The Innovation | 新发现：夏威夷岛正在形成新的地幔柱头

导 读

夏威夷-帝王岛链是来源于地幔深部的夏威夷地幔柱在漂移的太平洋板块上喷发形成的。该地幔柱从8500万年以前就开始喷发，一直持续至今。值得注意的是，最近800万年以来，夏威夷岛链开始分叉为两条近似平行的岛链并同时出现转弯，岩浆喷发速率也在迅速增加，当前每年喷发量达到0.6立方千米。这些现象与传统地幔柱假说提出的地幔柱位置相对不动和尾部喷发量较小相悖。本文提出一个新的地幔柱头正在夏威夷地幔柱附近形成，并通过数值模拟重现了新生地幔柱头与原夏威夷地幔柱相互作用导致海山的喷发位置、地球化学组成和喷发量随时间变化的过程。

图1 新生地幔柱头与原地幔柱尾相互作用示意图

夏威夷-帝王岛链是来自地幔深部的夏威夷地幔柱在太平洋板块上喷发形成的，其地幔柱头在8500万年以前开始喷发，其地幔尾部一直持续喷发至今，形成了约6000公里长的岛链。夏威夷-帝王岛链是固体地球科学的研究热点区域，该岛链研究在板块构造理论和地幔柱假说的发展过程中起到了举足轻重的作用。1963年著名学者Tuso Wilson根据夏威夷-帝王岛链的空间展布特征，提出了著名的热点假说，即夏威夷-帝王岛链是软流圈中一个热点不断向外喷出岩浆，热点不动，而板块运动，从而形成了岛链。热点假说为板块构造理论的发展奠定了重要基础；但是该假说不能解释为什么热点长期在软流圈里保持不动。1971年著名学者Jason Morgan发展了Tuso Wilson的热点假说，提出了地幔柱假说：认为地幔柱起源于核幔边界，其空间位置基本保持不变。1991年，Ian Campbell等通过地球动力学模拟实验，提出地幔柱在向上运移过程中，首先形成一个巨大的蘑菇状岩浆，并在100万年内完成主要的喷发，形成大火成岩省，随后地幔柱变得细长，形成岛链。该模型首次把大火成岩省和岛链统一到地幔柱假说中。

随后的研究发现，作为地幔柱假说发源地的夏威夷-帝王岛链并不完全符合地幔柱假说。首先，夏威夷地幔柱经历了8500万年的持续喷发，喷发量却在近800万年开始逐渐增加，目前达到了0.6立方千米/年，已经接近大火成岩省的喷发速率；其次，夏威夷地幔柱在800万年前开始拐弯，也与地幔柱不动的传统认识相悖；同时，夏威夷地幔柱的化学成分也发生了变化，在原来Kea岛链的南侧出现了一支近似平行的Pb同位素更富集的Loa岛链。

这些现象引起了地质学家的极大关注，一系列的成因模型被提出。前人认为造成这些现象的主要原因可能是地幔柱源区温度结构和物质组成结构的不同，以及太平洋板块运动方向的改变。然而，大部分模型往往只能解释其中单个现象，不能同时解释上述所有现象，导致有学者对地幔柱假说产生了怀疑。

本文提出一个新生地幔柱头正在夏威夷岛形成的观点。通过地球动力学模拟还原了800万年以来夏威夷地幔柱尾受位于其南侧一个新生地幔柱头的影响过程。该地幔柱头在上升过程中受到夏威夷地幔柱尾低压区的动力吸引，而向后者靠拢。随着新生地幔柱头不断上升，其喷发过程逐渐占主导作用，而柱头下方形成的新低压区反向吸引老地幔柱尾向东南移动近280公里，从而形成夏威夷岛链拐弯。由于新生地幔柱头的巨量贡献，夏威夷岛链的喷发速率大幅升高，形成了巨大的高出海平面的夏威夷群岛。这一新发现同时解释了夏威夷地幔柱800万年以来出现的地质现象，并证实上述现象与传统地幔柱假说并不矛盾。

总结与展望

该研究通过数值模拟重现了一个新生地幔柱头与衰亡地幔柱尾相互作用导致海山地球化学组成、喷发位置和喷发量随时间的变化过程。该工作拓展了传统地幔柱假说的范畴，对进一步研究地幔柱的发育及其对应的深部地幔动力过程具有重要意义。

责任编辑

周永强    中国科学院南京地理与湖泊研究所

胡国杰    中国科学院西北生态环境资源研究院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00032-2

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第二期以Article发表的“An emerging plume head interacting with the Hawaiian plume tail” (投稿: 2022-11-11；接收: 2023-02-16；在线刊出: 2023-02-21)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100404

引用格式：Zhang L., Cao Z., Zartman R., et al. (2023). An emerging plume head interacting with the Hawaiian plume tail. The Innovation. 4(2),100404.

作者简介

张丽鹏，中国科学院海洋研究所，助理研究员。主要从事板块构造、岩浆作用与古气候事件耦合作用研究。共发表文章60余篇，其中第一/通讯作者文章16篇。

曹泽斌，伊利诺伊大学香槟分校，博士研究生。主要研究大陆岩石圈演化、地幔对流与岩石圈耦合等动力过程，以第一作者兼通讯作者发表SCI论文1篇。

刘丽军，伊利诺伊大学香槟分校，教授。主要研究板块俯冲和大陆演化等动力过程和构造演化问题，开发了时间正演和反演的地球动力学数据同化算法，并成功应用于多种地学问题。2015年获AGU Jason Morgan Early Career Award，2016年获NSF Career Award目前担任Science China和EPP编委。在包括Nature、Science、Nature Geoscience等期刊上发表论文70余篇。

孙卫东，中国科学院海洋研究所，研究员。主要从事海洋地质研究，共发表论文400余篇，其中第一/通讯作者SCI论文150余篇(含2篇Nature、2篇NC、1篇PNAS)。2005年获得国家自然科学基金杰出青年基金。2016年入选新世纪百千万人才工程领军人才、全国优秀科技工作者。曾任国际综合大洋钻探计划技术评价委员会和科学评价委员会中方代表，国际地球化学学会执委、国际地球化学Goldschmidt奖评委。现任中国大洋钻探专家组成员、Solid Earth Sciences主编、Acta Geochimica常务副主编、Geochimica et CosmochimicaActa和Journal of Oceanology and Limnology副主编等。

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