互动科普

这些广阔的熔岩区记录了强有力的但在地质上却很短暂的磁场活动脉冲。广阔熔岩区的形成可以引起全球环境的重大变化。

有时候到达目的地一点也不是地球物理研究的乐事。由于向西进入了增大的南大洋八级大风区，澳大利亚科学调查船里格塞斯米克(Rig Seismic)号的行驶相当艰难，以至船锚被挣脱出来，撞在前甲板上，引起波涛冲过船头涌进船舱。向着凯尔盖朗海台(刚好位于南极洲以北的一个海底隆起区域)的行进被耽搁了，而船员们还要去卡紧船锚并焊牢船体以使其不进水。几天之后考察队，包括我们中的一位(Coffin)才抵达凯尔盖朗，部署了一些仪器以分析海底构造并开始收集数据。此次航程的目的是要弄清该巨大水下海台的起源与演化。

就在同一年，1985年，但在另—个半球，一个海上地学实验室和乔迪斯(联合海洋机构地球深层取样)解析(JOIDEs Resolution)号钻探船正通过北大西洋海域的十级狂风向靠近挪威海岸的武灵海台北上航行。这支由我们中的一位(Eldholm)和德国基尔海洋地学研究中心的Jorn Thiede领导的考察队的目的是要调查当大陆裂开并诞生一片海洋时所形成的那些地质构造。出乎他们大多数同事预期的是，研究人员设法得到了位于三百米柔软沉积物之下的，将近一公里深的火成岩的岩心样品。

尽管这两个海台位于相隔几千公里的不同的地质构造中，但是我们仍然发现了它们基本相似的地方。我们的发现是将其他许多研究人员所收集的地震资料和钻探资料综合起来而得出的，从而使我们作出如下结论，即凯尔盖朗海台和挪威近海的火山大陆边缘属于一类通常称之为巨大火成区的巨型岩浆地貌。这种地貌覆盖了方圆几百万平方公里的区域，而且从地质观点来看它们的形成似乎是相当快的。

伴随着熔岩这样迅速流出的各次喷发活动都可能大大影响海洋和大气的化学成分与环流。形成的某些环境变化可能会引起物种的大规模灭绝，其中包括恐龙类的消失这一灭绝；相反，其它一些环境变化可能会促进生物多样性的发展以及新物种的产生。

对巨大火成区的识别促使地球物理学家重新考虑他们对地球内部构造的看法。板块构造理论相当好地解释了发生在洋中脊(在此诞生了新的洋壳)和靠近俯冲带(洋底的古老、致密部分在此下插返回进入地球的炽热内部)的缓慢、经常的火山活动，但是它无法容易地解释形成巨大火成区所必需的突然爆发。尽管构成这类地貌的岩石通常与在洋中脊出露的熔岩的成分相似，但是火成区在其微量元素的含量和原子同位素的混合比方面都有所不同。而且它们常常会突破一般来说是平静的岩石圈板块的中部喷发而出。

本世纪六十年代后期先是多伦多大学的J．Tuzo Wilson，继之以普林斯顿大学的W．Jason Morgan提出了一个有助于解释这一现象的假说。他们认为，地球的地幔，也就是指处于地壳之下但是又在地核之上的广大区域是以两种不同的型式环流的。其占主导的一种型式是使板块横过地表并引起大陆漂移的大尺度对流。但是目前从地幔中逃逸出的热量约有十分之—是以比地幔平均物质更热的植根很深的狭小柱体的型式穿过地幔而上升的。当地幔柱到达岩石圈的底部时，它就会降压并部分熔化，产生岩浆的上涌和称为热点的长期持续的火山活动场所。某些这种岩浆可能会像巨大的熔岩泛滥那样喷涌而出。与缓慢而稳定的大陆漂移和洋中脊的扩张不同，地幔柱的上升到地表是以一种非定期的幕式方式发生的。

地球内部构造的所有模式都是建立在推论之上的。即使是那些最深的钻孔也不过深达10公里左右。因此对巨大火成区所进行的直接和间接的研究对弄清更多有关地幔柱的性质以及它们如何会最终影响地球表面上的环境情况都极为重要。

关于这些巨大火成区最基本的考察结果是它们是由一种普通的、富含铁和镁的岩石即玄武岩所构成。所以出现在大陆中部(在此地质学家可以很容易地采集标本并测定其组成)的巨大火成构造被称为大陆溢流玄武岩。在大陆边缘的火成区称之为火山被动边缘；如果它们位于大洋中部，则被称作海台。

地质学家在十九世纪后期才识别出大陆溢流玄武岩的存在，当时他们认识到若干分布很广的火山构造实际上是连续的玄武熔岩流。在这些构造中最为壮观的是印度中西部的德干暗色岩(Daccan Traps，Trap是荷兰语，“阶梯”之意，指的是受侵蚀的熔岩具有阶梯状的外貌。)类似的构造还有美国西北部的哥伦比亚河玄武岩；不列颠诸岛、法罗群岛和格陵兰岛的北大西洋火山喷出物；以及南部非洲的卡洛玄武岩，在此仅举几个例子。溢流玄武岩的熔岩层堆积厚度可达几公里。个别熔岩流可含有几千立方公里的岩石并且可延伸几百公里远。

由于水下火成区难以接近，因此地球科学家直到最近才意识到它们与大陆滥流玄武岩相类似。1981年位于德国汉诺威的联邦地学与自然资源研究所的Karl Hinz根据其对反射地震波记录的分析结果指出，许多大陆的淹没边缘区都含有广泛的层状熔岩流。从那以后，研究人员已经获得看来证实了Hinz得出的结论的更好的地震数据。通过对爱尔兰和挪威近海大陆边缘所进行的科学钻探计划所获得的火成岩也证实了在地震图象中看到的构造的确是火山成因的。

对凯尔盖朗海台所作的类似的地震研究也提供了令人信服的证据表明海台同样主要由火山岩构成。新近乔迪斯解析号船上的科学家们也从两个巨大的海台中取得直接的岩石样品：—个是1988年在凯尔盖朗，—个是1990年在翁通爪哇，后者位于澳大利亚东北的太平洋中。这些样品都是由玄武岩组成，与在大陆溢流玄武岩中发现的相类似。

地球科学家想弄清这样大规模的火山构造是如何形成的。遗憾的是，要回答这一问题所必需的最基本的资料——火成区内熔岩和侵入岩的总体积及它们形成的速率——还了解得很差。在陆地上，地质学家能够直接测量溢流玄武岩的面积但是只能推测其深度。在大陆之下的地壳平均有35公里厚。只有上面的部分易于探测。在海洋之下，情况就更为困难。仅仅对海台所在的最上部5公里到25公里厚的地壳进行采样就需要有一艘昂贵的钻探船。

时间的流逝还隐瞒了古老火山构造的真实大小。较古老的火成区常常受到很严重的侵蚀，因此其外形受到毁损并减小了它的尺度。例如，夏威夷大学的John J．Mahoney就推算出德干暗色岩最初的覆盖面积比现在要大二倍。而且，从德干暗色岩形成以来的六千五百万年间，海底扩张显然已将最初的熔岩的一些部分离散到远至印度以南和西南的塞舌尔群岛、马斯克林海台以及查戈斯—拉克代夫海脊。

水下火山边缘和海台同样也会由于变化的外力而改变外形。沿挪威大陆边缘的火成区与凯尔盖朗海台所得到的钻孔样品和地震反射图象显示出，当这些建造最初喷出时，它们都位于海平面之上并且仅仅是逐渐下沉到深水中到其现在的位置。Coffin推算出凯尔盖朗海台和布罗肯脊海台同印度洋中其它大多数海台和海脊一样都是在海平面之上形成的并且在海平面之上持续了长达5千万年的时间，这是—个侵蚀足以进行的绰绰有余的时问间隔。

尽管数据稀少以及巨大火成区的自然变化，但是我们仍然设法推测出这些建造中五个研究得最好的熔岩最初覆盖面积：翁通爪哇和凯尔盖朗—布罗肯脊海台，北大西洋火山边缘和德干及哥伦比亚河大陆溢流玄武岩。这些建造中最小的一个——哥伦比亚河玄武岩——占据的面积也比纽约州大；最大的一个，翁通爪哇有澳大利亚的三分之二大。为了推算巨大火成区的面积和体积，地质学家认识到他们需要研究巨大火成区的现代类似物。

现代的活火山区在规模上还做不到接近巨大的死火成区。当代最活动的热点(大夏威夷岛和留尼汪岛，后者是位于马达加斯加以东的一个岛)覆盖地壳的面积只有哥伦比亚河玄武岩的约五分之一。然而，对夏威夷之下地壳构造的研究仍会对弄清位于所有火山热点之下的一般构造形态做出贡献。

1982年拉蒙特—多赫蒂地球观测站的Anthony B．Watts和UriS．Ten Brink和他们的合作者通过记录在夏威夷群岛和海山之下反射和折射的人工产生的声波来收集地震数据。这些声波的速度与岩石的物理性质(例如密度和弹性常数)有关：在这些参数发生变化的地方，地震波就会改变其行程。地震分析表明夏威夷群岛是在玄武岩岩浆侵入并聚集在先前存在的洋壳顶部内时形成的。

然而，这些地表熔岩显然没有包括与形成夏威夷群岛有关的所有物质。在群岛和海山之下有一异常岩石带，该带显示出压缩波在其中有着快速传播的特点。地质学家们认为岩石的下伏基础部分与群岛和海山一样都是来自于同一地幔源区。现有的技术无法揭示出在夏威夷群岛形成时有多少新的火成物质加入到先前存在的洋壳中。因此任何计算出的在夏威夷岛链中含有来自地幔柱物质的体积应作为最小值考虑。

即使是这样，我们仍然能够在震波速度构造(以及其它地球物理数据的构造)和包含在夏威夷群岛中的物质总体积之间确定一种基本关系。然后我们可以将夏威夷作为我们的模式来推论各种各样古老巨大火成区的火山物质的分配情况。根据我们的计算，像哥伦比亚河这样小的火成区差不多就含有一百三十万立方公里的火成岩。巨大的翁通爪哇火成区至少含有三千六百万立方公里的火成岩，足以将邻近连接的大陆美国埋在五公里厚的玄武岩之下。

弄清各种各样火成区的成因和意义的下—步是要知道它们的形成有多快。它们是否经过数千万年的时间缓慢连续地累积起来，就像在洋中脊处形成新的洋壳一样?或者它们是由于一系列火山爆炸而形成的，这些火山爆炸将气体和岩块迅速注入空气和水中并引起地球上大面积区域地质情况的改变?

地质学家花费了很大精力试图对德干暗色岩解答这些问题，德干溢流玄武岩之所以会受到人们特别的注意是因为它的喷发大约在六千五百万年前，这刚好是白垩纪末大规模物种灭绝的时期，而且它可能对这一事件有影响[见Vincent E．Courtillot所著“火山喷发”一文；《科学》1991年第二期]。俄勒冈州立大学的Robert A．Duncan与巴黎地球物理研究所的Vincent E．Courtillot和Didier Vandamme以及其他几位同事合作，已将放射性年代测定技术和磁分析运用于从德干暗色岩得到的一些样品上。这些科学家所得出的结果表明大多数熔岩的喷发其时间跨度要小于一百万年。运用类似的方法，路易斯安那州立大学的Ajoy K．Baksi发现哥伦比亚河溢流玄武岩大部分是在一百五十万年的期间内喷发的。

地质学家目前仅拥有很少的用来鉴定水下火山边缘和海台的年龄和形成速率的直接样品。所得到的稀少证据暗示海底火成区的累积速率大约与陆地上火成区的一样快。Eldholm推测北大西洋火山区的大部分都形成于三百万年或更少的时间内。John A．Tarduno及其在斯克里普斯海洋研究所的合作者与Mahoney一起推算出翁通爪哇火成区的形成时间不到三百万年。由以前在澳大利亚地质勘测机构工作的Hugh Davies和以前在斯特拉斯堡大学工作的Hubert Whitechurch领导下进行的我们的岩石年代分析指出凯尔盖朗海台主要形成于四百五十万年的时间范围内。

按照一种地质观点，最大的那些火成区其形成速率显著地快。比较起来，落基山脉的隆起已有四千多万年的历史，而夏威夷岛链和皇帝海山至少已形成了七千万年。而且，大多数与这些火成区有关的火山活动可能都发生在被一些很长的相对平静时期所分开的、短暂而激烈的喷发幕内。

一旦我们收集到有关主要火成区的总体积及其形成速率的数据，我们就可以最终推算出形成这些火成区的火山力的大小。形成翁通爪哇火成区的喷发作用每年要释放12到15立方公里的火成岩；德干火山作用每年要产生2到8立方公里的火成岩。假定火成区的形成像其它喷发过程一样是一阵一阵地发生的，那么地壳形成的速度在某些年内就会大大加快。作为参考，罗德岛大学的Roger L．Larson推算出在过去一亿五千万年间全球洋中脊网每年形成了16到26立方公里的洋壳。换句话说，个别火成区形成新地壳的速率可与全球海底扩散系统的形成洋壳的速率相当或比它更大一些。

大型火成区的形成与地球内部深处的涡流相比是如此的快以至于它们肯定是由单个的、不连续的源生成的。如果人们知道在这些火成区中的所含玄武岩的体积，那么他就可以评估导致这些火成区形成的地幔内炽热柱状体的大小。实际上只有一部分地幔柱物质熔化并到达地壳，而这一部分估计深度越大体积越小，在深度增大的地方不断增长的压力趋向于使地幔岩石保持固态。因此，在厚的大陆岩石圈之下与薄的大洋岩石圈之下相比应产生较小程度的熔化作用。澳大利亚国立大学的Stephen M．Eggins和澳大利亚地质勘测机构的Shen suSun计算出地幔柱熔融的玄武岩部分(也就是引起地表火山作用和地下火成侵入作用的那部分)占地幔柱总体积的百分之五到百分之三十。

我们使用这些数字来计算与五个研究得最好的火成区有关的地幔热异常的直径。为简便起见，我们假定上升的地幔柱为球状的，因为这样的形状是搬运物质的最有效的途径从而可以使地幔柱以—个似乎很慢的速度穿过地球内部运动。我们的分析表明翁通爪哇火成区很可能是起源于一个直径至少为600公里，可能大至1400公里的地幔柱。

这一大小对于地质学家来说具有特别的意义。它表明大的地幔柱一定至少含有某些来自下地幔(即在地面之下670多公里处)的物质。在670公里这一深度，地震波速发生急剧变化，这可能是由于地幔岩石的矿物结构发生变化的缘故。整个地幔是全部混合的，还是其上部和下部各自作为分别环流的独立系统而运行，这一争论将地球物理学家强有力地分成两派。

我们的研究结果有利于考虑到在上地幔和下地幔之间至少有某种相互作用的那些模式。按照我们的观点，最大的那些地幔柱起源于下地幔，很可能是在D层，这个区域刚好在地核之外且具有不同寻常的地震特征。较小的地幔柱可能起源于上地幔和下地幔之间的670公里深的过渡带中。

不管地幔柱起源于何处，它们在地表的特征与效应强烈取决于它们在岩石圈之下遇到的物质的温度、成分和物理状态。这些因素，与当地岩石圈的强度相结合，决定了在地表喷出的体积、时间和位置。当地幔柱在大陆块之下上升时，它们可能在一个弱的地点促使大陆分开，然后沿分开的陆块边缘形成广阔的火山产物[见Robert S．White和Dan P．McKenzie所著“裂谷火山作用”一文：《科学》1989年第十一期]。在某些情况下，地幔柱也可能穿过大陆块厚的中心区并形成大陆溢流玄武岩。

如果上升的地幔柱在海底之下出露，那它就会形成海台。实验室中所做的实验表明炽热物质的拉长了的尾部应落后于地幔柱的球状头部，从而形成—个长期存在的、岩浆集中的源。在数百万年的期间内，板块运动使海底在该热点部位之上移动。在熔岩喷出到地表之处，它便逐渐构成一条线性海底山脊或一系列群岛和海山。夏威夷—皇帝岛链据推测就是以这种方式形成的，尽管一个地幔柱如何能存在七千多万年的时间仍然是一个谜。

正如1991年菲律宾皮纳图博火山喷发所显示的那样，即使是中等规模的火山爆发也会严重损害当地的环境。可是，与巨大火成区形成期的岩浆活动的灾变相比，这样的地质事件只是偶然发生的颤动而已。因此人们开始想象那些古老的喷发所产生的深远后果。1972年海军研究实验室的Peter R. Vogt首次提出地幔柱的出露地表可能导致全球的物理和化学变化；与这些变化有关的环境效应可能会对生命的进化产生强烈的影响。

当今对温室效应和全球变化的吸引力已经重新引起人们对Vogt观点的兴趣。夏威夷大学的Stephen Self和纽约大学的Michael R．Rampino指出，巨大火成区对环境的影响部分取决于它是在陆地上形成还是在水下形成。海台和火山被动边缘改变了大洋盆地的几何形状并且改变了全球海平面。我们估算翁通爪哇海台物质的累积将海平面大约升高了10米。海台和火山边缘可能会以影响大尺度环流、侵蚀和沉积的方式来阻挡或减弱环流，特别是如果火山活动发生在大洋盆地之间的敏感部位时更是这样。

由于海水的密度和质量比大气要大得多，因此海洋吸收和稀释气体和热量的能力也大得多，这是趋向于改善火山喷发后果的一个因素。另一方面，海底火山作用和伴随着的热液活动可以淋滤出像砷这样的微量金属，这些金属对海洋生物是有毒的。海底喷发产生的热量会使海洋的底层水上升到海洋顶部，从而改变了表层水的环流并使在那儿的生物受到破坏。

从水下火山场所释放出的二氧化碳在海水中扩散。在扩散过程中，这种化合物可以使海水的碱性增强，从而对海洋生物和气候都有影响。如果二氧化碳的含量升高会导致全球变暖，则海洋环流就会变得缓慢，在这种情况下海水将含有更少的溶解氧。无氧水会有助于富碳黑色页岩的形成，就像已故的西北大学的Seymour O．Schlanger、宾夕法尼亚州立大学的Michael A．Arthur以及牛津大学的Hugh C．Jenkyns用大量资料所证明的那样。

在距今一亿二千万年前后大气肯定已吸收了大量的二氧化碳排出物，那时火山活动的发展速度达到了高峰。Larson推测在D层内的的大规模热不稳定性激发形成了所谓的超级地幔柱，这些地幔柱除在太平洋形成几个较小的海台之外最终形成了翁通爪哇和凯尔盖朗海台。宾夕法尼亚州立大学的Kenneth G．Caldeira和Rampino根据他们对那一时期大气中二氧化碳含量的假定运行了这种地球化学旋回的计算机模型。根据这些模型，他们推导出那时的全球平均温度比今天的平均温度要高7．6—12．5℃，如果人们考虑到那时不同的地理情况和较高的海平面的话。

当火山喷发发生在干燥的陆地上时，它们就可以直接改变大气的物理和化学性质。休斯顿Exxon勘测公司的Alan R．Huffman计算出产生1000立方公里熔岩(这是哥伦比亚河火成区一次典型的熔岩流的体积)的一次单独的溢流玄武岩喷发要释放出16万亿公斤的二氧化碳，3万亿公斤的硫和300亿公斤的卤素。在一个巨大火成区的累积过程中一定会发生上千次的这样的喷发幕，这就会以使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌的方式改变着大气。

根据Rampino和Self的看法，富二氧化碳岩石的爆炸性喷发常常将含硫微粒带入平流层中，在那儿它们被转化成极小的硫酸微滴。玄武岩熔岩每单位体积释放出的硫大约为富二氧化硅熔岩释放出的硫的10倍；达特茅斯学院的Charles B．Officer和他的合作者们推测，如果在玄武岩喷发期间产生的气体和微粒被喷入平流层中，那么它们就会造成短时期的酸雨、全世界的变暗和全球变冷等灾害。国家航空和航天局戈达德太空飞行中心的Richard B. Stothers和其他几人一道提出假说，在大陆溢流玄武岩喷出裂口处发生的大规模熔岩喷泉和强烈的大气对流可以提供足够的向上冲力将物质喷入平流层中。

发生在1783—1784年冰岛拉卡希加的强有力的火山喷发表明了溢流玄武岩火山作用的潜在破坏作用。尽管拉卡希加火山喷发只喷出了大约15立方公里的熔岩．但是当地温度在随后的几年中发生了显著的下降。在冰岛的所有牲畜中大约死亡了四分之三．可能是由于气候变坏和释放出的酸性气体所致；造成的饥荒大约使冰岛人口的四分之一死亡。在这次喷发之后在欧洲大部分地区和邻近的亚、非洲部分地区出现了持续许多个月的尘幔、大雾和霾层。

科学家们正揭露出清晰的证据表明溢流玄武岩火山作用对环境的影响事实上是物种大规模灭绝的原因之一。地球历史上最严重的一次灭绝发生在两亿四千八百万年前．也就是西伯利亚暗色岩形成的时候。那时，所有的海洋物种大约有百分之九十五消失了；随后大家都知道的进化标志是恐龙的首次出现。

巨大火成区的喷发作用对生物界的影响部分取决于当时的全球环境状况。当环境已经受到其它因素的影响时，这种火山作用就会加速气候、海洋和生物的变化。当环境稳定时，在地质记录中就会很少显示出这种火山作用的影响。

说也奇怪，体积最大的火成区．翁通爪哇事实上并未引起可察觉的物种灭绝。相反，它的形成还同黑色页岩的沉积同时发生，这种沉积暗示了生物活动增强的一段时期。我们认为伴随着翁通爪哇火成区的形成而产生的有害影响之所以很小部分是因为它是在水下喷发的，正如夏威夷大学的Loren Kroenke和斯克里普斯海洋研究的Wolfgang H．Berger所领导的海洋钻探计划的研究结果所表明的那样。我们还推测全球环境在距今一亿两千万年前处于一种能恢复原状的弹性状态。尽管这种断言还很难定量表述和加以证实。相反，发生在大约一亿一千万年前的较小的凯尔盖朗和布罗肯脊火成区的侵位不但伴随着一次大规模灭绝同样也伴随着黑色页岩的大量沉积。形成德干暗色岩的喷发作用。以及在沿西印度边缘和沿塞舌尔群岛、马斯克林海台的同时代的火山作用大约是发生在距今六千五百万年前——正好是包括恐龙在内的所有生物物种的将近一半发生灭绝的时间。科学家们一直在争论造成这些变化的原因是由于与一颗相当大的小行星相碰撞还是有一些更可能的解释。即使小行星是造成这次灭绝的主要因素，德干的喷发也可能是造成会使碰撞影响增强的环境恶化的原因之一。

全球环境的另一次很重要然而又不那么出名的变化发生在恐龙灭绝后一千万年时的北大西洋火山边缘的侵位之时。那时．许多深海有孔虫类和陆生哺乳动物灭绝了，而热液活动正盛。况且，密歇根大学的David K．Rea及其同事与耶鲁大学的Ellen Thomas合作找到了在深水和大气环流中发生的主要变化的证据。

对有孔虫类吸收的氧同位素的分析表明，五千五百万年前始新世早期的海水温度比过去七千万年间其它任何时候都要暖和。与Thomas一起工作的Eldholm最近主张始新世早期暖和的海水表面可能是由于沿北大西洋火山边缘发生的喷发期间释放出的二氧化碳造成的。年代为五千五百万年的火山灰层覆盖了欧洲西北部的广大区域，这证实了火山作用的剧烈。较高的大气温度可能导致了高纬度地区海洋顶部温暖水层的形成。这样一个温暖的表层水可能会阻碍与其下的较冷的海水相混。随之发生的深水环流的变化可能对许多洋底物种来说都是致命的。

即使是较小的哥伦比亚河溢流玄武岩也伴随着一次距今一千六百万年的大规模物种灭绝。大约在那个时候，地球开始经历一次前进中的冰期旋回，正如麻省理工学院的Maureen E．Raymo所指出的那样。或许全球环境已经变得如此脆弱以至于即使是一次中等规模的喷发也会产生相当大的影响。

显然，地质学家们仅仅是抓住了——字义上地和比喻性地——巨大火成区的表面。有关这些建造的现有知识已充分显示它们包含着有关地球的内部运作和全球变化的天然原因的关键信息。现在地球科学家正在加强他们的工作以获得更佳的地震图象，进行更多的野外和实验室研究，完成更多的模拟和进行更多的研究性钻探。这些工作可以更好地了解地球内部和外部区域之间的密切联系。