1989年12月13日凌晨一点，我被隔壁舱室的庆祝声吵醒，当时我正睡在科学钻探船JOIDES Resolution上的铺位上。因为无论如何我都要在四点钟接班，所以我跌跌撞撞地走到隔壁房间加入派对。我们探险队的古生物学家刚刚向我的共同首席科学家伊夫·兰塞洛特报告说，在我们在西太平洋海底钻探的洞穴中，已经发现了侏罗纪时期的微体化石，兰塞洛特现在在法国马赛的法国国家科学研究中心海洋学中心工作。两天后，钻头到达了火山基底——中侏罗纪时期的海洋地壳，大约有1.65亿年历史。一个20年的谜团终于解开了。最终，我们获得了确凿的证据，证明世界上最古老的海底沉积物和火山岩仍然完好无损地保留在远古时代。
在随后的日子里，我反思了为什么这个探索花了这么长时间。我的同事亚利桑那大学的克莱门特·G·蔡斯、拉蒙特-多尔蒂地球观测站的沃尔特·C·皮特曼三世、德克萨斯农工大学的托马斯·W·C·希尔德和我早在1970年代就考虑过这个问题。目标并不小。我们从地球物理数据中预测，西太平洋一个面积相当于美国大陆的区域应该是侏罗纪时期的，大约在1.45亿到2亿年前之间。但是，每当我们在这个区域进行疏浚或钻探时，我们几乎总是会回收一种叫做玄武岩的岩石，这种岩石是在中白垩世期间火山爆发形成的，年龄通常在8000万到1.2亿年之间，但没有更古老的。最早的玄武岩样品是在1950年由斯克里普斯海洋研究所的早期探险队从太平洋中脊山脉疏浚出来的。然而，在JOIDES发现之前，地质学家在回答关于看似无处不在的中白垩世玄武岩的起源或潜在的侏罗纪物质的存在的问题方面，并没有取得太大进展。
1989年的发现提供了一些定性的答案。较古老的侏罗纪沉积物和海洋地壳在中白垩世时期被我们现在所说的火山物质“超级地幔柱”掩埋了。最终，我们在1970年代早期的地球物理学思考可以得到事实的支持：侏罗纪存在于西太平洋。我们有锁在JOIDES Resolution号上的样品。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
因为我是一名地球物理学家，所以我试图定量地描述地球及其过程。我想确定西太平洋中白垩世超级地幔柱的大小，希望能了解它的一些起源。但是说起来容易做起来难。你要测量什么，以及如何测量它？我甚至不知道什么是“正常”，所以我怎么能描述“异常”的中白垩世超级地幔柱事件呢？这个问题必须扩展到中白垩世西太平洋的时间和空间框架之外。我决定检查所有海洋盆地在其整个历史中海洋地壳（主要是火山岩，如玄武岩，构成海底下方的固体基底）的形成速率。然后，中白垩世异常，无论它是什么，都会在背景中突出出来。下一个超级地幔柱出现的时间线索也可能出现。
在中白垩世时期，广泛的火山爆发迅速覆盖或创造了大量的海底。然而，通常情况下，海底扩张以较慢、更规律的方式产生大部分海洋地壳。在这个过程中，地壳在中洋脊处变得对称地变老，在那里，熔融的岩浆从地球地幔中升起，然后冷却并凝固。随着新的岩浆不断上升，较老的海洋地壳被从喷发中心漂移到山脊的侧翼上。因此，任何特定的地壳包裹都被输送，就好像它在两条相同的传送带上以相反的方向从中洋脊移开一样[参见肯尼斯·C·麦克唐纳和保罗·J·福克斯的“中洋脊”；大众科学，1990年6月]。
由扩张形成的海底区域——被称为深海平原——覆盖着有组织的深海丘陵和垂直于中洋脊的断裂带。然而，西太平洋看起来完全不像这样。它的地貌更像三月份泥泞的新英格兰道路。看似随机走向的海山链——从海底升起至少一公里的海底山脉——和构成西太平洋“泥泞道路”的海洋高原，其年龄梯度没有系统性地变化。它们唯一的共同特征是几乎都来自中白垩世，就我们所知的年龄而言。
我调查的第一步是测量海洋地壳生产率的变化。为此，我汇编了有关海底面积和年龄的信息，并估计了地壳的厚度。我得以计算出过去1.5亿年的这个速率，几乎可以追溯到世界海洋盆地的最大年龄。
脉冲的开始
对页的方框显示了中白垩世超级地幔柱事件的几个地质后果。整体地壳生产的计算[参见第三个图表]清楚地显示了中白垩世超级地幔柱。这张世界地壳总生产率的直方图显示了地幔柱在1.2亿至1.25亿年前的突然开始，当时海洋地壳的形成在大约五百万年内几乎翻了一番。地壳生产在脉冲开始后不久达到顶峰，在接下来的7000万至8000万年中或多或少呈线性递减。然后，在3000万至4000万年前，它恢复到几乎与事件发生前相同的值。中白垩世超级地幔柱在海洋地壳生产中在全球范围内脱颖而出。然而，脉冲的单纯存在并不能表明其原因。
我认为谜题的关键可能在于海洋高原和海底山脉链的发展。在中白垩世时期，这些构造的生产率与整体速率同时跃升，具有相似的脉冲式开始和随后长期逐渐恢复正常值的趋势。尽管在脉冲高峰期的最大幅度小于世界总曲线，但相对增长要大得多。虽然海洋地壳的总产量最初翻了一番，但高原和海山的产量却增加了五倍。因此，无论是什么产生了超级地幔柱事件，它对高原和山脉链的产生也产生了最强烈的影响。
是什么导致了这些海底高原和海山链？独立地，其他研究人员已经趋同于这样一种观念，即它们是由来自地球深处地幔的物质羽流造成的，这些物质羽流被过热，因此由于其密度降低而浮力上升[参见米勒德·F·科芬和奥拉夫·埃尔德霍姆的“大型火成岩省”；大众科学，1993年10月]。特别是，海洋高原是由这些上升羽流引起的最初大规模、快速的喷发造成的。这种上升流偶尔发生在大陆上，在那里我们可以直接研究它们。诸如巴西的巴拉那玄武岩、印度西部的德干地盾和俄罗斯北部的西伯利亚地盾等具有异国情调的区域由广阔的玄武岩流场组成，横跨数百公里，厚一到两公里[参见罗伯特·S·怀特和丹·P·麦肯齐的“裂谷火山活动”；大众科学，1989年7月]。海洋高原与它们的大陆表亲相似，但它们甚至更大。例如，最大的海洋高原（西太平洋的翁通爪哇高原）估计比最大的大陆高原（德干地盾）大25倍。
海山链从海洋高原延伸出来，是由上升羽流物质头部后面和下面的物质形成的。由于羽流相对固定，而上覆的构造板块在地球表面水平漂移，因此山脉链中随后的喷发记录了板块的运动。因此，这些海山链应该在其母海洋高原旁边最古老，并追踪一条越来越年轻的海山路径，如果通往深地幔的“烟囱管”仍然活跃，则以一座活火山结束。这些海山链中最著名的是夏威夷群岛，它在水下向群岛西北方向延伸很远。它的上升羽流系统今天存在于夏威夷岛下方，那里的火山喷发仍在隆隆作响。这些岛屿和海山随着它们在太平洋板块上被漂离，向西北方向移动到一个固定的羽流位置，而变得越来越古老。
一旦我意识到受中白垩世火山活动影响最大的海洋地壳特征——海山链和高原——都是由地幔物质羽流形成的，那么推测整个异常是由于比正常规模大得多的羽流活动造成的，就是一个很小的逻辑步骤。因为我生活在一个喜欢用最高级形容词的社会中，所以我将其命名为“超级地幔柱事件”。超级地幔柱的最初脉冲大约在1.2亿年前到达地球表面；强烈的火山活动突然开始，并持续到整个中白垩世，持续了数千万年，之后逐渐减弱。
过热的地幔柱
超级地幔柱事件最有可能是一个或几个巨大的地幔柱上升造成的，这些地幔柱穿过容易变形的地幔，在地球更坚硬的外壳（称为岩石圈）底部扩散，并喷发到海底。虽然太平洋受到的影响最大，但在印度洋、南大西洋和加勒比海也存在超级地幔柱事件的证据。太平洋所涉及的区域可能横跨数千公里，与当今羽流活动影响的区域的大小形成鲜明对比，后者通常只有前者的十分之一大小。
我怀疑过热的地幔柱从地幔的最底部升起，并影响到底层外核中导致地球磁场反转的过程。羽流形成的地壳生产率与地球磁场反转频率之间存在普遍的负相关关系。例如，在包括中白垩世在内的强烈羽流活动期间，几乎没有发生磁场反转。相反，就像今天的情况一样，当羽流活动较低时，磁场反转以创纪录的速度发生。
地球磁场实际如何反转其极性是一个谜[参见第28页的“探测地球发电机”]。约翰霍普金斯大学的彼得·奥尔森和我认为，地壳形成与磁场反转之间的相关性可能为理解反转如何发生以及确定地幔柱物质的来源提供线索。我们认为，地核“沸腾速率”的增加在某种程度上导致磁场反转变得不那么频繁。此外，这种联系可能揭示有关下一个超级地幔柱到来的信息。
外核中沸腾的铁是地球磁场最可能的来源。这种熔融的铁是一种优良的电导体，铁的对流运动及其相关的电场几乎可以肯定地产生了地球磁场。熔融铁释放出的热量通过热传导过程渗透到核幔边界（这个沸腾锅的盖子）中。热量被困在边界上方地幔固体硅酸盐岩石的最下层100到200公里处。这个过程持续进行，直到积累了足够多的过剩热量。然后，过热、密度较低的下地幔的浮力克服了上覆的较冷、密度较高的地幔岩石的粘度。巨大的地幔物质羽流在地幔中上升近3000公里，最终引发地表的火山爆发。上升的物质从最下层地幔中带走热量，使外核比以前更剧烈地沸腾。
全球影响
最近一次重大翻转发生在1.2亿至1.25亿年前，即中白垩世超级地幔柱事件。当时喷发到地表的大部分物质在今天的西太平洋海底留下了泥泞道路效应。在一个短时间内几乎使世界海洋地壳总生产率翻一番的事件必然会产生惊人的地质后果。中白垩世的特征是几个由超级地幔柱引起的深刻异常现象。
首先，可能也是最没有争议的是，世界海平面上升到比今天高约250米的高度。假设地球海洋中的海水总量是恒定的，那么海平面的上升仅仅反映了海底水平的相应上升。新形成的地壳上方的海洋异常浅，因为地壳和下方的岩石圈仍然相对温暖、密度较低，因此膨胀。随着两者冷却，它们收缩，使海底加深。这种膨胀和收缩现象解释了为什么中洋脊（新地壳正在形成的地方）高于侧翼上发现的较旧、较深的地壳。如果异常数量的新地壳快速形成——就像中白垩世脉冲开始时那样——那么平均海底水平将会升高，海平面也会相应上升。在中白垩世，海平面上升淹没了今天的大部分陆地；例如，我的出生地爱荷华州当时位于海底。当水退去时，它留下了石灰岩和白垩沉积物，包括英国著名的多佛白色悬崖。
由于超级地幔柱事件，地球表面温度也升高了。当熔岩喷发时，它会释放出某些化学物质，包括二氧化碳。中白垩世大气中较高含量的二氧化碳导致了自然的温室效应，使全球气温升高了大约10摄氏度。研究这段时期二氧化碳水平升高的影响可以揭示地球未来气候的可能情景。大量燃烧化石燃料和大规模森林砍伐继续增加现代大气中二氧化碳的水平。
在中白垩世期间，还沉积了过量的有机碳和无机碳酸盐。增强的沉积与海平面和气温的升高有关，我们已经看到，这是由超级地幔柱事件引起的。被称为浮游植物和浮游动物的微小植物和动物，在光线可以穿透的海洋浅层中漂浮为生。浮游生物显然在中白垩世异常温暖的海洋中蓬勃发展，这种海洋伴随着大气自然变暖。通常，当这些生物死亡时，它们的身体会沉入深海，并由于上覆海水的极端压力而迅速溶解。但在中白垩世，许多死亡的生物反而落在了被淹没的大陆上。来自外骨骼的碳没有在浅水中溶解，而是被保存下来。其中一些形成了白色悬崖，一些被埋得更深，最终变成了石油。由此产生的石油占世界石油供应量的50%。具有讽刺意味的是，中白垩世温室事件的这一结果可能为下一个温室事件创造了燃料。
与中白垩世超级地幔柱相关的其他地质异常包括地球上很大一部分钻石矿床的形成。钻石由纯碳原子组成，通过地球表面以下至少200至300公里处存在的压力，被挤压成最紧密、密度最高的可能排列顺序。大多数钻石即使在地质时间尺度上也是古老的，形成于十亿多年前，但根据马萨诸塞大学阿默斯特分校的斯蒂芬·E·哈格蒂的说法，其中许多钻石是在中白垩世期间被带到地表的。它们通过称为金伯利岩筒（以南非金伯利的一个矿区命名）的火山构造被输送上来，这些火山构造深入地壳，据推测深入上地幔。钻石很可能被上升的羽流从地幔内的源头撕裂，并以其固态原始状态被带上来。
北美洲和南美洲西海岸边缘的大部分山脉的形成都受到超级地幔柱事件的强烈控制。北美洲西部的内华达山脉和南美洲西部的安第斯山脉是在中白垩世期间，由于太平洋地壳在北美洲和南美洲西部下方俯冲增加而形成的。当海洋岩石圈被推到邻近陆块下方并被回收到底部地幔中时，就会发生俯冲。请记住，由于喷发羽流的接近，太平洋海底扩张速度急剧增加。如果地球直径保持不变，那么有什么上升就必须有什么下降，因此随着海底扩张的增加，俯冲速率也增加了。异常大量的海洋地壳被推到北美洲和南美洲西海岸线下方深处。随着地壳和伴随的海洋沉积物沉入地球表面以下数百公里，沉积物和地壳内的水降低了固体物质的熔化温度，导致它随着温度和压力的升高而变成半液体。一些相邻的大陆地壳也因摩擦加热而融化。这种熔融的岩石组合由于其密度降低而上升到接近地表，然后凝固形成山脉的花岗岩核，这些山脉是美洲西海岸的脊梁。
下一个脉冲
我们的星球显然已经从最近的地球历史上的超级地幔柱事件——中白垩世超级地幔柱事件的影响中稳定下来。但是，下一次超级地幔柱喷发何时发生仍然是一个推测的问题。我们可以通过研究地震波穿过地球所需的时间来了解现代超级地幔柱的可能性。这项技术类似于用于获得患者三维X射线视图的CT扫描。通常，如果地震波的到达时间晚于预期，那么在其路径的某个地方，它们已经穿过地球的一部分，该部分的温度高于该深度的正常温度，而较温暖的区域导致波速减慢。相反，如果波的到达时间早于预期，那么它们已经穿过一个比正常区域更冷的区域并加速了。深地幔中温度高于正常的区域通常被解释为地幔柱。
深地幔中有两个大的（所有方向超过1000公里）暖异常区域突出，表明超级地幔柱现在正在地球深处形成。其中一个位于南太平洋的法属波利尼西亚下方，另一个位于南非和东南大西洋下方。这些已被称为南太平洋和非洲超级地幔柱，尽管它们缺乏上升超级地幔柱的经典“蘑菇云”外观。我怀疑现代南太平洋超级地幔柱是中白垩世超级地幔柱几乎耗尽的残余物，而新兴的非洲超级地幔柱似乎由于其化学致密的核心而在上升过程中停滞不前。
我怀疑这两个当今的超级地幔柱都不会喷发并重现中白垩世的影响，但我可能是错的——而且下一次超级地幔柱喷发可能仅在数百万年后。我毫不怀疑地球的未来将会有更多的超级地幔柱喷发，但没有人可以预测下一次喷发何时发生。
作者 罗杰·L·拉尔森 在获得爱荷华州立大学地质学学士学位后，首次接触海洋。他向西行进，并在五年后获得了加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的海洋学博士学位。1971年，他作为哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的研究助理，开始对西太平洋的构造历史感兴趣。拉尔森在罗德岛大学担任海洋学教授期间，这种兴趣一直持续。他曾担任该地区总共15次海洋考察的首席或共同首席科学家。