【科研论文科普解读】

  在占地球表面71%的海洋深处，隐藏着四万多座不为肉眼所见的“山峰”——海山。它们有的绵延成链，如夏威夷群岛；有的孤峰突起，散落在茫茫大洋深处。这些海底火山究竟从何而来？为何数量如此庞大，分布又如此杂乱？

  近日，中国科学院地质与地球物理研究所研究员刘丽军团队与合作者，借助自主开发的高分辨率全球数据同化模型，再现了2.7亿年以来的俯冲历史，并对全球地幔柱的时空演化进行了模拟分析。研究指出，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，为全球海山的成因提供了一个统一的物理框架。相关研究6月10日线上发表于《自然-地球科学》。

  一个“不够用”的经典理论

  长期以来，地球科学家们主要依靠“热点假说”来解释链状海海山的起源。这个理论认为，在地球深部、接近地核的边界处，会升起一股股炽热的、相对固定的地幔柱。当上方的板块像传送带一样移动时，地幔柱持续喷发的岩浆就会在板块表面留下一串火山链——夏威夷-帝王海山链就是最经典的例子。

  然而，问题也随之而来，全球能够被明确识别为这种“热点火山链”的海山群，仅有50多个。而实际观测到的海山数量却超过四万。换句话说，如果所有海山都由热点产生，那么每个热点需要“负责”近千座海山——这在时间和空间上都是不可能的。

  于是，一个核心的科学悖论浮出水面：全球那么多海山，真的都跟地幔柱有关系吗？如果没关系，它们又来自哪里？

  截至目前，针对全球孤立海山成因问题，国际学界提出了多种起源假说，大部分都与来自核幔边界的地幔柱没有直接关系，这些假说主要包括：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。然而，上述模型大多为概念模型或表征模型，其与深部地幔真实演化过程的关系尚无定论。

  一台超级计算机，一次2.7亿年的回溯

  面对这一情况，中国科学院地质与地球物理研究所刘丽军研究员团队与合作者，决定换一个思路，与其从局部现象出发构建模型，不如直接“倒放”地球深部的演化历史。

  研究团队利用最新改进的高分辨率全球数据同化模型，合理复现了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，并预测了夏威夷等关键热点，及其所对应的深部地幔柱的时空演化（图1）。

  图1 模型重现的现今三维地幔柱结构与地质观测的对比。顶部彩色曲面展示大陆地形，白色区域为大陆架、海山与岛弧等区域。橙红色等温面表示地幔柱；灰白色等温面显示300km以深的俯冲板片。

  图2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。(a -f) 背景颜色表示不同时期的软流圈温度异常。绿色散点为真实海山的古诞生位置。(g) 全球已探明四万多海山的位置与高度。(h) 实测海山高度与海山正下方现今模拟温度异常的对应关系；红线为温度异常均值，黑线为线性拟合趋势。(i) 不同海山高度下模拟温度异常的概率分布。

  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（图2）。

  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，地幔柱可以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。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四万个海山的高度呈显著的线性关联（图2），从而揭示了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。研究利用高分辨率的全球俯冲和地幔柱演化模型成功复现了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。（光明网记者宋雅娟）