来自地幔的毁灭之柱

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自远古以来,地球本身的演化在多方面塑造出了有利的条件,让生命的诞生和发展成为可能。但是,科学家从远古带回的数据却不会因人们的自作多情而改变丝毫。自5.4亿年前的生物大爆发以来,几近所有的大型灭绝发生之时,人们总能够在当时的地层中找到某次巨型岩浆溢流灾难的影子。这很难让人相信这仅仅只是巧合。

岩浆溢流灾难听起来固然震撼,但它本身也不过是一种地质现象,追根溯源,它的背后到底是什么样的地球伟力在推动着它呢?为此我们有必要进行一次全新的地心旅行。在板块构造已然深入人心的今天,这趟旅行将为大家呈现另一种截然不同的地球动力学图景。它鲜为人知,却与地球上全部生命的生死存亡息息相关。它深达行星之核,横贯地球半径,轰裂地表,淌出岩浆洪流。这就是今天我们故事的主角——矗立在地底的宏伟巨杵:地幔柱(Mantle Plume)。

板块构造的补完

地球“是什么”早已摆明,但是它是“怎么动”的呢?

自从魏格纳(Alfred Lothar Wegener)让大地“漂起来”开始,将近一个世纪的时间里,越来越多的人已经接受了这样的图景:我们脚下最表面的这层物质——地壳,其实并不是刚板一块,而是一块块的七巧板,即可以拼合,也可以拆开,甚至还可以被掰断、支解。我们生活在这样的七巧板上,有可能因板块的拼合而汇聚为一,也同样有可能因板块的离散而相互支离——没错,这就是大家极为熟悉的板块构造学说。


其实早在魏格纳提出板块漂移学说之前的1858年,法国地理学家安东尼奥·斯奈德-佩列格里尼(Antonio Snider-Pellegrini)就已经绘制了关于大西洋形成的插画。
图片来源:wiki commons

但是,当时的人们不得不承认,板块构造自建立起就一直顶着一朵“乌云”:该学说全部的内容都建立在“地壳刚性”的预设之上,换句话说,板块互相之间的力,只会作用在板块的边缘,其内部不应该有大规模的地质活动。但是,人们却在稳定板块的内部,的确发现与预测完全不相符的活跃行为——比如夏威夷剧烈流淌的火山,比如黄石公园的喷发,又比如两亿多年前的西伯利亚的岩浆溢流。这些地质运动,无论在强度和影响效应上,都足以与板块构造体系下的火山弧、造山带等经典现象相媲美,完全不是那些可以忽略的误差选项。

板块构造理论刚成型尚不到十年,摩根(William Jason Morgan)教授就开创性地指出,对于地球动力学来说,板块构造其实并不是一个整全性的描述,而只是其中一种行为罢了。在同一个地幔内部,其实等价地存在着两套截然不同的动力学图景:

地幔软流圈如同传送带那样横向循环,托着板块满世界漂,以动能的形式消耗行星内核的放射热,这,是其中的一种运动行为,正如我们熟悉的那样,是为板块构造。

而当地幔在纵向上以非平移的行为运动时,情景便截然不同了。在地核的加热下,最靠近地核的那部分地幔会形成一个升腾的热柱——就像烟囱中的滚滚浓烟一样。它在流动的地幔中垂直上升,几乎完全不影响、也不干涉板块构造的“传送带运动”。这,又是另一种运动行为。而这种行为的主体,就是我们这里所说的地幔柱了。


地幔柱结构示意:蓝色实心球为地核。虚线透明部分包括从地幔到地壳的范围。黄色部分为地幔柱。色彩表示热异常的比率,越蓝表示热梯度越正常,越红则反之。
图片来源:Nature.com

地幔柱不只是人们为解释现象而设计的一种模型,它本身是客观存在的。地幔柱被定义为“存在于地幔中的一种呈柱状分布的热异常领域(Thermal Anomalies)”,简单地说,就是与周边地幔对比,柱中的区域要有着更高的温度。热胀冷缩,温度的升高带来密度的降低,密度的降低让波速变慢。于是,当人们把人工地震波打向地球内部时,波速的变化可以让它现形。

基于震波勘测的事实,摩根教授和后人们发展了地幔柱理论:在地核和地幔的边界处(Core-Mantle Boundary,CMB),星核巨温的加热,会令地幔中最靠近地核的部分温度升高。温度的升高必然带来密度的降低,当一个均一的体系内部发生密度分化,且还是密度低的在下,密度高的在上时,体系将发生瑞雷-泰勒失稳。在这种情况下,地幔中将会重新演绎一个“局部行星分异”——低密度的轻物质上浮,腾出空间让重物质下沉填充,地幔柱——这个低密度的流动结构,就沿着竖直方向一路缓缓上升了。

根据流体力学的模拟,一个柱缕结构在垂直上升中,其头部将会缓慢地扩展开来,就像一个蘑菇缓慢地张开自己的伞盖一样。越向上走,周围地幔的密度就会越低,直到地幔柱率先升起的头部走到与其密度大抵相当的地方,伞盖就会横向扩散,张开,缓慢地在横向上扩展出一个巨大的区域。地幔再怎么深,其深度也毕竟有限,一直上升的后果可想而知,这么大一个伞盖最终将“一头顶上”岩石圈的底部。地幔柱的头部可是富含来自地核的高温岩浆啊,将岩石圈顶裂之后,接下来会发生什么,我想,已经不言而喻了。


地幔柱示意图。途中中最黄色区域为内核,橙黄色为外核,深红色为地幔,灰色为地壳。右侧四个大小不同的地幔柱形象地表示它一边上升一边展开头部,最终冲击到岩石圈底,诱发大火成岩省的动态特征。左侧一个孤立的细小地幔柱表示地幔柱头部已经喷出消耗之后,其尾部在地球上继续打出的较小区域——大地热点(Hotspot)。热点一般形成海山,或随板块的移动而“搓出”无震海岭。
​图片来源:nature.com

今天的地幔柱,明天的大灭绝

火山,是地球深部岩浆的输出口。它的喷发已然可怕,但找遍地球,哪怕把岛弧链和洋中脊这种大型火山带都包括进去,都从来没有哪种岩浆事件,能与那种被称为“大火成岩省”的星球级岩浆溢流体系相提并论。与现代能见到的火山喷发相比,大火成岩省根本就是完全不在一个层面上的另一种星球图景。人们虽然可(wàn)惜(xìng)地(a)没有生活在大火成岩省极盛喷发的时代,没法实际见到它的模样,但我们的地球科学家却可以精确地告诉人们:大火成岩省实在太大了,大到能覆盖三分之一个西伯利亚地域,更可怕的是,这么大的岩浆区域并不是在极长的时间内缓慢累积出来的——它的发育完成仅仅需要十分之一个标准地质时间单位。

这种大火成岩省的喷发,便是地幔柱直接拱裂岩石圈的可怕后果。咱们还是回到根源上想一想——地幔柱是什么?它是一个行星在极短时间内大规模释放内部核热的极端手段,而且,这种手段还不是板块运动那样热能对动能的转化——而是将最深部的热能直接输出到地表,输出到大气圈、水圈、生物圈这些地表的圈层。

如此规模的热量,一旦以CO2等岩浆挥发份为载体输出,会造成极大规模的温室效应。但与此同时,另一种主要的岩浆挥发份——SO2,又会积极地与大气中的水分结合,形成硫酸的气溶胶,不仅让酸雨“滋润四方水土”,更能有效地反射射至地表的太阳光,令局部产生冷室效应。在气候的冷热失调下,生物圈就只能有一种回馈方式了——灭绝。

于是,西伯利亚大火成岩省喷发后,就有了二叠纪末那场亘古大灭绝,超过95%的物种被清洗,伟大的古生代生物群至此被彻底摧垮,永远地凝固在了历史的记录中。自生物大爆发以来,持续3亿年的“远古生物时代”就此便结束了,历史进入“中古生物时代”的第一个纪元——三叠纪。又过了很长一段时间后,中央大西省喷发,把这个三叠纪连同它的生物群一起从地球日历上彻底撕掉,迎来侏罗纪。侏罗纪把恐龙推向了历史的高潮,然后繁盛了几千万年,在白垩纪的末期,印度德干地区又出现了大火成岩省)——这次好像还偶然跟地外事件重合到了一起——导致中生代恐龙王国直接歇菜,让“新生生物时代”的哺乳动物开心地充填空空如也的生态位。 


大灭绝与巨型岩浆溢流事件的时间匹配图,其中红色的线条表示巨型岩浆溢流事件。括号内标出的是海底溢流事件,其中OJP表示翁通爪哇海台、KP表示凯尔盖朗海台、CP表示加勒比海台。
图片出处:elements.geoscienceworld.org

古生代被地幔柱毁了,中生代被地幔柱毁了,咱们现在依然生活在新生代。地幔柱,不再来一发吗?

事实告诉我们,当下的地球内部不仅的确存在着地幔柱,而且还有两个:非洲下面一个,太平洋下面一个。2012年世界末日的才刚消停,地学界权威的学术杂志《地球与行星科学学报》便发布了一个震撼性的研究(参考文献3),把更精确的事实告诉了我们——

原来,这些地幔柱早就已经在酝酿了。

在地核与地幔的边界,几乎能覆盖整个太平洋的大型低波速域(LLSVP)正在潜伏着。为何会有低波速?温度高了,密度低了,已经开始不正常了。在这些LLSVP中,温度持续升高,最终使热力/密度分异强化为化学分异——浮力大的物质会集中聚拢起来,进一步演化,最终形成流动性更高、活动性更强烈的超强低波速域(ULVZ)。ULVZ里边的物质已经开始发生大规模的部分熔融了——说更通俗点其实就是更加高温的岩浆,只要喷出来就可以直接玩灭绝了。不过还好,研究指出,目前这些ULVZ还是非常局部的。但是,它们毕竟在缓缓聚拢。一旦它们丝缕相连,上升到地表,新生代估计也就差不多了。

EPSL 2013年2月所发布的最新研究中量化出的LLSVP面积。通过大陆的轮廓(白色线条)可以直观认识其大小。
图片来源:参考文献3

有两个消息。一个坏消息是,它们的确已经在高速地汇聚上升了——否则科学家们不可能告诉你现在地球上已经有两个地幔柱;但另一个好消息是,在地学上一切离开时间谈灾难的行为都是不靠谱的。永远记住,地球科学的基本时间单位不是“年”而是“百万年”,所以,就算它们“瞬间发生”,这个瞬间也过于漫长。

对于地球来说,无论是保护你,还是毁灭你,与你其实毫不相干。你只是地球系统里的一份子,演化的过程中,消失了又有什么好奇怪的呢?宇宙不是目的论的试验场。

但是,站在我们自己的立场上考虑,从宇宙中消失我们甘心吗?不甘心。那么好,就不妨抱着这种忧患的意识继续生存发展吧。环境赐予你压力,世间永无温室。无论是远征星辰大海,还是切实改造家园,在自然的伟力前,我们必须只有一个回答:活下去。

参考文献:

  1. 吴泰然等,《普通地质学》,北京大学出版社。
  2. Morgan WJ. Deep mantle convection plumes and plate motions. Bull. Am. Assoc. Pet. Geol.(1972) 56:203–213.
  3. Thorne MS et al. Mega ultra low velocity zone and mantle flow. Earth. Planet. Sc. Lett.(2013) 364:59-67

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