锥体在哪里？我们刚刚拉起了钻杆，更换了磨损的钻头，然后将其放回海底，在我们船只下方一英里处。我们挤进控制室，观看连接在钻杆末端的摄像机传回的图像，寻找我们留下的锥体，它作为标记，引导钻杆回到我们正在钻的孔中。团队之前已经多次进行过这项操作。通常我们会看到一条鱼游过或一只鱿鱼短暂地抓住钻杆，然后锥体就会出现。但这次我们只看到了鱼和鱿鱼。哪里出错了？
我们来到太平洋西北部，是为了从被称为皇帝海山的水下死火山中提取岩芯样本，这些火山构成了夏威夷-皇帝火山链最北端的支脉。这条火山链整齐的图案在任何世界地图上都很明显，与南美洲和非洲的拼图形状一样，长期以来一直是板块构造论的证明——板块构造论认为我们地球的表面是一个不断变化的岩石拼图。这些岛屿和海山不仅在太平洋上形成了一条异常笔直的3500公里长的线，而且它们的岩石也随着你向西北方向移动而逐渐变老：从大岛（仍在生长）到茂宜岛、瓦胡岛、可爱岛，再到中途环礁，其早已熄灭的火山已经沉降了很多，几乎看不见海面。过了中途岛，这条线急剧弯曲，继续向北沿着皇帝海山延伸，几乎延伸到阿留申群岛的尖端。
对于这种模式的标准解释，是基于地球物理学家提出的观点
J·图佐·威尔逊在1963年提出的观点，即这些岛屿记录了太平洋板块在火山热点上方的运动[参见凯文·C·伯克和J·图佐·威尔逊的文章《地球表面的热点》；《大众科学》，1976年8月]。热点可以被认为是地球内部的一根蜡烛，它的火焰穿透地壳，将熔岩泵到地表并形成岛屿。不断移动的板块将岛屿从热点上拉开，热点产生一个新的岛屿，循环往复。热点和板块构造共同作用，像装配线一样生产岛屿。
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1971年，普林斯顿大学的杰森·摩根更进一步。他提出，“蜡烛”是从地球地幔深处上升的热岩浆柱的熔融尖端。热点本身固定在地球内部，不会移动；只有板块会移动。在这种观点下，夏威夷热点一直保持在北纬约19度，而太平洋板块以每年约10厘米的速度向西北方向移动。热点轨迹中的巨大弯曲表明，板块运动方向在大约4700万年前突然发生了变化。
除了解释夏威夷和其他岛链的演化之外，热点的固定位置还为地球科学家提供了一组非常强大的地标。这些地标使地质学家能够重建板块运动，并确定地质样本的原始位置，例如用于测量过去气候的沉积岩芯和用于衡量固体地球相对于地球自转轴运动的岩石。因此，热点可能并非看起来那样固定，这让地质学家感到震惊。
我和我的同事最近证明，它们实际上并非固定不动。从某种意义上说，它们就像我们留在太平洋底部作为参考标记的锥体。当我们发现它不在原位时，我们意识到一定是洋流把它冲走了。团队重新定位了船只，找到了钻孔，并在没有锥体引导的情况下进入了钻孔。同样，地球物理学家现在必须弄清楚为什么热点会漂移，并且必须开发一种新的方法来确定我们的方位。
磁性记录
20世纪60年代，为板块构造论提供确凿证据，并在此后完善我们对热点理解的证据，是岩石磁化提供的板块运动记录。当熔岩冷却时，其中的磁性矿物，主要是磁铁矿和钛磁铁矿，会结晶。这些微型条形磁铁会锁定当时地球磁场的方向以及地表位置。
由于地球磁场在时间和空间上都会发生变化，因此岩石磁化提供了两种方法来确定板块的运动方式。首先，地质学家可以研究时间变化。在不规则的时间间隔内，地球磁场会发生极性反转：南北磁极互换位置。考虑一下这对在中洋脊喷发的熔岩意味着什么。当岩石涌出并冷却时，其矿物的磁化方向像磁性锉屑一样排列，例如，指向北方。然后，板块构造将岩石从海脊带走。经过几十万年左右，极性翻转，从那时起，新形成的岩石被反向磁化。这些岩石也被从海脊带走。极性最终会翻转回来，循环往复。结果是在大洋地壳中记录了一系列水平条纹，在指向北方和指向南方的磁性矿物之间交替——这是地质学版本的树木年轮。地质学家通过将条纹与极性反转的时间线进行匹配来确定条纹的年代。然后，他们使用时间和距离数据来计算板块相对于相邻板块的方向和速度。
第二种技术利用了地球磁场方向具有两个分量的事实：水平（磁偏角）和垂直（磁倾角）。当你依靠指南针来找到北方时，你使用的是磁偏角，但如果你仔细观察指南针的指针，你会看到它相对于水平面略微倾斜。正如佛罗里达大学的尼尔·奥普代克在20世纪60年代后期的一项经典研究中所证明的那样，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的纬度，从而揭示板块自那时以来必须移动的最小距离。（它不揭示经度。）
使用这些方法并非完全简单。地球磁场并非完全指向南北方向。它具有更复杂的形状，地球物理学家认为这反映了地球核心中液态铁的流动。然而，当在数千年内取平均值时，这些偏差会相互抵消。因此，研究人员可以通过对代表足够长时间跨度的大量岩石进行采样来补偿磁场的复杂性。很少有岛屿仍然有足够古老的岩石可以追溯到足够久远的时间，因此地质学家必须钻探到海底。
这个过程本身就存在一些复杂性。大洋地壳可能会倾斜，这可能会被误认为是磁倾角。最好的岩石样本来自地震数据证实平坦的区域。地质学家只在少数几个这样的区域进行了深钻。另一种方法是将磁力计拖在船后，远程测量海底岩石的磁化强度。不幸的是，这种测量不仅反映了岩石形成时印刻的磁化强度，还反映了地球当前磁场产生的感应磁化强度，以及地质时期内获得的磁化强度，因为晶体内部的一些磁畴会自发地重新定向。因此，磁力计读数仍然需要根据直接采样的岩石进行校准。
纬度范围广
夏威夷热点可能并非固定不动的第一个暗示，来自20世纪70年代初坦尼娅·阿特沃特和彼得·莫尔纳（当时都在麻省理工学院）进行的研究。他们研究了两种现象来推断板块运动：海底条纹和岛链。当两个板块在中洋脊相遇时，它们的运动会产生一系列海底条纹，如果每个板块下方都有一个热点，则会产生一对岛链。研究人员可以通过检查另一个板块上相应链的轨迹来预测一个板块上岛链的热点轨迹应该是什么样子。
阿特沃特和莫尔纳报告说，对几个热点轨迹的预测未能与实际火山的位置相匹配，这表明热点已经移动。自那时以来，加州理工学院的乔安·斯托克及其同事对该技术进行了改进和扩展，结果基本相同。使用大西洋热点对夏威夷-皇帝链进行的预测与过去3000万年形成的链的一部分大致吻合，但随着时间的推移，它们的偏差越来越大。在6000万年前，偏移非常大。
然而，这些结论并没有说服许多地质学家。其他效应可以解释两组数据之间的不一致。太平洋和大西洋盆地由与南极洲大陆相邻的板块组成，南极洲本身至少由两个板块组成。这些板块可以像互锁的齿轮一样旋转，可能会改变大西洋的地理特征与太平洋的地理特征之间的关系。不幸的是，南极洲的大部分地质历史仍然是一个谜，被埋在厚厚的冰盖之下。这种不确定性阻碍了地质学家充分重建板块运动。
解决这个问题的唯一方法是回到岩石样本。我的罗切斯特大学同事罗里·科特雷尔和我于1995年接受了这项挑战。我们参观了德克萨斯A&M大学的海洋钻探计划（ODP），并检查了过去几十年收集的沉积物和岩石的存档岩芯。最有希望的是1992年从皇帝海山之一——底特律海山采集的，它形成于7500万至8100万年前。岩石类型是玄武岩——类似于今天在夏威夷大岛上喷发的玄武岩——它带有最容易理解的磁信号类型。岩芯没有引起太多关注，因为研究人员认为它的长度太短，无法提供足够的精确磁倾角读数。
一项新的分析证明并非如此。为了消除感应磁化和大型磁性矿物畴自发重新定向的影响，以便我们能够识别矿物的原始磁化强度，我们使用屏蔽超导量子干涉装置（SQUID）磁力计测量了样品，并进行了详尽的消磁程序。结果证明，岩芯的长度刚好足以提供精确的磁倾角读数，从而确定矿物形成的纬度：北纬36度。
我们将新的结果与东京工业大学当时的近野胜路于1980年使用ODP的前身——深海钻探计划所做的一项研究进行了比较。他采集了皇帝链中6100万年前的穗高海山的样本，发现它形成于北纬27度。这些都是令人震惊的结果。如果现在位于北纬19度的夏威夷热点是固定的，那么底特律海山和穗高海山应该在相同的纬度形成。三个纬度值不同，这表明皇帝海山标志着移动的柱状岩浆羽流的轨迹。然而，在我们的同事中，这些结果的反应却出奇地冷淡。我们数千次实验室测量结果被浓缩成图表上的仅仅两个点。怀疑论者需要更多证据，然后才会重新考虑关于夏威夷链的教科书式的板块运动解释。
更进一步
1997年末，科特雷尔和我开始考虑新的海洋钻探考察。我们在斯坦福大学的大卫·斯科尔的帮助下选择了钻探地点，并邀请了伯恩哈德·斯坦伯格，他在哈佛大学攻读博士学位期间一直在模拟地幔流动，加入我们的行列。2001年夏季，我们乘坐海洋钻探计划的JOIDES Resolution号开始了为期两个月的考察——称为197航次——将我们带到了皇帝海山中的三座：底特律海山、仁德海山和光孝海山。
在钻探之前，我们进行了简短的地震勘测，以确保我们能够回收平卧的熔岩层，从而消除一个潜在的误差来源。一旦我们在甲板上获得了样本，一批专家就帮助我们分析样本，包括俄勒冈州立大学的罗伯特·邓肯、当时在夏威夷大学马诺阿分校的索瓦尔德·索达森、麻省理工学院的弗雷德里克·弗雷和圣母大学的克莱夫·尼尔。为了估计岩石的年龄，我们检查了位于熔岩之上或与熔岩混合在一起的沉积物中的微体化石。船上有一个磁学实验室，我们在那里测量了岩石的磁化强度。我们需要在陆基实验室进行数月的后续工作，包括关键的同位素年代学工作，才能证实我们的发现。但在我们返回横滨港时，总体情况已经很明显了。
热点显然已经快速向南移动。在8100万年前到4700万年前期间，其推断速度超过每年4厘米，与构造板块的速度相当。为了证实这一发现，我们在底特律海山或仁德海山没有发现珊瑚碎片，只在光孝海山发现了少量珊瑚碎片。如果这些岛屿是在夏威夷的热带纬度形成的，我们本应期望在它们周围形成珊瑚礁。
这些影响现在正在地球科学领域蔓延，解答旧问题并提出新问题。例如，纬度的另一个地质指标是深海沉积物中沉积的沉积物类型。在赤道附近，沉积物富含浮游生物的碳酸钙外壳，由于该区域的生物生产力高而累积。在赤道带之外，沉积物贫碳酸盐。来自太平洋的5000万年前的岩芯中的沉积物不符合人们期望热点固定不动时应有的富碳酸盐模式。密歇根大学安娜堡分校的何塞普·M·帕雷斯和特德·C·摩尔最近发现，如果夏威夷热点向南漂移，这个悖论就会得到解决。
地质学家可能还需要改写他们关于北美的教科书。专家们早就知道，美国西部的大片土地并非在它们现在的位置形成。这些陆地是由曾经构成太平洋盆地的早已消失的板块推到它们现在的位置的。海洋板块和大陆板块之间的相互作用也导致了落基山脉等主要地质特征的形成。但是，板块相互作用的估计是假设夏威夷的热点是一个固定的参考点。由于它不是，地质学家必须重新审视北美西部的形成过程。
极点位置
在更大的尺度上，热点运动影响了研究人员对极地漂移的看法——整个固体地球相对于地球自转轴的旋转。极地漂移在地质物理学中是一个令人困惑的术语，因为这个短语暗示极点本身会四处移动。事实上，自转轴和磁轴在绝对空间中几乎保持固定；是陆地和海底在漂移。构造板块的下沉可能会改变地球的质量分布，并导致力的不平衡，就像洗衣机装满了不平衡的衣物一样。为了重新平衡自身，整个地球会旋转。在极端情况下，佛罗里达州可能会最终到达北极，或者格陵兰岛可能会变成热带岛屿。这个过程与板块构造不同，因为板块的相对位置将保持不变。
在20世纪80年代，地质学家使用热点固定的假设来重建板块运动，并确定地球相对于其自转轴的过去位置。数据表明，在过去1.3亿年中，地球相对于轴线迁移了多达20度。我们的发现驳斥了这一说法：移动的是热点，而不是整个地球。因此，热点可能是板块运动和极地漂移的虚假信标。
热点移动性的最深刻含义与地球地幔有关。热点可能仍然扎根于深地幔中，但它的底部可能会四处移动，上升的柱状岩浆羽流可能会被地幔流动弯曲。更激进的是，柱状岩浆羽流本身的概念也受到了审查。加州理工学院的唐·安德森认为，热点柱状岩浆羽流实际上可能并非扎根于下地幔。它们可能是浅层现象，从地幔的上层或地壳的下层涌出。其他人认为柱状岩浆羽流有各种形状和大小，并且起源于地球内部的各个层。
尽管我们在热点移动性方面的发现是惊人的，但这并不意味着必须推翻目前所有的地质学理解。科学很少以这种方式运作。夏威夷-皇帝链所标志的显著的年龄演化和巨大的岩浆量表明，夏威夷热点仍然最接近威尔逊和摩根设想的理想状态。但它并非固定在深地幔中，而是具有出乎意料的移动性。一个简单的画面已经让位于一个复杂的画面。板块和热点都在移动，观察到的效应可能反映了两者的结合——这挑战科学家确定每种效应的贡献。直到现在才被充分认识到的地幔动荡值得新的尊重。