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冰与火之歌,来自地幔的毁灭之柱

时间:2019-08-22 22:31来源:科学研究
历时9年的史诗美剧《权力的游戏》终于迎来最终季。无论是百年家族的尔虞我诈、还是异鬼魔龙的进退纷争,一切即将步入最后的尾声。对权游观众来说,一个揭晓全部故事答案的大结

历时9年的史诗美剧《权力的游戏》终于迎来最终季。无论是百年家族的尔虞我诈、还是异鬼魔龙的进退纷争,一切即将步入最后的尾声。对权游观众来说,一个揭晓全部故事答案的大结局,固然是日夜翘首以盼的盛宴;但当一切尘埃落定,想必都会有几分留恋和不舍吧。

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。

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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)。

《权力的游戏》最终季海报,冰与火将迎来最后决战 | HBO

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。

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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。

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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。

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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

当再也没有新的故事可供期待,我们会逐渐淡忘激情,淡忘幻想,忘掉冻结世界的凛冬,忘掉撕裂大地的狱火;把那些关于人性和权力的隐喻收拾好,拿回现实中作为清醒心智的箴言,然后将一切重新交给俗世琐务,继续哼唱平凡人生的不温不火之歌。

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。 

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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。

图片 6EPSL 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。

毕竟,在成年人的现实世界里,荧幕上的幻想与光魔,是不会有任何容身之地的。

参考文献:

  1. 吴泰然等,《普通地质学》,北京大学出版社。
  2. Morgan WJ. Deep mantle convection plumes and plate motions. Bull. Am. Assoc. Pet. Geol.(1972) 56:203–213.
  3. Thorne MS et al. Mega ultra low velocity zone and mantle flow. Earth. Planet. Sc. Lett.(2013) 364:59-67

相关小组:地球那些事儿

我们生存的环境,构筑了我们的常识。工业文明带来安全与繁荣的奇迹,但也把我们的常识锁死在了这份奇迹里。以至于我们不曾琢磨,为了从现实中获得一丝暂时的消遣而精心设计的幻想世界,会不会恰好触到了常识之外的另一片真实。

其实,那万年不息的凛冬、那怒火燎原的烈焰,它们在银幕外的这片土地上的确存在过,存在于真实的地球演化历史中。只需一点点想象力,这首真实的冰与火之歌便会为你吟唱。

不妨把这首歌的序曲安排在一座古代帝国的废墟,那里有无数殆于末日的残骸,和一座耸入天际的火山。

太长不看:

地球上存在着真正的“冰与火之歌”

火即“大火成岩省”,是地球历史上规模最大的喷发产物,喷发往往持续十万年到百万年之久,影响近百万平方公里。

冰即距今6-7亿年前的成冰纪,地球“雪球”状态持续了约1亿年。

大火成岩省提供了足以融化“雪球”的热量,并间接孕育了生物大爆发,但它也曾带来大灭绝。

地球物理勘测表明:今日地球内部,有两个地幔柱早已开始酝酿,“冰与火之歌”再次来临只是时间问题。

埋葬文明的地火

公元79年,罗马帝国正处于极盛时代。横跨三大洲的广袤疆域,讴歌着元老院与罗马人民的荣光。盛世的心脏坐落在意大利亚平宁半岛的中央。在这片围绕帝国中枢的“环首都经济带”内,有一座叫做庞贝的繁荣都市。宏伟的维苏威火山是她的注脚,那不勒斯湾则延展着她的视线。只是,帝国不曾想到,纵然有足以抵挡蛮族侵袭的广袤疆域与百胜军团,在火神乌尔坎诺1]的眼里,文明,终究不过是一条过于脆嫩的枝叶。

是年秋冬之交,维苏威火山突然喷发,顷刻间埋葬了庞贝,把这座身处罗马帝国腹地的一线都市,彻底从地图上抹去。

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英国画家John Martin绘于1821的《庞贝末日》,维苏威火山喷发的烟尘遮天蔽日,如同地狱般的炽光将一切染上猩红 | 维基百科

身处后世的我们当然知道,失去一座繁荣都市的阵痛,并没有让罗马史就此终止;可宏伟如这世纪帝国者,在地球亿万年的演化中,也不过是一个眨眼即逝的片段。当石柱风化、书卷腐朽,世纪帝国留给大地的,不过是数米厚的土层。与二三十公里厚的大陆地壳相比,它不过是薄纱一张。而轻易埋葬庞贝古城的维苏威大喷发,在星球历史上真正的怒火燎原时代,甚至连闪烁的星火都算不上。

撕裂地壳的大灾厄

地球历史上规模最大的喷发产物,叫做“大火成岩省”(large igneous province)。它们一旦喷发,往往持续十万年到百万年之久。在此期间,它们可以把地球表面近百万平方公里的土地,变成漫布熔岩的火海。

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图中紫色标示出的便是世界上较大的几个的大火成岩省区域。| 维基百科

人类一厢情愿,把地壳深处的世界比喻成“地狱”。处于岩石圈底部的更深圈层,科学上称为软流圈。从生命的视角来看,软流圈里那数千摄氏度的高温、那可以把石墨轻松压成钻石的高压,确实与地狱环境无异。而从地球的视角来看,这里却是一个创生的世界。每一天,无数的岩浆从这里诞生。它们流淌在岩石的缝隙中,缓缓蠕动着,就像神话中的巨人,托举着头顶的一座座大陆,进行着千百万年的挪移。相聚的大陆相互撞击,铸造山脊;相离的大陆腾出缝隙,撕裂洋底。就这样,软流圈持续不断地开山造海,让地球生生不息。

可大火成岩省藐视这一切,它并不是这软流圈的产物,而是发源于比软流圈更深、更热的地方——那是地幔与地核的交界,距地表足有几千公里深。偶然的时间段内,巨型的热流会从这里发源,一路上升,刺穿上覆的一切,然后像“蘑菇云”一样在软流圈绽放。这条纵贯行星半径的热流射线,人们叫它地幔柱。

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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。| nature.com

当地幔柱击穿地壳,令“蘑菇云”中的巨量岩浆流淌到地表,就形成了所谓的大火成岩省。

打开今日的地图,你会发现大西洋的边界就像是被什么活生生撕开一样。如果把离得更远的印度、澳大利亚等大陆也算上,把它们想象成七巧板,可以发现它们几乎能够完美拼合成一个统一的形状。于是人们设想:在史前时代,今日地球的各个大陆可能是一个统一的整体,而后才被撕裂成今天的模样。人们把这个史前的超级大陆叫做“泛大陆”,意为“完全无缺的大地”。

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泛大陆指古生代至中生代期间3.35-1.75亿年存在的大片陆地,这个名字是由提出大陆漂移学说的德国地质学家阿尔弗雷德·魏格纳所提出。| GeologyIn

可谁会拥有撕裂泛大陆的力量呢?

人们在今日各大洲的边缘地带,发现了一个明显的特征:沿着洲际两侧,往往具有巨厚的熔岩地层,绵延数十万公里。没错,这正是大火成岩省。它们的形成时代,和泛大陆被撕开的时代几乎完全一致。这很容易让人们联想,塑造了大火成岩省的地幔柱,便是撕裂泛大陆的罪魁祸首。

由此看来,这撕裂大陆的燎原火海,似乎是一股来自深渊的不祥灾厄。然而,就像《权力的游戏》里反派也可以被洗白一样,事实并非如此直白。在地球历史上最大的冰期里,当生物圈在严寒中几近绝望之时,将世界从冰封的边缘拯救回来的,也正是这股看似不祥的灾厄。

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即便今日地球上那些最壮观的喷发,比如图中的夏威夷熔岩溢流,在遮天蔽日的大火成岩省面前,也不过是星火微光 | hawaiilavaupdate

由此看来,这撕裂大陆的燎原火海,似乎是一股来自深渊的不祥灾厄。然而,就像《权力的游戏》里反派也可以被洗白一样,事实并非如此直白。在地球历史上最大的冰期里,当生物圈在严寒中几近绝望之时,将世界从冰封的边缘拯救回来的,也正是这股看似不祥的灾厄。

凛冬世界的烈火援军

无论叫“南华”还是叫“马琳诺”,来自不同文明的不同发音,都诉说着一片相同的寒意2]。这些名词描述的是同一个时代——地球历史上最诡异的纪元:成冰纪。

距今大约1万年前的史前大冰期,我们大概有一些印象。但这个所谓的“末次盛冰期”,与距今6-7亿年前的成冰纪相比,简直就像是一阵清凉的微风。在成冰纪,整个地球从两级到赤道海岸,统统被冻成了白雪皑皑的世界。就算在《权利的游戏》中,好像也没有哪次凛冬将至,能把整个维斯特洛大陆全部冻上。

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成冰纪期是真正的“凛冬将至”。|《权力的游戏》

成冰纪出现在7亿年前,比后世生物大爆发的寒武纪还早了两亿年。彼时的生物圈是微生物的帝国,但就算对微生物来说,这样的大冰期也是致命的。站在后人的视角,我们知道地球最终并没有就此一冻到底(否则我们就不存在了)。事实上,“雪球地球”持续了大约1亿年就融化了。为地球加热的方式很多,但这些方式在解释地球如何走出成冰纪的过程中,都遇到了一些麻烦。比如,太阳活动的突然增强倒是可以加热地表,但这不符合恒星演化模型;小行星撞击同样可以,但又没有地质证据。后来,通过还原当时大陆的位置,人们发现了一件很巧合的事情——

与距今1亿多年前的泛大陆一样,在距今6-7亿年前的成冰纪,地球上的各大板块也聚合在了一起,构成了一个完整而统一的大陆。这座更加古老的完整大陆叫做“罗迪尼亚”(Rodinia, 俄语“故国”之意)。

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距离6-7亿年前成冰纪的雪球地球想象图。| BBC

地质学家在罗迪尼亚末期时代的遗迹中,同样找到了多座大火成岩省存在的痕迹。于是,故事得以复盘:当持续一统了亿年之久的“末日帝国”罗迪尼亚大陆“摇摇欲坠”之时3],大火成岩省就像一座座“起义的烽烟”,点燃在它古老的版图之上,从不同的部位撕扯末日帝国,最终把罗迪尼亚肢解到支离破碎。

多座大火成岩省的联合喷发,不仅是一股撕裂大陆的力量,更向地表输出了不可估算的热量。在庞大热量的作用下,雪球地球融化了。地球跨过成冰纪,走入了新的时代——震旦纪4]。

在灭世凛冬之中幸存下来的生物圈开始“觉醒”,一场期待已久的繁荣开始了。从震旦纪持续到寒武纪的这场大繁荣,被后世的人类冠以“生物大爆发”的盛名。它是生物演化史上的里程碑:由微生物主宰的隐生世界从此不复存在;宏观生物开始登上地球舞台,熙熙攘攘,让地球热闹至今。

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寒武纪生命大爆发,对传统进化论观点提出了挑战。| 源自网络

破晓时代的残酷终局

虽然大火成岩省提供了足以融化雪球地球的热量,并间接孕育了生物大爆发,但对于后来的地球生物圈来说,它从来都不是什么善主。从生物大爆发至今,时间走过了大约5.4亿年,在此期间,大火成岩省依然会在某些时间节点突然出现,往往令生物圈猝不及防。

在喷发时,它们释放出巨量二氧化碳,令地表急剧升温,成为压抑而窒息的温室;而巨量的硫酸气溶胶和喷至平流层的火山灰,又阻隔着阳光,令植物的光合作用拦腰下跌。这些酸性气体不仅肆虐大气,还要进军海洋,令海洋酸化,海洋生态系统就活生生被泡在了“酸溶液”中。

在这样的环境中,生物圈自是苦不堪言,于是,一次次触目惊心的大灭绝,就铭刻在了相应的历史时期。距今2.5亿年前,当显生宙最大的大火成岩省——“西伯利亚暗色岩系”喷发之时,地球上超过95%的物种就此成为千古绝唱。我们今日所有的地球生物,都是那5%幸存者的后代。

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此后全球生态花了数百万年才完全恢复。| 维基百科。

眼下的我们,暂时并未处在凛冬肆虐的冰期,地球表面也暂时没有新的大火成岩省肆虐一方。这真是何等的幸运!但它们的再次来临,只是一个时间问题。这不是杞人忧天,更不是轶事传闻。地球物理勘测表明:今日地球内部,有两个地幔柱早已开始酝酿5]。如果我们人类持续繁衍下去,总有一天,会面对这将至的终局。

烈火和寒冰的故事还会继续在我们的星球表面上演,人类身在局中,注定无法摆脱这场名为演化的游戏。长夜漫漫,处处险恶,我们的目的只有一个,就是生存下去。如果万物终将一死,最起码,我们可以努力去当活得最长久的那个。

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图 |《权力的游戏》

而唯一能够为我们的未来守夜的力量,或许,便是科学。

这是一种足以看透世界、创造奇迹的力量。

附注

1] 乌尔坎诺,Vulcanus,罗马的地火之神,代指火山。火山的学名volcano即根据该神命名。

2] 成冰纪“雪球事件”,在不同地区有多种不同的具体叫法。我国曾称“南华大冰期”,在国际上又称“司图特-马琳诺大冰期”(Sturtian-Marinoan Glaciation)。

3] 一种相对主流的观点认为:超大陆持续聚合会令大陆中心的岩石圈地幔发生拆沉(delamination),从而解构岩石圈的稳定性,导致超大陆持续聚合之后,其结构往往脆弱化。

4] 震旦纪是我国地层年代划分标准。在国际地层表中,震旦纪等同于埃迪卡拉纪。

作者:溯鹰

编辑:steed

一个AI

我看透了这个世界,也看不透《权力的游戏》的结局

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本文来自果壳,未经授权不得转载.

编辑:科学研究 本文来源:冰与火之歌,来自地幔的毁灭之柱

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