太平洋中的夏威夷海嶺和天皇海嶺，是由成線狀展布的一系列火山堆構成的火山鏈，其岩石年齡的分布具有明顯的定向性。
基本介紹
- 中文名：熱點地幔柱
- 類型：火山
概述,原理,熱點和火山島鏈,關於熱羽柱,作用,
概述
島鏈東南端的夏威夷島火山年齡不超過80萬年，島上的基拉韋厄火山是目前仍在活動的活動火山。從夏威夷島沿島鏈向西北，隨著距離的增加火山岩的年齡依次增加。在夏威夷海嶺與天皇海嶺的轉折處，火山年齡約4000萬年。天皇海嶺呈NNW走向伸向堪察加半島東側，北端的明治海山的年齡則達7000萬年。
威爾遜（Wilson, 1963b）為解釋火山島鏈年齡的遞變現象而提出了熱點的概念。所謂熱點是地幔中相對固定和長期的熱物質活動中心，它們向活火山提供富集各種微量元素的岩漿。隨著岩石圈板塊經過熱點的不停運動，先形成的火山從熱點處移開並逐漸熄滅成為死火山，新的火山又在熱點上方形成，結果就形成了一串年齡定向分布的線狀火山鏈。這類火山活動時，熔漿向外溢出，無地震發生，因此，所形成的火山鏈也叫無震海嶺。上述夏威夷-天皇海嶺火山鏈的走向，實際上記錄了太平洋板塊的運動方向：在4000萬年前是從南向北沿NNW向運動，最晚在2600萬年以後轉變為從東向西沿NWW向運動。
地幔柱是摩根（Morgan, 1972b）為解釋熱點成因而提出的概念。地幔柱是地幔深處，甚至核-幔邊界上產生的圓柱狀上升的熱物質流。它攜帶地幔物質和熱能直至地幔上層，並在岩石圈和軟流圈分界處四散外流，激起軟流圈中的水平運動，從而可將地幔柱當作板塊運動的驅動機制。熱點處的火山活動是地幔柱物質噴出地表的反映。由於熾熱的地幔物質向上涌流，導緻密度較高的物質盈餘，形成正重力異常，因而重力特高的地方，也往往是火山分布的地方。摩根還強調，熱點大體上固定於地幔中，因此，板塊相對於熱點的運動，便是相對於地幔固定部分的運動，也就是相對地理極或地球自轉軸的絕對運動。摩根（Morgan, 1972a）用夏威夷-天皇海嶺、萊恩-土阿莫土海嶺和馬紹爾海嶺這三列熱點軌跡資料，計算了8000萬年來太平洋板塊相對於熱點的運動。所得結果與後來的板塊絕對運動模型AM-1和AM-2型求得的相對於熱點系的運動大體相同。
從軟流圈或深部地幔湧起並穿透岩石圈的一股固體物質熱塑性流，呈圓柱狀者稱地幔柱（熱柱），呈羽縷狀者稱地幔羽（熱羽）。地幔柱（熱羽柱）在洋底或地表出露時即為熱點，熱點（hot spots）是地幔柱（mantle plume）的一種表現。地幔柱特別是熱點是分析板塊絕對運動的參照系統（參考架）之一，但熱點位置似不隨時間變化而變化的問題還有待更進一步的驗證。
原理
熱點和火山島鏈
在大洋和大陸內部都發現有由火山錐構成的火山島鏈。它們呈線狀定向展布，一端連著現代活火山，另一端連著距活火山愈遠而時代愈老的串珠狀死火山，火山的年代和方向性都明顯的太平洋中的夏威夷島和皇帝海山就是這類火山島鏈的典型例子。島鏈東南部的夏威夷島巍然屹立著兩座活火山——莫納火山和基拉韋厄火山，火山年齡為現代，向北西西至韋克爾，火山年齡逆變為1 000萬年，至中途島火山年齡增至4000萬年，繼而火山鏈轉折為北北西向的皇帝海山，皇帝海山一直延伸到阿留申島弧西端，火山年齡也增至7 500～8 000萬年（圖 5．24）。這條火山島鏈的走向呈折線狀定向展布，中途島為其拐點，這似乎反映出一種確定的自然現象。
一般認為，地幔柱一熱點位置大致是固定的，而板塊則是持續不斷地移動著的，當板塊跨越呈周期性噴射岩漿的熱點時，岩漿穿過板塊於表面形成火山（圖5．25）。由於板塊一直向前運行，如同紙帶在穿孔機出口處運行並打出一系列孔洞一樣，所呈周期性噴射岩漿的熱點就形成了間隔較為規則的串珠狀火山島鏈，很顯然，這些火山島鏈就是岩石圈板塊漂移過熱點的軌跡，所記錄的則是板塊運動的速度和方向。
大陸也存在類似的火山島鏈，中央高原自普伊山延伸到阿格德角的火山山脈即為熱點在大陸上留下的火山島鏈蹤跡。而自安諾本—聖多美—普林西比—比奧科等島嶼延伸到喀麥隆的火山山脈則表明，火山山脈的分布與洋陸分布無關，儘管它們穿越了洋—陸過渡帶，但沿這一線的火山島鏈活動仍保持穩定。
W.J.摩根（1972）指出，地幔柱並非處在挨近板塊的下方，而是處在深地幔乃至核幔界面上，估計至少來自700km或更深處，直徑大致為100～250km，上升速率約每年幾厘米，由此導致地幔頂部形成直徑達上百千米的穹狀隆起，高出四周約1～2km。現今全球熱點大多位於洋中脊的拐點處或三聯點上，少數在板塊內，總共約50幾個，而陸上較少，可能與陸上熱點易導致大陸崩裂有關。
熱點說在解釋火山島鏈的形成方面甚為有趣。全球重力圖的重力高點一般也都位於熱點之上，表明其下的深部物質密度高和位置高，一些熱點出現在三聯點及洋脊頂部，使熱點說受到學者們的擁護，它也許是正確的。
用火山鏈確定板塊運動的方向和速率
如前所述，火山鏈反映了岩石圈板塊越過熱點的移動軌跡，它記錄了板塊運動的方向和速率，例如，夏威夷—皇帝海山火山島鏈、土阿莫士—萊恩火山島鏈，以及土布艾—吉爾伯特—馬紹爾火山島鏈，三者彼此互相平行，呈線狀排列，特別是它們的走向均有轉折，火山鏈同位素年齡老的一般為NNW向，而近代火山鏈段為SEE向，這個定向轉折發生在4000萬年左右，說明太平洋板塊的運動方向，在4000萬年前是從南向北沿NNW方向運動的，最晚在2600～3000萬年以後轉變為從東向西，沿NWW方向運動。運動方向的改變，意味著太平洋板塊在上述兩個轉折時期是環繞兩個不同旋轉極轉動的。據有關研究（Mc Dongall等，1980）表明，後一時期的旋轉極的位置大約為70°N及101°W。
板塊運動的速率可用圖解法求得。圖5．26即為夏威夷火山島鏈中火山錐年齡值與距現代活火山（基拉韋厄）距離的坐標圖，其直線方程為：
γ=0.103 5x-0.944 4
式中γ為火山錐年齡（Ma），x為火山錐距基拉韋厄的距離（km），（0.103 5±0.002 9）為斜率，它的倒數就是火山錐遷移的平均速率，即（9.66 ± 0.27） cm/a，代表了太平洋板塊在 2 700萬年以來的運動速率。對應於70°N及101°W擴張極的旋轉角速度（平均值）為（1± 0.02）°/Ma，夏威夷—皇帝火山島鏈在中途島拐點的年齡值為3650萬年，與平均4000萬年的測定值基本一致，表明太平洋板塊運動方向的改變時間為 3 600～3 700萬年。
關於熱羽柱
自20世紀60年代熱柱說提出後，人們曾構想熱柱似大煙筒狀從地幔深處豎起直通地表，然而經過仔細分析和對比地震層析成像可知，地幔中確有明顯的低速擾動區存在，但它們並非垂直向上穿透地幔，而是呈現複雜的形狀。最為突出的例子是位於太平洋中南部的低速體，它從地幔底部2 900km直通到距海底約1200km，然後向北偏移上升至250km左右的軟流圈，並分散開來，成為環太平洋低速帶直至地表。這種巨型低速帶稱為巨熱羽柱（superplume），它是地球流體通道系統的重要組成部分。比太平洋熱羽柱規模小些的有東非熱羽柱和北大西洋洋脊熱羽柱，前者從地表一直滲透到800km深處，之後有約400km的間斷，在1200km深度以下向南偏移；後者只穿入上地幔300～400km內。
為什麼熱羽柱會出現如此複雜的幾何形狀？這主要與熱流體演化的複雜性和分形性質，以及與貫穿整箇中幔圈，並連通外核和軟流圈的裂隙網（羽狀裂隙密集帶）有關。
熱傳導的計算機模擬表明，如果熱羽柱熱量的1/2來自地幔底部，1/2來自地幔內的放射性元素，則當垂直熱柱形成時經過3Ma，它就會拉伸成傾斜形狀，94Ma以後就變為複雜形體。這就是為什麼地面熱點與地幔熱羽柱不能一一對應的原因所在。此外，如果地幔岩石的羽狀裂隙分布並不均勻，則熱羽柱的形成變得更為複雜。學者們根據地震層析圖總結出4種發展模式，即萌芽熱羽，南極洲及澳大利亞大陸下部屬之；發展中的熱羽密集帶，以東非大裂谷為代表；全面發育的熱羽密集帶，太平洋是這種類型的典型代表；衰亡熱羽帶，印度洋—大西洋中脊交匯處就屬於這種類型。
熱羽柱及熱羽柱構造是行星（地球）地質發展的一個階段，在金星和早期地球中有充分發育，其後才發展成現今的板塊構造。
作用
熱點假說在深海鑽探第55航次鑽探夏威夷-天皇海嶺時證明了其正確性，船上所作的古生物鑑定和陸上所作的放射性測年所提供的年齡，證明了所預言的太平洋板塊向北的運動。由火山島年齡和它們距夏威夷基拉韋厄火山的距離，推導出的太平洋板塊的運動速度大約為8cm/a，運動方向的改變（山鏈變曲）發生在43Ma之前，幾乎等於摩根預測的年齡。
