来自地幔的毁灭之柱| 果壳 科技有意思
自远古以来，地球本身的演化在多方面塑造出了有利的条件，让生命的诞生和发展成为可能。但是，科学家从远古带回的数据却不会因人们的自作多情而改变丝毫。自5.4亿年前的生物大爆发以来，几近所有的大型灭绝发生之时，人们总能够在当时的地层中找到某次巨型岩浆溢流灾难的影子。这很难让人相信这仅仅只是巧合。
岩浆溢流灾难听起来固然震撼，但它本身也不过是一种地质现象，追根溯源，它的背后到底是什么样的地球伟力在推动着它呢？为此我们有必要进行一次全新的地心旅行。在板块构造已然深入人心的今天，这趟旅行将为大家呈现另一种截然不同的地球动力学图景。它鲜为人知，却与地球上全部生命的生死存亡息息相关。它深达行星之核，横贯地球半径，轰裂地表，淌出岩浆洪流。这就是今天我们故事的主角——矗立在地底的宏伟巨杵：地幔柱（Mantle Plume）。
板块构造的补完
地球“是什么”早已摆明，但是它是“怎么动”的呢？
自从魏格纳（Alfred Lothar Wegener）让大地“漂起来”开始，将近一个世纪的时间里，越来越多的人已经接受了这样的图景：我们脚下最表面的这层物质——地壳，其实并不是刚板一块，而是一块块的七巧板，即可以拼合，也可以拆开，甚至还可以被掰断、支解。我们生活在这样的七巧板上，有可能因板块的拼合而汇聚为一，也同样有可能因板块的离散而相互支离——没错，这就是大家极为熟悉的板块构造学说。
其实早在魏格纳提出板块漂移学说之前的1858年，法国地理学家安东尼奥·斯奈德-佩列格里尼（Antonio Snider-Pellegrini）就已经绘制了关于大西洋形成的插画。
图片来源：wiki commons
但是，当时的人们不得不承认，板块构造自建立起就一直顶着一朵“乌云”：该学说全部的内容都建立在“地壳刚性”的预设之上，换句话说，板块互相之间的力，只会作用在板块的边缘，其内部不应该有大规模的地质活动。但是，人们却在稳定板块的内部，的确发现与预测完全不相符的活跃行为——比如夏威夷剧烈流淌的火山，比如黄石公园的喷发，又比如两亿多年前的西伯利亚的岩浆溢流。这些地质运动，无论在强度和影响效应上，都足以与板块构造体系下的火山弧、造山带等经典现象相媲美，完全不是那些可以忽略的误差选项。
板块构造理论刚成型尚不到十年，摩根（William Jason Morgan）教授就开创性地指出，对于地球动力学来说，板块构造其实并不是一个整全性的描述，而只是其中一种行为罢了。在同一个地幔内部，其实等价地存在着两套截然不同的动力学图景：
地幔软流圈如同传送带那样横向循环，托着板块满世界漂，以动能的形式消耗行星内核的放射热，这，是其中的一种运动行为，正如我们熟悉的那样，是为板块构造。
而当地幔在纵向上以非平移的行为运动时，情景便截然不同了。在地核的加热下，最靠近地核的那部分地幔会形成一个升腾的热柱——就像烟囱中的滚滚浓烟一样。它在流动的地幔中垂直上升，几乎完全不影响、也不干涉板块构造的“传送带运动”。这，又是另一种运动行为。而这种行为的主体，就是我们这里所说的地幔柱了。
地幔柱结构示意：蓝色实心球为地核。虚线透明部分包括从地幔到地壳的范围。黄色部分为地幔柱。色彩表示热异常的比率，越蓝表示热梯度越正常，越红则反之。
图片来源：Nature.com
地幔柱不只是人们为解释现象而设计的一种模型，它本身是客观存在的。地幔柱被定义为“存在于地幔中的一种呈柱状分布的热异常领域（Thermal Anomalies）”，简单地说，就是与周边地幔对比，柱中的区域要有着更高的温度。热胀冷缩，温度的升高带来密度的降低，密度的降低让波速变慢。于是，当人们把人工地震波打向地球内部时，波速的变化可以让它现形。
基于震波勘测的事实，摩根教授和后人们发展了地幔柱理论：在地核和地幔的边界处（Core-Mantle Boundary，CMB），星核巨温的加热，会令地幔中最靠近地核的部分温度升高。温度的升高必然带来密度的降低，当一个均一的体系内部发生密度分化，且还是密度低的在下，密度高的在上时，体系将发生瑞雷-泰勒失稳。在这种情况下，地幔中将会重新演绎一个“局部行星分异”——低密度的轻物质上浮，腾出空间让重物质下沉填充，地幔柱——这个低密度的流动结构，就沿着竖直方向一路缓缓上升了。
根据流体力学的模拟，一个柱缕结构在垂直上升中，其头部将会缓慢地扩展开来，就像一个蘑菇缓慢地张开自己的伞盖一样。越向上走，周围地幔的密度就会越低，直到地幔柱率先升起的头部走到与其密度大抵相当的地方，伞盖就会横向扩散，张开，缓慢地在横向上扩展出一个巨大的区域。地幔再怎么深，其深度也毕竟有限，一直上升的后果可想而知，这么大一个伞盖最终将“一头顶上”岩石圈的底部。地幔柱的头部可是富含来自地核的高温岩浆啊，将岩石圈顶裂之后，接下来会发生什么，我想，已经不言而喻了。
地幔柱示意图。途中中最黄色区域为内核，橙黄色为外核，深红色为地幔，灰色为地壳。右侧四个大小不同的地幔柱形象地表示它一边上升一边展开头部，最终冲击到岩石圈底，诱发大火成岩省的动态特征。左侧一个孤立的细小地幔柱表示地幔柱头部已经喷出消耗之后，其尾部在地球上继续打出的较小区域——大地热点（Hotspot）。热点一般形成海山，或随板块的移动而“搓出”无震海岭。
图片来源：nature.com
今天的地幔柱，明天的大灭绝
火山，是地球深部岩浆的输出口。它的喷发已然可怕，但找遍地球，哪怕把岛弧链和洋中脊这种大型火山带都包括进去，都从来没有哪种岩浆事件，能与那种被称为“大火成岩省”的星球级岩浆溢流体系相提并论。与现代能见到的火山喷发相比，大火成岩省根本就是完全不在一个层面上的另一种星球图景。人们虽然可（wàn）惜（xìng）地（a）没有生活在大火成岩省极盛喷发的时代，没法实际见到它的模样，但我们的地球科学家却可以精确地告诉人们：大火成岩省实在太大了，大到能覆盖三分之一个西伯利亚地域，更可怕的是，这么大的岩浆区域并不是在极长的时间内缓慢累积出来的——它的发育完成仅仅需要十分之一个标准地质时间单位。
这种大火成岩省的喷发，便是地幔柱直接拱裂岩石圈的可怕后果。咱们还是回到根源上想一想——地幔柱是什么？它是一个行星在极短时间内大规模释放内部核热的极端手段，而且，这种手段还不是板块运动那样热能对动能的转化——而是将最深部的热能直接输出到地表，输出到大气圈、水圈、生物圈这些地表的圈层。
如此规模的热量，一旦以CO2等岩浆挥发份为载体输出，会造成极大规模的温室效应。但与此同时，另一种主要的岩浆挥发份——SO2，又会积极地与大气中的水分结合，形成硫酸的气溶胶，不仅让酸雨“滋润四方水土”，更能有效地反射射至地表的太阳光，令局部产生冷室效应。在气候的冷热失调下，生物圈就只能有一种回馈方式了——灭绝。
于是，西伯利亚大火成岩省喷发后，就有了二叠纪末那场亘古大灭绝，超过95%的物种被清洗，伟大的古生代生物群至此被彻底摧垮，永远地凝固在了历史的记录中。自生物大爆发以来，持续3亿年的“远古生物时代”就此便结束了，历史进入“中古生物时代”的第一个纪元——三叠纪。又过了很长一段时间后，中央大西省喷发，把这个三叠纪连同它的生物群一起从地球日历上彻底撕掉，迎来侏罗纪。侏罗纪把恐龙推向了历史的高潮，然后繁盛了几千万年，在白垩纪的末期，印度德干地区又出现了大火成岩省）——这次好像还偶然跟地外事件重合到了一起——导致中生代恐龙王国直接歇菜，让“新生生物时代”的哺乳动物开心地充填空空如也的生态位。
大灭绝与巨型岩浆溢流事件的时间匹配图，其中红色的线条表示巨型岩浆溢流事件。括号内标出的是海底溢流事件，其中OJP表示翁通爪哇海台、KP表示凯尔盖朗海台、CP表示加勒比海台。
图片出处：elements.geoscienceworld.org
古生代被地幔柱毁了，中生代被地幔柱毁了，咱们现在依然生活在新生代。地幔柱，不再来一发吗？
事实告诉我们，当下的地球内部不仅的确存在着地幔柱，而且还有两个：非洲下面一个，太平洋下面一个。2012年世界末日的才刚消停，地学界权威的学术杂志《地球与行星科学学报》便发布了一个震撼性的研究（参考文献3），把更精确的事实告诉了我们——
原来，这些地幔柱早就已经在酝酿了。
在地核与地幔的边界，几乎能覆盖整个太平洋的大型低波速域（LLSVP）正在潜伏着。为何会有低波速？温度高了，密度低了，已经开始不正常了。在这些LLSVP中，温度持续升高，最终使热力/密度分异强化为化学分异——浮力大的物质会集中聚拢起来，进一步演化，最终形成流动性更高、活动性更强烈的超强低波速域（ULVZ）。ULVZ里边的物质已经开始发生大规模的部分熔融了——说更通俗点其实就是更加高温的岩浆，只要喷出来就可以直接玩灭绝了。不过还好，研究指出，目前这些ULVZ还是非常局部的。但是，它们毕竟在缓缓聚拢。一旦它们丝缕相连，上升到地表，新生代估计也就差不多了。
EPSL 2013年2月所发布的最新研究中量化出的LLSVP面积。通过大陆的轮廓（白色线条）可以直观认识其大小。
图片来源：参考文献3
有两个消息。一个坏消息是，它们的确已经在高速地汇聚上升了——否则科学家们不可能告诉你现在地球上已经有两个地幔柱；但另一个好消息是，在地学上一切离开时间谈灾难的行为都是不靠谱的。永远记住，地球科学的基本时间单位不是“年”而是“百万年”，所以，就算它们“瞬间发生”，这个瞬间也过于漫长。
对于地球来说，无论是保护你，还是毁灭你，与你其实毫不相干。你只是地球系统里的一份子，演化的过程中，消失了又有什么好奇怪的呢？宇宙不是目的论的试验场。
但是，站在我们自己的立场上考虑，从宇宙中消失我们甘心吗？不甘心。那么好，就不妨抱着这种忧患的意识继续生存发展吧。环境赐予你压力，世间永无温室。无论是远征星辰大海，还是切实改造家园，在自然的伟力前，我们必须只有一个回答：活下去。
参考文献：
吴泰然等，《普通地质学》，北京大学出版社。
Morgan WJ. Deep mantle convection plumes and plate motions. Bull. Am. Assoc. Pet. Geol.(1972) 56:203–213.
Thorne MS et al. Mega ultra low velocity zone and mantle flow. Earth. Planet. Sc. Lett.(2013) 364:59-67