錐體在哪裡？我們剛剛拉起了鑽桿，更換了磨損的鑽頭，然後將其放回海底，在我們船隻下方一英里處。我們擠進控制室，觀看連線在鑽桿末端的攝像機傳回的影像，尋找我們留下的錐體，它作為標記，引導鑽桿回到我們正在鑽的孔中。團隊之前已經多次進行過這項操作。通常我們會看到一條魚遊過或一隻魷魚短暫地抓住鑽桿，然後錐體就會出現。但這次我們只看到了魚和魷魚。哪裡出錯了？
我們來到太平洋西北部，是為了從被稱為皇帝海山的水下死火山中提取巖芯樣本，這些火山構成了夏威夷-皇帝火山鏈最北端的支脈。這條火山鏈整齊的圖案在任何世界地圖上都很明顯，與南美洲和非洲的拼圖形狀一樣，長期以來一直是板塊構造論的證明——板塊構造論認為我們地球的表面是一個不斷變化的岩石拼圖。這些島嶼和海山不僅在太平洋上形成了一條異常筆直的3500公里長的線，而且它們的岩石也隨著你向西北方向移動而逐漸變老：從大島（仍在生長）到茂宜島、瓦胡島、可愛島，再到中途環礁，其早已熄滅的火山已經沉降了很多，幾乎看不見海面。過了中途島，這條線急劇彎曲，繼續向北沿著皇帝海山延伸，幾乎延伸到阿留申群島的尖端。
對於這種模式的標準解釋，是基於地球物理學家提出的觀點
J·圖佐·威爾遜在1963年提出的觀點，即這些島嶼記錄了太平洋板塊在火山熱點上方的運動[參見凱文·C·伯克和J·圖佐·威爾遜的文章《地球表面的熱點》；《大眾科學》，1976年8月]。熱點可以被認為是地球內部的一根蠟燭，它的火焰穿透地殼，將熔岩泵到地表並形成島嶼。不斷移動的板塊將島嶼從熱點上拉開，熱點產生一個新的島嶼，迴圈往復。熱點和板塊構造共同作用，像裝配線一樣生產島嶼。
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1971年，普林斯頓大學的傑森·摩根更進一步。他提出，“蠟燭”是從地球地幔深處上升的熱岩漿柱的熔融尖端。熱點本身固定在地球內部，不會移動；只有板塊會移動。在這種觀點下，夏威夷熱點一直保持在北緯約19度，而太平洋板塊以每年約10釐米的速度向西北方向移動。熱點軌跡中的巨大彎曲表明，板塊運動方向在大約4700萬年前突然發生了變化。
除了解釋夏威夷和其他島鏈的演化之外，熱點的固定位置還為地球科學家提供了一組非常強大的地標。這些地標使地質學家能夠重建板塊運動，並確定地質樣本的原始位置，例如用於測量過去氣候的沉積岩芯和用於衡量固體地球相對於地球自轉軸運動的岩石。因此，熱點可能並非看起來那樣固定，這讓地質學家感到震驚。
我和我的同事最近證明，它們實際上並非固定不動。從某種意義上說，它們就像我們留在太平洋底部作為參考標記的錐體。當我們發現它不在原位時，我們意識到一定是洋流把它沖走了。團隊重新定位了船隻，找到了鑽孔，並在沒有錐體引導的情況下進入了鑽孔。同樣，地球物理學家現在必須弄清楚為什麼熱點會漂移，並且必須開發一種新的方法來確定我們的方位。
磁性記錄
20世紀60年代，為板塊構造論提供確鑿證據，並在此後完善我們對熱點理解的證據，是岩石磁化提供的板塊運動記錄。當熔岩冷卻時，其中的磁性礦物，主要是磁鐵礦和鈦磁鐵礦，會結晶。這些微型條形磁鐵會鎖定當時地球磁場的方向以及地表位置。
由於地球磁場在時間和空間上都會發生變化，因此岩石磁化提供了兩種方法來確定板塊的運動方式。首先，地質學家可以研究時間變化。在不規則的時間間隔內，地球磁場會發生極性反轉：南北磁極互換位置。考慮一下這對在中洋脊噴發的熔岩意味著什麼。當岩石湧出並冷卻時，其礦物的磁化方向像磁性銼屑一樣排列，例如，指向北方。然後，板塊構造將岩石從海脊帶走。經過幾十萬年左右，極性翻轉，從那時起，新形成的岩石被反向磁化。這些岩石也被從海脊帶走。極性最終會翻轉回來，迴圈往復。結果是在大洋地殼中記錄了一系列水平條紋，在指向北方和指向南方的磁性礦物之間交替——這是地質學版本的樹木年輪。地質學家透過將條紋與極性反轉的時間線進行匹配來確定條紋的年代。然後，他們使用時間和距離資料來計算板塊相對於相鄰板塊的方向和速度。
第二種技術利用了地球磁場方向具有兩個分量的事實：水平（磁偏角）和垂直（磁傾角）。當你依靠指南針來找到北方時，你使用的是磁偏角，但如果你仔細觀察指南針的指標，你會看到它相對於水平面略微傾斜。正如佛羅里達大學的尼爾·奧普代克在20世紀60年代後期的一項經典研究中所證明的那樣，磁傾角與緯度直接相關。測量磁傾角可以揭示岩石最初形成的緯度，從而揭示板塊自那時以來必須移動的最小距離。（它不揭示經度。）
使用這些方法並非完全簡單。地球磁場並非完全指向南北方向。它具有更復雜的形狀，地球物理學家認為這反映了地球核心中液態鐵的流動。然而，當在數千年內取平均值時，這些偏差會相互抵消。因此，研究人員可以透過對代表足夠長時間跨度的大量岩石進行取樣來補償磁場的複雜性。很少有島嶼仍然有足夠古老的岩石可以追溯到足夠久遠的時間，因此地質學家必須鑽探到海底。
這個過程本身就存在一些複雜性。大洋地殼可能會傾斜，這可能會被誤認為是磁傾角。最好的岩石樣本來自地震資料證實平坦的區域。地質學家只在少數幾個這樣的區域進行了深鑽。另一種方法是將磁力計拖在船後，遠端測量海底岩石的磁化強度。不幸的是，這種測量不僅反映了岩石形成時印刻的磁化強度，還反映了地球當前磁場產生的感應磁化強度，以及地質時期內獲得的磁化強度，因為晶體內部的一些磁疇會自發地重新定向。因此，磁力計讀數仍然需要根據直接取樣的岩石進行校準。
緯度範圍廣
夏威夷熱點可能並非固定不動的第一個暗示，來自20世紀70年代初坦尼婭·阿特沃特和彼得·莫爾納（當時都在麻省理工學院）進行的研究。他們研究了兩種現象來推斷板塊運動：海底條紋和島鏈。當兩個板塊在中洋脊相遇時，它們的運動會產生一系列海底條紋，如果每個板塊下方都有一個熱點，則會產生一對島鏈。研究人員可以透過檢查另一個板塊上相應鏈的軌跡來預測一個板塊上島鏈的熱點軌跡應該是什麼樣子。
阿特沃特和莫爾納報告說，對幾個熱點軌跡的預測未能與實際火山的位置相匹配，這表明熱點已經移動。自那時以來，加州理工學院的喬安·斯托克及其同事對該技術進行了改進和擴充套件，結果基本相同。使用大西洋熱點對夏威夷-皇帝鏈進行的預測與過去3000萬年形成的鏈的一部分大致吻合，但隨著時間的推移，它們的偏差越來越大。在6000萬年前，偏移非常大。
然而，這些結論並沒有說服許多地質學家。其他效應可以解釋兩組資料之間的不一致。太平洋和大西洋盆地由與南極洲大陸相鄰的板塊組成，南極洲本身至少由兩個板塊組成。這些板塊可以像互鎖的齒輪一樣旋轉，可能會改變大西洋的地理特徵與太平洋的地理特徵之間的關係。不幸的是，南極洲的大部分地質歷史仍然是一個謎，被埋在厚厚的冰蓋之下。這種不確定性阻礙了地質學家充分重建板塊運動。
解決這個問題的唯一方法是回到岩石樣本。我的羅切斯特大學同事羅裡·科特雷爾和我於1995年接受了這項挑戰。我們參觀了德克薩斯A&M大學的海洋鑽探計劃（ODP），並檢查了過去幾十年收集的沉積物和岩石的存檔巖芯。最有希望的是1992年從皇帝海山之一——底特律海山採集的，它形成於7500萬至8100萬年前。岩石型別是玄武岩——類似於今天在夏威夷大島上噴發的玄武岩——它帶有最容易理解的磁訊號型別。巖芯沒有引起太多關注，因為研究人員認為它的長度太短，無法提供足夠的精確磁傾角讀數。
一項新的分析證明並非如此。為了消除感應磁化和大型磁性礦物疇自發重新定向的影響，以便我們能夠識別礦物的原始磁化強度，我們使用遮蔽超導量子干涉裝置（SQUID）磁力計測量了樣品，並進行了詳盡的消磁程式。結果證明，巖芯的長度剛好足以提供精確的磁傾角讀數，從而確定礦物形成的緯度：北緯36度。
我們將新的結果與東京工業大學當時的近野勝路於1980年使用ODP的前身——深海鑽探計劃所做的一項研究進行了比較。他採集了皇帝鏈中6100萬年前的穗高海山的樣本，發現它形成於北緯27度。這些都是令人震驚的結果。如果現在位於北緯19度的夏威夷熱點是固定的，那麼底特律海山和穗高海山應該在相同的緯度形成。三個緯度值不同，這表明皇帝海山標誌著移動的柱狀岩漿羽流的軌跡。然而，在我們的同事中，這些結果的反應卻出奇地冷淡。我們數千次實驗室測量結果被濃縮成圖表上的僅僅兩個點。懷疑論者需要更多證據，然後才會重新考慮關於夏威夷鏈的教科書式的板塊運動解釋。
更進一步
1997年末，科特雷爾和我開始考慮新的海洋鑽探考察。我們在斯坦福大學的大衛·斯科爾的幫助下選擇了鑽探地點，並邀請了伯恩哈德·斯坦伯格，他在哈佛大學攻讀博士學位期間一直在模擬地幔流動，加入我們的行列。2001年夏季，我們乘坐海洋鑽探計劃的JOIDES Resolution號開始了為期兩個月的考察——稱為197航次——將我們帶到了皇帝海山中的三座：底特律海山、仁德海山和光孝海山。
在鑽探之前，我們進行了簡短的地震勘測，以確保我們能夠回收平臥的熔岩層，從而消除一個潛在的誤差來源。一旦我們在甲板上獲得了樣本，一批專家就幫助我們分析樣本，包括俄勒岡州立大學的羅伯特·鄧肯、當時在夏威夷大學馬諾阿分校的索瓦爾德·索達森、麻省理工學院的弗雷德里克·弗雷和聖母大學的克萊夫·尼爾。為了估計岩石的年齡，我們檢查了位於熔岩之上或與熔岩混合在一起的沉積物中的微體化石。船上有一個磁學實驗室，我們在那裡測量了岩石的磁化強度。我們需要在陸基實驗室進行數月的後續工作，包括關鍵的同位素年代學工作，才能證實我們的發現。但在我們返回橫濱港時，總體情況已經很明顯了。
熱點顯然已經快速向南移動。在8100萬年前到4700萬年前期間，其推斷速度超過每年4釐米，與構造板塊的速度相當。為了證實這一發現，我們在底特律海山或仁德海山沒有發現珊瑚碎片，只在光孝海山發現了少量珊瑚碎片。如果這些島嶼是在夏威夷的熱帶緯度形成的，我們本應期望在它們周圍形成珊瑚礁。
這些影響現在正在地球科學領域蔓延，解答舊問題並提出新問題。例如，緯度的另一個地質指標是深海沉積物中沉積的沉積物型別。在赤道附近，沉積物富含浮游生物的碳酸鈣外殼，由於該區域的生物生產力高而累積。在赤道帶之外，沉積物貧碳酸鹽。來自太平洋的5000萬年前的巖芯中的沉積物不符合人們期望熱點固定不動時應有的富碳酸鹽模式。密歇根大學安娜堡分校的何塞普·M·帕雷斯和特德·C·摩爾最近發現，如果夏威夷熱點向南漂移，這個悖論就會得到解決。
地質學家可能還需要改寫他們關於北美的教科書。專家們早就知道，美國西部的大片土地並非在它們現在的位置形成。這些陸地是由曾經構成太平洋盆地的早已消失的板塊推到它們現在的位置的。海洋板塊和大陸板塊之間的相互作用也導致了落基山脈等主要地質特徵的形成。但是，板塊相互作用的估計是假設夏威夷的熱點是一個固定的參考點。由於它不是，地質學家必須重新審視北美西部的形成過程。
極點位置
在更大的尺度上，熱點運動影響了研究人員對極地漂移的看法——整個固體地球相對於地球自轉軸的旋轉。極地漂移在地質物理學中是一個令人困惑的術語，因為這個短語暗示極點本身會四處移動。事實上，自轉軸和磁軸在絕對空間中幾乎保持固定；是陸地和海底在漂移。構造板塊的下沉可能會改變地球的質量分佈，並導致力的不平衡，就像洗衣機裝滿了不平衡的衣物一樣。為了重新平衡自身，整個地球會旋轉。在極端情況下，佛羅里達州可能會最終到達北極，或者格陵蘭島可能會變成熱帶島嶼。這個過程與板塊構造不同，因為板塊的相對位置將保持不變。
在20世紀80年代，地質學家使用熱點固定的假設來重建板塊運動，並確定地球相對於其自轉軸的過去位置。資料表明，在過去1.3億年中，地球相對於軸線遷移了多達20度。我們的發現駁斥了這一說法：移動的是熱點，而不是整個地球。因此，熱點可能是板塊運動和極地漂移的虛假信標。
熱點移動性的最深刻含義與地球地幔有關。熱點可能仍然紮根於深地幔中，但它的底部可能會四處移動，上升的柱狀岩漿羽流可能會被地幔流動彎曲。更激進的是，柱狀岩漿羽流本身的概念也受到了審查。加州理工學院的唐·安德森認為，熱點柱狀岩漿羽流實際上可能並非紮根於下地幔。它們可能是淺層現象，從地幔的上層或地殼的下層湧出。其他人認為柱狀岩漿羽流有各種形狀和大小，並且起源於地球內部的各個層。
儘管我們在熱點移動性方面的發現是驚人的，但這並不意味著必須推翻目前所有的地質學理解。科學很少以這種方式運作。夏威夷-皇帝鏈所標誌的顯著的年齡演化和巨大的岩漿量表明，夏威夷熱點仍然最接近威爾遜和摩根設想的理想狀態。但它並非固定在深地幔中，而是具有出乎意料的移動性。一個簡單的畫面已經讓位於一個複雜的畫面。板塊和熱點都在移動，觀察到的效應可能反映了兩者的結合——這挑戰科學家確定每種效應的貢獻。直到現在才被充分認識到的地幔動盪值得新的尊重。