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火山岛排成一条链:年龄依次变老,拐弯处记录板块转向

太平洋上有一串火山岛,从东南向西北排成一线,最东南的夏威夷大岛还在喷发,越往西北岛屿越老,海底的山峰也越深。这条链不在板块边界上,却记录了板块的运动方向与速度,是研究板块运动最直接的自然档案之一,也是检验热点假说的经典样本。

先量年龄:沿链方向逐个变老,间距大体均匀

夏威夷—皇帝海山链全长约 6000 千米,大岛的玄武岩年龄接近零,西北端的海山已超过 7000 万年。年龄沿链递增,间距大体均匀,说明源区相对深部地幔大致固定,而板块正从它上方掠过。

用年龄差除以距离,得到板块移动速率,常在 5–10 厘米/年,与用磁条带算出的结果接近,两条独立证据互为校验。年龄沿链单调变老、间距均匀,是热点轨迹最直观的判据,只要取到几块样品就能试算,不必等整条链测完。

拐点不是热点搬家,是板块改了方向

这条链在中间有一个明显拐弯,时代约在 4700 万年前。拐点前后的走向从北北西转为西北西,年龄递变没有中断,只是方向变了,说明热点本身没有跟着拐,拐的是上方的板块。

拐点记录的是板块运动方向的改变。拐点处年龄连续、走向突变,是板块转向的时间刻度,太平洋其他海山链上也能找到同一时期的拐点,可用来校正板块复原。

最硬的判据是玄武岩的同位素签名

热点火山岩多为碱性玄武岩,富集不相容元素,同位素比值与洋中脊玄武岩明显不同,常带深部地幔的印记。这套签名不随板块位置改变,板块搬到哪里都带着,这也是它比地形更耐用的原因。

同一条链上年龄不同的火山岩,同位素组成却相近,说明来源是同一个。年龄递变加上一致的同位素签名,两条一起才能排除偶然排列,单靠年龄容易被后期火山扰动。

混进来的是洋中脊,它沿轴处处是零年龄

洋中脊也是上万千米长的隆起,也喷玄武岩,地形上与海山链有几分像。但沿脊轴取样,处处是接近零的年龄,向两侧才变老,方向与岛链正好相反,一个是横向递变,一个是纵向递变。

区分看年龄的几何格局。沿轴年龄递增的是热点轨迹,沿轴处处年轻、垂直轴向两侧变老的是洋脊,两者的火山岩成分也不一样,一个偏碱性,一个偏拉斑质。

关键数据

下列数值取自夏威夷—皇帝海山链,其他热点链量级相近。

  • 夏威夷—皇帝海山链长约 6000 千米
  • 链上火山年龄从 0 递增到约 7500 万年
  • 链的拐点时代约 4700 万年前
  • 由年龄与距离算出的板块速率 5–10 厘米/年
  • 黄石热点在蛇河平原留下约 1600 万年的轨迹
  • 夏威夷大岛面积约 1 万平方千米,仍在喷发

边界:热点自身也会缓慢漂移,长链年龄会偏离直线

近年研究认为,皇帝链的拐弯有一部分来自热点本身向南移动,而不只是板块转向。若热点移动速度达到每年几厘米,年龄与距离的关系就不再是直线,拐点的年代也会被拉偏,算出的速率随之偏高。

判断时要看多个热点是否同步拐弯。几个独立热点在同一时期改变方向,说明是板块转向;只有一条链拐弯,就要考虑热点漂移,本文判断这一条要留出误差,最好用多个板块的链联合约束。

参考文献

  • Wilson J. T. A possible origin of the Hawaiian Islands. Canadian Journal of Physics, 1963.
  • Morgan W. J. Convection plumes in the lower mantle. Nature, 1971.
  • Torsvik T. H., Müller R. D., Van der Voo R., et al. Global plate motion frames: toward a unified model. Reviews of Geophysics, 2008.
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文章名称:火山岛排成一条链:年龄依次变老,拐弯处记录板块转向
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