最新的一項研究探討了夏威夷-帝王火山島鏈的形成機制，發現地幔柱與上覆岩石圈的相互作用是一個此前被低估的關鍵因素。這種相互作用，包括板塊拖曳和地幔柱-洋脊相互作用，能解釋約50%的觀測到的古緯度變化和海山分佈。這一發現不僅挑戰了現有假說，還揭示了淺部和深部地幔過程之間更為複雜的關係。研究結果可能對理解全球其他熱點島鏈的形成具有普遍意義，為地幔動力學和板塊構造研究開闢了新方向。
論文免費下載：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51055-9
2024年8月3日，國際知名學術期刊Nature Communications（《自然·通訊》）上發表了以中科院地質地球所的劉麗軍研究員與清華大學數學系的楊頂輝教授為通訊作者，清華大學的解士傑博士，中科院地質地球所的曹澤斌博士，清華大學的劉夢雪博士，伊利諾伊大學香檳分校的李衍衝以及清華大學的齊蕊博士為作者的該項成果。
介紹
夏威夷-帝王火山島鏈因其獨特的地質特徵而聞名。約5000萬年前, 該島鏈上的一個顯著彎曲引發了一個引人注目的假說: 太平洋這個巨大板塊在該時期的全球構造重組過程中可能發生了突然的運動方向改變。然而，後續基於古地磁學的研究提出了不同觀點，認為這個彎曲僅僅標誌著形成該火山島鏈的地幔柱停止了向南運動。這兩種觀點的爭論持續了十多年之久,主要是因為現有模型都無法全面解釋所有觀測數據。
我們最近在《自然·通訊》上發表的論文《地幔柱與岩石圈相互作用在夏威夷-帝王島鏈形成中的作用》深入地探討了塑造夏威夷-帝王島鏈的複雜動力學過程。本研究利用先進的數據同化模型，系統性地探索了一個此前未被充分研究的方面：夏威夷地幔柱與上覆岩石圈在上地幔深度的相互作用。這一新角度為理解該火山島鏈的形成和演化機制提供了獨特的見解。
圖中展示了兩種不同模型下模擬的熱點軌跡：假設垂直上升熔融（A型）與更貼近現實的熔體運移（B型）。觀測到的夏威夷-帝王島鏈以黑色顯示，先前研究的結果以藍色表示。
被低估的地幔柱-岩石圈相互作用效應
通過檢驗不同的板塊重建模型和多種地球動力學情景，我們發現了一個此前被低估的熱點島鏈形成機制：地幔柱-岩石圈相互作用。這種大洋岩石圈與地幔柱之間的相互作用包括兩個方面：板塊拖曳和地幔柱-洋脊相互作用。前者始終沿著板塊運動方向牽引地幔柱，而後者則導致地幔柱在洋脊穿過地幔柱通道時發生前向和後向遷移。
板塊拖曳與地幔柱-洋脊相互作用到底是怎麼回事？
夏威夷地幔柱演化模擬圖。圖中紅色的三維輪廓代表溫度異常大於+100°C的區域。白色區域表示熔融比例達到1%的範圍。淺藍色表面代表核幔邊界，綠色線條表示板塊邊界。每個時間步的右上角展示了地幔柱的溫度等值線（黑色）和熔融區域（紅色）的剖面，而其剖面位置由地幔柱頂部的黑色虛線標示。
這些過程強烈影響了軟流圈中熔體的形成和流動，導致了夏威夷-帝王島鏈上海山古地磁觀測上看上去不太規則的變化。這種相互作用機制解釋了觀測到的古緯度變化和海山時空分佈變化的約50%。因此，先前提出的地幔柱所需的南向遷移量大幅減少。這一發現對現有假說提出了挑戰，並暗示了淺部和深部地幔過程之間存在更為複雜的相互作用。
對熱點島鏈動力學的廣泛啟示
儘管本研究僅聚焦於一個特定的熱點，但其提供的啟發顯然不僅限於夏威夷-帝王島鏈。這種地幔柱-岩石圈相互作用代表了一種可能在全球範圍內影響熱點軌跡的普遍機制。對多個其他熱點島鏈的簡要分析證實了這一點。因此，移動板塊對淺部地幔上湧的動力學效應是一種被廣泛低估的機制，其對於進一步理解地幔動力學和板塊重建至關重要。
古緯度和地幔柱源的運動。a) 藍色圓點及其誤差條代表觀測到的海山古緯度。紫色點表示移除板塊運動效應後從現今夏威夷島鏈估算的古緯度。紅線為假設地幔柱在淺部無橫向運動時的古緯度，而綠線則考慮了這種運動。青色虛線顯示了太平洋板塊的北向速度。灰色虛線表示考慮淺部橫向遷移的地幔柱源軌跡的緯度。b) 地幔柱根部在約600公里深度處的推斷橫向軌跡。
總的來說，本研究在量化與大洋熱點島鏈形成相關的各種機制方面邁出了重要一步。通過強調地幔柱-岩石圈相互作用的關鍵作用，並對現有的地幔柱遷移理論提出質疑，我們希望能夠激發未來的研究，繼續揭開地球動態內部的奧秘。秉承科學交流與合作的精神，我們期待與學術界就這些發現展開討論，並探索地幔動力學和板塊構造研究的新方向。
