夏威夷和马尔代夫成因之谜

（本文为2013年第六届构造地质与地球动力学学术研讨会部分内容）

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所

中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京，100029

Email:lgh@mail.iggcas.ac.cn

夏威夷-帝王岛链是太平洋上最长的岛链，她到底是怎样形成的？本文给出的证据说明其成因机制是大陆漂移，她源于一个叫科里亚克的大陆板块从太平洋中部漂移到西伯利亚，并与西伯利亚板块碰撞拼合。她漂移后在太平洋板块上留下了深切割的海沟，使得这些区域洋壳变薄，成为薄弱带，后期由于受到太平洋四周大陆板块的挤压，使得太平洋深处的岩浆沿着薄弱的深切割海沟喷（涌）出，产生了这些岛链。

The genetic model of Hawaii, Maldives island arc

Liang Guanghe

Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences

Key Laboratory of Mineral Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100029, China

Email: lgh@mail.iggcas.ac.cn

Hawaii- Emperor is the longest island chain in the Pacific, how she formed in the end? The evidence presented here shows that the causal mechanism is the continental drift, which originated from a continental plate called Coriak drifting from the central Pacific to Siberia and colliding with the Siberian plate. After she drifted on the Pacific plate left a deep cut trench, making these areas of the oceanic crust thinning, become weak belt, late due to the continental plates around Pacific squeeze, making the depths of the Pacific magma along the weak deep cut trench spray out, resulting in the island chain.

1 引言

 凡去过夏威夷的人，都会被它那旖旎的风光所倾倒，这里是太平洋怀抱中的群岛。我们传统上所说的夏威夷群岛实际上是一个巨长的火山岛链的很小一段。她包括著名的大夏威夷岛、檀香山、可爱岛等等。这条横穿太平洋北半部的火山岛链全名叫夏威夷-帝王（Hawaiian-Emperor）火山岛链，她长约6000多公里，夏威夷群岛位于该岛链的东南端。它们呈现线状分布，但中间存在一个大拐弯，南半部分叫夏威夷海岭，北半部分叫帝王海底山。这些火山岛是在7000万年以前由火山喷发形成的。至少有129座火山岛，每个火山岛一般由一座或几座火山组成,这些火山从海底的第一次喷发起,随着几十万年间的无数次喷发,最终升出海面形成岛屿。目前正在活动的是最南部的夏威夷群岛，不时有火山喷发。位于大夏威夷岛上的莫纳克亚山（Mauna Kea）是一座死火山，约6000米的山体处于海平面以下，总高度约10203米，是世界上总高度最高的山。它的海拔高度比海平面高出4206米。但是如果从海底量到山顶的话，它就高达约10203米，比珠穆朗玛峰还高一千多米。

 当前对夏威夷火山岛链的成因的普遍认识是地幔柱假说。地幔柱假说认为，地下深处存在一个类似燃烧着的火炉从地球深部烘烤着大洋板块，使其发生熔融，为火山喷发提供岩浆来源。这个热点不动，随着太平洋板块的不断漂移运动，在太平洋底产生一系列线性分布的火山岛。

虽然地幔柱假说在1972年由摩根提出，但一直没有得到广泛认可，直到2000年一篇重量级文章的出现才使得地幔柱假说广为流传。该假说的关键依据是，科学家发现该火山岛链的玄武岩测年数据具有严格的时间-空间线性变化，但事实上，能够形成如此精准的年龄线性变化的原因是：部分科学家将原始数据中不一致的年龄数据去掉的缘故，实际数据表明没有严格的时间-空间线性变化规律。

例如作者分析本哈德等人（Bernhard et al）1998年文章中测年数据就发现（图1-2），在夏威夷岛链上并没有按照严格的线性分布（即0Ma-1.03Ma-2.6Ma-7.2Ma-10.3Ma-27.7Ma-38.7Ma）。它们中间出现了19.9Ma-26.6Ma-20.6Ma和39.9Ma-42.4Ma-38.7Ma这样的年龄分布特征。难道地幔柱会倒退吗？或者太平洋板块超一个方向移动时候会来回短距离往返运动吗？理论上显然解释不通。这种为了引导他人信奉其假说所搞的数据筛选，在科研中是一种造假行为。

图1 经数据筛选后广为引用的测年结果-呈现很好的线性关系

图2 原始测年数据并没有绝对线性关系

事实上，夏威夷岛链的火山岩测年数据存在逻辑错误，例如位于大夏威夷群岛的莫纳克亚山（Mauna Kea）火山，从海底算起该火山岛的总高度近10203米，这超过10公里厚的玄武岩不可能是一次喷发形成，而是历史上多次喷发形成的，从上到下喷发应该是从新到老，而当前的测年数据主要取自浅表部。由此得出该火山形成的年龄是接近0年，这显然与事实不符。我们知道，一个火山的爆发往往是多个期次的，有的火山今天爆发了又很快平息了。然后若干年后能量聚集到一定程度又再次爆发，地质历史上往往要爆发多次。如果测年过程中不考虑这种多期次性，测年结果是没有意义的。科学的测年方法应是针对每个火山点都要在不同深度的不同期次喷发的岩体上取样测年，这样才有意义和说服力。推测大夏威夷群岛的莫纳克亚火山在早白垩就开始间断喷发，直到现在。

地球化学也不支持该假说，如果夏威夷的玄武岩是地幔柱成因，那么它应该出现代表地幔高温的苦橄岩或科马提岩，但实际上并没有发现。这说明他们不是地幔深处所产生的岩浆。

贝彻特（Bilchert-Toft）等人展示的铪（Hf)同位素资料显示夏威夷熔岩中存在古深海沉积物。美国实施的夏威夷科学钻探项目（Hawaii Scientific Drilling Project，简称HSDP）。在夏威夷的莫纳克亚(Mauna Kea)火山实施的钻探中,在2019米深度以下打出了海相火山岩和沉积岩，这是地幔柱假说难以解释的。

国外科学家也并不都支持地幔住假说，杰弗瑞（Geoffrey F.）等人2005年的研究表明：①夏威夷火山活动至少持续了75 Ma,这是皇帝岛上当前测得的最古老的年龄(夏威夷地幔柱的起源时间并不清楚)　②如果地幔柱物质具有3.0T/m³的密度，那么夏威夷地幔柱的体积补给量约为7.5 km³/a　③要维持该年流量, 75Ma需要源区的体积相当于直经约1000公里的球体。这差不多相当于地球内核的体积，那么多岩浆从一个固定热点喷出地球是不符合逻辑的。

地球物理探测也没有发现确凿证据，证明存在这种地幔热点。沿着夏威夷岛链方向的地震接受函数剖面显示，夏威夷岛链没有上地幔异常，100公里以下地震波十分平滑均匀，没有地幔柱和大断裂的特征。

地幔柱假说无法合理解释夏威夷-帝王火山岛链中间的那个大拐弯，拐弯处的火山岩测年大约为43Ma，没有证据表明43Ma年地球上存在大的地质构造运动，能够将巨大的太平洋板块转向。这在力学机制上是不可能实现的。

 1977年7月“格济玛·挑战者”号在杰勒· 杰克逊领导下，进行了深海钻探, 得知除夏威夷山链上的库勒(Kure)岛外，这些岛链上的死火山已全部沉入水下，山链下的太平洋板块地层，其年龄为70Ma或者更老140Ma。后续的研究再次搞了数据筛选，舍去了古老140Ma而保留了70Ma。

2 夏威夷群岛成因的新认识

 夏威夷群岛的成因机制，一直是地球科学领域争论的一个热点问题。传统观点认为她是地幔柱成因，但诸多新证据发现地幔柱成因根本解释不了夏威夷-帝王火山岛链的特征。

既然地幔柱难以解释夏威夷群岛的成因，那么她到底是如何形成的？要探讨这个问题，需要首先了解一点地球科学的基本问题知识，那就是大陆漂移和海底扩张。

大陆板块存在大规模水平漂移是地球上的普遍现象，而且当前还在运动，现代精确GPS测量和古生物古地磁都有确凿证据说明大陆板块会漂移，但其漂移的源动力是什么？魏格纳100年前提出的大陆漂移学说，他认为大陆板块自己会漂移，动力主要包括两个，其一是因地球自转存在一个指向赤道的离极力；其二是因地球自转产生向西的力。后来地球物理学家经过计算得到的这两个力非常小，不足以推动巨大的板块克服阻力发生漂移。更不符合逻辑的是这两个力都是系统作用力，也就是说他们针对地球上的所有大陆板块都是一样的，那么现实中应该发生大陆板块统一都向赤道漂移或向西漂移，事实上并没有发生这种现象。因此魏格纳提出的动力被否定。

魏格纳后来也承认，大陆运动的起因这一难题的真正答案仍有待继续寻找，大陆漂移理论中的牛顿还没有出现。

为了解释大陆漂移的动力来源，赫斯（Hess）1961年提出了海底扩张学说。海底扩张假说认为，由于洋中脊不断喷发的玄武岩造成了海底扩张，像传送带一样拖动大陆板块发生漂移。基于泛大陆的裂解，其结论是现代海洋中的洋壳板块都是160Ma（Ma百万年）以后的，洋中脊附近因为都是新生成的岩石，其年龄应该是0。事实上是这样的吗？

著名地学院士任纪舜等人(2015)在地质论评上发表了一篇论文“寻找消失的大陆”，通过全球ODP（深海钻探）、海洋地质和地球物理调查表明全球大洋中存在大量古大陆残片。按照海底扩张假说，洋中脊上岩石年龄应该接近于0，而事实上却并不是这样的，在赤道大西洋洋中脊附近发现大量古老的大陆岩石分布，这些岩石年龄少则300Ma-330Ma，多则1600Ma-1850Ma。这与传统的海底扩张假说完全不符。大洋中的古大陆残片否定了海底扩张假说。

赫斯等人是基于太平洋东北角和大西洋北部局部的磁异常带与洋中脊平行提出海底扩张假说的，全球所有的磁异常条带都与洋中脊平行吗？2007年法国地质局编绘了目前全球唯一的世界磁异常图，遗憾的是该图否定了条带状磁异常与洋中脊平行的这种所谓普遍规律。众所周知，红海是一个新生代才裂开的新海洋，按照海底扩张假说，磁异常条带必定和洋中脊呈现条带状平行分布，但实际上并不是这样，在红海西部，磁异常条带几乎与洋中脊垂直，而在红海东部磁异常也并不呈条带状，而是呈现团块状沿着洋中脊分布，没有平行分布的特征。也许有人说，红海是一个还没有被完全扩张开的海洋，所以磁异常条带与洋中脊不平行。其邻近的印度洋是一个成熟的大洋，那里的洋中脊与磁异常条带也没有平行关系。事实上在太平洋和大西洋等全球区域，大多数地区磁异常条带并不平行洋中脊。

既然海底扩张不存在，那么到底是什么原因使大陆板块发生了大规模水平漂移？

从地热学我们知道大陆上平均地温梯度是每百米增温3℃，超深钻也验证了这个地温梯度的正确性。这就意味着40公里之下的温度可达1200℃，大洋地温梯度远高于大陆，在1200℃度下绝大部分岩石会变成熔融状态的岩浆。

新的大陆漂移说认为，大陆板块是飘浮在大洋板块上的，其主体部分沉入大洋板块中，随着深度的增加温度逐渐增高，岩石逐渐由弹性变为软塑性（图3），大陆板块底部飘浮在大洋深处的岩浆上。

我们可以形象地把大陆漂移比喻成“平底热锅里的黄油会自己跑”。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解，产生了一个裂缝和大洋深处的岩浆上涌，在初始阶段，大陆漂移与海底扩张一致，但洋中脊喷出的岩浆很快会被海水熄灭，因此海底扩张不能持续，但大陆板块漂移后在其后面持续不断地涌出岩浆并不断被海水熄灭，这个热力推动过程才能持续推动大陆板块向前漂移。其基本逻辑很简单：大陆板块运动中其前面处于挤压环境，地下深处的岩浆无法外泄，其后面处于开放环境，地下深处的岩浆持续上涌，推动大陆板块向前运动。

图3新大陆漂移模型，A是漂移前的状态，B是漂移后的状态（梁光河，2013）

根据这个模型，大陆板块漂移后会留下尾迹，也可能会留下火山岛链、大陆碎片遗撒物。据此我们可以很容易通过大陆板块漂移过后的尾迹来追踪其来源及漂移方向。这与刑事侦探对足迹的分析类似，通过简单分析就可以大致判断嫌疑人的去向。

追溯夏威夷岛链的轨迹我们可以推测其起源（图4）,图中清晰地显示了一个小板块的运移轨迹，如图中红色虚线箭头所指方向。该小板块外形像一个蝙蝠鱼，拖着一条长长的尾巴，漂移后留下了一条划痕，该小板块目前已到与西伯利亚板块拼接在一起，名字叫科里亚克板块。这个小板块在其正南的尾部仍然存在一条明显的水下海岭，北部（前部）是山脉，与新大陆漂移模型完全吻合。

这个小板块会漂移数千公里吗？实际上，地质学家已经证明，印度板块从是从南极洲分离并开始向北漂移，在约140Ma的历史时期，漂移了超过8000公里的距离到达现在的位置。也就是说大陆板块漂移数千公里并不稀奇。

图4 科里亚克板块漂移后产生了夏威夷-帝王（Hawaiian-Emperor）火山岛链

这个新大陆漂移模型不但能解释夏威夷群岛的成因，也能合理解释太平洋中其他线状火山岛的成因机制。推测它们曾经是大陆板块漂移后留下的轨迹和薄弱地带。

在泛大陆裂解后，因欧亚大陆向东北漂移，美洲板块向西漂移，同时澳大利亚板块向北漂移，因此太平洋洋壳深部总体呈现一种受压环境（图5），特别是夏威夷群岛附近当前正处于挤压的中心地带。这些板块前端深处的高压岩浆在那些薄弱地带被挤出，形成一系列线性火山岛。

大陆板块漂移后会在大洋中留下类似车辙的深沟，这些深沟是大洋板块的薄弱地带，一旦遇到压力，大洋板块深部的岩浆就会涌（喷）出。按照这个推论，大陆板块漂移后应该在洋壳上留下切割深度差不多的海沟，应该喷发出连续的火山岛。为什么夏威夷岛链上不是连续喷发的火山岛，而是隔一段距离一个火山岛而且不均匀分布呢？其实道理很简单，由于地球演化历史上温度的不断变化，造成了全球海平面的持续非稳定的周期变化，有时候气温升高，海平面上升，在这个期间大陆板块浮力就大，其漂移过程中切割洋壳深度就浅一些。当全球海平面下降时，这个期间大陆板块的浮力相应减小，其漂移过程中切割洋壳的深度就大一些。因此最终在洋壳深部受压的情况下，岩浆会在切割深的区域喷出。

为什么这个岛链在中间会产生一个大转弯呢？推测这个科里亚克板块随着大西洋的裂解在早白垩就开始向北漂移，在漂移过程中遇到一次造成全球恐龙灭绝的陨石撞击事件，该事件发生于65Ma年，该陨石撞击点虽然在现在的墨西哥尤卡坦半岛，但该事件使得地球瞬时产生了巨大震动，从而使科里亚克板块运动方向发生了转向，在该转弯处的火山活动可能从65Ma就开始喷发，一直间断喷发，这个过程持续到约43Ma才结束。

图5 太平洋周边大陆板块当前运动方向说明太平洋板块深部处于挤压状态。

 这个科里亚克大陆板块漂移模式是否能得到地质学上的认可？从图6的地质图上我们可以清晰地看出，科里亚克板块主要出露地层属第三纪到白垩纪。而其周边是一套白垩纪火山岩和白垩纪地层。该地块的地质特征显示它是一个外来板块拼合到西伯利亚板块上。这种拼合是否存在？传统上两个板块的拼合就是板块的碰撞，在它们之间会形成造山带和山脉。图7也显示的确存在一个弧形山脉，推测这个山脉就是两个板块的拼合带。事实上，地球历史上大陆板块的汇聚和拼合是一种常见现象，历史上曾发生多次超大陆汇聚和裂解。

这个漂移过程是否能够得到古地磁的支持？俄罗斯科学家作了很多工作，结论是：Olyutor岛弧碎片（即科里亚克板块）晚白垩世-古近纪位于距欧亚大陆边缘很远的地方（大约2000公里）（Kovalenko,D.V,1996;Pecherskii,D.M,1996）。

图6 东西伯利亚区域地质图显示科里亚克板块是一个外来拼合体（据亚洲地质图修编）。

图7 科里亚克板块和西伯利亚板块拼合带山脉走向（据Google-earth地图修编）

新的大陆板块漂移模式是否能够解释北太平洋上更多岛弧成因？从图8我们可以看出很多大陆小板块发生了漂移和拼合，其中科里亚克板块漂移产生了夏威夷-帝王山火山岛链，秋林板块的漂移产生了阿留申群岛，而堪察加板块的漂移产生了千岛-堪察加岛链。板块运动的尾迹和地形吻合很好（图8），这种板块运动模式是否能得到地质学上的认可？从世界地质图我们发现各个陆块在当前位置与相邻的地层都呈现出不和谐状态（图9），也就是说它们都是外来的。而如果把这些陆块恢复到其原始位置，我们会惊奇地发现基本上都能与原始位置相邻的地层吻合（和谐）。其中漂移到美国阿拉斯加西南部的那个陆块，就是著名的秋林地体（Chulitna terrane），这个外来的地体也是地体学说的发源地，已得到美国学术界普遍认可。地体的概念等同于大陆板块的概念，它们都是外来的大陆板块，具有独立的地质和构造演化历史，都存在大规模水平漂移和块体拼合。

图8 科里亚克、秋林、堪察加板块的运动轨迹及板块的漂移拼合（据美国NOAA地形地貌图修编）

图9 科里亚克、秋林、堪察加板块的运动轨迹及板块的漂移拼合（据世界地质图修编）

以上证据说明在北太平洋岛弧区域，大陆板块运动的轨迹、地形地貌、地质层位都能吻合很好，难道这些都是巧合吗？仔细观察阿留申群岛的西部的特征（图10），我们发现即便是轨迹1和轨迹2交叉部位也可以很清楚地看到其先后顺序，轨迹2切割了轨迹1，也就是说在该交叉点，科里亚克板块首先漂移过去，然后秋林板块才漂移过去，并切割了帝王海底火山岛链。

Pechersky等（1997）的古地磁研究成果表明，堪察加（Kamchatka）地体在65-61Ma时期位于38.1°±4.1°N，46-43 Ma时期位于47.0°±6.4°N，正好吻合了本文的推断,38°N大致相当于日本海目前的位置。

图10 科里亚克、秋林、堪察加板块的运动轨迹放大图（据美国NOAA地形地貌图修编）

在阿留申群岛岛弧中，我们会发现在其中部有一个非常奇怪的旋窝（图11），这是怎么形成的呢？传统的海底扩张无法给出合理解释。但大陆漂移很容易解释其成因，推断她是小的大陆板块漂移的轨迹。从尾迹上判断它应该是基斯卡岛（Kiska）板块漂移（伴随右旋）后留下的尾迹。

图11 阿留申群岛岛弧，图中显示一个奇怪的旋窝（异常体），推断她应该是基斯卡岛（Kiska）旋转着漂移（右旋）后留下的尾迹（据Google-earth地图修编）

事实上，如果海底扩张不存在,那么地幔柱假说的理论基础就坍塌了。因为地幔柱假说必须要求大洋板块会移动，如果大洋板块没有移动，而是大陆板块漂移了，那么地幔柱假说就不需要证明了，这些火山岛链肯定另有成因。实际上，这种年龄成近似线性变化的火山链的形成与地幔柱无关,而是大洋板块断裂(cracks)和引力释放导致的地幔物质发生减压熔融的结果。

3 马尔代夫成因

马尔代夫位于印度南方650千米的海域，由北向南经过赤道形成了一条长长的礁岛群带。它由26组环礁组成，这些环礁包括1192个珊瑚礁岛，其中199个岛屿有人居住，991个为荒岛。这些岛屿都是因为古代海底火山爆发而成，有的中央突起成为沙丘，有的中央下陷成环状珊瑚礁圈。

印度洋中北部有两个明显的海岭，东侧的叫九十度东海岭（Ninety East Ridge），中间的叫查戈斯拉克代夫海岭（Chagos Laccadive Ridge），马尔代夫群岛只是该海岭北部的一小段。马尔代夫群岛总面积约9万平方千米（含领海面积），陆地面积约298平方千米。群岛南北长约820千米，东西宽约130千米，岛屿平均面积为一两平方千米，地势低平，平均海拔1.2米。由于位于赤道附近，马尔代夫因而具有明显的热带气候特征，无四季之分。年降水量2143毫米，年平均气温28℃。

 大洋中的岛屿按成因可分为冲积岛、大陆岛、火山岛和珊瑚岛。马尔代夫群岛是在火山岛基础上发展起来的珊瑚岛。这些火山岛为什么会有规律地呈线性排列，又为何会从地下深处喷发出来，一直是一个谜。

关于马尔代夫的成因机制，在地球科学领域一直存在很大争议，前人对马尔代夫群岛的成因有两种观点，一种观点认为是地幔柱成因，另一种观点认为是一条古洋中脊。

地幔柱假说的观点对于马尔代夫的形成原因上却说不通，一是在马尔代夫岛链上的岩石测年数据大多分布在40Ma-60Ma之间，而且没有严格的时间-空间线性变化特征；二是很难解释这个地方深处为何一直存在一个热点，这个热点为什么会一直呆在原地不动。

 古洋中脊的观点（古洋中脊是指已经死掉或者不活动的洋中脊）也难以成立，一是洋中脊上应该存在所谓的转换断层（转换断层通常应该垂直于洋中脊分布），但在马尔代夫岛链上根本不存在这样的转换断层；二是印度洋的地质演化历史并不支持该区域存在这个古洋中脊。

既然这个两种成因假说都不成立，那么马尔代夫群岛到底是怎样形成的？

 与夏威夷成因同样的道理,位于印度洋的马尔代夫群岛是印度板块向北漂移后留下的西侧边界的轨迹（近南北向）形成了马尔代夫火山岛链。特别注意印度大陆板块在北漂中逆时针旋转，从而形成了当前的地形地貌特征。

图12 马尔代夫群岛是印度大陆板块漂移后留下的火山岛

4 结论

本文给出的证据说明夏威夷群岛的成因机制是大陆漂移，并不是地幔柱或者海底扩张。她源于一个叫科里亚克的大陆板块从太平洋中部出发一路漂移到西伯利亚，并与西伯利亚板块碰撞拼合。她漂移后在太平洋板块上留下了深切割的海沟，使得这些区域洋壳变薄，成为薄弱带，后期由于受到太平洋四周大陆板块的挤压，使得太平洋深处的岩浆沿着薄弱的深切割海沟喷（涌）出，产生了这些岛链。马尔代夫群岛是印度大陆板块漂移后留下的火山岛。

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