近日，南方科技大学地球与空间科学系副教授胡佳顺团队在Science Advances发表题为“Bilateral Loa-Kea trends of the Hawaiian Islands caused by the bottom-up splitting of plume conduit”的研究论文。该研究不仅成功再现夏威夷地幔柱的空间位置与演化轨迹，还揭示了地幔柱内部结构演变与地表双侧地球化学分区的深部动力学机制。

热点火山活动在地表呈现出多种形式，其中一个引人关注的现象是部分火山岛链表现出的双侧不对称现象。这种现象不仅在地理位置上表现出近平行子岛链的形成，也在地球化学特征上表现出显著的双侧分区趋势。有多个太平洋热点轨迹表现出这种双侧分区特征，包括夏威夷-帝王链、复活节岛、加拉帕戈斯、马克萨斯、萨摩亚、社会群岛、特里斯坦-戈夫以及鲁鲁图等。尤其是在夏威夷岛链上，作为地球上规模最大、最为活跃的热点火山链，对夏威夷火山约800万年间喷发的岩石记录开展系统同位素地球化学研究显示，夏威夷群岛的火山岩浆具有两类明显不同的地球化学特征：一类是同位素相对富集的“Loa型”岩浆，主要分布在火山链的西南一侧；另一类则是相对亏损的“Kea型”岩浆，主要露出于火山链的东北一侧（图1）。

图1.夏威夷区域的水深和地球化学同位素特征分布；（A）夏威夷群岛的水深分布图以及Loa和Kea的分布趋势；（B）εNd（t）与208Pb*/206Pb*的关系；（C）208Pb/204Pb与206Pb/204Pb的相互关系；虚线将夏威夷岛链分为两个不同的类型趋势，即“Loa型”和“Kea型”

关于这一双轨现象的形成机制，目前存在几种主流模型假设。第一类模型假设地幔柱内部不具备显著物质分区，双侧差异主要源于浅部过程影响，例如板块旋转、地幔柱顶部温度场不均或地幔柱与岩石圈底部的相互作用导致。第二类模型认为地幔柱内部具有同心分区结构，中心富集深地幔热化学物质，而边缘以环境地幔为主；火山岛链的双侧分区源于板块运动剪切和转向对地幔柱熔融的作用。第三类模型则强调地幔柱内部存在双侧分区，认为深部地幔的化学异质性在地幔柱内部向上输送时可呈现双侧分区现象。这些假说各有依据，但在时间和空间尺度上仍难以完全解释热点火山的地球化学特征。

基于这一问题，南方科技大学胡佳顺团队开展了包含板块运动数据同化的高分辨率全球地球动力学模拟，再现了夏威夷地幔柱的时空演化历史。模拟结果显示，夏威夷地幔柱约在1.2亿年前形成，其热化学物质源自核幔边界，并在约8500万年前进入导管系统。在8500万年前至2000万年前，导管内部呈现典型的“同心分区”结构，导管中心富含大型低波速（LLVP）来源的热化学物质，边缘以背景地幔为主，这一结构解释了2000万年以前夏威夷－帝王链未显现明显双轨趋势的原因。自2000万年前以来，地幔柱导管内部结构逐渐演化为双侧分区：南侧保留了来自太平洋LLVP的热化学物质，北侧则被环境地幔成分占据，从而形成当前观测到的Loa-Kea双带结构，并解释了“Loa型”岩浆地球化学富集的空间起源（图2）。

图2.数值模型预测的地幔柱导管内成分场的空间分布随着时间的演化（A）－（D）300千米深度处夏威夷地幔柱导管中来自太平洋热化学体的物质分布，在过去的800万年间来自深地幔的物质逐渐向西南部集中；地幔柱导管由蓝色实线勾勒，红点表示来自热化学物质堆积体的物质；黄色区域代表夏威夷群岛；（E）夏威夷地幔柱目前的三维温度结构，橙色区域代表夏威夷地幔柱导管，红色区域代表来自LLVP的热化学物质

进一步分析表明，这一双侧结构的形成与地幔柱导管自下而上的分裂密切相关。模拟显示，自约1000万年前起，夏威夷地幔柱在1200千米以下开始发生导管分裂，并逐渐向浅部传播（图3）。该分裂过程由伊邪那岐板块深俯冲、LLVP热化学堆积及地幔柱相互作用共同驱动。太平洋LLVP热化学堆积体北缘俯冲活动引发强烈地幔流动，促使太平洋LLVP热化学堆积体发生形变，并在边缘形成多个热化学脊。夏威夷地幔柱正源于其中一个脊上，形成类似“三角幕式”的上升流分布。脊两端处于热化学脊的交汇处，能量大，上涌强度高于中部。随着地幔柱的持续喷发，中部浮力逐渐减弱，导致“三角幕”开始产生空区，即导管在中部发生自下而上的分裂。分裂起始于约1800千米深度，最终在1200千米深度处形成明显断裂。这一机制不仅符合物理原理，也解释了类似双侧分区更易发生在俯冲活动活跃的太平洋下方，而非非洲地区。

图3.数值模型预测的夏威夷地幔柱在过去3000万年期间的结构演变（A）－（E）3000万年前至今的下地幔结构演化；暖色代表核幔边界的热化学异常堆积体和上涌地幔柱，冷色代表俯冲板块

基于该研究结果，研究人员提出地幔柱演化可划分为三个阶段：（1）起始阶段，地幔柱在LLVP热化学物质堆积体的脊上生成，导管整体完整；（2）过渡阶段，导管自下而上发生分裂；（3）成熟阶段，导管完成分裂，形成两个独立的地幔柱。从地球演化角度来看，自中生代以来，环太平洋活跃俯冲带促使沿LLVP脊部的地幔柱生成。随着时间推移，这些地幔柱逐渐减弱并进入分裂阶段，演化过程可能持续数千万年以上。相比之下，非洲下方LLVP形成较早、俯冲活动较弱，不具备沿脊形成地幔柱的条件，其地幔柱可能源自LLVP内部局部不稳定点，或已完成分裂进入成熟阶段的稳定状态（图4）。

图4.地幔柱演化卡通示意图（A）俯冲板块到达最下部地幔并接近热化学堆积体；（B）俯冲板块开始推动热化学堆积体，形成两个连接点和一个脊；地幔柱出现在这些连接点，并占据了连接点之间的脊；（C）地幔柱减弱，尤其是在连接点之间的脊上方，而连接点处的上升流仍然相对较强，导致地幔柱导管分裂；（D）地幔柱自下而上分裂，最终在两个连接点形成两个不同的地幔柱

这项研究不仅成功再现夏威夷地幔柱的空间位置与演化轨迹，还揭示了地幔柱内部结构演变与地表双侧地球化学分区的深部动力学机制。研究结果显示，板块俯冲驱动的流场扰动、LLVP热化学物质堆积体边缘热化学脊的形成以及地幔柱导管的自下而上分裂，是形成Loa-Kea双带结构及热点火山双侧分区的关键因素。这一机制为理解其他太平洋热点火山链的地球化学分区提供了重要的参考框架，同时为未来预测地幔柱长期演化提供了动力学依据。

胡佳顺团队博士生张杰为论文第一作者，胡佳顺为论文通讯作者，南科大为论文第一单位，论文合作者还包括南科大博士生王凯。该研究得到了国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adx4095

供稿：地球与空间科学系

通讯员：黄惠婧

编辑：任奕霏