“彩虹之州”成因之谜

梁光河

夏威夷地处北太平洋中心地带，是世界上距离大陆最远的群岛—离最近的大陸也有4000千米。这里的上百个岛屿镶嵌在蔚蓝色的海洋中，它们被马克·吐温称为大洋中最美的岛屿，是停泊在海洋中最可爱的“岛屿舰队”。

火山造就的彩虹之州

因为在雨季几乎天天可以见到彩虹，夏威夷也被称为“彩虹之州”。在世界上其他地方，每当火山喷发时，人们都会赶紧逃避；而在夏威夷，人们会专程前来观看火山喷发。岛上建有国家火山公园，专供游客观赏火山喷发时的壮丽景象。踏着冷却后的岩浆，游人可以走到蒸汽缭绕的火山口去，甚至可以看到红色岩浆滚滚流入大海的壮丽景象……这些都是在世界上其他地方难以得到的神奇体验。美国宇航员还把夏威夷当作学习火山地质学的基地。

之所以在夏威夷可以与火山亲密接触，是因为夏威夷群岛本身就是火山喷发的产物—它是一个巨长的火山岛链中的很小一段，包括著名的大夏威夷岛、檀香山、可爱岛，等等。

前不久，全球最活跃的火山之一—夏威夷基拉韦厄火山持续喷发，科学家警告说，基拉韦厄火山在未来还可能再度出现一连串激烈喷发，乃至更具毁灭性的熔岩流。事实上，基拉韦厄火山真正的危险来自于其内部不断下降的岩浆水平。如果岩浆降到水平面以下，海水会倒灌入岩浆，届时产生的高热蒸汽将会爆炸，冰箱大小的大石块会被抛至几百米外，有毒的火山烟雾则会覆盖方圆19千米的范围。

火山遍布的夏威夷群岛是如何形成的？为什么说它是火山喷发的产物呢？

前文提到，夏威夷群岛是一个巨长的火山岛链中的很小一段，这条横穿太平洋北半部的火山岛链全名叫夏威夷-帝王火山岛链，它长约6000多千米，夏威夷群岛位于该岛链的东南端，如图1所示。整个岛链呈线状分布，中间存在一个大拐弯：南半部分叫夏威夷海岭，北半部分叫帝王海底山。

这些火山岛至少有129座，是在7000万年以前因火山喷发形成的，每个火山岛一般由一座或几座火山组成。这些火山从海底的第一次喷发算起，在漫长的地质时期经过无数次喷发，最终升出海面形成岛屿。目前，最南部的大夏威夷岛（也叫大岛）上的火山是最活跃的，会不时喷发（图2）。这次喷发的基拉韦厄火山就位于大岛上。

同样位于大岛上的莫纳克亚山是一座死火山，也是世界上总高度最高的山，有1万多米高，其中约6000米高的山体处在海平面以下。如果从海底量到山顶的话，它比珠穆朗玛峰还高1000多米。

错误的成因认识

当前对夏威夷火山岛链成因的普遍认识是地幔柱假说。该假说认为，地幔内部有一些温度很高的圆柱状区域，炽热的地幔物质从这里上升，将覆盖在上面的岩石外壳“烧”穿，使得岩浆喷出地面，最终形成了火山，这个地方就是地球上的“热点”。

相对于迅速漂移的板块，地幔之中的热点基本上是固定不动的。当板块慢慢移动并通过热点时，热点就会在板块上留下一连串的“伤疤”—火山。先形成的火山随着板块的移动离开热点，之后在热点处会形成新的火山。久而久之，就会产生一连串年龄由大到小的火山岛链。夏威夷群岛就是这样形成的。

这一假说的关键依据是，科学家测得该火山岛链的玄武岩年龄具有严格的时-空线性变化特征，但真实的原始测年数据并不具备这种规律，只是由于部分科学家将数据中不一致的部分去掉，才形成了精准的线性变化。

地球化学也不支持该假说。如果夏威夷的玄武岩是地幔柱成因，那么它应该出现代表地球深处地幔起源的高温苦橄岩或科马提岩，地质学家并没有在夏威夷发现这些岩石。在美国实施的夏威夷科学钻探项目中，科研人员在莫纳克亚火山2019米深度以下打出了海相火山岩和沉积岩，这是地幔柱假说难以解释的。如果按照地幔柱假说，应该打出玄武岩或苦橄岩或科马提岩，不应该打出沉积岩。铪同位素资料则显示，夏威夷熔岩中存在古深海沉积物。

实际的地球物理探测也没有发现确凿证据证明存在这种地幔热点。

地幔柱假说同样无法合理解释火山岛链中间大拐弯的形成，该处的火山岩测年大约为4300万年，没有证据表明当时存在大的地质构造运动，能够让巨大的太平洋板块转向。

大陆漂移与地底扩张

夏威夷群岛的成因机制一直是地球科学领域争论的热点问题之一。传统观点认为是地幔柱成因；但诸多新证据表明，该理论解释不了夏威夷-帝王火山岛链的特征。

既然地幔柱理论难以解释夏威夷群岛的成因，那么，夏威夷群岛到底是如何形成的？

要探讨这个问题，需要首先了解一点地球科学的基本知识，那就是大陆漂移和海底扩张。

大陆板块存在大规模水平漂移是地球上的普遍现象，而且大陆板块当前还在运动中。现代精确GPS测量和古生物、古地磁学都有确凿证据说明大陆板块会漂移。

大陆板块漂移的源动力是什么呢？

魏格纳在100年前提出了大陆漂移学说。他认为，大陆板块漂移的动力主要包括两个：一是因地球自转存在一个指向赤道的离极力，二是因地球自转产生向西的力。不过，地球物理学家计算后发现，这两个力非常小，不足以推动巨大的板块克服阻力发生漂移。更不合逻辑的是，这两个力都是系统作用力，它们针对地球上的所有大陆板块都是一样的，因而现实中应该发生大陆板块统一向赤道漂移或向西漂移，但这种现象并不存在。于是，魏格纳提出的漂移动力被否定了。

魏格纳后来也承认，大陆运动的起因这一难题的真正答案仍有待繼续寻找，大陆漂移理论中的牛顿还没有出现。

为了解释大陆漂移的动力来源，美国科学家赫斯在1961年提出了海底扩张假说。海底扩张假说认为，洋中脊不断喷发的玄武岩造成了海底扩张，像传送带一样拖动大陆板块发生漂移。基于盘古超级大陆的裂解，其结论是现代海洋中的洋壳板块都是在1.8亿年以后出现的，洋中脊附近因为都是新生成的岩石，其年龄应该是0。事实果真如此吗？

我国著名地学专家任纪舜院士等人在《寻找消失的大陆》一文中指出，通过全球深海钻探、海洋地质和地球物理调查，研究人员发现全球大洋中存在大量古大陆残片。按照海底扩张假说，洋中脊上的岩石年龄应该接近于0，但实际上，在赤道大西洋洋中脊附近发现大量古老的大陆岩石分布，这些岩石年龄少则距今3.3亿～3亿年，多则距今18.5亿～16亿年。这与传统的海底扩张假说完全不符。大洋中的古大陆残片否定了海底扩张假说。

赫斯等人是基于太平洋东北角和大西洋北部局部的磁异常条带与洋中脊平行提出海底扩张假说的，但全球所有的磁异常条带都与洋中脊平行吗？

2007年，法国地质局编绘了目前全球唯一一张世界磁异常图。遗憾的是，该图否定了磁异常条带与洋中脊平行的这种所谓普遍规律。众所周知，红海是一个新生代才裂开的新海洋。按照海底扩张假说，磁异常条带必定和洋中脊呈现条带状平行分布；然而，在红海西部，磁异常条带几乎与洋中脊垂直，在红海东部，磁异常也并不呈条带状，而是呈现团块状沿着洋中脊分布，它们都不具备平行分布的特征。

也许有人说，红海是一个还未完全扩张开的海洋，所以磁异常条带与洋中脊不平行。成熟的大洋肯定不是这样的。事实恰恰相反。红海邻近的印度洋是一个成熟的大洋，那里的洋中脊与磁异常条带也没有平行关系；甚至在太平洋和大西洋等全球其他区域，大多数地区的磁异常条带并不平行于洋中脊。

既然海底扩张不存在，意味着地幔柱假说也失去了根基；那么，究竟是什么原因使大陆板块发生大规模水平漂移呢？

新的大陆漂移假说

按照地热学常识，大陆上的平均地温梯度是每百米增温3℃，超深钻探也验证了这个地温梯度的正确性。这就意味着，40千米之下的地温可达1200℃。而大洋的地温梯度远高于大陆，在1200℃下，绝大部分岩石会变成熔融的岩浆。

由此，笔者提出了新的大陆漂移假说—大陆板块是漂浮在大洋板块上的。这是因为，随着深度的增加，地温逐渐增高，岩石渐渐由弹性变为软塑性（图3），大陆板块底部因此会漂浮在大洋深处的岩浆上。

我们可以形象地把大陆漂移比喻成“平底热锅里的黄油会自己跑”。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解，产生了一个裂缝，使得大洋深处的岩浆上涌。在初始阶段，大陆漂移与海底扩张一致；但由于洋中脊喷出的岩浆很快被海水冷却进而熄灭，海底扩张不能持续，而在漂移的大陆板块后面有岩浆持续涌出，并不断被海水熄灭，这个热力推动过程的持续使得大陆板块向前移动。其基本逻辑很简单：大陆板块在运动中，其前面处于挤压环境，地下深处的岩浆无法外泄，其后面处于开放环境，地下深处的岩浆持续上涌，推动大陆板块向前运动。

根据这个模型，大陆板块漂移后会留下尾迹，也可能会留下火山岛链以及大陆碎片遗撒物。据此，我们可以很容易通过大陆板块漂移后的尾迹来追踪其来源及漂移方向。这与刑事侦查中对足迹的分析类似：通过简单分析，就可以大致判断嫌疑人的去向。

这种方法同样适用于夏威夷岛链。追溯夏威夷岛链的轨迹，我们可以推测其起源。图4中清晰地显示了一个小板块的运移轨迹，如图中白色虚线箭头所指方向。该小板块外形酷似一条拖着长长尾巴的蝙蝠鱼，漂移后留下了一条划痕。该小板块目前已与西伯利亚板块拼接在一起，名字叫科里亚克板块。这个小板块在其正南的尾部仍然存在一条明显的水下海岭。

一个小小的板块真有漂移数千千米的强大能力吗？

地质学家已经证明，印度板块是从南极洲分离并向北漂移的。在约1.5亿年的历史时期，漂移了超过8000千米的距离，到达如今的位置。也就是说，大陆板块漂移数千千米并不稀奇。

这个新大陆漂移模型不但能解释夏威夷群岛的成因，也能合理解释太平洋中其他线状火山岛的成因机制，推测出它们曾经是大陆板块漂移后留下的轨迹和薄弱地带。

在盘古超级大陆裂解后，因欧亚大陆向东北漂移，美洲板块向西漂移；同时，澳大利亚板块向北漂移。因此，太平洋洋壳深部总体呈现一种受压环境，如图5所示，特别是夏威夷群岛附近，当前正处于受挤压的中心地带。这些板块前端深处的高压岩浆在那些薄弱地带被挤出，形成一系列线性火山岛。目前正在喷发的基拉韦厄火山，很可能正处在四周大陆板块挤压的中心。

大陆板块漂移后会在大洋中留下类似车辙的深沟。这些深沟是大洋板块的薄弱地带，一旦遇到压力，大洋板块深部的岩浆就会涌出，形成火山喷发。按照这个推论，大陆板块漂移后应该在洋壳上留下切割深度差不多的海沟，喷发出连续的火山岛。

图5.太平洋周边大陆板块当前运动方向说明太平洋板块深部处于挤压状态