互动科普

我们挤在控制室里，从安装在钻杆下端的相机传回的图像中，寻找我们留在海底的圆锥形标记物。标记物的作用是引导钻杆返回正在钻探的孔。可是，标记物却“失踪”了，它到哪里去了呢？我们只不过把钻杆拉上来，换掉已经报废的钻头，又立马把它放回1英里（约1.6千米）深的海底。我们研究小组已经演练过多次。通常，我们会看到鱼儿在钻杆周围游来游去，或者看到鱿鱼猛然抓住钻杆，随后就会看到标记物。但这一次，我们只看到了鱼儿和鱿鱼，到底出了什么问题？

我们身处西北太平洋，在被称为“皇帝海山”（Emperor seamount）的海底死火山上钻取岩芯样本。皇帝海山是夏威夷—皇帝海山链最北端的组成部分。这些岛屿和海山横跨太平洋，形成3,500千米的神秘直线。沿海山链西北方向进发，从夏威夷的大岛（它还在增大）开始，经过毛依岛、瓦胡岛和考爱岛，到达中途岛环礁，岩石年代越来越久远。中途岛那早已熄灭的火山沉陷得非常厉害，只微微露出太平洋表面。过了中途岛，直线突然转弯，继续沿着皇帝海山链向北延伸，几乎到达阿留申群岛远端。夏威夷—皇帝海山链所形成的整洁图形，以及南美洲和非洲大陆像拼图那样几乎可以完全拼合的海岸线，在任何世界地图上都是显而易见的；它们很早就被看作地球板块构造论的证据。板块构造论认为，地球表面的岩石圈是由不断运动的板块拼合而成的。

1963年，加拿大地球物理学家J·图佐·威尔逊（J. Tuzo Wilson）提出的一个理论，后来发展成了对夏威夷—皇帝海山链整洁图形的标准解释：夏威夷群岛记录了太平洋板块漂过一个火山热点（hotspot）的运动情况。可以这样认为，热点就像地球内部的“蜡烛”，它的火焰烧穿地壳，使熔岩喷发到地球表面，形成一座岛屿。板块不断运动，带动这座岛屿离开；热点又产生一座新岛屿，如此循环不已。热点和板块共同作用，就像生产流水线那样不断形成岛屿。

1971年，美国普林斯顿大学的贾森·摩根（Jason Morgan）进一步发展了这一理论。他提出，“蜡烛”是地幔深处升起的热柱（plume）的熔融顶端。热点扎根在地球内部，本身并不移动，只有板块运动。按照这个观点，夏威夷热点固定在北纬19度附近，而太平洋板块每年向西北方向漂移10厘米。热点轨迹的转折表明，大约4,700万年前，太平洋板块运动突然改变了方向。

热点位置固定不变这个假说，除了解释夏威夷群岛和其他岛链的演化之外，还为地球科学家提供了一系列非常有说服力的坐标，让地质学家们重建板块漂移的历史，确定沉积岩芯（sediment core）和岩石等地质样本的初始位置。沉积岩芯可用于测定过去的气候状况，岩石则可测定固体地球（solid earth）相对于地轴的运动。因此，如果热点并非完全固定不动，地质学家们会非常震惊。

事实上，我和同事们最近证明，热点确实在运动。从某种意义上说，它们就像我们留在太平洋海底的圆锥形标记物。当发现标记物并没有出现在原来位置时，我们意识到，肯定是洋流把它带走了。研究小组必须重新定位考察船，确定钻孔位置，在没有标记物引导的情况下，把钻杆放进钻孔。类似地，现在地球物理学家也不得不找出热点移动的原因，提出新方法，来把握研究方向。

磁性铁屑

岩石磁化情况提供的板块运动记录，在20世纪60年代最终证实了板块学说，现在又改变了我们对热点的认识。熔岩冷却时，内部的磁性矿物质（主要是磁铁矿和钛磁铁矿）结晶，形成微小的“条形磁铁”，按照地球磁场（magnetic field）方向固定下来，就把当时、当地的地球磁场方向记录了下来。

地球磁场随时间空间的变化而变化，岩石磁化情况提供了两种方法，可以确定构造板块的运动状况。

首先，地质学家们可以研究时间差异。地球磁极倒转——即南极和北极换位，出现的时间间隔是没有规律的。磁极倒转会对洋中脊（mid-ocean ridge）的熔岩喷发产生什么影响呢？在这些熔岩冷却成岩石的过程中，内部磁性矿物质会像磁性铁屑那样排列起来，比方说指向北方。随后，板块运动携带岩石离开洋中脊。大约几十万年之后，磁极倒转，此后新形成的岩石磁化方向相反，指向南方。这些岩石同样会被带离洋中脊。然后，磁极又倒转回去，如此循环往复，在洋底壳（oceanic crust）中形成一系列水平条纹，北向磁性矿物和南向磁性矿物交替出现——就像年轮一样。地质学家们把条纹与地球磁极倒转时间进行比对，确定条纹的年代。然后，他们利用时间和距离数据，计算一个板块与毗连板块的移动方向和相对漂移速度。

第二种方法是利用空间差异。地球磁场由水平（磁偏角）和垂直（磁倾角）两个方向组成。古代的人们利用罗盘来确定北方，就是利用了磁偏角。如果仔细观察罗盘指针，就会看到指针相对于水平面有一个很小的倾斜角，这就是磁倾角。20世纪60年代末期，美国佛罗里达大学的尼尔·奥德克（Neil Opdyke）在一项研究中揭示，磁倾角与纬度直接相关。测量磁倾角，可以揭示岩石最初形成时所处的纬度。该纬度与今天岩石所处纬度之差，就可以揭示从岩石形成时起，构造板块移动过的最小距离。（这种方法无法揭示经度变化。）

这些方法并不能直截了当地应用。地球磁场并非完全指向南北方向，它的形状要复杂得多，地球物理学家们认为，这反映了地核液态铁的流动状况。然而，平均到数千年的时间里，这些偏差就被抵消了。因此，研究人员通过选取能够代表足够长时间跨度的大量岩石样本，就可以抵消地球磁场的复杂性。但是，几乎没有什么岛屿仍然保有这样古老的岩石，能够推演足够久远的过去，因而地质学家们必须进行海底钻探。

钻探工作本身也有复杂性。有的洋底壳是倾斜的，可能被误认为是磁倾角。在洋底壳为水平的区域采集的样本可以避免这种误差，因而是最理想的，这些区域可以通过调查地震资料来确定，但地质学家们仅仅深入钻探了几处这样的区域。另一种方法是让船舶拖着地磁仪，远程测定海底岩石磁化情况。遗憾的是，这些测定数据不仅反映岩石形成时的磁化情况，还反映了现在地球磁场所产生的感应磁化状况，以及地质时间尺度里晶体内的一些磁畴（magnetic domain）自发重排所产生的磁化。因而，地磁仪数据仍然需要与直接获取的岩石样本进行比对和校准。

纬度差异

20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的丹耶·阿特沃特（Tanya Atwater）和彼得·莫纳（Peter Molnar）进行了大量研究，最先找到表明夏威夷热点可能并不固定的线索。他们运用海底条纹和岛链这两种现象，来演绎板块运动。两个板块在洋中脊相遇时，板块运动就会产生一系列海底条纹；如果每个板块下面都有一个热点，就会产生一对岛链。通过考察一个板块上岛链的轨迹，研究人员就能够预测另一个板块上相应岛链的轨迹。

阿特沃特和莫纳报道，几个热点的预测轨迹与火山实际位置并不一致，表明热点发生了移动。后来，美国加州理工学院（California Institute of Technology）的约安· 斯托克（Joann Stock）与她的同事们改进并扩展了这种方法，得出的结果基本一致。利用大西洋热点预测夏威夷—皇帝海山链，结果与过去3,000万年间形成的岛链大体一致。但是年代倒推越久远，偏差就越大，倒推至6,000万年前，偏差就非常大了。

然而，许多地质学家对这些结论并不信服，因为其他影响因素也可能解释两组数据之间的差异。太平洋盆地和大西洋盆地由毗连南极大陆的许多板块组成，南极大陆本身至少由两个板块构成。这些板块能像联锁齿轮那样转动，可能改变大西洋与太平洋地理特征的相互作用方式。遗憾的是，南极地质史大部分被掩埋在厚厚的冰盖之下，充满了谜团。这种不确定性，使地质学家们不能完全再现板块运动的历史。

解决这个问题的唯一方法，是回到岩石样本中去寻找。1995年，我与美国罗切斯特大学的同事罗里·科特雷尔（Rory Cottrell）接受了挑战。我们参加了美国得克萨斯农工大学“大洋钻探计划”（Ocean Drilling Program，缩写为ODP），检验了过去几十年所收集的沉积物芯与岩芯。最有研究价值的岩芯，是1992年在皇帝海山链中的底特律海山（Detroit）采集的。这座海山形成于7,500万年～8,100万年之前。岩石类型为玄武岩，与现在夏威夷大岛上喷发形成的岩石相似，包含着最易理解的磁信息。过去，研究人员认为这根岩芯的长度太短，不能提供足够准确的磁倾角信息，因此并没有给它太多关注。

然而新的研究分析证明，情况并非如此。为了消除感应磁化和大型矿物磁畴自发重排的影响，以便确定矿物的初始磁化情况，我们在屏蔽的超导量子干涉磁强计中测定了岩石样本，并彻底去磁。结果证明，该岩芯的长度刚好能够提供精确的磁倾角信息，从而揭示矿物形成时所处的纬度——北纬36度。

我们把新的测量结果与河野长（Masaru Kono）1980年的研究结果进行了比较。河野长当时任职于日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology），他对大洋钻探计划的前身——“深海钻探计划”（Deep Sea Drilling Project）采集的样本进行了研究。他从皇帝海山链推古海山（Suiko）采集了6,100万年前的岩石样本，发现它形成于北纬27度。这些发现令人惊讶：夏威夷热点现在位于北纬19度，如果它是固定不动的，底特律海山和推古海山也应该形成于这个纬度。三个纬度数值存在差异，暗示皇帝海山链记录了热柱的不断运动。当然，在我们的同行之中，这个结果并没有受到重视。我们有数以千计的实验室测定结果，但它们在图表中仅仅表现为两个数据点。怀疑论者要了解更多情况之后，才会去考虑修改教科书上有关夏威夷海山链板块运动的观点。

扬帆起航

1997年末，我和科特雷尔开始筹划新一轮海洋钻探考察，在美国斯坦福大学的戴维·肖勒（David Scholl）的帮助下，我们选择了一些钻探地点，还邀请了美国哈佛大学的贝恩哈德·斯坦伯格（Bernhard Steinberger）参加考察——当时为了完成博士论文，斯坦伯格正在模拟地幔流动情况。2001年夏天，我们乘坐大洋钻探计划的“乔迪斯—决心”（JOIDES Resolution）号钻探船扬帆起航，开始为期两个月的考察活动——我们称之为航程197。此行的任务是考察皇帝海山链的三座海山——底特律海山、仁德海山（Nintoku）和光孝海山（Koko）。

在钻探之前，我们进行了简短的地震调查，确保能采集到水平分布的熔岩层。样本一运到船上，一组骨干专家就帮助我们进行分析，其中包括：美国俄勒冈大学的罗伯特·邓肯（Robert Duncan）、当时在美国夏威夷大学马诺阿分校（University of Hawaii at Manoa）的索瓦迪尔·索尔达松（Thorvaldur Thordarson）、美国麻省理工学院的弗雷德里克·弗雷（Frederick Frey）和美国圣母大学的克莱夫·尼尔（Clive Neal）。为了估算这些岩石的年代，我们测定了熔岩顶层和熔岩之间沉积物中的微化石。考察船上设置了一个磁学实验室，我们在此测定岩石的磁化情况。尽管还要在岸上的实验室进行数月的后续研究，包括地质年代学同位素鉴定研究，以确证我们的发现，不过，我们回到横滨港的时候，这次研究就已经有了一个清晰的概貌。

显然，热点曾经快速向南移动。根据我们的推算，在8,100万年前～4,700万年前，热点的运动速度在每年4厘米以上，与构造板块运动速度相当。我们在底特律海山和仁德海山都没有发现珊瑚碎片，只在光孝海山发现了零星珊瑚碎片，也证实了这个发现。如果这些海山像夏威夷岛一样形成于热带低纬度区域，就应该能够在它们附近找到珊瑚礁。

这一发现正在对地球科学产生深远的影响，既回答了老问题，又引出了新问题。指示纬度的另一个地质标志是深海沉积物类型。在赤道附近，生物生产力高，有大量浮游生物壳累积，所以沉积物中富含碳酸钙；赤道区域以外，沉积物中就会缺乏碳酸盐。如果热点固定不动，形成于5,000万年前的太平洋岩芯中，沉积物就应该富含碳酸盐，然而事实与上述推断并不相符。美国密歇根大学安阿伯分校（University of Michigan at Ann Arbor）的约瑟夫·M·佩尔斯（Josep M. Pares）和特德·C·摩尔（Ted C. Moore）最近发现，如果夏威夷热点向南移动的话，上述矛盾就迎刃而解了。

也许，地质学家们还必须重写有关北美洲形成的教科书。很久以前，科学家们就知道，美洲西部的大片土地并不是在它们目前所在的位置上形成的。过去一些曾经组成了太平洋盆地的板块，通过长久的地球板块构造运动，把这些大陆推到现在所处的位置。海洋板块与陆地板块相互作用，还造就了许多重要的地质特征，例如落基山脉。但是板块的上述相互作用，是在假定夏威夷热点固定不动这个前提下推断出来的。如果夏威夷热点也在运动，地质学家们就必须重新回答北美洲西部如何形成的这个问题。

地极定位

就更大的空间尺度而言，热点运动还会影响研究人员怎样思考极移（polar wander），即整个固体地球相对于地轴的摆动。在地球物理学中，极移是一个令人混淆的概念，因为它意味着地极本身也在摇摆。实际上，在绝对空间中，地轴和磁轴（magnetic axes）几乎都是固定不动的，只是陆地和海底在摆动。构造板块的下沉，可能改变地球质量的分布状况，导致受力失衡，就像把洗衣机里的衣服都堆在一侧一样。为了恢复自身平衡，整个地球就会发生摆动。在最极端的情形下，南端伸入北纬25度的佛罗里达半岛可能转到北极去，约五分之四的地区处于北极圈内的格陵兰岛可能变成热带岛屿。这一过程不同于板块构造运动，因为板块的相对位置会保持不变。

20世纪80年代，地质学家们在热点固定性的假设下，重建了板块运动的历史，确定了过去地球相对于地轴的位置。数据表明，过去1.3亿年间，地球本体相对于地轴移动了多达20度。我们的发现否定了上述观点：是热点在移动，而不是整个地球在移动。因此，热点可能并不能指示板块漂移和极移。

热点运动性的深层涵义关系到地幔。热点可能仍然扎根于深层地幔，但底部也许在动来动去，上升的热柱可能因地幔流动而弯曲。激进派认为，热柱的概念本身还应该仔细审查。美国加州理工学院的唐安得森（Don Anderson）指出，热柱可能并非扎根于地幔下层，而是一种浅层现象，起源于地幔上层或地壳下层。还有一些人认为热柱形状大小多种多样，起源于地球的各个层面。

虽然热点运动是个颇有戏剧性的重大发现，但并不意味着现有的地质观念都要全盘推翻。科学史上很少发生这种情况。由夏威夷—皇帝海山链标记出来的显著年代发展和数量庞大的岩浆，表明夏威夷热点的作用，依然与威尔逊和摩根提出的理想情况非常相似。但是，它并不固定于深层地幔，而会意想不到地移动。情况是复杂的，板块和热点都在运动，我们观察到的效应所反映的，应该是二者的共同作用。地质学家和地球物理学家面临的挑战是，要分清它们各自的贡献大小。直到现在，地幔中的动荡都没有得到正确评价，它们应该得到重新认识。