近日，中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室林間院士團(tuán)隊聯(lián)合國際科學(xué)家，在全球第三大洋底高原——西太平洋沙茨基海隆的成因機制研究中取得重要突破，揭示地幔柱與洋中脊相互作用是其形成的主控因素。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然 地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上。副研究員張旭博為論文第一作者，研究員張錦昌和院士林間為論文共同通訊作者。此外，《自然 地球科學(xué)》同步發(fā)表該成果的研究簡報（Research Briefing）。  

　　洋底高原是海底大范圍的地形隆起區(qū)，是大規(guī)模巖漿活動的產(chǎn)物，屬于海洋里的大火成巖省（Large Igneous Province），對地球氣候演變、生物滅絕等事件具有重要影響。長期以來，有關(guān)洋底高原的成因機制一直存在爭議，主要有兩個觀點：（1）“地幔柱模型”認(rèn)為洋底高原由起源于地幔深部的高溫地幔柱引起的大規(guī)模巖漿活動形成；（2）“板塊模型”則認(rèn)為洋底高原是由板塊擴張誘發(fā)的非均一地幔物質(zhì)上涌減壓熔融形成，無需明顯溫度異常。  

　　西太平洋的沙茨基海隆，作為全球第三大洋底高原，形成于洋中脊三聯(lián)點區(qū)域，被視為研究洋底高原成因機制的最佳區(qū)域之一（圖1）。綜合分析多學(xué)科觀測數(shù)據(jù)，研究人員建立了地球動力學(xué)和地球化學(xué)耦合模型，定量地研究了形成沙茨基海隆所需的地幔條件。研究發(fā)現(xiàn)，地幔柱模型和板塊模型的結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)不符，只有地幔柱與洋中脊相互作用模型才能很好地解釋研究區(qū)的構(gòu)造巖漿活動特征。  

　　結(jié)合沙茨基海隆的形成過程，研究團(tuán)隊提出地幔柱與洋中脊相互作用的兩步曲模式（圖2）。第一階段，地幔柱頭與周圍地幔發(fā)生強烈混合，洋中脊處發(fā)生大規(guī)模巖漿活動，巖漿成分與淺部虧損地幔的地球化學(xué)特征相似，形成如西南端的大塔穆火山（Tamu）（圖2b）。第二階段，地幔柱尾與周圍地幔的混合作用減弱，洋中脊處仍能形成較厚的洋殼，但巖漿成分與深部富集地幔的地球化學(xué)特征相似，如東北端的帕帕寧海嶺（Papanin Ridge）（圖2c），在地球上其他熱點如冰島、亞速爾和加拉帕戈斯也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。本研究對于揭示全球洋底高原的成因、了解地幔柱的時空演化過程及其與洋中脊的相互作用機理具有重要的科學(xué)意義。  

　　對這一研究成果，美國海洋地球物理學(xué)家Jennifer Georgen教授認(rèn)為“作者們解決了大火成巖省地球動力學(xué)領(lǐng)域長期存在的問題，即沙茨基海隆形成時地幔的熱化學(xué)狀態(tài)。這一重要結(jié)果將引起海洋地球科學(xué)家們的廣泛關(guān)注”。《自然 地球科學(xué)》期刊主編Tamara Goldin博士總結(jié)道“本文評估了有關(guān)洋底高原成因的地幔柱模型和板塊模型，并以沙茨基海隆為例，揭示類似的洋底高原是由地幔柱與洋中脊的相互作用形成”。  

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金項目、廣東省自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院項目等的聯(lián)合資助。  

　　研究論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01286-0  

　　研究簡報鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01289-x  

　　圖1 沙茨基海隆的地形、地殼厚度和地球化學(xué)同位素比值特征。沿沙茨基海隆走向，地殼厚度逐漸減薄。Nd和Hf同位素比值與地殼厚度呈正相關(guān)關(guān)系，即巖漿活動強、地殼厚時，Nd和Hf同位素比值高；巖漿活動減弱、地殼較薄時，Nd和Hf同位素比值低；表明巖漿成分隨巖漿活動強度發(fā)生系統(tǒng)性變化。  

　　圖2 地幔柱與洋中脊相互作用的時空演化模型。頂部的黑色雙線代表洋中脊位置，黑色箭頭指示板塊擴張方向。