第五节 地幔柱和热点

从软流圈或深部地幔涌起并穿透岩石圈的一股固体物质热塑性流，呈圆柱状者称地幔柱（热柱），呈羽缕状者称地幔羽（热羽）。地幔柱（热羽柱）在洋底或地表出露时即为热点，热点（hot spots）是地幔柱（mantle plume）的一种表现。地幔柱特别是热点是分析板块绝对运动的参照系统（参考架）之一，但热点位置似不随时间变化而变化的问题还有待更进一步的验证。

热点和火山岛链

在大洋和大陆内部都发现有由火山锥构成的火山岛链。它们呈线状定向展布，一端连着现代活火山，另一端连着距活火山愈远而时代愈老的串珠状死火山，火山的年代和方向性都明显的太平洋中的夏威夷岛和皇帝海山就是这类火山岛链的典型例子。岛链东南部的夏威夷岛巍然屹立着两座活火山——莫纳火山和基拉韦厄火山，火山年龄为现代，向北西西至韦克尔，火山年龄逆变为1 000万年，至中途岛火山年龄增至4000万年，继而火山链转折为北北西向的皇帝海山，皇帝海山一直延伸到阿留申岛弧西端，火山年龄也增至7 500～8 000万年（图 5．24）。这条火山岛链的走向呈折线状定向展布，中途岛为其拐点，这似乎反映出一种确定的自然现象。

一般认为，地幔柱一热点位置大致是固定的，而板块则是持续不断地移动着的，当板块跨越呈周期性喷射岩浆的热点时，岩浆穿过板块于表面形成火山（图5．25）。由于板块一直向前运行，如同纸带在穿孔机出口处运行并打出一系列孔洞一样，所呈周期性喷射岩浆的热点就形成了间隔较为规则的串珠状火山岛链，很显然，这些火山岛链就是岩石圈板块漂移过热点的轨迹，所记录的则是板块运动的速度和方向。

大陆也存在类似的火山岛链，中央高原自普伊山延伸到阿格德角的火山山脉即为热点在大陆上留下的火山岛链踪迹。而自安诺本—圣多美—普林西比—比奥科等岛屿延伸到喀麦隆的火山山脉则表明，火山山脉的分布与洋陆分布无关，尽管它们穿越了洋—陆过渡带，但沿这一线的火山岛链活动仍保持稳定。

W.J.摩根（1972）指出，地幔柱并非处在挨近板块的下方，而是处在深地幔乃至核幔界面上，估计至少来自700km或更深处，直径大致为100～250km，上升速率约每年几厘米，由此导致地幔顶部形成直径达上百千米的穹状隆起，高出四周约1～2km。现今全球热点大多位于洋中脊的拐点处或三联点上，少数在板块内，总共约50几个，而陆上较少，可能与陆上热点易导致大陆崩裂有关。

热点说在解释火山岛链的形成方面甚为有趣。全球重力图的重力高点一般也都位于热点之上，表明其下的深部物质密度高和位置高，一些热点出现在三联点及洋脊顶部，使热点说受到学者们的拥护，它也许是正确的。

用火山链确定板块运动的方向和速率

如前所述，火山链反映了岩石圈板块越过热点的移动轨迹，它记录了板块运动的方向和速率，例如，夏威夷—皇帝海山火山岛链、土阿莫士—莱恩火山岛链，以及土布艾—吉尔伯特—马绍尔火山岛链，三者彼此互相平行，呈线状排列，特别是它们的走向均有转折，火山链同位素年龄老的一般为NNW向，而近代火山链段为SEE向，这个定向转折发生在4000万年左右，说明太平洋板块的运动方向，在4000万年前是从南向北沿NNW方向运动的，最晚在2600～3000万年以后转变为从东向西，沿NWW方向运动。运动方向的改变，意味着太平洋板块在上述两个转折时期是环绕两个不同旋转极转动的。据有关研究（Mc Dongall等，1980）表明，后一时期的旋转极的位置大约为70°N及101°W。

板块运动的速率可用图解法求得。图5．26即为夏威夷火山岛链中火山锥年龄值与距现代活火山（基拉韦厄）距离的坐标图，其直线方程为：

γ=0.103 5x-0.944 4

式中γ为火山锥年龄（Ma），x为火山锥距基拉韦厄的距离（km），（0.103 5±0.002 9）为斜率，它的倒数就是火山锥迁移的平均速率，即（9.66 ± 0.27）  cm/a，代表了太平洋板块在 2 700万年以来的运动速率。对应于70°N及101°W扩张极的旋转角速度（平均值）为（1± 0.02）°/Ma，夏威夷—皇帝火山岛链在中途岛拐点的年龄值为3650万年，与平均4000万年的测定值基本一致，表明太平洋板块运动方向的改变时间为 3 600～3 700万年。

关于热羽柱

自20世纪60年代热柱说提出后，人们曾设想热柱似大烟筒状从地幔深处竖起直通地表，然而经过仔细分析和对比地震层析成像可知，地幔中确有明显的低速扰动区存在，但它们并非垂直向上穿透地幔，而是呈现复杂的形状。最为突出的例子是位于太平洋中南部的低速体，它从地幔底部2 900km直通到距海底约1200km，然后向北偏移上升至250km左右的软流圈，并分散开来，成为环太平洋低速带直至地表。这种巨型低速带称为巨热羽柱（superplume），它是地球流体通道系统的重要组成部分。比太平洋热羽柱规模小些的有东非热羽柱和北大西洋洋脊热羽柱，前者从地表一直渗透到800km深处，之后有约400km的间断，在1200km深度以下向南偏移；后者只穿入上地幔300～400km内。

为什么热羽柱会出现如此复杂的几何形状？这主要与热流体演化的复杂性和分形性质，以及与贯穿整个中幔圈，并连通外核和软流圈的裂隙网（羽状裂隙密集带）有关。

热传导的计算机模拟表明，如果热羽柱热量的1/2来自地幔底部，1/2来自地幔内的放射性元素，则当垂直热柱形成时经过3Ma，它就会拉伸成倾斜形状，94Ma以后就变为复杂形体。这就是为什么地面热点与地幔热羽柱不能一一对应的原因所在。此外，如果地幔岩石的羽状裂隙分布并不均匀，则热羽柱的形成变得更为复杂。学者们根据地震层析图总结出4种发展模式，即萌芽热羽，南极洲及澳大利亚大陆下部属之；发展中的热羽密集带，以东非大裂谷为代表；全面发育的热羽密集带，太平洋是这种类型的典型代表；衰亡热羽带，印度洋—大西洋中脊交汇处就属于这种类型。

热羽柱及热羽柱构造是行星（地球）地质发展的一个阶段，在金星和早期地球中有充分发育，其后才发展成现今的板块构造。