今天的地幔柱，明天的大滅絕

知識 01-26

自遠古以來，地球本身的演化在多方面塑造出了有利的條件，讓生命的誕生和發展成為可能。但是，科學家從遠古帶回的數據卻不會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以來，幾近所有的大型滅絕發生之時，人們總能夠在當時的地層中找到某次巨型岩漿溢流災難的影子。這很難讓人相信這僅僅只是巧合。

岩漿溢流災難聽起來固然震撼，但它本身也不過是一種地質現象，追根溯源，它的背後到底是什麼樣的地球偉力在推動著它呢？為此我們有必要進行一次全新的地心旅行。

在板塊構造已然深入人心的今天，這趟旅行將為大家呈現另一種截然不同的地球動力學圖景。它鮮為人知，卻與地球上全部生命的生死存亡息息相關。它深達行星之核，橫貫地球半徑，轟裂地表，淌出岩漿洪流。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）。

板塊構造的補完

地球「是什麼」早已擺明，但是它是「怎麼動」的呢？

自從魏格納（Alfred Lothar Wegener）讓大地「漂起來」開始，將近一個世紀的時間裡，越來越多的人已經接受了這樣的圖景：我們腳下最表面的這層物質——地殼，其實並不是剛板一塊，而是一塊塊的七巧板，即可以拼合，也可以拆開，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——沒錯，這就是大家極為熟悉的板塊構造學說。

其實早在魏格納提出板塊漂移學說之前的1858年，法國地理學家安東尼奧·斯奈德-佩列格里尼（Antonio Snider-Pellegrini）就已經繪製了關於大西洋形成的插畫。圖片來源：wiki commons

但是，當時的人們不得不承認，板塊構造自建立起就一直頂著一朵「烏雲」：該學說全部的內容都建立在「地殼剛性」的預設之上，換句話說，板塊互相之間的力，只會作用在板塊的邊緣，其內部不應該有大規模的地質活動。但是，人們卻在穩定板塊的內部，的確發現與預測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，又比如兩億多年前的西伯利亞的岩漿溢流。這些地質運動，無論在強度和影響效應上，都足以與板塊構造體系下的火山弧、造山帶等經典現象相媲美，完全不是那些可以忽略的誤差選項。

板塊構造理論剛成型尚不到十年，摩根（William Jason Morgan）教授就開創性地指出，對於地球動力學來說，板塊構造其實並不是一個整全性的描述，而只是其中一種行為罷了。在同一個地幔內部，其實等價地存在著兩套截然不同的動力學圖景：

地幔軟流圈如同傳送帶那樣橫向循環，托著板塊滿世界漂，以動能的形式消耗行星內核的放射熱，這，是其中的一種運動行為，正如我們熟悉的那樣，是為板塊構造。

而當地幔在縱向上以非平移的行為運動時，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形成一個升騰的熱柱——就像煙囪中的滾滾濃煙一樣。它在流動的地幔中垂直上升，幾乎完全不影響、也不干涉板塊構造的「傳送帶運動」。這，又是另一種運動行為。而這種行為的主體，就是我們這裡所說的地幔柱了。

地幔柱結構示意：藍色實心球為地核。虛線透明部分包括從地幔到地殼的範圍。黃色部分為地幔柱。色彩表示熱異常的比率，越藍表示熱梯度越正常，越紅則反之。圖片來源：Nature.com

地幔柱不只是人們為解釋現象而設計的一種模型，它本身是客觀存在的。地幔柱被定義為「存在於地幔中的一種呈柱狀分布的熱異常領域（Thermal Anomalies）」，簡單地說，就是與周邊地幔對比，柱中的區域要有著更高的溫度。熱脹冷縮，溫度的升高帶來密度的降低，密度的降低讓波速變慢。於是，當人們把人工地震波打向地球內部時，波速的變化可以讓它現形。

基於震波勘測的事實，摩根教授和後人們發展了地幔柱理論：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密度的降低，當一個均一的體系內部發生密度分化，且還是密度低的在下，密度高的在上時，體系將發生瑞雷-泰勒失穩。在這種情況下，地幔中將會重新演繹一個「局部行星分異」——低密度的輕物質上浮，騰出空間讓重物質下沉填充，地幔柱——這個低密度的流動結構，就沿著豎直方向一路緩緩上升了。

根據流體力學的模擬，一個柱縷結構在垂直上升中，其頭部將會緩慢地擴展開來，就像一個蘑菇緩慢地張開自己的傘蓋一樣。越向上走，周圍地幔的密度就會越低，直到地幔柱率先升起的頭部走到與其密度大抵相當的地方，傘蓋就會橫向擴散，張開，緩慢地在橫向上擴展出一個巨大的區域。地幔再怎麼深，其深度也畢竟有限，一直上升的後果可想而知，這麼大一個傘蓋最終將「一頭頂上」岩石圈的底部。地幔柱的頭部可是富含來自地核的高溫岩漿啊，將岩石圈頂裂之後，接下來會發生什麼，我想，已經不言而喻了。

地幔柱示意圖。途中中最黃色區域為內核，橙黃色為外核，深紅色為地幔，灰色為地殼。右側四個大小不同的地幔柱形象地表示它一邊上升一邊展開頭部，最終衝擊到岩石圈底，誘發大火成岩省的動態特徵。左側一個孤立的細小地幔柱表示地幔柱頭部已經噴出消耗之後，其尾部在地球上繼續打出的較小區域——大地熱點（Hotspot）。熱點一般形成海山，或隨板塊的移動而「搓出」無震海嶺。圖片來源：nature.com

今天的地幔柱，明天的大滅絕

火山，是地球深部岩漿的輸出口。它的噴發已然可怕，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去，都從來沒有哪種岩漿事件，能與那種被稱為「大火成岩省」的星球級岩漿溢流體系相提並論。與現代能見到的火山噴發相比，大火成岩省根本就是完全不在一個層面上的另一種星球圖景。人們雖然可（wàn）惜（xìng）地（a）沒有生活在大火成岩省極盛噴發的時代，沒法實際見到它的模樣，但我們的地球科學家卻可以精確地告訴人們：大火成岩省實在太大了，大到能覆蓋三分之一個西伯利亞地域，更可怕的是，這麼大的岩漿區域並不是在極長的時間內緩慢累積出來的——它的發育完成僅僅需要十分之一個標準地質時間單位。

這種大火成岩省的噴發，便是地幔柱直接拱裂岩石圈的可怕後果。咱們還是回到根源上想一想——地幔柱是什麼？它是一個行星在極短時間內大規模釋放內部核熱的極端手段，而且，這種手段還不是板塊運動那樣熱能對動能的轉化——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。

如此規模的熱量，一旦以CO2等岩漿揮發份為載體輸出，會造成極大規模的溫室效應。但與此同時，另一種主要的岩漿揮發份——SO2，又會積極地與大氣中的水分結合，形成硫酸的氣溶膠，不僅讓酸雨「滋潤四方水土」，更能有效地反射射至地表的太陽光，令局部產生冷室效應。在氣候的冷熱失調下，生物圈就只能有一種回饋方式了——滅絕。

於是，西伯利亞大火成岩省噴發後，就有了二疊紀末那場亘古大滅絕，超過95%的物種被清洗，偉大的古生代生物群至此被徹底摧垮，永遠地凝固在了歷史的記錄中。自生物大爆發以來，持續3億年的「遠古生物時代」就此便結束了，歷史進入「中古生物時代」的第一個紀元——三疊紀。又過了很長一段時間後，中央大西省噴發，把這個三疊紀連同它的生物群一起從地球日曆上徹底撕掉，迎來侏羅紀。侏羅紀把恐龍推向了歷史的高潮，然後繁盛了幾千萬年，在白堊紀的末期，印度德乾地區又出現了大火成岩省）——這次好像還偶然跟地外事件重合到了一起——導致中生代恐龍王國直接歇菜，讓「新生生物時代」的哺乳動物開心地充填空空如也的生態位。

古生代被地幔柱毀了，中生代被地幔柱毀了，咱們現在依然生活在新生代。

地幔柱，不再來一發嗎？

事實告訴我們，當下的地球內部不僅的確存在著地幔柱，而且還有兩個：非洲下面一個，太平洋下面一個。2012年世界末日的才剛消停，地學界權威的學術雜誌《地球與行星科學學報》便發布了一個震撼性的研究（參考文獻3），把更精確的事實告訴了我們——

原來，這些地幔柱早就已經在醞釀了。

在地核與地幔的邊界，幾乎能覆蓋整個太平洋的大型低波速域（LLSVP）正在潛伏著。為何會有低波速？溫度高了，密度低了，已經開始不正常了。在這些LLSVP中，溫度持續升高，最終使熱力/密度分異強化為化學分異——浮力大的物質會集中聚攏起來，進一步演化，最終形成流動性更高、活動性更強烈的超強低波速域（ULVZ）。ULVZ裡邊的物質已經開始發生大規模的部分熔融了——說更通俗點其實就是更加高溫的岩漿，只要噴出來就可以直接玩滅絕了。不過還好，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，新生代估計也就差不多了。