地球表面上的地幔标志

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黄石国家公园真是令人惊叹。高耸的山脉围绕着一块高原,其上零星分布着喷发成因的间歇泉和由螺旋形的橙色、绿色和蓝色组成的热液成因温泉。河流强烈下切被抬升的山峰形成峡谷,直通向下游宁静的湖泊;而浓密的森林则为啸傲狼、灰熊、野牛和麋鹿提供了避护所。所有这些美景都位于一座超级火山之上。

为了解这座超级火山是怎样形成的,这激发起了我的博士学位研究兴趣。黄石的间歇泉和温泉都是由火山活动引起的,这一点毋庸置疑,但驱动该火山活动的动力来源还不太清楚。北美板块可能会缓慢地移动,穿过热的、静止的上升地幔柱。这种机制可以解释一条北东向的火山中心的分布,它横跨爱达荷州和蒙大拿州,并延伸到怀俄明州,同时其年龄不断减小,直至黄石公园——推测的地幔柱今天的位置。然而,地震层析成像数据迄今未能提供一幅从浅层地幔直到深部地球中的清晰的地幔柱图像。

地幔柱经常被用来解释穿过洋底的火山链,比如在太平洋中的夏威夷–皇帝链就是一个经常被提到的典型例子。夏威夷周围的海床呈拱形向上隆起,被认为是下伏地幔柱在地表的显示。因此,在2000年的《Journal of Geophysical Research》杂志上,Lowry和他的同事试图通过比较,看看黄石公园有没有发生与之相似的膨胀。他们利用一系列地球物理资料,发现了一个以黄石公园为中心、高达2千米、宽约1000千米的迥异于寻常的圆顶。用数值模型进行的模拟表明,这种膨胀与潜在的黄石地幔柱所引起的大陆岩石圈变形一致。

对黄石地幔柱活动标志性特征的这些定量约束,启发我开始着手去观察区域地貌中是否保存有如此戏剧性隆起的证据。理论上,该热点的膨胀受到穿过固定的地幔热源的板块运动的影响,应当发生偏移,并且破坏了沿途河流水系特征。由于隆起使地形变陡峭,河流切割更深,并获得更大的力量来侵蚀和搬运较大的石块和沉积物至下游。事实上,通过对保存在蒙大拿古河道中的沉积物分析,发现大约在同一时间确实发生了从平缓的、蜿蜒的水系向充满动力的、辫状河流水系的转变;该地区位于黄石公园热点膨胀区范围内。然而,水系也受当地构造和气候变化的复杂影响。要想识别由地幔柱引起的热点膨胀的信号并不是一件那么简单的事情,但我相信,地表地貌特征这种在我们日常生活中非常熟悉的东西,应当可以给我们了解隐藏在地球深部的过程打开一扇窗口。

十七年后,关于美国西部高原是否存在有地幔柱的争论还没有结束。但对黄石热点膨胀范围的估算只进行了较小修正。现在看来,这个地区的火山活动似乎有可能与太平洋盆地和美国西部下方的地幔流动形成的热的地幔有关,这种流动是由已经俯冲到较深地幔中的Farallon板片的沉降所引起的。

如果这种假说经得起时间的考验,黄石地幔柱就只能起到一小部分作用。然而也不能完全排除在外。

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