中國科學(xué)院海洋研究所孫衛(wèi)東研究團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)Charles Langmuir院士、法國科學(xué)院Neil Ribe教授團(tuán)隊(duì)開展合作研究，發(fā)現(xiàn)夏威夷—帝王海山鏈?zhǔn)艿降蒯Ｖc洋脊相互作用影響，改變了部分海山的空間位置，地幔柱的主干并未移動，帝王島鏈?zhǔn)前鍓K運(yùn)動的產(chǎn)物。相關(guān)研究成果近日在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報(bào)》英文版（Sciecne Bulletin）在線刊發(fā)。
夏威夷地幔柱形成了世界著名的夏威夷-帝王海山鏈（圖1），該海山鏈由130多個(gè)海山組成，長約6000千米。1963年Wilson提出夏威夷-帝王島鏈大拐彎是板塊運(yùn)動轉(zhuǎn)向的結(jié)果，從此夏威夷帝王島鏈成為板塊構(gòu)造理論和地幔柱假說的一個(gè)重要支點(diǎn)。50多年過去了，夏威夷地幔柱一直是固體地球科學(xué)的研究熱點(diǎn)。2003年，Tarduno等學(xué)者利用大洋鉆探樣品獲得了多個(gè)帝王島鏈海山噴發(fā)時(shí)的古緯度，發(fā)現(xiàn)這些海山噴發(fā)位置逐漸南移，由此提出夏威夷-帝王島鏈的大拐彎是由地幔柱移動的結(jié)果，不是板塊構(gòu)造理論和地幔柱假說認(rèn)為的“地幔柱不動，僅由板塊運(yùn)動而形成的”。這種觀點(diǎn)對地幔柱假說和板塊構(gòu)造理論都提出了挑戰(zhàn)，引起了廣泛關(guān)注。孫衛(wèi)東等人的成果顯示，地幔柱與洋脊的相互作用改變了部分海山的空間位置，但并不能挑戰(zhàn)地幔柱假說和板塊構(gòu)造理論。
圖1 夏威夷帝王海山鏈
大洋巖石圈底部存在數(shù)十千米的高程差，超過100百萬年的大洋巖石圈厚度可以達(dá)到90千米左右，而擴(kuò)張洋脊處巖石圈厚度僅為十幾千米（孫衛(wèi)東，2019），高程差達(dá)到數(shù)十千米，比青藏高原到海平面的高程差大一個(gè)數(shù)量級。地幔柱物質(zhì)流動到巖石圈底部后，會向擴(kuò)張洋脊方向流動，即地幔柱-洋脊相互作用。孫衛(wèi)東等發(fā)現(xiàn)利用帝王海山的年齡和距離獲得的板塊漂移速度與利用板塊重建獲得的太平洋板塊漂移速度有很大的差異，說明海山的噴發(fā)位置相對于太平洋板塊曾經(jīng)有大幅度的遷移(Sun et al 2021)（圖2）。
圖2 （a）帝王島鏈海山噴發(fā)時(shí)的古緯度；（b）海山年齡和距離計(jì)算的“地幔柱”運(yùn)動速度和GPlates計(jì)算的太平洋板塊漂移速度（據(jù)Sun et al., 2021）
地球化學(xué)特征顯示這些海山從75-85百萬年前的梅吉、底特律海山的虧損特征，向南逐漸轉(zhuǎn)為洋島玄武巖的富集特征，梅吉和底特律海山受到了強(qiáng)烈的地幔柱與洋脊相互作用的影響（圖3）。
圖3 帝王島鏈海山玄武巖的地球化學(xué)特征。底特律和梅吉海山的虧損組分最高，顯示洋脊的影響（據(jù)Sun et al., 2021）
上述兩個(gè)海山噴發(fā)的位置在洋脊上，即梅吉海山指示了太平洋與伊澤納吉板塊之間洋脊的展布方向。此后的海山受到洋脊的影響逐漸減弱。地球動力學(xué)模擬顯示，地幔柱與洋脊的相互作用影響的距離可以達(dá)到1000千米（圖4）。
圖4 地球動力學(xué)模擬顯示洋脊-地幔柱相互作用的特征（據(jù)Sun et al., 2021）
孫衛(wèi)東等進(jìn)一步結(jié)合課題組前期工作，利用GPlates進(jìn)行板塊重建，并與其他島鏈對比，結(jié)果顯示，在125百萬年前，太平洋板塊由向西南漂移轉(zhuǎn)為向北漂移，太平洋與伊澤納吉板塊之間的洋脊快速向北遷移。到100百萬年后，太平洋板塊的漂移方向跟伊澤納吉板塊的漂移方向接近，并繼續(xù)向北遷移，兩者之間的洋脊擴(kuò)張速度大幅度降低，巖漿活動大幅度減弱。在約85百萬年前，這個(gè)洋脊到達(dá)了北緯19度附近，夏威夷地幔柱此時(shí)位于北緯21度附近。由于地幔柱與洋脊的相互作用，地幔柱被吸引向南，在洋脊上噴發(fā)，形成梅吉海山。此后的地幔柱物質(zhì)被洋脊吸引，一起向北漂移，因此底特律海山噴發(fā)時(shí)的緯度變化很大（圖2）。隨著洋脊繼續(xù)向北遷移，其對地幔柱的影響不斷減弱，在約65百萬年后，地幔柱開始向南遷移，逐漸擺脫了洋脊的束縛，并恢復(fù)了地幔柱的特征（圖5）。
圖5 帝王島鏈形成過程卡通圖（據(jù)Sun et al., 2021）
文章在線鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321003078
參考文獻(xiàn)：
孫衛(wèi)東, 2019, “巖漿引擎”與板塊運(yùn)動驅(qū)動力. 科學(xué)通報(bào), v. 64, no. 28-29, p. 2988-3006.
Sun, WD, Charles H. Langmuir, Neil M. Ribe, Lipeng Zhang, Saijun Sun, He Li, Congying Li, Weiming Fan, Paul J. Tackley, Patrick Sanan, 2021, Plume-ridge interaction induced migration of the Hawaiian-Emperor plume. Science Bulletin, doi.org/10.1016 /j.scib.2021.04.028
