夏威夷何去何从?

    风光迤俪的夏威夷有点孤独地站立在太平洋中间,几乎同样遥远地与亚洲大陆和美洲大陆隔海相望,这未免令人对夏威夷的来历充满困惑。不过如果我们假设把海水抽干,会看到在夏威夷的西北方向存在一系列的海底山脉,它们和间歇露出海面的海岛一起,组成一个明显的几乎连续的向亚洲大陆方向延伸的山系,这个现象提示夏威夷一定具有不同寻常的起源。

确实,现代地质学基本认定夏威夷是由来自地幔的熔岩通过一个漏洞,作为一个火山热点冲破地壳板块而冷却堆积形成的。至于夏威夷西北方向的条带状山脉,则仍然是从这同一个火山热点喷射出来的熔岩堆积而成,只是由于太平洋板块不断在向北方漂移,使得历史上由这个火山热点形成的山脉呈现现在的走向,这样在这个山系里面,越是北方的火山越是古老,而夏威夷只是这个火山热点的最新产物而已。就好像在现在夏威夷的位置,底下的地幔熔岩一直在向地面泄露,而地表板块则象一张白纸从这个泄露位置上面不断向北方滑过,自然会在这张纸上面留下一条印记,这就是这个山系的来源。

因此,基于这种解释,我们似乎可以预料夏威夷正在由于板块向北移动的缘故,而随着板块一起向北移动。不过这个结论的前提是,来自地幔的那个漏洞的位置本身是固定不动的。最近通过研究在夏威夷附近的帝王海底山脉钻探所获得的地磁数据表明,这个前提未必是准确的,因此夏威夷的未来漂移方向,还不是一个目前可以轻易回答得了的问题。

夏威夷的三个选择

通过测量帝王海底山脉的年龄,以及它目前到夏威夷的距离,根据上面的理论图像,可以推论在此前81万年到47万年之间,太平洋板块以每年大于5厘米的速度相对于夏威夷底下的那个位置稳定的地幔漏洞向北漂移;或者也可能是太平洋板块本身没有漂移,只是那个地幔漏洞在向南漂移。

为了分辨这两种可能性,科学家们测量了帝王海底山脉的火山熔岩样品的地磁数据。由于地磁数据能够反映熔岩冷却下来时其所处的实际地理纬度,那么只要这个纬度等于它现在所处的实际纬度,就说明太平洋板块本身没有漂移,而是那个地幔火山热点发生了漂移;反之则说明是板块在漂移。然而测量结果有些出人意料,结果表明不仅太平洋板块在向北漂移,同时在板块下面,那个地幔火山热点也在向南漂移。

当然地磁测量结果要能够确切地说明问题,还依赖于我们对同一时期内地磁场的演变历史的了解程度。因此我们还需要另外寻找更多的能够反映板块和火山热点相互运动关系的证据。一般说来板块和火山热点的相互运动关系只会有三种可能性:第一是地幔层基本稳定,由地幔熔岩向地表喷射的管道﹑以及火山热点的源头位置也就是固定的,只有地表板块在地幔之上滑动;第二种情况是除了板块的滑动之外,整个地幔层也存在相对板块﹑与板块运动方向相反的均匀流动,但是各个火山热点之间的相对位置,还是保持固定不变;第三种情况是,除了上述板块和地幔的运动之外,各个火山热点源的相对位置也在发生变化,这是由于地幔层发生了不均匀的流动所致。显然,这三种不同的运动模型对于夏威夷未来的走向具有完全不同的影响。

在最简单的情形下,火山热点的相互位置是固定的,那么处于大陆的同一个火山热点所形成的一系列山系,就可以用来标记比海床扩张纪录更加古老的板块漂移历史,也就是至少1亿5千万年前板块的位置纪录。而从夏威夷到亚洲大陆的这条漫长山系在中途的偏折,也可以直接地解释为板块运动历史上的转折变化。进一步我们可以计算出板块之间的相对位置,然后把计算结果与完全依据海底磁场异常而得到的海盆中的海床扩张纪录相比较,从而检验火山热点位置固定的假设是否成立。不过这个思路依赖两个前提,一是得找到比较可靠而完整的火山热点成因山系的整套年代学数据,二是得比较清楚地了解板块的海床扩张历史。因此这个方面的检验工作目前还需要进行大量的工作,才谈得上提供有力的证据。

指引未来的夏威夷

由于本质上,板块的运动是由地幔层的对流驱动的,因此从板块的运动状况和通过地震波测量到的地幔密度异常出发,就有可能建立一定范围内的地幔流动的力学模型。根据这个力学模型,我们似乎应该认为地幔的运动会影响其中熔岩泄露管道的走向﹑甚至火山热点最底层的源头的相互位置。从这个角度上来看,就可以很好地理解帝王海底山脉地磁数据所表明的额外的纬度变化,只是目前还难以估计火山热点最底层源头的相互位置变化对于这个纬度变化的贡献有多少。

不过目前要大规模地根据火山热点成因的山系来研究地幔与板块的相互运动历史,还存在很多障碍。例如最基本的对于如何确认火山热点类型的火山就存在很大的分歧;对于火山热点源头到底处于地幔的那个深度,也存在不同的意见;对于一些成链状的岛屿群,从其所具有的火山历史的种种迹象来看,应该是属于火山热点在板块上面“扫描”的遗迹,但是对它们的年代学测量结果又与这个猜想发生矛盾。

从目前来看,夏威夷-帝王海底山脉这个山系是得到最充分确认的热点成因的火山山系,因为已经有了大量精确的年代学数据和地磁学数据都支持这个结论。所以从夏威夷开始,我们有可能彻底地研究地幔运动和地壳板块构造运动的相互关系。要达到这个目的,首先需要建立一个合理的关于地幔的流体力学模型,然后再把这个模型和板块运动的历史数据结合起来,就成为一个完备的能够接受检验的地幔地壳相互作用模型,其中象夏威夷-帝王海底山脉这样的热点遗迹的地磁学数据,能够扮演极其关键的确定模型构架的作用。

通过这个模型,我们终将做到把地幔的流动和板块的构造运动进行统一的理解。因此尽管目前我们对于夏威夷未来的地理走向还无法确定,但是夏威夷为我们带来的知识的前景却是明确而辉煌的。