在我们寒冷海洋的黑暗底部，地球上 85% 的火山爆发几乎无人察觉地进行着。虽然看不见，但它们绝非微不足道。海底火山产生了世界所有海洋的坚实基础——厚达七公里的巨大岩石板块。
地球物理学家在 20 世纪 60 年代初首次开始认识到海底陆地（正式名称为洋壳）的闷烧起源。声纳调查显示，火山形成了几乎连续的山脊，像棒球上的缝线一样环绕地球。后来，同一批科学家努力解释是什么为这些喷发的山脉（称为洋中脊）提供燃料。基本理论认为，由于洋壳沿着山脊拉开，地球岩石内部深处的热物质必然会上升以填补空隙。但是，熔岩究竟起源于何处以及如何到达地表的细节长期以来仍然是一个谜。
近年来，熔融岩石和固体岩石之间相互作用的数学模型提供了一些答案，对大陆上暴露的旧海底地块的检查也提供了一些答案。这些见解使得开发描述洋壳诞生的详细理论成为可能。结果表明，这个过程与典型的外行人的想法大相径庭，在后者的想法中，炽热的岩浆充满了火山下方的巨大腔室，然后沿着锯齿状的裂缝向上涌出。相反，这个过程始于海底以下数十公里处，在那里，微小的熔融岩石液滴以每年约 10 厘米的速度（大约与指甲生长的速度一样快）渗出微小的孔隙。靠近地表，这个过程加速，最终形成巨大的熔岩流，以卡车的速度倾泻到海底上。破译液体如何在地下深处的固体岩石中移动，不仅解释了洋壳是如何出现的，而且还可能阐明其他流体输送网络的行为，包括剖析地球表面的河流系统。
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深入挖掘
在洋中脊火山及其无数层形成地壳的熔岩下方深处是地幔，这是一个 3200 公里厚的炽热岩石层，构成了地球的中部并环绕着它的金属核心。在地球寒冷的表面，隆起的地幔岩石呈深绿色，但如果您能看到它们在它们真正的家园中，它们会发出红色甚至白色的光芒。地幔顶部约为 1300 摄氏度，并且每深入一公里，温度就会升高约一度。上覆岩石的重量意味着压力也随着深度增加，每三公里增加约 1000 个大气压。
对地幔中强烈高温和压力的了解使研究人员在 20 世纪 60 年代后期假设，洋壳起源于称为熔体的少量液态岩石，几乎就像固体岩石在“出汗”一样。即使是微小的压力释放（因为物质从其原始位置上升）也会导致熔体在地幔岩石深处的微小孔隙中形成。
解释岩石汗液如何到达地表更加困难。熔体的密度低于形成它的地幔岩石，因此它会不断尝试向上迁移，朝向压力较低的区域。但是，实验室实验揭示的关于熔体化学成分的信息似乎与从洋中脊（喷发的熔体在那里硬化）采集的岩石样本的成分不符。
研究人员使用专用设备在实验室中加热和挤压来自地幔岩石的晶体，了解到地幔中熔体的化学成分随其形成的深度而变化；成分受熔体和构成熔体通过的固体岩石的矿物之间原子交换的控制。实验表明，随着熔体的上升，它会溶解一种矿物，即顽火辉石，并沉淀或留下另一种矿物，即橄榄石。因此，研究人员可以推断，熔体在地幔中形成的位置越高，它溶解的顽火辉石就越多，而留下的橄榄石也就越多。将这些实验结果与来自洋中脊的熔岩样本进行比较后发现，几乎所有样本都具有在大于 45 公里的深度形成的熔体的成分。
这个结论引发了一场关于熔体如何在穿过数十公里厚的上覆岩石的同时，保持适合更大深度的成分的热烈辩论。如果熔体像研究人员怀疑的那样在岩石的微小孔隙中缓慢上升，那么合乎逻辑的假设是，所有熔体都将反映地幔最浅部分的成分，即 10 公里或更浅。然而，大多数洋中脊熔岩样本的成分表明，它们的源熔体在穿过地幔最上层 45 公里的过程中，没有溶解周围岩石中的任何顽火辉石。但这怎么可能呢？
压力下的裂缝？
在 20 世纪 70 年代初期，科学家们提出了一个与典型的外行人观点不尽相同的答案：熔体必须沿着巨大的裂缝完成其向上旅程的最后一段路程。开放的裂缝将允许熔体快速上升，以至于它没有时间与周围的岩石相互作用，裂缝核心中的熔体也永远不会接触到侧壁。虽然开放的裂缝不是上地幔的自然特征——压力太大了——但一些研究人员认为，迁移熔体的浮力有时可能足以使上方的固体岩石破裂，就像破冰船强行穿过极地浮冰一样。
法国蒙彼利埃大学的阿道夫·尼古拉斯和他的同事在检查称为蛇绿岩的不寻常岩层时，发现了此类裂缝的诱人证据。通常，当洋壳变老变冷时，它会变得非常致密，以至于它会沿着称为俯冲带的深海沟沉回地幔，例如环太平洋地区的那些海沟。另一方面，蛇绿岩是旧海底和相邻的下伏地幔的厚部分，当地球的两个构造板块碰撞时，它们会被推到大陆上。一个著名的例子位于阿曼苏丹国，在阿拉伯板块和欧亚板块持续碰撞期间暴露出来。在这个蛇绿岩和其他蛇绿岩中，尼古拉斯的团队发现了不寻常的浅色脉络，称为岩脉，他们将其解释为熔体在到达海底之前已经结晶的裂缝。
这种解释的问题在于，岩脉充满了从地幔最上层形成的熔体中结晶出来的岩石，而不是从大多数洋中脊熔岩起源的 45 公里以下形成的。此外，破冰船情景可能不适用于洋中脊下的熔融区域：在约 10 公里以下，热地幔倾向于像在阳光下放置太久的焦糖一样流动，而不是轻易破裂。
多孔河流
为了解释持续存在的谜团，我开始研究熔岩在熔融区域中输送的另一种假设。在 20 世纪 80 年代后期的论文中，我提出了一个化学理论，该理论认为，随着上升的熔体溶解顽火辉石晶体，它会沉淀出少量橄榄石，因此净结果是熔体体积更大。在 20 世纪 90 年代，我的同事伍兹霍尔海洋研究所的杰克·怀特海德；现在在以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的埃纳特·阿哈罗诺夫；以及哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的马克·斯皮格尔曼和我创建了这个过程的数学模型。我们的计算揭示了这种溶解过程如何逐渐扩大固体晶体边缘的开放空间，从而形成更大的孔隙，并开辟出更利于熔体流动的通道。
随着孔隙的增长，它们连接形成细长的通道。反过来，类似的反馈驱动了几个小支流的合并，形成更大的通道。事实上，我们的数值模型表明，超过 90% 的熔体集中在不到 10% 的可用区域中。这意味着数百万条微小的流动熔体线最终可能会汇入只有几十条、孔隙率高达 100 米或更宽的通道。
即使在最宽的通道中，原始地幔岩石的许多晶体仍然完好无损，堵塞了通道并抑制了流体的运动。这就是为什么熔体流动缓慢，每年仅几厘米。然而，随着时间的推移，如此多的熔体通过通道，以至于所有可溶性顽火辉石晶体都溶解掉了，只留下橄榄石和其他熔体无法溶解的矿物晶体。因此，这种通道内熔体的成分无法再适应压力的降低，而是记录了它最后一次“看到”顽火辉石晶体的深度。
这种称为聚焦多孔流的过程最重要的意义之一是，只有通道边缘的熔体才会溶解周围岩石中的顽火辉石；管道内部的熔体可以不受干扰地向上流动。因此，数值模型提供了关键证据，证明在地幔深处形成的熔体可以通过溶解一部分岩石而不是使岩石破裂来开辟自己的向上路径。这些建模结果得到了我们正在进行的实地工作的补充，实地工作为蛇绿岩中的多孔流提供了更直接的证据。
专注努力
充分领略阿曼蛇绿岩的唯一方法是从空中俯瞰。这个巨大的地层构成了一条几乎连续的岩石带，长 500 公里，宽达 100 公里。与所有蛇绿岩一样，阿曼蛇绿岩的地幔部分通常风化成铁锈棕色，并且明显地镶嵌着数千条棕褐色岩石脉络。地质学家很久以前就将这些脉络鉴定为一种称为纯橄榄岩的岩石，但尚未仔细测量纯橄榄岩或周围岩石中矿物的成分。
正如科学家们对曾经是上地幔一部分的岩石所期望的那样，周围的岩石富含橄榄石和顽火辉石。另一方面，纯橄榄岩超过 95% 是橄榄石——熔体穿过地幔上升时留下的矿物。纯橄榄岩也完全缺乏顽火辉石，这与预测所有顽火辉石都会在熔体到达最上层地幔之前被溶解掉的化学理论相符。从这一证据和其他证据来看，纯橄榄岩脉络显然是将深部熔体向上输送到洋中脊下方浅地幔的管道。我们看到的是冻结在时间中的溶解通道。
尽管这些发现令人兴奋，但它们并没有完全解释长期以来困扰地球物理学家的第二个谜团。洋中脊的大规模熔岩流从一个仅约五公里宽的区域中涌出。然而，地震勘测（可以区分固体岩石和部分熔融岩石）表明，熔体存在于至少 100 公里的深度，区域宽度达数百公里。那么，上升的熔岩是如何被引导到海底如此狭窄的火山活动区域的呢？
1991 年，当时都在布朗大学的大卫·斯帕克斯和马克·帕门蒂尔提出了一个植根于洋壳和最上层地幔可变温度的答案。新喷发的熔岩不断地将物质添加到洋中脊两侧的洋壳板块中。随着较旧的板块远离山脊，为新的热熔岩让路，它们逐渐冷却。洋壳越冷，密度就越大，因此它沉入温暖地幔的距离就越远。这种冷却趋势意味着，在远离洋中脊山顶的开阔海洋中，海底及其下方的洋壳底部平均比直接位于山脊下方的海底和地壳底部深约两公里。此外，寒冷的洋壳会冷却地幔顶部，从而使最上层地幔的冷却部分变厚，并且其底部在远离山脊的地方变得更深。
基于这种关系，斯帕克斯和帕门蒂尔创建了一个地幔内多孔流的计算机模型。在他们的模拟中，他们可以看到，一些上升的熔体损失了足够的热量，在上地幔中结晶，有效地形成了一个水坝或屋顶。这些屏障形成的位置越深，离炎热的洋中脊就越远，因此，当剩余的熔体向上迁移时，它被迫以一定角度向上迁移，沿着这个倾斜的屋顶朝向山脊。
最终喷发
因此，实地观测和理论模型为两个主要谜团提供了很好的解释。上升的熔体不会呈现出与周围地幔岩石平衡的化学成分，因为它在宽阔的纯橄榄岩管道内被化学隔离。并且这些管道被导向洋中脊，因为一些熔体在上地幔中冷却并结晶。但是，一个新问题很快出现：如果熔体的上升是一个连续、渐进的过程（正如我们预测的那样），那么是什么引发了构成海底火山爆发的周期性熔融岩石爆发呢？
同样，实地地质学指导了我们的理论化。在阿曼蛇绿岩中，尼古拉斯和他在蒙彼利埃的同事弗朗索瓦丝·布迪耶在 20 世纪 90 年代中期表明，熔体积聚在透镜状的囊袋中，这些囊袋高几米到几十米，宽几十米到数百米，位于地幔最浅的部分，就在洋壳底部下方。为了解释所涉及的物理过程，我的同事和我不得不考虑地幔岩石在恰好位于地壳底部下方和在更深深度处的行为方式有何不同。
在活跃的扩张山脊（例如东太平洋海隆或形成阿曼蛇绿岩的山脊）下方，最上层地幔的岩石（即地幔中距地壳底部 2000 米以内的部分）会向寒冷的上覆海底散失热量。因此，一些熔体会冷却并结晶。随着来自下方的熔体不断涌入，但被阻止继续向上，熔体开始积聚在结晶物质下方的透镜状囊袋中。随着更多熔体的进入，透镜内部的压力升高。在更深处，岩石会足够热以流动响应，从而缓解这种压力激增，但在此处，向上的海底的热量损失使岩石过于僵硬。由于压力不断增加，熔体囊袋上方的岩石会周期性地破裂，形成通向上方年轻洋壳的管道。一些熔体聚集并冻结在地壳底部附近，堆积新的岩石，但从未喷发。但有时熔体会一直涌出，从火山颈喷出，形成厚达 10 米、长 10 公里的熔岩流，逐渐用火山岩铺砌海底。
分支扩展
这些对海底深处熔体输送网络的详细见解与科学家们对地球表面河流网络的了解有很多相似之处。
就像小溪汇聚形成河流的力量一样，深地幔中的化学侵蚀形成了一个聚合网络，其中许多小的、活跃的支流汇入较少的、更大的通道。在上地幔中结晶的熔体形成“堤坝”，这些“堤坝”会重定向其流动，很像一条泥泞的河流，当它流入大海时，会沉积沉积物并形成天然堤坝。在这两种情况下，堤坝都会周期性地被冲破，允许大量的瞬时爆发通过单个管道。对控制河流和熔体输送网络的潜在物理过程的研究最终可能会产生一个统一的基本理论来解释两者的行为。