夏威夷是北太平洋中部的一颗明珠。它处于夏威夷-皇帝岛链的最南源。夏威夷这半支岛链排列方向大致沿着西北方向。可是皇帝岛链突然折向北方。经过研究发现，从南向北，岛链上火山岩的年龄系统地逐渐变老。这到底是什么原因造成的呢？

有两种机制可以进行解释。第一种是洋壳下面有一个岩浆房，最早的时候位于太平洋板块的北部，然后逐渐向南移动到了夏威夷这个地方。沿途留下了大大小小的一串火山。另外一种解释就是，在夏威夷这个地方存在着一个较为固定的岩浆房，上覆的洋壳则向着西北方向移动，每次喷发一些岩浆，就被板块驮着走了。

如果第二种解释正确，这一串小岛的连线就是板块的运动轨迹。那问题就来了，夏威夷—皇帝火山链在中间（42百万年）发生了重大的转向，是不是暗示着太平洋板块在这一时刻发生了顺时针旋转了呢？如果太平洋板块发生这么大的旋转，在太平洋板块周边以及和它相接触的板块肯定会留下重要的地质遗迹。地质学家们沿着这个思路可以在太平洋周围设计相关研究课题。

另外一个相关问题是，如果在一个固定的地方，存在一个巨大的岩浆房，在几十个百万年的时间尺度上持续地提供岩浆，这个规模可不小。科学家们脑洞大开，逆向思维占了上风。

如果需要一个这么大的岩浆房，而且还很稳定，那它一定得有一个很深的根深入地幔，甚至下地幔。科学家把这种东西起名叫做地幔热柱。

如果只有地表的一些地质特征，“地幔热柱理论”充其量只能叫做假说。我们需要更多的证据。地球物理学家和地球化学家纷纷出场。

地球物理学家应用地震波理论来解决这个问题。地震波能够在介质中传播。要想穿过地幔，需要能量很大的天然地震。在不同的介质中，地震波速不同，有的介质波速快，有的慢。如果在地幔中发现了一种柱状的波速异常体，并且和地表的热点火山相连，那就说明确实有一种物质从深部地幔上涌，形成了巨大的地幔热柱。

地球化学家的思路是直接研究喷发出来的玄武岩。看看它的成分和洋中脊玄武岩的成分有无不同。结果发现，这两类玄武岩还真不一样。

我们之前讲到，上地幔的成分是在演化的。橄榄岩部分熔融，形成的岩浆，喷发出来形成玄武岩。在部分熔融过程中，岩石成分发生了很多变化。很多成分都进入了浅部岩石，因此，深部的上地幔就亏损了这些元素。而地表的岩石和物质则富集了这些成分。

这些元素和固体的地幔不相容，叫做不相容元素。比如钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、 锶（Sr）、钡（Ba）、铌（Nb）、钽（Ta）、 锆（Zr）、铪（Hf）。

于是，经过不断的分异，标准的地幔是亏损地幔，也就是不怎么含有上述元素。在新的洋中脊，下面就是这种标准的亏损上地幔，经由它产生的洋中脊玄武岩当然就会亏损上述物质。

可是，和地幔热柱相关的玄武岩恰恰富集这些元素。如果岩浆来自其下面的上地幔，那这一地区的上地幔和其它地方标准的亏损地幔不一样，而是一种富集地幔。这个地质过程不好解释。

还有一种更合理的解释就是，地幔热柱物质根本就不来自该区的上地幔，而是自成体系，来自更深的下地幔。

那为什么下地幔产生地幔热柱的物质会富集这些不相容元素呢？这些元素不应该在地表的岩石富集吗？难道这些地球浅部的岩石跑到了下地幔？

地质学就是有这个好处，需要大胆假设，仔细求证。

我们来分析一下，为什么要产生地幔热柱。这说明在下地幔有一坨很轻的物质，经过加热熔融，必然会漂浮起来。这坨物质富含地表的不相容元素。那地球浅部的物质通过什么机制来到了下地幔？

那就是洋壳俯冲！

洋壳俯冲到上地幔，会携带着很多浅部物质，富含这些不相容元素不是问题。这些洋壳不会全部融化，会慢慢向地幔深部沉下去，汇聚在下地幔底部。这么说来，下地幔就像一个大的垃圾场，存了好多让人意想不到的东西。科学家甚至认为这里富含氧气和碳。

目前地球物理学家的一项重要工作就是提高研究精度，把下地幔的结构、物性、以及地幔热柱的精确体积和上升路径勾画出来。

地幔热柱能够解释很多问题，但是还缺乏更高精度的研究，是一种没有被完全证实的科学理论，比假说当然前进了很大一步。

既然地幔热柱起源于下地幔，有一个根，那地幔热柱就会相对很稳定。地幔热柱把洋壳烤穿，喷发岩浆的那个点，叫做热点。曾经有很长一段时间，科学家热为这个热点不怎么变化位置，可以作为全球位置的参考系。

不过最近的研究对这个问题提出了挑战，比如，对于42百万年夏威夷—皇帝火山连存在的转折点，科学家认为其实有一部分现象是由于热点确实在移动造成的。这是目前的前沿科学问题，还需要将来进一步深入研究。