地球上的岩石为什么会熔化？（图）
2012年5月12日，熔岩从基拉厄维火山 Halema`uma`u 火山湖中飞溅而出。图片来源：HVO/USGS。
我被问及许多关于火山爆发的问题，但是更普遍的问题是石头的性质——尤其是为什么它们会熔化，以及它们在哪里熔化并产生岩浆？对于地球的内部人们有很多误解，我们生活所在的地址板块（大陆和大洋板块）都是坐落于形成地幔的“岩浆海”之上的。我之前曾经说过，地球的地幔是始于10~70千米，一直延伸到约2900千米处外部核心的硅酸盐岩石层，这层岩石组成了地球大部分的体积，但它没有熔化，而只是发生塑性变化的固体。这意味着它可以流动，也可以对流，这也是地质学家们认为的板块运动开始以及维持的方式之一。然而，正如我们所知的那样，在地球核心岩石是完全熔化的，那么地球如何能有这么多固体岩层，而其他地方确是熔化的呢？
这幅简图揭示了地球上的岩石为什么会熔化。从图上的地热等温线（图中实线）来看，岩石不应该熔化，因为它与干地幔固相线（仅靠加热使地幔岩石熔化的点）从不相交。水的加入使得固相线移到了湿地幔固相线（图中短虚线）处。地幔的恒温减压使得地幔在上升过程中（图中粗实线）能够与固相线相交。图片来源：Erik Klemetti
首先我们问个问题：“你要如何熔化一块岩石？”你脑海中跳出来的最直接的办法就是“升高温度！”。对于冰来说是这样的——固态水在0?C（或32F）时就会融化。但对于岩石来说，我们就遇上了麻烦。事实上地球还没有热到能熔化地幔岩石的程度，这些岩石是洋中脊、热点以及俯冲带玄武岩的来源。如果我们假设熔化的地幔由橄榄岩*组成，那么在200千米深处（地幔上层）固相线约为2000?C。然而地热梯度（随着深度增加温度如何变化）模型却显示，如果你沿着地壳深入到200千米深的地幔楔上层，温度会在约1300~1800?C，远低于橄榄岩的熔点。那么，如果说越往上走温度越低，那么这里的橄榄岩为什么会熔化形成玄武岩呢？
这幅简图揭示了俯冲带发生的熔化现象。向下俯冲板块中的水在深层温度升高时被释放出来，造成板块上方的地幔部分熔融，并形成玄武岩。图片来源：Erik Klemetti
好吧，现在你要想的不是如何加热一块岩石以使其熔化，而是想想如何改变岩石的熔点（固相线）。让我们来想象一块冰。在冬天，有许多时候你不想看到冰，但是环境温度却在冰点以下。那么你该怎么办？一种方法是通过阻碍水分子间的化学键——从而阻碍固体冰的形成——以让冰在更低的温度下熔化。盐类物质很容易做到这一点，只要在冰上撒一些氯化钠或者氯化钾，冰就会在0?C以下开始融化。对于岩石来说，水的作用就像盐对冰的作用一样。把水加入地幔橄榄岩会使其在更低的温度下熔融，因为矿物之间的化学键被水分子破坏（我们称之为“变网”）。在俯冲带（比如喀斯特山脉和安第斯山脉）里，当海洋板块俯冲到另一板块之下时，俯冲板块中的水随着温度升高就会被释放出来，这些水上升到它上方的地幔处，使得它在较低的温度下熔融，然后“砰”一声，玄武岩就在一种叫做“注流熔融”的过程中形成了。
这幅图片显示了洋中脊地区减压熔融过程。温度较高的地幔上升，部分熔化形成玄武岩，然后在移向洋中脊侧面的过程中逐渐冷却。图片来源：Erik Klemetti
等等！地球上最大的火山系统是洋中脊火山系统，哪里没有任何的板块俯冲，地幔也得不到水来发生熔融，那么那里的玄武岩是从哪里来的呢？这次我们要换种方法来使橄榄岩熔融——我们将它恒温减压，这一过程叫做绝热提升。地幔发生对流，将深处炽热的地幔物质带到表层冷却，在冷却过程中，地幔物质比周围的岩石温度要高。由于熔点（固相线）随着压强的变化而变化，因而在200千米深处2000?C的熔点在50千米深处只有约1400?C。因而，保持地幔物质炽热的同时减压，你就可以让熔融的橄榄岩变成玄武岩！因而，在洋中脊下面（以及在像夏威夷这样的热点），地幔一直在上涌，使得减压熔融过程一直在发生。
让我们回顾一下：在通常情况下，像橄榄岩这样的地幔岩石不该在地球上地幔熔融——那里还不够热。但是，水的加入降低了岩石的熔点。或者通过给岩石减压，在某一个压强下岩石的熔点会降低。在上述两种情况中，玄武岩岩浆就会形成，由于它比周围岩石更热以及密度更小，它会向水面渗出……有些就直接喷发了出来！
*地幔绝不是均匀的，但我们只关心所谓的“富集地幔”——这些地幔从未发生过熔融，并能产生玄武岩液体。