看着地球仪，人们很容易将大陆和海洋想象成地球表面永恒不变的组成部分。地球物理学家现在知道，这种永恒的表象是一种错觉，是由人类寿命的短暂造成的。数百万年来，地球刚性外层——岩石圈——的板块四处移动，在中洋脊处分离，沿着断层滑动，并在一些海洋的边缘碰撞。这些运动导致大陆漂移，并决定了地震、火山和山脉的全球分布。
虽然板块构造理论已得到充分确立，但驱动岩石圈板块运动的引擎仍然难以分析，因为它完全隐藏在视野之外。为了应对这一难题，我和其他研究人员将研究重点放在了中洋脊上。中洋脊是主要的、引人注目的地点，海底在那里裂开。对沿中洋脊区域的成分、地形和地震结构进行检查，得出的结果常常与传统预期相反。中洋脊之下地幔中的化学和热过程比任何人预期的都更复杂和迷人，它们决定了新海洋地壳的形成方式。地幔活动也可能导致岛屿在海洋中部出现，并在海洋边缘形成深海沟。事实上，这些过程可能非常强大，以至于它们甚至可能微妙地影响地球的自转。
地球包含动态内部的想法实际上可能源于17世纪。伟大的法国哲学家勒内·笛卡尔在他1644年的著作《哲学原理》中写道，地球有一个由热的原始的、类似太阳的流体组成的核心，周围环绕着坚固的不透明层。随后的同心层由岩石、金属、水和空气构成了地球的其余部分。
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地球物理学家仍然认同地球分层的概念。在当前的观点中，地球拥有一个固体的内核和一个熔融的外核。两者都由富含铁的合金组成，温度超过 5,000 摄氏度，压力远超过地表压力的一百万倍。地球的成分在大约地表以下 2,900 公里处发生突变，那里内核让位于密度远低于内核的地幔，地幔由固态镁铁硅酸盐矿物组成。另一个重要的不连续面位于地表以下 670 公里处，标志着上地幔和下地幔之间的边界（由于压力不同，地幔矿物的晶格结构在该边界处发生变化）。另一个主要的过渡带称为莫霍洛维奇不连续面，或莫霍面，它将致密的地幔与上方的较轻的地壳分隔开。莫霍面位于大陆表面以下 30 至 50 公里处，在海洋盆地的海底以下不到 10 公里处。岩石圈包括地壳和地幔的上部，其行为就像镶嵌在更热、更柔韧的地幔下部（称为软流圈）之上的刚性板块马赛克。
用地幔形成山脊
这种有序的分层结构似乎暗示地球内部是静态的。恰恰相反，地球深处非常活跃。地球形成时期遗留下来的热能，加上钾 40、铀和钍等元素的放射性衰变释放的能量，搅动着地球内部的物质。热量穿过地球内部边界，并引发巨大的对流，将热区域向上输送，将冷区域向下输送。这些过程最终导致地表许多广泛的地质现象，包括造山运动、火山活动、地震和大陆运动。
在中洋脊中，可以最好地进入地球内部。这些山脊剖开了所有主要海洋，像网球的接缝一样环绕地球，总长超过 60,000 公里。大西洋中脊是全球山脊系统的一部分。它是海底一条巨大的南北走向的疤痕，随着大西洋的东部和西部以每年一到两厘米的速度分开而形成。除了那里频繁发生的地震外，大西洋中脊的顶部还在频繁的火山爆发中喷出热岩浆。岩浆冷却并凝固，从而形成新的海洋地壳。该山脊高于大西洋盆地底部的其余部分。随着距离山脊越来越远，海底相对于海平面逐渐加深，据推测，这是因为远离山脊的岩石圈板块随着年龄的增长逐渐冷却而收缩。
在大西洋中脊上升的岩浆显然起源于上地幔。然而，它的成分与地幔的成分差异很大。在洋脊冷却的岩浆形成了一种常见的岩石，称为玄武岩。但研究人员发现，地震波在上地幔中的传播速度超过每秒八公里，远快于它们穿过玄武岩的速度。
一种可能允许如此高声速的材料是一种称为橄榄岩的致密深绿色岩石。橄榄岩主要由三种硅基矿物组成：橄榄石，一种含有镁和铁的致密硅酸盐；顽火辉石，一种类似但密度较低的矿物；以及透辉石，它含有一些铝，钙含量超过 20%。橄榄岩还含有少量尖晶石，一种铬、铝、镁和铁的氧化物。
如何从橄榄岩组成的地幔中产生玄武岩岩浆？30 多年前，澳大利亚国立大学的阿尔弗雷德·E·林伍德和大卫·H·格林等实验岩石学家将橄榄岩样品暴露在高温（1,200 至 1,300 摄氏度）和高压（超过 10,000 个大气压）下。这些值复制了海底以下约 100 公里的次洋上地幔中存在的温度和压力。这项研究表明，在那些高温下，橄榄岩的逐渐减压会熔化高达 25% 的岩石。熔体的玄武岩成分与中洋脊玄武岩的成分相似。
这些实验支持这样一种观点，即热的橄榄岩地幔物质在中洋脊下从海底以下超过 100 公里的深度上升。当物质向上移动时，地幔橄榄岩减压并部分熔化。熔化部分呈现玄武岩岩浆的成分，迅速向地表上升，并与未熔化的橄榄岩分离。一部分熔体在中洋脊的顶部沿海底喷发，在那里冷却并凝固，并添加到山脊顶部。其余部分在表面下缓慢冷却和凝固，从而形成新的海洋地壳。海洋地壳的厚度取决于从地幔中提取的熔体量。
山脊顶部在海平面以下的深度标志着一个平衡水平，该水平由山脊下方上升的上地幔的温度和初始成分决定。如果地幔的温度和成分沿山脊保持恒定，则山脊的顶部将沿其长度方向处于相同的海平面以下深度。
在现实世界中，这种一致性不太可能出现。沿山脊的地幔温度或成分的微小变化会导致山脊顶部沉降到不同的海拔高度。次洋地幔中温度较高的区域密度较低。此外，较热的地幔会熔化更多，并产生更厚的玄武岩地壳。因此，那里的山脊顶部会更高。
大西洋中脊的顶部显示出海平面以下深度的这种变化。例如，沿山脊在北纬约 35 度至 45 度之间，存在一个地形异常高的区域。地球轨道卫星在同一区域探测到大地水准面（地球表面的平衡水平，大致相当于平均海平面）的向上隆起。
研究人员普遍将这种隆起归因于以亚速尔群岛为中心的所谓热点的影响。热点是地形高且火山活动过多的区域。它们通常被解释为“地幔柱”的表面表现，即异常热的地幔物质的上升柱。包括夏威夷群岛和冰岛在内的大多数海洋岛屿都被认为是地幔柱的表面表现。热源被认为位于地球深处的边界区域，甚至深达核幔边界[参见第 36 页的“核幔边界”]。
矿物提供证据
我和我的同事着手通过探索大西洋中脊沿线的地形如何与下方地幔的温度、结构和成分相关来检验这些想法。收集此类信息的一种方法是检查穿过山脊下地幔的地震波的速度。另一种方法是寻找沿山脊轴线喷发的玄武岩化学成分的局部变化。这些变化可用于推断熔化的程度以及它们来源的地幔源的物理性质。
我们采用了第三种方法，试图收集地幔橄榄岩的岩石样本。橄榄岩是玄武岩岩浆成分从上地幔岩石中熔出后留下的固体残留物。地幔岩石通常埋藏在数公里厚的海洋地壳之下，但在某些情况下，可以接近上地幔橄榄岩块。它们通常暴露在中洋脊轴线断裂或被转换断层横向错开的地方；可以通过钻探或疏浚对这些岩石进行采样，或通过使用潜水器直接取回。
为了分析大西洋橄榄岩样品中的地幔矿物，我们使用了电子探针。该仪器将直径仅几微米的电子束聚焦到岩石切片上。作为响应，矿物会发出特征波长的 X 射线。对这些 X 射线的波长和强度进行分析，可以确定矿物的化学成分。我们还与伍兹霍尔海洋研究所的清水信通和意大利帕维亚研究委员会的 Luisa Ottolini 合作，使用另一种仪器——离子探针——来确定微量元素（如钛、锆和稀土元素）的浓度。离子探针将离子束聚焦到样品上，离子束会从样品中击出其他离子以进行测量。该方法使我们能够确定低至百万分之几的微量元素浓度。
此类分析揭示了有关样品岩石形成地幔中条件的许多信息，因为那里的温度和压力会在橄榄岩中产生独特的成分。包括格林和澳大利亚地球科学的 A. 林顿·雅克在内的岩石学家已经表明，部分熔化会改变橄榄岩中原始矿物的相对丰度。一些矿物，如透辉石，比其他矿物更容易熔化，因此在熔化过程中丰度会降低。此外，部分熔化过程会改变原始矿物的成分：其中的某些元素，如铝和铁，倾向于跟随熔体。随着熔化的进行，它们在矿物中的浓度会降低。其他元素，如镁和铬，倾向于留在后面，因此固体残留物会富集这些元素。因此，由于部分熔化，橄榄石变得更富镁而贫铁；尖晶石中铬与铝的比率增加；等等。
这些矿物的成分通过实验室实验进行校准，使我们能够估计地幔橄榄岩在山脊下方上升过程中经历的熔化程度。我们的数据显示，地幔成分存在显着的区域差异。例如，在北纬约 35 度至 45 度之间的广阔区域采样的橄榄岩中，顽火辉石和尖晶石的铬铝比最高。该比率表明，位于该区域下方的上地幔的平均熔化程度可能高达 15%。在大多数地区，大约 10% 到 12% 的地幔在向上运动过程中熔化。这个高于平均熔化量的区域与亚速尔热点区域相对应，这为热点是地球深处异常热的地幔柱上升造成的理论提供了可信度。其他发现也支持这一观点，包括艾米丽·M·克莱因以及哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的查尔斯·H·兰米尔的工作，他们独立检查了大西洋中脊沿线玄武岩的化学成分。
热点似乎是造成如此多熔化的原因。事实上，假设仅温度导致亚速尔热点区域的熔化，我们计算出热点地幔需要比山脊下方其他地方的地幔热 100 摄氏度以上。
有没有办法检验这种温度估计及其基本假设的有效性？已经提出了许多地温计。它们基于以下观察结果：在地幔中以平衡状态共存的某些矿物对会经历温度相关的化学反应。例如，地幔橄榄岩中的顽火辉石和透辉石相互反应，直到它们达到取决于温度的平衡成分。实验室实验已经校准了这种关系。因此，确定共存矿物对的成分可以指示该对成员达到平衡时的温度。
我对大西洋中脊橄榄岩应用了两种地温计，一种是石溪大学的唐纳德·H·林斯利设计的，另一种是牛津大学的彼得·R·A·韦尔斯设计的。结果令人惊讶。它们没有显示热点区域的温度更高；如果有什么不同的话，该区域给出的温度略低。
富含水的地幔
为什么我们没有发现显示高熔化的区域的地幔温度更高？一种可能性是，那里的上地幔具有使其更容易熔化的成分。水可能是主要因素。加州理工学院的彼得·J·威利和东京大学和卡内基科学研究所的久城育夫等人的实验表明，橄榄岩中痕量的水和其他挥发性元素会大大降低其熔化温度。因此，如果这种“湿”地幔在一段中洋脊下上升，它将比正常的“干”地幔更深入地球内部开始熔化。当橄榄岩到达地表时，它的熔化程度将显着高于相似温度下干地幔的熔化程度[参见对面页面的框图]。
有没有证据表明亚速尔热点区域下方的上地幔比大西洋中脊下方其他地方的地幔更湿？确实有。罗德岛大学的让-盖伊·E·席林和他的同事报告说，位于北纬 35 度至 45 度之间的热点段的玄武岩所含的水分是正常中洋脊玄武岩的三到四倍，并且还含有更高浓度的几种化学元素（主要是轻稀土元素）。这些元素的异常高浓度意味着热点区域的母地幔蕴藏着这些元素的富集供应。
因此，亚速尔热点下方的地幔与正常次大西洋中脊地幔的不同之处，与其说是更热，不如说是它在某个阶段融入了水和其他流体，从而改变了其化学成分和熔化行为。这种流体对地幔橄榄岩的化学改造称为交代作用。这将解释为什么地表附近的湿地幔的熔化程度会高于正常地幔。它还可以解释为什么从亚速尔热点橄榄岩估计的平衡温度似乎不高于平均水平。熔化反应消耗热量，因此上升地幔的部分熔化实际上可能会冷却周围的地幔。熔化程度越高，热量损失越大。
因此，亚速尔热点可能与源自深地幔或核幔边界的热柱无关。相反，它可能是地幔中相对浅层起源的熔化异常。这些热点可能不是真正热的，并且可能最好归类为“湿点”，因为流体可能在其形成中起着关键作用。
产生地幔交代作用的水从哪里来？这种水的一个可能来源是在海洋边缘的俯冲带中下沉的古老海洋岩石圈板块。这个过程将水循环回地幔。水也可能在深地幔的脱气过程中在上地幔中释放出来。此外，水分子可以存储在地幔矿物的实际结构中。
考虑一下钙钛矿，一种镁和铁的硅酸盐，它是下地幔的主要成分，因此是地球上最丰富的矿物。钙钛矿可以含有高达 1% 浓度的水。一种较低压力的钙钛矿形式，称为瓦兹利石，在地幔中 660 至 450 公里深度的区域占主导地位，可以含有高达约 1.5% 浓度的水。将所有这些水分子加起来，我们可以推测地球地幔中的总水量可能相当于几个海洋的水量。这些水中的大部分可能是原始的，在地球形成之初，即四十多亿年前，就被捕获在地幔中。分散在地幔矿物中的水分子具有重要的意义。例如，它显着降低了地幔粘度，促进了引起岩石圈板块运动和大陆漂移的对流运动。
不均匀的地幔倾斜地球轴
我们对大西洋中脊橄榄岩的研究表明，一些地幔温度较低的区域可能代表地幔对流循环的回流——即下沉区域。为了理解这个概念，我们必须向南看亚速尔群岛区域，到达赤道带，那里的大西洋中脊比高纬度地区的山脊更深。从赤道大西洋回收的橄榄岩的矿物成分表明，它们几乎没有或没有经历熔化，这意味着地幔温度异常低。俄罗斯科学院 Vernadsky 地球化学研究所的席林和纳迪亚·苏舍夫斯卡娅在研究赤道大西洋的玄武岩后得出了类似的结论。此外，加州理工学院的张玉申和谷本俊郎发现，赤道大西洋中脊下方上地幔中的地震波速度高于高纬度地区。这些观测结果表明，赤道大西洋区域下方的上地幔更致密、更冷。那里的上地幔温度可能比山脊下方其他地方的地幔温度低 100 摄氏度。
对于相对凉爽和致密的赤道上地幔，一种合理的解释是它是由下沉地幔流造成的。在大西洋北部和南部地幔中上升的热地幔柱可能会流向赤道，将其热量释放给较冷的周围环境，然后下沉。
“冷”大西洋地幔带的赤道位置可能不是任意的。地球自转和地幔对流可能是密切相关的现象。在 1800 年代后期，乔治·达尔文（查尔斯·达尔文的第二个儿子）指出，地表大质量（如大陆）的分布会影响地球自转轴的位置。此后，几位科学家研究了地幔内的密度不均匀性如何导致真极移（即地球自转轴相对于地幔的移动）。这种漂移是由于旋转物体最小化其旋转所消耗能量的自然趋势造成的。
地球内部的质量再分布可能记录在地幔中。已故的 H. 威廉·梅纳德和斯克里普斯海洋研究所的勒罗伊·M·多尔曼提出，中洋脊的深度通常取决于纬度：山脊向赤道方向变深，向两极方向变浅。此外，重力测量表明，至少在大西洋，赤道区域下方存在过多的质量。这些数据表明，赤道上地幔中存在异常寒冷和致密的质量。
寒冷、致密的板块沉入地幔可能会影响真极移。进入地幔的致密质量，例如发生在一些海洋边缘俯冲带中的那些质量，将影响自转轴的位置。赤道将倾向于向致密质量移动。如果高密度质量倾向于集中在赤道附近，那么下沉和较冷的地幔点最有可能在赤道上地幔中占主导地位，这至少在定性上解释了寒冷的上地幔带以及由此导致的赤道大西洋区域缺乏正常熔化。
潜入深海获取数据
当大西洋首次张开时，低于正常温度的赤道地幔意味着沿赤道带的大陆岩石圈更冷更厚。（1 亿年前的赤道大致沿今天非洲和南美洲未来的大西洋海岸线延伸。）寒冷而厚实的赤道岩石圈一定阻碍了从南部和北部延伸的裂谷。赤道区域可能表现为“锁定区”（法国地质学家文森特·E·库尔蒂洛特使用的意义）。结果，赤道大西洋缓慢地张开。这种缓慢而困难的张开可能形成了大型赤道断裂带，今天可见为东西走向的断裂，这些断裂使中洋脊的短段发生偏移。
既然我们知道今天中洋脊下方上升的地幔在温度和成分方面是异质的，那么下一个问题是：给定山脊段下方上升的地幔特性如何随时间变化？这些信息将启发我们了解一个重要问题，即海洋盆地如何演化。但是，获得必要数据的研究将需要在距中洋脊轴线不同距离处对较老的海洋岩石圈进行采样。不幸的是，较老的岩石圈通常深深地埋在沉积物之下。
我们觉得我们可能有机会在维马转换断层附近的北大西洋中部到达古老的岩石圈物质。该断层使大西洋中脊的顶部偏移了 320 公里，并在海洋地壳中切开了一条深谷。一段长长的海底碎片似乎在转换断层的南侧被抬升，我们希望这种抬升的海底能够暴露岩石圈的原始剖面。
为了检验这个假设，我们在 1989 年与法国海洋学研究所 Ifremer 的让-玛丽·奥赞德合作组织了一次探险。我们计划乘坐研究型潜水器鹦鹉螺号下潜到海底——超过五公里深。我们的大多数同事都对我们的任务持怀疑态度：普遍的观点认为，上地幔和地壳的正常序列在转换断层附近完全中断。
尽管如此，我们还是坚持了下来。我们开始了一系列潜水，从剖面的底部开始，向上坡移动。每次潜水持续约 12 小时，其中约一半时间用于下降到海底并返回地表。鹦鹉螺号狭窄的舱室是一个直径为一米八十厘米的钛球，可容纳两名驾驶员和一名科学家，科学家在整个旅程中面朝下躺着。
在我们第一次潜水中，我们证实了剖面的底部由地幔橄榄岩组成，厚度约为一公里。第二天，我们发现了一层辉长岩——玄武岩熔体缓慢冷却时在海底下方形成的岩石——位于橄榄岩之上。根据广泛接受的地球物理模型，辉长岩是海洋地壳下部的主要组成部分。因此，在从地幔橄榄岩向上坡移动到地壳辉长岩的过程中，我们已经穿过了莫霍不连续面。
第二天，我驾驶鹦鹉螺号进行了一次潜水，从潜水器前一天到达的水平开始。当我沿着斜坡前进，掠过海底时，一个壮观的岩石构造——岩墙杂岩——逐渐显露出来。理论认为，岩墙杂岩形成于由地幔部分熔化产生的热熔融物质通过地壳中许多狭窄的裂缝向上喷射到海底的地方。以前从未在海底观察到岩墙杂岩。
岩墙杂岩厚约一公里，顶部是一层枕状玄武岩，这是玄武岩岩浆在喷发到海底时迅速冷却和凝固所呈现的形式。在接下来的几天里，我们探索了不同的剖面，并证实了我们之前的发现。我们非常兴奋，因为以前从未有人观察到完整的、相对未受扰动的海洋上地幔和地壳剖面。我们立即在寄给自然杂志的一篇简短论文中记录了我们的发现，我们在几周后停靠时就邮寄了出去。
受到鹦鹉螺号潜水结果的鼓舞，我们进行了另外两次探险，并确定维马岩石圈剖面暴露在海底超过 300 公里。在绘制了海底产生的磁异常图后，我们可以估计岩石圈远离山脊轴线的速度。因此，我们确定维马剖面暴露了在大西洋中脊轴线逐渐形成的岩石圈，时间间隔超过 2000 万年——这是研究岩石圈形成如何随时间变化的独特机会！
在潜水过程中，我们使用了鹦鹉螺号的机械臂抓取了许多地幔橄榄岩样品。后来，我们通过疏浚在沿着岩石圈剖面基底附近的间隔内对地幔橄榄岩进行了采样，岩石圈的年龄越来越大。从这些岩石的矿物成分中，我们估计了它们在中大西洋中脊下方上升过程中随时间推移所经历的熔化程度的变化。与此同时，由于从船舶和卫星对海底下方岩石产生的重力场进行重力测量获得的数据，我们可以估计地壳厚度如何随时间变化。地壳厚度取决于地幔在山脊下方上升时产生的熔体量。
结果出乎意料。地幔的熔化程度和地壳厚度似乎都从 2000 万年前至今稳步增加。小的振荡叠加在这一总体趋势之上。对这些结果最简单的解释是：大西洋中脊随着时间的推移稳步“变热”。
令人惊讶的是，上升地幔温度的升高伴随着山脊轴线生成的岩石圈板块的扩张速度的降低。这一结果与岩石圈板块发散运动响应中地幔“被动”上升的概念相悖——这一概念要求扩张速度与上升地幔的熔化程度成正比。
我们还能够估计山脊下方上升的固体地幔的速度，这是改进我们关于海洋地壳形成模型的关键信息。上升地幔的速度取决于其温度和成分（两者都会影响密度和粘度）以及上升柱的直径，并且与从山脊轴线发散的岩石圈扩张速度有关。
我们如何估计上升固体地幔的速度？上升地幔在深度区间内产生熔体，该深度区间可以通过实验和理论考虑来估计。熔体部分迅速上升，冷却并凝固成地壳中的玄武岩，而其母地幔继续缓慢上升。
当“母”地幔橄榄岩到达岩石圈并开始随板块水平移动远离山脊时，它产生的玄武岩已经移动得更远离山脊。玄武岩地壳地块与其母地幔之间的水平距离，转换为时间，将使我们能够估计上升固体地幔的速度。在将地幔熔化程度的时间变化与维马岩石圈剖面沿线的地壳厚度变化相关联后，我们估计固体地幔的平均上升速度约为每年 25 毫米。
为了改进这一估计，我们需要返回并从暴露的岩石圈剖面中采集更多的橄榄岩样品，以便我们可以在描述地幔熔化程度的时间变化的曲线上获得更高的分辨率。
为什么北大西洋中脊在赤道以北逐渐变得更热？我们只能推测。也许一股源自地幔柱的热地幔流在数千万年前开始向赤道以南流动。我们有迹象表明，在遥远的过去，大洋中脊的活动强度曾发生过重大震荡。
例如，罗德岛大学的罗杰·拉尔森的研究表明，大约在 1 亿年前，地幔“超级地幔柱”导致了中洋脊隆起、海底扩张加速、海平面上升以及气候变暖，这是由于地幔释放出大量的二氧化碳、甲烷和其他温室气体[参见第 22 页的“中白垩世超级地幔柱事件”]。
在地质学家全面了解地幔动力学及其对地表地质的影响之前，还有许多工作要做。关于地幔对流的起源以及它是否延伸到下地幔，仍然存在争议。事实上，包括理论家、地球物理学家、地球化学家和岩石学家在内的专题研讨会总是会产生激烈的讨论和许多异议。但在一点上是统一的：地球地幔非常活跃，是一个令人兴奋的研究领域。
作者 恩里科·博纳蒂 拥有意大利比萨大学和比萨高等师范学院的地质学学位。1959 年来到美国后，他在加利福尼亚大学斯克里普斯海洋研究所担任海洋地质学研究科学家多年，并在迈阿密大学罗森斯蒂尔海洋科学学院担任教授。自 1975 年以来，他一直在哥伦比亚大学的拉蒙特-多尔蒂地球观测站工作。最近，他一直在他的祖国从事教学和研究。他领导或参与了各大洋以及一些偏远但地质上引人入胜的陆地探险，从俄罗斯极地乌拉尔地区到红海扎巴贾德沙漠岛屿。博纳蒂感谢 Daniele Brunelli、Anna Cipriani 和 Marco Ligi 在过去十年中与他合作进行研究。