小科普: 随我看地球 – XVI-下集 雁形阵排列的夏威夷岛链都能告诉你哪些地质故事? 海山/岛屿为什么会下沉？ 如上所述，帝王-夏威夷海山最初实际上也是起源于热点火山。有些火山曾经出露海面，有些可能位于海面以下。处于海面以上的火山由于其顶部遭受海浪(也有可能有冰川)的侵蚀而夷平，形成了平坦顶部。在用明(Yomei)海山，深海钻探计划的431号钻孔里发现山顶有异地冰漂砾石(Heterogeneous ice-rafted pebbles)，说明冰川曾经影响到这个地方。很多的文献在描写海山时，只是简单地以“下沉”一说了事，大多没有说出其所以然。实际上由于时间的增大，当年热炽的海底岩石因热胀冷缩的作用，岩石体积渐渐冷缩，火山锥及海底地壳也因冷缩而逐渐下沉，最终成为水下平顶山。平顶山的水深变化范围可以从200至2,000米，有些可达3,000米。理论上讲，时间越久的会下沉越深，当然还要取决于岩石本身的因素。这种岩石冷缩现象和海底沉降之间关系早在上世纪八十年代末，哥伦比亚大学Lamont-Doherty地质研究所的肯·米勒(Ken Miller)就曾有过研究。米勒和我一起探讨过大西洋洋中脊至深水盆地横剖面的地壳冷缩，扩张速率和时空关系等因素的数学公式。在大西洋上亿年的海底扩张历史中，因岩石冷却导致洋底地壳“下沉”1,000-2,000米, 或更深。无容置疑，这种冷却收缩作用在帝王-夏威夷岛链也一定存在，而且越老的地壳温度越低，收缩越大，海山的深度也因此越深。这可以解释为什么5,000-8,500万年的帝王海山链均处于海面以下，深者可达1,000-2,000米。 以下是夏威夷-帝王链由北到南(亦即由老到新)的海山深度与时间关系，可以看出基本上是呈线性趋势： 1，明治海山(82-85Ma): 水深2,000米， 2，底特律(Detroit)海山(76-81Ma): 水深1,550米， 3，推古(Suiko)海山(59.6Ma): 水深951米， 4，仁德(Nintoku)海山(56.2Ma): 水深1200米， 5，应神(Ojin)海山(55.2Ma): 水深975米, 6，光孝(Koko)海山(48.2Ma): 水深260米。 夏威夷岛链也是这种趋势，从南到北(由新到老)由岛屿变为沉降在水下的海山。特别值得一提的是，和大西洋洋底不同，由于该海区地质构造的复杂性，冷缩下沉作用不仅不会呈完美的线性趋势下沉，可能还会存在若干的不均衡性，突然性和偶然性。另外，由于原始火山的高度不同，海山的深度也会有些差异。总之，帝王-夏威夷海山的深度随时间的增加而增大，这个基本趋势还是相当明显的。对于年轻的大洋地壳而言，这种冷缩沉降作用随时随地都在发生，例如，马尔代夫等印度洋火山岛也有可能处于冷缩沉降的危机。 海山存在于各个大洋，包括北冰洋，但以太平洋为最。它们可以是孤立的，也可以是集群的，如距离新英格兰海岸1,600公里处的新英格兰海山就聚集了30多座海山。 这个帝王-夏威夷岛链上最老的热点火山(现为海山)年龄大约为8,200-8,500万年(晚白垩纪的Santonian期)，位于岛链最北端的千岛-堪察加海沟外坡。这个火山的命名也颇有神秘色彩，它是以日本第122代天皇-明治天皇命名的，叫明治海山(Meiji Seamount)。和帝王海山的其他部分一样，它是由夏威夷热点火山作用形成的，原先是一个岛屿，后来沉降到海平面以下2,000米。由于太平洋板块向北运动，昔日的明治火山首当其冲，被推到了今天的堪察加外的千岛-堪察加海沟(kuril-kamchatka trench)和阿留申海沟(Aleutian Trench)之间的边缘。我们已经无法知道明治海山是不是帝王海山链中最老的，因为即使有更老的，它们也已经沿着海沟俯冲进入地幔化为岩浆了。但有一点我们比较肯定的是今天的夏威夷位置差不多就是当年明治火山的所在地。我所说的”差不多”是因为有人提出新的理论，认为地幔柱可能不是固定不变的，而是会向南移动的(J. A. Tarduno et al., The Emperor Seamounts: Southward motion of the Hawaiian hotspot plume in Earth's mantle, Science, 2003)。我也认同这一观点，道理很简单，因为从哲学上讲，万物都非固定不变的，它们随时随地都会变，只是地幔柱的移动速度和距离至今不得知而已。 帝王-夏威夷岛链为什么会转弯？ 帝王-夏威夷岛链最有趣的是它竟会转弯。热点火山链在太平洋，印度洋都有，如印度洋有东九十岭(Ninty East Ridge)和Chagos-Laccadive洋脊，它们都是呈直线型排列，不像夏威夷岛链会突然拐弯(见下图)。
如前所述，帝王-夏威夷岛链被一个约为60度的弯角截成二段，北段为5,000-8,500万年的帝王海山链，南段为0-5,000万年的夏威夷岛链。拐弯节点时间约为5,000万年(见下图)。
很长一段时间里，拐弯现象并未被引起太多的关注，只是认为正常的板块漂移而已。最近几十年来，科学家们一直在试图努力解释在5,000万年前这个拐弯是如何发生的。然而迄今为止大家仍是各说各话，莫衷一是。这里介绍一下二个主要的观点： 1、根据塔多诺(Tarduno)等人(2003 ，2009)对古地磁研究，认为热点和地幔柱可能比一直以来被普遍接受的静止观点更为复杂。如果在过去的 8,000 万年中热点一直保持在固定的地幔柱之上，那么每个样品的剥余地磁的古磁场方向(古纬度)所记录的纬度应该是恒定的。然而帝王海山的古纬度非但没有保持不变，反而呈现出由北向南的变化，所以，Tarduno等人认为海山链的弯曲可能是由流动的固体地幔(地幔“风”)中的环流模式引起的，而不是由板块运动的变化引起的。 2、2017年，奥斯陆大学研究员杜梅尔(Mathew Michael Domeier)研究小组在“科学进步”杂志上发表的研究表明太平洋板块在大约5,000万年前改变了航向，因为当时形成太平洋板块北端的一个群岛当时坠入了东亚。Domeier的研究小组在三个关键数据(异地岩石，剥余地磁，深部岩石)中找到了岛弧的历史及其与帝王-夏威夷岛链之间的关系，表明太平洋边缘的一次大规模碰撞才是拐弯的罪魁祸首。 北太平洋的地质、磁力和地震线索表明，太平洋板块北端的洋壳俯冲和岛弧构造始于8,000万年前。俯冲开始后，俯冲带开始向北移动，将岛弧和太平洋板块一起向北推动。这种向北迁移持续了80到5,000万年。此时的帝王链是由地幔柱上北漂的太平洋洋壳形成的。大约5,000万年前，俯冲运动向北迁移导致太平洋板块北端的岛弧与亚洲东北部边缘发生巨大碰撞。这次巨大的碰撞留下了大量前岛弧残片滞留在日本东北部和堪察加半岛，并在那里终止了俯冲。撞击和俯冲的停止有效地阻止了当时太平洋板块向北的运动，正是这一碰撞事件导致了5,000万年前太平洋板块突然改变方向, 最终在太平洋形成了一个壮观的弯道。Domeier把这种现象比喻为有如交通事故引起的汽车”挡泥板弯曲-Fender-Bender”。 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. |
