法國留尼旺島皮頓德拉富內茲火山下可能存在地幔柱
通過釋放地殼內部被壓抑的熱量，地幔柱在地球數十億年的演化過程中發揮了至關重要的作用。
今年秋季，Karin Sigloch航行進入印度洋，探尋她於一年前在此地設下的監測器。這次，她尋找的並不是深海動物，而是更深奧更難以捉摸的東西地球內部上升的熱岩流。
作為德國慕尼黑大學的一名地球物理學家，Sigloch致力於研究地幔柱。地幔柱的一些特性被認為供養了地球上大多數的活火山，能點燃史上最大規模的火山爆發。例如，Sigloch正在觀察的現象之一就和6500萬年前印度的一次火山噴發有關，那次火山噴發規模巨大，可能導致恐龍的滅亡。
神秘地幔柱
地幔柱還能解釋夏威夷火山和其他火山形成於地殼板塊中部的原因。此外，通過釋放地殼內部被壓抑的熱量，地幔柱在地球數十億年的演化過程中發揮了至關重要的作用。
地幔柱研究一直是地球物理學的中流砥柱，有關地幔柱的種種猜測最早始於20世紀70年代。圍繞地球內部的熱量和物質會由於某種未知作用被帶回地表的自然現象，科學家已爭論了40年。這是否是由比正常狀態更炙熱的岩石組成的地幔柱的上升作用導致的？利用地震波成像地球內部結構，通過地球化學知識揭示地球深處的自然狀態，以及用氣象學家預測天氣變化的方式構造地幔運動的模型，研究人員已經能捕捉到地幔柱的蛛絲馬跡。但一些批評者仍繼續懷疑地幔柱是否真正存在。
這就是Sigloch和同事法國留尼旺大學的Guilhem Barruol，花費6周在海洋深處開展作業的原因。在遭遇惡劣天氣、設備故障及偶爾的鯊魚攻擊後，這支由法德專家組成的團隊找到了他們於2012年秋季放置在海洋底部的57個地震儀。通過分析地震儀記錄的地震波，研究人員計劃繪製出留尼旺島地下的岩石分布，以進一步確定地幔柱是否供養了該島上主要的火山。
Barruol說：直到現在，人們總是習慣於在沒有直接觀察的情況下談論地幔柱。我們的實地考察將告訴大家，地幔柱是否存在。
極為複雜
研究者對夏威夷地幔柱了解越深，便越能感受到其複雜程度。根據經典的地幔柱範式，炎熱的黏性岩石從地底涌到岩石圈，在繼續向上流動並最終成為火山熔岩的一部分之前會在此處停留一段時間，直到形成一層厚度約為100公里的堆積層。不過，地震圖像顯示夏威夷的地底結構與眾不同，岩石圈下方的地幔柱呈膨脹態勢，這是一個出人意料的結果。
美國馬諾阿夏威夷大學地球物理學家Maxim Ballmer認為，岩石化學可以解釋地幔柱膨脹的原因。如果夏威夷地幔柱蘊涵豐富的榴輝岩，它將在涌到地下約400公里處停滯下來，因為榴輝岩的濃度比一般地幔物質大。夏威夷地幔柱將在那裡堆積，並水平延展開來。最終，隨著越來越多的熱量從下方湧來，富含榴輝岩的岩石將會像縮小版的地幔柱一樣輕快地向上涌去。
研究者還在夏威夷地下發現了其他奇異現象。一個由英國南安普頓大學的Catherine Rychert領導的小組，利用從地幔柱實驗中得到的數據探測地表下方約110至155公里深處的一片暖池。但該研究小組發現，這處暖池並非處於夏威夷群島主島的正下方，而是位於其西方約100公里的區域。Rychert說，可能說明夏威夷地幔柱在抵達地表之後拐彎了，這可能是受到了某種影響，在這種影響下，地幔柱轉而朝另一個方向流動。或者地幔柱本身就是在沿著一條傾斜的通道前進。
這些推測的背後是一場圍繞著地幔柱實驗所能企及的深度的爭論。要想獲得可信數據，地下1500公里可能便是它的極限了。Sigloch和Barruol的目標之一便是通過在留尼旺島周圍密集布置一系列工具來研究更深層的地幔柱。Sigloch補充道：在這裡，我們有希望將觀測範圍一直延伸到地幔的下半部，然而用同樣的方法研究夏威夷地幔柱是不可能的。
實驗之爭
造成這個局面的罪魁禍首是夏威夷群島的地理位置：它坐落於太平洋的中心。與之相比，留尼旺島的優勢在於它距離馬達加斯加島很近，且相對也更加貼近非洲南部，研究者可以更從容地布置地震儀器。Sigloch和Barruol的研究正是利用了從馬達加斯加島和非洲獲得的數據。此外，他們還將儀器布置在莫三比克海峽中的一些島嶼上，作為海底地震儀的補充設施，該儀器由Sigloch和Barruol於2012年研發。留尼旺島地幔柱的研究得到了總計120個地震監測站的支持，覆蓋範圍達2000至3000公里。
但即便如此，夏威夷大學地震學家兼地幔柱研究負責人Cecily Wolfe仍認為留尼旺島地幔柱的研究具有不確定性。她說：對該處地幔柱的成像工作極度依賴地形結構及技術和技巧的應用。
無論留尼旺島的研究發現了什麼，其結果似乎都將難以說服少數對地幔柱假設持批判態度的人。美國果登市科羅拉多礦業大學地球物理學家Warren Hamilton便是其中之一，他認為那些所謂的地幔柱學家是通過片面解讀地震數據來發現地幔柱的。
不過，有一點毫無疑問：地幔柱比人們原先預想的要複雜得多。
近日，在加州舊金山市召開的美國地球物理聯盟會議上，Rychert論述了幾處可能存在地幔柱的地震研究，這些地幔柱分布於夏威夷群島、加拉帕戈斯群島、冰島群島及非洲東部的阿法爾地區。但其相關探針只能探測到地下數百公里深的位置，無法深入到地幔內部。
在大部分研究中，例如夏威夷群島，Rychert在地下100公里深處發現了類似熔岩池的地理特徵，這種熔岩池被認為是由地幔柱形成的。Rychert通過研究還發現這些地幔柱的位置並不總是與研究者的預期相一致。
Rychert在加拉帕戈斯群島區域標註了3處類似熔岩池的地理特徵：一處正好位於原先被探測到存在地幔柱的位置，另外兩處則在其他區域。這一發現或許意味著當地幔柱抵達岩石圈後，會向四周擴散，其路徑也會發生偏移，最終匯入不同的火山中。Rychert說：地震研究方法使我們能夠更詳細地研究地幔柱，有些時候還能觀測到更複雜的現象，這是讓我們在研究中感到興奮的地方。
Sigloch和Barruol期望在接下來的數月內能夠經歷許多這樣令人興奮的時刻。數日前，他們的研究船滿載著地震數據和其他珍貴資料返回了位於留尼旺島的港口。他們將花費至少1年的時間對這些數據進行深入分析，弄清留尼旺島下方究竟有著怎樣的地質活動。幸運的是，他們已經從水下地震儀得到了想要的數據。
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