小科普: 随我看地球 – XVI-上集 雁形阵排列的夏威夷岛链都能告诉你哪些地质故事?
提到夏威夷相信大家都很熟悉，它是一个位于北太平洋中心的火山岛，那里有奇特的波利尼西亚(Polynesia)原著文化，嶙峋兀立的岩崖，雨天中五彩缤纷的彩虹，魄荡魂摇的冲浪，激情四射的舞蹈，风景旖旎的沙滩，梦幻般的神秘蓝洞，浪得虚名的珍珠港，享誉全球的各国美食，但最为著名的当属水火连天的玄武岩火山。它每年吸引着上千万的游客前往“朝圣”，它被大文豪马克·吐温誉为大洋中最美的岛屿。然而，大家不一定都知道的是那里还有一条由至少130个岛屿和海底平顶山组成的近6200公里长的神秘岛链，更不一定知道它们是怎么生成的。这串岛链呈一巨型的雁形阵嵌镶在蔚蓝色的海洋中，仿佛拍打着两只巨大的肢膀向西疾飞(见下图)。实际上，这个雁形阵被人为地划分为二个岛链，北边为帝王岛链(Emperor Chain)，南边为夏威夷岛链(Hawaii Chain)。这个海山岛链也被称为热点轨道(Hotspot track)。此岛链自上世纪六十年代以来，地质学家们对它注入了大量的心血研究这个岛链的时代，地质，形成，板块运动机制等。当然，最为重要的当属热点的发现和热点火山在岛链形成中的作用。下面我们谈谈夏威夷火山究竟带给我们哪些有趣而重要的地质故事。
夏威夷热点火山和板块漂移 以前，人们对夏威夷火山的形成机制知之甚少。直至1963年，加拿大地球物理学家约翰·图佐·威尔森(John Tuzo Willson)提出了一个看似”荒唐的”热点(Hotspot)理论。威尔逊最初是板块构造理论的怀疑者，但最终却成为了坚定支持者。他假设夏威夷群岛下有一个固定的 ，由熔融岩浆聚集成的地幔柱(Mantle plume)，地幔柱岩浆通过地壳薄弱点，或地洞运移至地表，形成火山，即热点火山。然后由于上覆地壳的漂移，把原有火山口移到别处，使其成为休眠的火山或死火山，同时在新的地壳薄弱处又破壳而出形成一个新的活火山。也就是说热点就是被异常灼热的下伏地幔岩浆所喂养的火山区(如下图所示)。为准确理解什么是地幔柱，什么是热点，我们可以用一个更加通俗例子来比喻：假设地幔柱有如一束点燃的蜡烛火苗，火苗上悬放一张A-4纸(即地壳板块)，然后将A-4纸往某一方向作水平移动(保持蜡烛相对不动)，被火苗烧透的烧疤即是热点或称热点火山。随着A-4纸的不断前移，就会留下一系列的残留烧疤(即休眠火山)。随着久长不息的板块漂移，产生了一系列年龄由小到大的火山岛组成的岛链。帝王-夏威夷岛链就是这样形成的。这张”A-4纸”在8,500万年的时间里一漂就是一万二千四百里。如果假设地幔柱固定不动，此岛链板块每年平均向北移动7-8厘米，而美国的黄石公园热点火山板块每年向西才移动4.5厘米左右。
夏威夷地质热点火山的形成和休眠火山北移示意图。 Oceanic lithosphere=大洋岩石圈，Mantle plume=地幔柱, Hotspot=热点, present=现在， 箭头是大平洋板块北移方向，年代以百万年计。Kauai 考艾岛，Oahu瓦胡岛，Molokai 莫洛凯岛，Maui毛伊岛，Hawaii夏威夷岛。图源/Credit: Tasa Graphic Art, Inc。 威尔逊的地幔柱及热点假设当时没有人相信。于是他花了大量时间研究了夏威夷岛链上主要岛屿的岩石年龄，发现岛屿岩石由南向北有规律地变老。北部的考艾岛年龄为560-380万年，瓦胡岛为330 - 220万年，摩洛凯为180-130万年， 毛伊岛为130-80万年，最南端的夏威大岛则不到70万年，而基拉韦亚火山年龄则为零岁。至此为止，威尔逊的热点假设才被广泛接受。威尔逊(1965)也是洋中脊转换断层(Transform fault)的提出者。值得一提的是在夏威夷岛链上发现的有些地质现象很难用地幔柱的理论来解释, 所以也提出了一个新的板块构造理论（梁光河博文，2013），这里恕不多述。 距今八千多万年来，帝王-夏威夷海山岛链漂移在时空上基本以线性作相对匀速移动(如下图):
海底平顶山 海底平顶山(Guyots)也许是不为大家所熟悉的名词，所以想籍此机会赘言几句科普一下，以便大家对此加深印象。在海洋地质学中，海底平顶山也称海山(Seamount)，或台山(Tablemount)，是一座座孤立的(有时是集群的)水下的平顶火山，为休眠的热点火山为最。其平顶面位于海面以下 200 -2000米以上。有些平坦面的直径可以超过10 公里。平顶山曾经都出露于海平面以上。帝王-夏威夷海山最初实际上也是起源于热点火山。从下图也可以看出，海山和岛屿密密麻麻地点缀在这条岛链上，其年龄由南向北逐渐变老。
海山最早是在1945年第二次世界大战中由美国海军赫斯(Harry Hammond Hess)在太平洋用声纳回声测深仪发现。声纳数据显示，一些海底山脉的顶部是平坦的。赫斯以19世纪的地理学家阿诺德·亨利·古约特（Arnold Henry Guyot)的名字将这些海底山脉取名为”Guyot”。顺便说一下，二战期间，美国海军潜艇在海洋里还发现了另外一个有趣的界面，人们形象地称其为”液体海底”，亦即物理海洋学中所说的”温跃层”。这个温跃层和海山一样，在军事上很重要，它可以用于停泊潜艇。潜艇可以漂停在这个界面上, 关机息火，悄无声息地等待时机，以期向敌人发起突然攻击。除军事用途之外，平顶山还有非常重要的经济价值，如，平顶山有丰富的多金属结壳资源和大量的动物资源。海山通常具有高水平的生物初级生产力，因为它们为许多动植物物种提供了良好的栖息地。海山是发现新物种的好地方，因为每个海山都栖息着不同类型的动物，其中包括许多只能栖息在平顶山的动物。海山是许多商业鱼类的家园，因此对我们的经济非常有利。海山对医学领域也很重要，因为任何未发现物种都可能被用于新药制造。海山上金属矿藏可以用于炼钢制造车床和枪炮，而海洋药材可以用于治疗疾病和枪伤。平顶山也活得不容易，活得很矛盾。 作者简介： 章纪君博士，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年进入加拿大哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。 1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。 出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。 在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei). 出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上,
如Palaios,Deep Sea Research, Marine Micropaleontology,
Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Oceanography Acta
Sinica等.为绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇. |
