压力，大洋板块深部的岩浆就会涌出，形成火山喷发。按照这个推论，大陆板块漂移后应该在洋壳上留下切割深度差不多的海沟，喷发出连续的火山岛。

为什么夏威夷岛链上不是连续喷发的火山岛，而是隔一段距离出现一个火山岛，而且呈不均匀分布状态呢？

道理其实很简单，由于地球演化历史上温度的不断变化，造成了全球海平面持续且非稳定的周期变化：有时候气温升高，海平面上升，在此期间，大陆板块受到的浮力就大，其漂移过程中切割洋壳的深度相对较浅；反之，其漂移过程中切割洋壳的深度就大一些。因此，最终在洋壳深部受压的情况下，岩浆会在切割深的区域喷出。

至于夏威夷-帝王火山岛链产生的大转弯，也可以有合理的解释：科里亚克板块随着大西洋的裂解在大约1.35亿年之前开始向北漂移，在漂移过程中遇到一次造成全球恐龙灭绝的陨石撞击事件，该事件发生于6500万年前。这次的陨石撞击点虽然位于今天的墨西哥尤卡坦半岛；但该事件使得地球瞬时产生巨大震动，从而使科里亚克板块的运动方向发生了转向，在该转弯处的火山活动可能从6500万年前开始喷发，一直间断喷发到约4300万年前才结束。

这个科里亚克大陆板块漂移模式是否能得到地质学上的认可呢？

从图9的地质图上我们可以清晰看出，科里亚克板块的主要出露地层属第三纪到白垩纪，与周边的地层并不相同，其地质特征显示它是一个外来板块。

俄罗斯科学家从古地磁测量证实，科里亚克板块（俄罗斯学术上称为Olyutor岛弧）在距今大约6500万年~5600万年之间还位于当前之南约2000千米的位置，说明这个板块是从遥远的太平洋中部漂移过来的。更重要的是古地磁证据也说明在这个漂移过程中，科里亚克板块相对于欧亚大陆发生过34-50°的顺时针旋转。

传统上，两个板块的拼合就是板块的碰撞，在它们之间会形成造山带和山脉。图10也显示，的确存在一个弧形山脉，这个山脉就是两个板块的拼合带。事实上，地球历史上大陆板块的汇聚和拼合是一种常见现象，历史上曾发生多次超大陆的汇聚和裂解。

图9 东西伯利亚区域地质图显示科里亚克板块是一个外来拼合体（据亚洲地质图修编）

图10 科里亚克板块和西伯利亚板块拼合带山脉走向（据Google-earth地图修编）

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板块漂移造岛链

新的大陆板块漂移模式是否能够解释北太平洋上的更多岛弧成因呢？

从图11我们可以看出，很多大陆小板块发生了漂移与拼合，其中科里亚克板块漂移产生了夏威夷-帝王山火山岛链，秋林板块的漂移产生了阿留申群岛，堪察加板块的漂移产生了千岛-堪察加岛链。板块运动的尾迹和地形吻合良好（图11）。

这种板块运动模式是否能得到地质学上的认可？从世界地质图，我们发现，各个陆块在当前位置与相邻地层都呈现出不和谐状态（图12）。也就是说，它们都是外来的。如果把这些陆块复原到初始位置，我们会惊奇地发现，基本上都能与原始位置相邻的地层吻合。其中，漂移到美国阿拉斯加西南部的陆块就是著名的秋林地体，这个外来的地体也是地体学说的发源地。该结论已得到美国学术界的普遍认可。地体的概念等同于大陆板块的概念，它们都是外来的大陆板块，具有独立的地质和构造演化历史，都存在大规模水平漂移和块体拼合。

堪察加板块的漂移历史也得到了古地磁证据的支持。古地磁测量说明，堪察加板块6500万年之前还大约位于北纬38度，4600万年前大约位于北纬47度，而现在大约位于北纬57度；说明新生代期间这个板块一直在向北漂移。这个结果支持了上面根据尾迹推测的大陆板块漂移历史。

图11 科里亚克、秋林、堪察加板块的运动轨迹及板块的漂移拼合顺序（据美国NOAA地形地貌图修编）

图12 科里亚克、秋林、堪察加板块的运动轨迹及板块的漂移拼合（据世界地质图修编）

本文给出的证据说明，夏威夷群岛的成因机制是大陆漂移，而不是地幔柱或者海底扩张。它源于一个叫科里亚克的大陆板块从太平洋中部出发一路漂移到西伯利亚，并与西伯利亚板块碰撞拼合。漂移后，它在太平洋板块上留下了深切割的海沟，使得这些区域洋壳变薄，成为薄弱带，后期由于受到太平洋四周大陆板块的挤压，使得太平洋深处的岩浆沿着薄弱的深切割海沟喷（涌）出，产生了这些岛链。

本文作者｜梁光河

中国科学院矿产资源研究重点实验室

中国科学院地质与地球物理研究所

中国科学院大学

本文为大百科全书出版社特约撰写

2018年7月发表在《百科知识》

作者授权本号刊发

主要参考文献

1)    Bernhard Steinberger and RichardJ. O‘Connell.1998.Advection of plumes inmantle ￡ow: implications for hotspotmotion,mantle viscosity and plume distribution，Geophys. J. Int. 132:412—434.

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3)    Natalia M. Levashova,et al.2000.Paleomagnetism and geochronology of the Late Cretaceous-Paleogene island arccomplex of the Kronotsky Peninsula, Kamchatka, Russia: Kinematic implications, Tectonics,19(5):834-851.

4)    O'Connor, J. M. et al.2013.Constraints on past plate and mantle motion from new ages for the Hawaiian EmperorSeamount Chain. Geochem. Geophys. Geosyst. 14, 45644584.

5)    Pechersky, D M., N M. Levashova,M.N. Shapiro,M.L Bazhenov, and Z V. Sharonova.1997. Paleomagnetism of Paleogenevolcanic series of the Kamchatsky Mys Peninsula, east Kamchatka: The absolutemotion of an ancient subduction zone. Tectonophysics,2-3:219-237

6)    Raymond, C. A., Stock, J. M.,and Cande, S. C.2000. Fast Paleogene motion of the Pacific hotspots fromrevised global plate circuit constraints [M]. The History and Dynamics ofGlobal Plate Motions. Geophysical Monographys,121:359-375.

7)    Sharp,W. D. & Clague, D. A.2006.50-Ma Initiation of Hawaiian Emperor bend records major change in Pacific Platemotion. Science 313,12811284.

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