中科院海洋所孫衛(wèi)東團(tuán)隊與美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校劉麗軍教授團(tuán)隊合作，通過地球化學(xué)和地球動力學(xué)模擬，論證了古老的夏威夷地幔柱尾在800萬年前開始受到新生地幔柱頭影響，研究成果3月8日在國際學(xué)術(shù)期刊The Innovation上正式發(fā)表。
夏威夷-帝王海山鏈?zhǔn)枪腆w地球科學(xué)的經(jīng)典研究對象，在板塊構(gòu)造理論和地幔柱假說的發(fā)展過程中起到了舉足輕重的作用。根據(jù)板塊構(gòu)造理論和地幔柱假說，地幔柱保持基本不動，而板塊運(yùn)動，因此地幔柱噴發(fā)形成的火山在板塊上留下成串的火山。最近800萬年以來，夏威夷海山鏈開始分叉為兩條近似平行的火山鏈，并出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。夏威夷地幔柱經(jīng)歷了超過8500萬年的噴發(fā)，巖漿噴發(fā)速率自800萬年以來開始急劇增加，目前每年噴發(fā)量達(dá)到0.6立方千米（全球地幔柱平均噴發(fā)量為2立方千米）。
夏威夷島鏈對板塊構(gòu)造理論和地幔柱假說的誕生做出過重要貢獻(xiàn)。1963年，Wilson提出著名的熱點假說，認(rèn)為夏威夷-帝王島鏈的下面軟流圈中有一個熱點不斷向外噴出巖漿，熱點不動而板塊運(yùn)動從而形成島鏈，著名的夏威夷-帝王島鏈大拐彎處則是板塊運(yùn)動方向改變的結(jié)果。隨后，有學(xué)者測定了夏威夷島鏈的年齡，驗證了Wilson的說法，為板塊構(gòu)造理論的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。但軟流圈是運(yùn)動的，很難解釋為何熱點長期在軟流圈上保存不動。1971年，Jason Morgan提出地幔柱假說，認(rèn)為地幔柱起源于核幔邊界，其空間位置基本保存不變。1991年，Ian Campbell等通過地球動力學(xué)模擬實驗，提出地幔柱向上運(yùn)移過程中首先形成一個巨大的蘑菇狀巖漿，并在100萬年內(nèi)完成主要的噴發(fā)，形成大火成巖省，隨后地幔柱變的細(xì)長、形成島鏈。
夏威夷地幔柱噴發(fā)量劇增并發(fā)生拐彎
近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，作為地幔柱假說發(fā)源地的夏威夷-帝王島鏈并不符合地幔柱假說。首先，根據(jù)地幔柱假說，地幔柱頭噴發(fā)量巨大，隨后則是噴發(fā)量驟減，但夏威夷地幔柱噴發(fā)量卻在迅速增加；其次，夏威夷地幔柱在800萬年前開始拐彎，也與地幔柱不動的傳統(tǒng)認(rèn)識相悖。與此同時，夏威夷地幔柱的化學(xué)成分發(fā)生變化，出現(xiàn)了一支更富集的玄武巖。針對上述問題，國際地學(xué)界開展了大量研究，提出多種模型，但往往只能解釋其中一個現(xiàn)象，不能同時解釋所有現(xiàn)象，有人甚至因此對地幔柱假說產(chǎn)生了懷疑。
地幔柱頭與地幔柱尾相互作用導(dǎo)致夏威夷島鏈空間位置變化及噴發(fā)量增加
孫衛(wèi)東團(tuán)隊將地球化學(xué)和地球動力學(xué)模擬結(jié)合，通過數(shù)值模擬重現(xiàn)了800萬年前一個新生地幔柱頭與原夏威夷地幔柱尾相互作用導(dǎo)致海山位置、地球化學(xué)組成和噴發(fā)量隨時間變化的過程。模擬顯示，開始時地幔柱頭比較弱，受地幔柱尾的吸引向地幔柱尾靠攏。隨著新生的地幔柱頭不斷發(fā)展，其噴發(fā)量逐漸起到主導(dǎo)作用，吸引地幔柱尾向東南移動近280千米，形成夏威夷地幔柱拐彎；與此同時，夏威夷島鏈的噴發(fā)速率大幅度升高，形成了巨大的夏威夷島。該研究結(jié)果對于研究地幔柱發(fā)育和地幔柱-地幔柱相互作用具有重要意義。
中科院海洋所張麗鵬博士為論文第一作者，中科院海洋所孫衛(wèi)東研究員和美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校劉麗軍教授為論文通訊作者。
文章信息：Lipeng Zhang, Zebin Cao, Robert E Zartman, Congying Li, Saijun Sun, Lijun Liu, Weidong Sun. (2023) An emerging plume head interacting with the Hawaiian plume tail.The Innovation. 4(2).
