復活節島火山歷史顛覆對地球地幔的假設

地理教科書把位於板塊下方的地球地幔描述成一種充分混合的粘性岩石,其像傳送帶一樣隨板塊移動。

但這個約在 100 年前首次提出的觀點,令人驚訝的是,很難得到證明。

由古巴、哥倫比亞和烏得勒支等地的地質學家共同開展調查,在復活節島上的一個神秘發現表明,地球地幔的表現似乎截然不同。

最古老的熔岩沉積物大約在 250 萬年前形成於一個海洋板塊的頂部,而這個板塊的年齡跟火山本身相比大不了多少。

爲此,他們採用了一種久經考驗的辦法:測定鋯石礦物的形成年代。

當岩漿冷卻時,這些礦物就會結晶。它們含有少量的鈾,鈾通過放射性衰變“變成”了鉛。

他們的研究結果以預印本的形式在ESS 開放檔案中可獲取。

因此,由古巴地質學家亞米爾卡·羅哈斯 - 阿格拉蒙特(Yamirka Rojas-Agramonte)領導的來自哥倫比亞洛斯安第斯大學的團隊開始去尋找這些礦物。

對鋯石的化學分析表明,在所有情形中,它們的成分大致相同。所以,它們肯定都源自成分與當今火山相同的岩漿。然而,那些火山不可能活躍了 1.65 億年,因爲其下方的板塊甚至都沒那麼久遠。那麼,唯一的解釋是,這些古老的礦物質起源於火山活動的源頭,也就是板塊下方的地球地幔,早在當今火山形成之前。但這給研究小組帶來了另一個難題。

像復活節島上的那些火山被稱作“熱點火山”。這些在太平洋很常見;夏威夷就是一個著名的例子。它們由從地球深部地幔緩慢上升的大塊岩石,即所謂的地幔柱形成。當它們接近地球板塊的底部時,地幔柱的岩石以及周圍地幔的岩石融化並形成火山。

自 20 世紀 60 年代以來,科學家們就知道,當地球板塊在它們上面移動時,地幔柱會在原地停留很長時間。每當板塊移動一點兒,地幔柱就會生成一座新火山。這就解釋了太平洋中一排排已滅絕的水下火山,最後有一座或幾座活躍的火山。研究小組是否發現了復活節島下的地幔柱已經活躍了 1.65 億年的證據?

爲了回答這個問題,羅哈斯 - 阿格拉蒙特需要“火環”地質方面的證據,“火環”是海洋周圍一個有許多地震和火山活動的地區,在那裡海洋板塊下沉(即“俯衝”)到地球的地幔之中。所以她聯繫了烏得勒支地質學家杜威·範·欣斯伯根。

“困難在於 1.65 億年前的那些板塊在這些俯衝帶早已消失,”範·欣斯伯根說,他已經對那些消失的部分進行了詳細重建。當他在 1.65 億年前的復活節島所在地的那些重建中添加了一個大型火山高原時,結果表明那個高原肯定在大約 1.1 億年前消失於南極半島之下。

“而這恰好與那個確切地點一個不太爲人所理解的造山和地殼變形階段相吻合。那座山脈,其痕跡至今仍然清晰可見,很可能是 1.65 億年前形成的火山高原俯衝所致,”他補充道。

因此,他的重建結果顯示,復活節島地幔柱很可能已經活躍了那麼長時間。這將解決復活節島的地質之謎:古老的鋯石礦物乃是早期岩漿的殘留物,這些岩漿與較年輕的岩漿一起在火山噴發中從地球深處帶到地表。

但隨後又出現了另一個問題。經典的“傳送帶理論”已難以與這一觀察結果相契合。範欣斯伯根說:“人們解釋道,地幔柱上升速度極快,以至於不受隨板塊移動的地幔影響。並且新的地幔柱物質持續在板塊下方供應,從而形成新的火山。”

但在此種情況下,帶有古老鋯石的地幔柱的舊部分理應已被那些地幔流帶走,遠離復活節島的位置,現在不應該在地表。

“由此,我們得出結論,如果圍繞地幔柱的地幔基本上和地幔柱本身一樣靜止,”他補充道。