在我們寒冷海洋的黑暗底部，地球上 85% 的火山爆發幾乎無人察覺地進行著。雖然看不見，但它們絕非微不足道。海底火山產生了世界所有海洋的堅實基礎——厚達七公里的巨大岩石板塊。
地球物理學家在 20 世紀 60 年代初首次開始認識到海底陸地（正式名稱為洋殼）的悶燒起源。聲納調查顯示，火山形成了幾乎連續的山脊，像棒球上的縫線一樣環繞地球。後來，同一批科學家努力解釋是什麼為這些噴發的山脈（稱為洋中脊）提供燃料。基本理論認為，由於洋殼沿著山脊拉開，地球岩石內部深處的熱物質必然會上升以填補空隙。但是，熔岩究竟起源於何處以及如何到達地表的細節長期以來仍然是一個謎。
近年來，熔融岩石和固體岩石之間相互作用的數學模型提供了一些答案，對大陸上暴露的舊海底地塊的檢查也提供了一些答案。這些見解使得開發描述洋殼誕生的詳細理論成為可能。結果表明，這個過程與典型的外行人的想法大相徑庭，在後者的想法中，熾熱的岩漿充滿了火山下方的巨大腔室，然後沿著鋸齒狀的裂縫向上湧出。相反，這個過程始於海底以下數十公里處，在那裡，微小的熔融岩石液滴以每年約 10 釐米的速度（大約與指甲生長的速度一樣快）滲出微小的孔隙。靠近地表，這個過程加速，最終形成巨大的熔岩流，以卡車的速度傾瀉到海底上。破譯液體如何在地下深處的固體岩石中移動，不僅解釋了洋殼是如何出現的，而且還可能闡明其他流體輸送網路的行為，包括剖析地球表面的河流系統。
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深入挖掘
在洋中脊火山及其無數層形成地殼的熔岩下方深處是地幔，這是一個 3200 公里厚的熾熱岩石層，構成了地球的中部並環繞著它的金屬核心。在地球寒冷的表面，隆起的地幔岩石呈深綠色，但如果您能看到它們在它們真正的家園中，它們會發出紅色甚至白色的光芒。地幔頂部約為 1300 攝氏度，並且每深入一公里，溫度就會升高約一度。上覆岩石的重量意味著壓力也隨著深度增加，每三公里增加約 1000 個大氣壓。
對地幔中強烈高溫和壓力的瞭解使研究人員在 20 世紀 60 年代後期假設，洋殼起源於稱為熔體的少量液態岩石，幾乎就像固體岩石在“出汗”一樣。即使是微小的壓力釋放（因為物質從其原始位置上升）也會導致熔體在地幔岩石深處的微小孔隙中形成。
解釋岩石汗液如何到達地表更加困難。熔體的密度低於形成它的地幔岩石，因此它會不斷嘗試向上遷移，朝向壓力較低的區域。但是，實驗室實驗揭示的關於熔體化學成分的資訊似乎與從洋中脊（噴發的熔體在那裡硬化）採集的岩石樣本的成分不符。
研究人員使用專用裝置在實驗室中加熱和擠壓來自地幔岩石的晶體，瞭解到地幔中熔體的化學成分隨其形成的深度而變化；成分受熔體和構成熔體透過的固體岩石的礦物之間原子交換的控制。實驗表明，隨著熔體的上升，它會溶解一種礦物，即頑火輝石，並沉澱或留下另一種礦物，即橄欖石。因此，研究人員可以推斷，熔體在地幔中形成的位置越高，它溶解的頑火輝石就越多，而留下的橄欖石也就越多。將這些實驗結果與來自洋中脊的熔岩樣本進行比較後發現，幾乎所有樣本都具有在大於 45 公里的深度形成的熔體的成分。
這個結論引發了一場關於熔體如何在穿過數十公里厚的上覆岩石的同時，保持適合更大深度的成分的熱烈辯論。如果熔體像研究人員懷疑的那樣在岩石的微小孔隙中緩慢上升，那麼合乎邏輯的假設是，所有熔體都將反映地幔最淺部分的成分，即 10 公里或更淺。然而，大多數洋中脊熔岩樣本的成分表明，它們的源熔體在穿過地幔最上層 45 公里的過程中，沒有溶解周圍岩石中的任何頑火輝石。但這怎麼可能呢？
壓力下的裂縫？
在 20 世紀 70 年代初期，科學家們提出了一個與典型的外行人觀點不盡相同的答案：熔體必須沿著巨大的裂縫完成其向上旅程的最後一段路程。開放的裂縫將允許熔體快速上升，以至於它沒有時間與周圍的岩石相互作用，裂縫核心中的熔體也永遠不會接觸到側壁。雖然開放的裂縫不是上地幔的自然特徵——壓力太大了——但一些研究人員認為，遷移熔體的浮力有時可能足以使上方的固體岩石破裂，就像破冰船強行穿過極地浮冰一樣。
法國蒙彼利埃大學的阿道夫·尼古拉斯和他的同事在檢查稱為蛇綠岩的不尋常岩層時，發現了此類裂縫的誘人證據。通常，當洋殼變老變冷時，它會變得非常緻密，以至於它會沿著稱為俯衝帶的深海溝沉回地幔，例如環太平洋地區的那些海溝。另一方面，蛇綠岩是舊海底和相鄰的下伏地幔的厚部分，當地球的兩個構造板塊碰撞時，它們會被推到大陸上。一個著名的例子位於阿曼蘇丹國，在阿拉伯板塊和歐亞板塊持續碰撞期間暴露出來。在這個蛇綠岩和其他蛇綠岩中，尼古拉斯的團隊發現了不尋常的淺色脈絡，稱為岩脈，他們將其解釋為熔體在到達海底之前已經結晶的裂縫。
這種解釋的問題在於，岩脈充滿了從地幔最上層形成的熔體中結晶出來的岩石，而不是從大多數洋中脊熔岩起源的 45 公里以下形成的。此外，破冰船情景可能不適用於洋中脊下的熔融區域：在約 10 公里以下，熱地幔傾向於像在陽光下放置太久的焦糖一樣流動，而不是輕易破裂。
多孔河流
為了解釋持續存在的謎團，我開始研究熔岩在熔融區域中輸送的另一種假設。在 20 世紀 80 年代後期的論文中，我提出了一個化學理論，該理論認為，隨著上升的熔體溶解頑火輝石晶體，它會沉澱出少量橄欖石，因此淨結果是熔體體積更大。在 20 世紀 90 年代，我的同事伍茲霍爾海洋研究所的傑克·懷特海德；現在在以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的埃納特·阿哈羅諾夫；以及哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的馬克·斯皮格爾曼和我建立了這個過程的數學模型。我們的計算揭示了這種溶解過程如何逐漸擴大固體晶體邊緣的開放空間，從而形成更大的孔隙，並開闢出更利於熔體流動的通道。
隨著孔隙的增長，它們連線形成細長的通道。反過來，類似的反饋驅動了幾個小支流的合併，形成更大的通道。事實上，我們的數值模型表明，超過 90% 的熔體集中在不到 10% 的可用區域中。這意味著數百萬條微小的流動熔體線最終可能會匯入只有幾十條、孔隙率高達 100 米或更寬的通道。
即使在最寬的通道中，原始地幔岩石的許多晶體仍然完好無損，堵塞了通道並抑制了流體的運動。這就是為什麼熔體流動緩慢，每年僅幾釐米。然而，隨著時間的推移，如此多的熔體透過通道，以至於所有可溶性頑火輝石晶體都溶解掉了，只留下橄欖石和其他熔體無法溶解的礦物晶體。因此，這種通道內熔體的成分無法再適應壓力的降低，而是記錄了它最後一次“看到”頑火輝石晶體的深度。
這種稱為聚焦多孔流的過程最重要的意義之一是，只有通道邊緣的熔體才會溶解周圍岩石中的頑火輝石；管道內部的熔體可以不受干擾地向上流動。因此，數值模型提供了關鍵證據，證明在地幔深處形成的熔體可以透過溶解一部分岩石而不是使岩石破裂來開闢自己的向上路徑。這些建模結果得到了我們正在進行的實地工作的補充，實地工作為蛇綠岩中的多孔流提供了更直接的證據。
專注努力
充分領略阿曼蛇綠岩的唯一方法是從空中俯瞰。這個巨大的地層構成了一條几乎連續的岩石帶，長 500 公里，寬達 100 公里。與所有蛇綠岩一樣，阿曼蛇綠岩的地幔部分通常風化成鐵鏽棕色，並且明顯地鑲嵌著數千條棕褐色岩石脈絡。地質學家很久以前就將這些脈絡鑑定為一種稱為純橄欖岩的岩石，但尚未仔細測量純橄欖岩或周圍岩石中礦物的成分。
正如科學家們對曾經是上地幔一部分的岩石所期望的那樣，周圍的岩石富含橄欖石和頑火輝石。另一方面，純橄欖岩超過 95% 是橄欖石——熔體穿過地幔上升時留下的礦物。純橄欖岩也完全缺乏頑火輝石，這與預測所有頑火輝石都會在熔體到達最上層地幔之前被溶解掉的化學理論相符。從這一證據和其他證據來看，純橄欖岩脈絡顯然是將深部熔體向上輸送到洋中脊下方淺地幔的管道。我們看到的是凍結在時間中的溶解通道。
儘管這些發現令人興奮，但它們並沒有完全解釋長期以來困擾地球物理學家的第二個謎團。洋中脊的大規模熔岩流從一個僅約五公里寬的區域中湧出。然而，地震勘測（可以區分固體岩石和部分熔融岩石）表明，熔體存在於至少 100 公里的深度，區域寬度達數百公里。那麼，上升的熔岩是如何被引導到海底如此狹窄的火山活動區域的呢？
1991 年，當時都在布朗大學的大衛·斯帕克斯和馬克·帕門蒂爾提出了一個植根於洋殼和最上層地幔可變溫度的答案。新噴發的熔岩不斷地將物質新增到洋中脊兩側的洋殼板塊中。隨著較舊的板塊遠離山脊，為新的熱熔岩讓路，它們逐漸冷卻。洋殼越冷，密度就越大，因此它沉入溫暖地幔的距離就越遠。這種冷卻趨勢意味著，在遠離洋中脊山頂的開闊海洋中，海底及其下方的洋殼底部平均比直接位於山脊下方的海底和地殼底部深約兩公里。此外，寒冷的洋殼會冷卻地幔頂部，從而使最上層地幔的冷卻部分變厚，並且其底部在遠離山脊的地方變得更深。
基於這種關係，斯帕克斯和帕門蒂爾建立了一個地幔內多孔流的計算機模型。在他們的模擬中，他們可以看到，一些上升的熔體損失了足夠的熱量，在上地幔中結晶，有效地形成了一個水壩或屋頂。這些屏障形成的位置越深，離炎熱的洋中脊就越遠，因此，當剩餘的熔體向上遷移時，它被迫以一定角度向上遷移，沿著這個傾斜的屋頂朝向山脊。
最終噴發
因此，實地觀測和理論模型為兩個主要謎團提供了很好的解釋。上升的熔體不會呈現出與周圍地幔岩石平衡的化學成分，因為它在寬闊的純橄欖岩管道內被化學隔離。並且這些管道被導向洋中脊，因為一些熔體在上地幔中冷卻並結晶。但是，一個新問題很快出現：如果熔體的上升是一個連續、漸進的過程（正如我們預測的那樣），那麼是什麼引發了構成海底火山爆發的週期性熔融岩石爆發呢？
同樣，實地地質學指導了我們的理論化。在阿曼蛇綠岩中，尼古拉斯和他在蒙彼利埃的同事弗朗索瓦絲·布迪耶在 20 世紀 90 年代中期表明，熔體積聚在透鏡狀的囊袋中，這些囊袋高几米到幾十米，寬幾十米到數百米，位於地幔最淺的部分，就在洋殼底部下方。為了解釋所涉及的物理過程，我的同事和我不得不考慮地幔岩石在恰好位於地殼底部下方和在更深深度處的行為方式有何不同。
在活躍的擴張山脊（例如東太平洋海隆或形成阿曼蛇綠岩的山脊）下方，最上層地幔的岩石（即地幔中距地殼底部 2000 米以內的部分）會向寒冷的上覆海底散失熱量。因此，一些熔體會冷卻並結晶。隨著來自下方的熔體不斷湧入，但被阻止繼續向上，熔體開始積聚在結晶物質下方的透鏡狀囊袋中。隨著更多熔體的進入，透鏡內部的壓力升高。在更深處，岩石會足夠熱以流動響應，從而緩解這種壓力激增，但在此處，向上的海底的熱量損失使岩石過於僵硬。由於壓力不斷增加，熔體囊袋上方的岩石會週期性地破裂，形成通向上方年輕洋殼的管道。一些熔體聚集並凍結在地殼底部附近，堆積新的岩石，但從未噴發。但有時熔體會一直湧出，從火山頸噴出，形成厚達 10 米、長 10 公里的熔岩流，逐漸用火山岩鋪砌海底。
分支擴充套件
這些對海底深處熔體輸送網路的詳細見解與科學家們對地球表面河流網路的瞭解有很多相似之處。
就像小溪匯聚形成河流的力量一樣，深地幔中的化學侵蝕形成了一個聚合網路，其中許多小的、活躍的支流匯入較少的、更大的通道。在上地幔中結晶的熔體形成“堤壩”，這些“堤壩”會重定向其流動，很像一條泥濘的河流，當它流入大海時，會沉積沉積物並形成天然堤壩。在這兩種情況下，堤壩都會週期性地被衝破，允許大量的瞬時爆發透過單個管道。對控制河流和熔體輸送網路的潛在物理過程的研究最終可能會產生一個統一的基本理論來解釋兩者的行為。