中科院团队破解海底山丘成因之谜 2.7亿年板块俯冲与地幔热柱演化模型揭示统一机制

中新网北京6月10日电* 全球海洋中分布着形态各异的海底山丘，它们究竟是不同地质作用的产物，还是遵循着某种统一的形成规律？中国科学院地质与地球物理研究所一项最新研究给出了答案。该所刘丽军研究员领衔的团队，利用自主研发的高分辨率全球数据同化模型，重建了过去2.7亿年的板块俯冲历史，并动态模拟了地幔热柱的上升与喷发过程，首次系统揭示了遍布世界各大洋的海底山丘具有共同的动力来源。相关成果已于6月10日在国际顶级学术期刊《自然-地球科学》上正式发表。

破解深海“千丘一面”的科学难题

海底山丘是海洋地质中最为普遍的地貌单元之一，涵盖了孤立海山、链状海山群、大型海台以及平顶海山等丰富类型。传统的观点倾向于将它们视为不同构造环境下的偶然产物，例如板内火山活动、洋中脊扩张过程中的岩浆溢出，或是岩石圈断裂引发的局部熔融。然而，这些解释往往各自为政，难以描述一个全球统一的动力学框架。 刘丽军团队的研究正是直面这一悬而未决的问题。他们提出：如果能够还原数亿年尺度上地球深部物质的运移轨迹，就有可能捕捉到地幔热柱与板块运动之间长期耦合的密码，进而判别海底山丘的真正“塑造者”。

高分辨率数据同化模型再现2.7亿年深部过程

要实现这一目标，高精度、长时序的全球地幔对流模拟必不可少。研究团队所倚重的核心技术，是自主开发的高分辨率全球数据同化模型。该模型综合了全球地震层析成像、板块重建、地质年代学以及古地磁等海量观测数据，在数值模拟平台上重现了自二叠纪以来长达2.7亿年的地幔对流演化史。 据研究团队介绍，这一模型不仅能够回溯俯冲板片在地幔中的沉浮轨迹，还能追踪地幔热柱从核幔边界上的大型低剪切波速省（LLSVP）区域起源并持续上升的完整路径。借助该模型，研究人员清晰识别出数次大规模地幔热柱活动周期，并能够将每一次热柱活动与地表所留下的痕迹进行精确比对。

从地幔热柱到海底山丘的统一形成机制

模拟分析揭示出一个显著规律：全球范围内绝大多数规模较大的海底山丘群，其形成时间与地幔热柱强烈活动期高度吻合。当深部热柱上升至岩石圈底部时，其巨大的热能和物质通量引发减压熔融，岩浆上涌穿透洋壳，在海底喷发形成火山。随着板块缓慢漂移，同一热柱会在不同位置依次留下火山痕迹，构成线状排列的海山链；而热柱活动峰期则可能在较短时间内形成广阔的海台。 该研究进一步表明，板块俯冲过程间接调控了地幔热柱的强度与位置。在超大陆聚合与裂解周期中，俯冲板片的深部堆积会对核幔边界的热结构产生影响，诱发或增强地幔热柱的生成。因此，板块俯冲、地幔热柱与海底山丘三者之间，存在着一条清晰的因果链条：板块俯冲塑造深部热结构，深部热结构驱动地幔热柱活动，地幔热柱活动最终雕刻出全球海底山丘的宏观分布格局。

开创地球系统演化研究的新范式

审稿专家认为，此项工作将板块构造理论与地幔柱假说统一在了一个定量化、可验证的框架内，为理解固体地球圈层之间物质与能量交换提供了全新视角。该成果不仅有助解释现存海底山丘的分布与年龄特征，还可为未来海底矿产资源勘探提供深部背景约束，对于全球大地构造演化研究具有里程碑意义。 刘丽军研究员表示，下一步团队将继续完善模型的时间与空间分辨率，并尝试将地表环境演变、海平面变化等表生过程纳入模拟系统，推动地球系统科学多圈层耦合研究迈向更深层次。

天河超算精准勾勒全球地幔“热力图” 海底数万座山丘成因迎统一解释

深藏于波涛之下的海底地形远比陆地更为崎岖隐秘。据测绘数据显示，全球各大洋底零零散散分布着超过四万座海山与山丘，这些庞杂的构造如同被刻意撒落的巨岩，长久以来令地质学家对其身世困惑不已。一座山丘为何在此处孤耸，而非与他处山脉相连？由地幔深处涌起的热物质究竟如何操控这场跨越百万年的造山运动，始终缺乏一锤定音的实证链条。近期，我国科研团队依托“天河”超级计算机完成的一组全球尺度模拟，首次为散落海山的统一成因提供了系统性解释，传统热点假说中悬而未决的缺口被初步填补。

热点假说之外的广阔未知

上世纪七十年代提出的地幔热柱理论，为解释板块内部火山活动提供了精巧的框架。该理论认为，从地核与地幔边界升腾的高温物质柱，一旦触及移动中的岩石圈板块，便会不断灼穿地壳，随着板块漂移留下年龄递增的线性火山链。夏威夷—皇帝海山链即为这一模式的经典样本，其排列之规整几乎成为教科书式的演绎。然而，在现实海底测绘图上，具备如此清晰链状特征的海山群仅约五十余处，对比总量超过四万的海底山丘，绝大多数个体既无链条可寻，亦无整齐的年龄梯度，显然无法被传统模型覆盖。围绕这些孤立地形的成因，学界曾提出过岩浆囊随机喷发、岩石圈局部伸展等假说，但均因缺少深部热力学证据而难以形成定论。海底山丘成因由此成为固体地球科学中一块难啃的骨架。

在数据浪潮中重现地幔动力学

为了追溯这股塑造海底地貌的终极动力，中国研究团队将目光投向运算能力空前的“天河”超级计算机。研究人员搭建起全球尺度的地幔对流模型，通过海量计算反演出当下地幔软流圈及深部热柱的三维热力结构与位置分布。这种模拟并非单纯的理论推演，而是将大量热力学参数与地震波成像、大地热流、地形高程等实测数据持续校验、逼近，最终获得一套能够再现观测事实的高分辨率“热力图”。所得结果显示，无论是太平洋板块下方的广阔异常高温区域，还是印度洋、大西洋深处的离散热异常，均与海底山丘的密集分布区呈现出高度空间对应，这为建立因果关系奠定了坚实的数据基础。

热物质聚集、分化与滞留：造山三部曲

模拟还原的地幔动力过程揭示了一条更为复杂细密的造山路径。早期阶段，源自地幔底部的大量高温物质并非立刻刺穿岩石圈，而是率先在板块下方长时期聚集、铺展，构成庞大而弥散的异常地幔区域。这种大规模热穹窿的存在，足以在相当大的范围内诱使地壳熔融并产生岩浆，从而在同一时段内催生出一大片无明显年龄递进规律的零散海山与火山高地区。随着地质时间推移，主干热柱会在上升过程中分化出若干次级、更小的热柱分支，宛如一棵深植地下的巨树不断萌发侧枝。这些小型热柱能够灵活地作用于局部岩石圈薄弱带，持续生成新的海底山丘，进一步丰富了区域内的散布格局。 更为关键的是，即便大规模的岩浆活动期结束后，大量残余高温物质仍可滞留在地幔软流圈内部达数千万年之久。这些“余热库”的温度高低，直接与上方海山群的规模、高度及空间密度呈显著关联。换言之，软流圈并非岩浆事件的被动旁观者，而是海底山丘孕育的持久温床，其热状态就是掌控海底造山规模的控制开关。这一发现将海山形成的内因从偶然的局部作用上升到全球深部热动力学的统一框架。

理论拼图趋近完整

通过揭示热柱聚集—分化—滞留的完整作用链条，研究团队为长达数十年的海山成因争论提供了迄今最为自洽的物理图像。传统热点假说所描述的线性火山链，可以被视为这一普适机制在特定板块运动条件下的特殊表现，而非例外。从太平洋的夏威夷链到彼处星罗棋布的无名海丘，再到印度洋与南大西洋的散落山群，其形成动力最终都指向地幔底部那持续供给热量的上升物质流。该成果不仅补全了地幔热柱理论在解释离散海山方面的关键短板，也对于理解地球内部热演化、全球物质循环及海底资源分布具有深远价值。随着更多观测数据与模拟能力的提升，人类对这颗星球深部动力工厂如何雕刻表面地貌的认知，正迈入一个更为精细化的时代。 （据央视新闻）