模型重现的现今三维地幔柱结构与地质观测的对比。中国科学院地质地球所 供图

地幔柱导致的软流圈热异常与实际海山的出现具有显著的时空关联。中国科学院地质地球所 供图

最新探测数据表明，全球大洋板块内散乱分布着多达4万余座海山，几乎遍及各个海域。这些海底山峰是如何形成的？长期以来一直广受关注。

中国科学院地质与地球物理研究所（地质地球所）6月10日发布消息说，该所研究员刘丽军团队与合作者一起，借助自主开发的高分辨率全球数据同化模型，再现了2.7亿年以来的地球板块俯冲历史，并对全球地幔柱的时空演化进行模拟分析发现，无论是呈线状延伸、排列整齐的海山链，还是零散分布的孤立海山，其形成和演化均与核幔边界形成的地幔柱上涌所带来的软流圈热物质活动密切相关。

这一为全球海山成因提供一个统一物理框架的重要研究成果论文，当天在国际专业学术期刊《自然-地球科学》上线发表。

刘丽军研究员介绍，按照传统的热点假说，来自地核顶部的高温地幔柱会在移动的板块下方引发岩石的熔融，从而形成诸如夏威夷群岛那样的海底火山长链。然而，满足这些特征的海山链数量有限，仅有50多个。由此可见，热点模型与海山的数量规模、空间分布特征存在显著不匹配。由此衍生出一个关键科学问题：全球众多海山是否均由热点与地幔柱活动所造就？若存在该成因关联，数量有限的热点又如何解释全球海山的广泛分布？

针对全球海山成因问题，国际学界已提出多种起源假说，主要包括：岩石圈底部小尺度对流模型、边缘驱动软流圈对流模型、剪切驱动地幔上涌流模型、俯冲大洋板块挠曲破裂作用、地幔上涌形成次级地幔柱模型等，大多为概念模型或表征模型，大部分都与来自核幔边界的地幔柱没有直接关系，更重要的是，其与深部地幔真实演化过程的关系尚无定论。

在本项研究中，研究团队利用最新改进的高分辨率全球数据同化模型，合理复现大部分现今观测到的全球地幔柱热点位置和软流圈的热结构，并预测夏威夷等关键热点及其所对应的深部地幔柱的时空演化。该四维模型揭示，海山链和孤立海山的形成和演化均与核幔边界形成的地幔柱上涌所带来的软流圈热物质活动密切相关。

以太平洋区域为例，在地幔柱上涌的早期，大量的地幔柱热物质积蓄在年轻的太平洋板块下方，形成大范围的软流圈热异常，这与被称为西太平洋海山省的零散海山出现具有明确的时空对应关系。在随后的演化过程中，地幔柱可从下地幔的根部或地幔过渡带的中部分裂出更多的地幔柱，从而形成次级地幔柱。这进一步增加了浅部热点的数量，也为形成更多的海山链提供了条件。

研究团队指出，这类热物质长期留存于软流圈内部，并随着地幔对流逐渐运移和扩散，该残余热异常的模拟温度与同位置处观测到的4万个海山的高度呈显著的线性关联，从而揭示这些软流圈热异常能够孕育出大量零散分布的小型海山，证明这些热异常区域代表着海山孕育区。

该研究的模拟工作基于国家超级计算天津中心新一代天河超级计算机完成，其利用高分辨率的全球俯冲和地幔柱演化模型，成功复现深部地幔柱的演化历史和软流圈热异常的时空分布，并为板内海山成因提供了一个新解释。其核心意义在于为广泛分布的海山提供了统一的深部动力来源，从而拓展了传统的地幔柱模型。

《自然-地球科学》同期发表的新闻与观点文章中，夏威夷大学教授加勒特·阿普曾-伊藤（Garrett Apuzen-Ito）评价称，该研究成果通过前所未有的高模型分辨率实现更加丰富的地幔动力过程，揭示了散乱的板内海山是俯冲板片与地幔底部大型化学异常体相互作用的必然结果。