北京
中國日報6月10日電（記者 李夢涵）中國科學院地質與地球物理研究所研究員劉麗軍團隊與合作者，借助自主開發的高分辨率全球數據同化模型，再現了2.7億年以來的俯沖歷史，并對全球地幔柱的時空演化進行了模擬分析。研究指出，無論是呈線狀延伸、排列整齊的海山鏈，還是零散分布的孤立海山，其形成和演化均與核幔邊界形成的地幔柱上涌所帶來的軟流圈熱物質活動密切相關，為全球海山的成因提供了一個統一的物理框架。相關研究6月10日線上發表于《自然-地球科學》。
模型重現的現今三維地幔柱結構與地質觀測的對比。頂部彩色曲面展示大陸地形，白色區域為大陸架、海山與島弧等區域。橙紅色等溫面表示地幔柱；灰白色等溫面顯示300km以深的俯沖板片。
最新探測數據表明，全球大洋板塊內散亂分布著多達四萬余座海山，幾乎遍及各個海域。按照傳統的熱點假說，來自地核頂部的高溫地幔柱會在移動的板塊下方引發巖石的熔融，從而形成諸如夏威夷群島那樣的海底火山長鏈。然而，滿足這些特征的海山鏈數量有限，僅有50多個。由此可見，熱點模型與海山的數量規模、空間分布特征存在顯著不匹配。由此衍生出一個關鍵科學問題：全球眾多海山是否均由熱點與地幔柱活動所造就？若存在該成因關聯，數量有限的熱點又如何解釋全球海山的廣泛分布？
截止目前，針對全球海山成因問題，國際學界提出了多種起源假說，大部分都與來自核幔邊界的地幔柱沒有直接關系，這些假說主要包括：巖石圈底部小尺度對流模型、邊緣驅動軟流圈對流模型、剪切驅動地幔上涌流模型、俯沖大洋板塊撓曲破裂作用、地幔上涌形成次級地幔柱模型等。然而，上述模型大多為概念模型或表征模型，其與深部地幔真實演化過程的關系尚無定論。
研究團隊利用最新改進的高分辨率全球數據同化模型，合理復現了大部分現今觀測到的全球地幔柱熱點位置和軟流圈的熱結構，并預測了夏威夷等關鍵熱點，及其所對應的深部地幔柱的時空演化。該四維模型揭示，海山鏈和孤立海山的形成和演化均與核幔邊界形成的地幔柱上涌所帶來的軟流圈熱物質活動密切相關。
以太平洋區域為例，在地幔柱上涌的早期，大量的地幔柱熱物質積蓄在年輕的太平洋板塊下方，形成大范圍的軟流圈熱異常，這與被稱為西太平洋海山省的零散海山出現具有明確的時空對應關系。在隨后的演化過程中，地幔柱可以從下地幔的根部或地幔過渡帶的中部分裂出更多的地幔柱，從而形成次級地幔柱。這進一步增加了淺部熱點的數量，也為形成更多的海山鏈提供了條件。這類熱物質長期留存于軟流圈內部，并隨著地幔對流逐漸運移和擴散，該殘余熱異常的模擬溫度與同位置處觀測到的四萬個海山的高度呈顯著的線性關聯，從而揭示了這些軟流圈熱異常能夠孕育出大量零散分布的小型海山，證明這些熱異常區域代表著海山孕育區。
該研究的模擬工作基于國家超級計算天津中心新一代天河超級計算機完成。研究利用高分辨率的全球俯沖和地幔柱演化模型成功復現了深部地幔柱的演化歷史和軟流圈熱異常的時空分布，并為板內海山成因提供了一個新解釋。其核心意義在于，為廣泛分布的海山提供了統一的深部動力來源，從而拓展了傳統的地幔柱模型。
在同期發表的新聞觀點文章中，夏威夷大學教授加勒特·阿普曾-伊藤（Garrett Apuzen-Ito）評價該研究成果通過前所未有的高模型分辨率實現了更加豐富的地幔動力過程，真切揭示了散亂的板內海山是俯沖板片與地幔底部的大型化學異常體相互作用的必然結果。
來源：中國日報網
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