科学通报 | 破解全球最大洋底高原成因之谜: 西太平洋翁通爪哇高原形成于热化学地幔柱|地壳|地幔|岩石圈|成因|爪哇高原|西太平洋

地球内部如何运行是学者们一直致力探索的前沿科学问题. 火山是地球岩石圈的基本构造单元. 火山作用是连接地球深部与浅部的重要过程, 其将地球内部物质输送到岩石圈, 塑造了地表的地形地貌. 因此, 火山是研究板块构造、壳幔结构、深部动力学以及地球内部物质能量循环机制的天然实验室. 大规模的火山活动形成大面积的火山区域, 称为大火成岩省, 即超级火山喷发地区. 大火成岩省拥有超厚的地壳, 反映了岩石圈超级增生过程.

学者们对大火成岩省的研究开始于大陆溢流玄武岩 [1] . 随着海洋科学调查技术的发展, 学者们发现大洋里也存在类似的大型火山构造, 即洋底高原, 被认为是大陆溢流玄武岩在大洋里的亲姊妹 [2] . 洋底高原以异常宽广的地形隆起与巨厚地壳为主要特征, 由大规模海底火山喷发形成, 记录了壳幔内部岩浆活动的关键信息, 对海洋环境灾变、全球气候剧变、生物大灭绝等事件均有重要影响 [ 3 , 4 ] . 相较于大陆溢流玄武岩, 洋底高原隐藏于大洋深处, 避免了风化侵蚀等对原始地质现象的破坏, 且很少受到陆源物质的污染. 因此, 洋底高原更能反映深部地幔源区的地球化学性质, 是地球漫长演化历史中岩浆活动的忠实记录者.

1 洋底高原成因之谜: 地幔柱模型与海底扩张模型

关于洋底高原的成因, 至今仍没有定论. 学者们提出了几种假说, 如地幔柱模型 [5] 、海底扩张模型 [6] 、陨石撞击模型 [7] 等. 由于陨石撞击假说在缺少陨石撞击留下的地质痕迹以及陨石样品等关键证据支持下难以成立, 目前学界的争论主要集中在地幔柱模型和海底扩张模型.

地幔柱模型认为, 深部地幔柱在热浮力驱动下上升至岩石圈底部, 其初始阶段形成巨大的地幔柱头, 短时间内发生大规模熔融, 喷发大量岩浆, 从而形成洋底高原; 随后过渡到地幔柱尾阶段, 岩浆活动减弱, 随着上覆板块运动形成线性火山岛链. 尽管地幔柱模型被学者们广泛接受, 但传统的纯热地幔柱模型并不能解释所有观测现象. 例如, 部分洋底高原形成于海面以下, 其隆升幅度明显低于纯热地幔柱模型的预测值; 此外, 洋底高原岩浆表现出显著的地球化学不均一性, 表明其地幔源区具有复杂的组成特征, 这也难以用纯热地幔柱模型解释. 于是, 有些学者提出洋底高原的形成不需要地幔柱作用. 当上地幔中存在高比例易熔物质时, 只需要基本的海底扩张过程即可形成洋底高原, 无需地幔高温异常, 即海底扩张模型. 该模型认为在板块扩张边界处, 板块的相向运动诱发含有大量易熔物质的地幔上涌并发生减压熔融, 产生大量岩浆, 这些岩浆沿着板块边界和裂隙溢流到地表形成了洋底高原. 然而, 部分洋底高原形成于远离板块扩张边界的板内环境, 与海底扩张模型的基本假设不符. 总而言之, 目前没有一种假说可以完全解释洋底高原所有的观测现象, 导致了洋底高原成因至今成谜.

2 全球最大洋底高原: 位于西太平洋的翁通爪哇高原

西太平洋是洋底高原最密集的区域, 其中包括地球上现存体积最大那一座, 即翁通爪哇高原. 翁通爪哇高原主要形成于早白垩世, 被视为研究洋底高原成因机制的最佳区域之一. 学者们普遍认为它由炽热的地幔柱头熔融而成, 但纯热地幔柱模型预测该洋底高原应隆升至海面以上, 与其主体形成于海面以下的观测相矛盾. 另一种机制认为它形成于快速海底扩张背景下不均一地幔的减压熔融, 但高原玄武岩放射性定年结果(115~108 Ma)与邻近磁异常条带年龄(159~133 Ma)不吻合, 表明其更可能形成于板内环境而非洋中脊附近.

针对翁通爪哇高原成因的矛盾, Zhang等人 [8] 基于地球物理和地球化学观测的联合约束, 构建多学科交叉耦合的热动力学模型, 分别模拟了两种情形下翁通爪哇高原形成时地幔的热状态与化学状态( 图1 ). 模拟结果显示, 海底扩张模型要求超高的地幔潜温或极高的高密度、易熔辉石岩比例, 与全球洋中脊的观测不符. 相比之下, 热化学地幔柱(温度异常范围为135~200℃, 高密度、易熔辉石岩比例不超过13%)不仅能合理解释洋底高原地壳厚度和熔岩成分的空间变化, 也能解释其主体形成于海面以下的特征. 因此, 研究团队认为翁通爪哇高原是热化学地幔柱作用的产物, 并根据地壳厚度和熔岩成分的空间变化特征, 提出了热化学地幔柱头的空间演化模型 [8] .

3 对全球洋底高原成因的启示

研究表明兼具温度异常和地幔成分异常的热化学地幔柱是翁通爪哇高原形成的主控机制, 修正了传统仅以纯热地幔柱解释其成因的模型 [8] . 除翁通爪哇高原外, 全球其他典型洋底高原的地幔源区也具有显著的成分不均一性, 例如, 同属西太平洋的马尼希基高原、希古朗基高原和沙茨基海隆, 印度洋的凯尔盖朗高原, 以及大西洋的里奥格兰德高原. 这意味着除温度异常外, 成分不均一的地幔也普遍参与洋底高原的形成, 即热化学地幔柱可能是控制洋底高原形成的普适性机制.

最新的全地幔对流数值模拟结果进一步指出, 无论洋底高原、还是散乱分布于大洋板块内部的海山, 其成因都与源自核幔边界的地幔柱活动密切相关 [ 9 , 10 ] . 具体而言, 地幔柱携带大量热化学物质上涌至大洋板块底部, 造成大范围的地幔热异常和成分异常. 最先到达的地幔柱头引起大规模熔融形成洋底高原; 随着上覆大洋板块的持续运动, 地幔柱诱发的熔融在海底形成线状排列的海山链. 除此之外, 地幔柱造成的热异常和成分异常可长期留存于软流圈内部, 并随着地幔对流不断运移和扩散, 最终形成大量零散分布的小型海山. 另外, 地幔柱的上涌强度, 除了与自身物质的热化学性质有关, 还受控于板块俯冲作用. 早白垩世环太平洋俯冲通量达到峰值, 显著增强了太平洋地区地幔柱的活动强度, 导致翁通爪哇高原、马尼希基高原、希古朗基高原、沙茨基海隆和赫斯海隆等洋底高原集中形成于该时期. 与此同时, 迁移的洋中脊与地幔柱活动区域相交汇, 二者的相互作用进一步促进了大规模熔融. 这些研究成果提升了对于洋底高原等地表岩浆活动的深部动力学过程与机制的理解.

值得注意的是, 大西洋亚速尔高原的最新研究指出没有地幔柱参与也能形成洋底高原 [11] . 该研究强调地幔中的水在岩浆活动中的重要性, 认为地幔过渡带顶部含水部分熔融层在洋中脊构造吸力作用下被抽吸到浅部发生减压熔融可以形成洋底高原, 为亚速尔高原的成因提供了一个新解释. 当然, 地幔过渡带顶部含水部分熔融层上升模型并非在所有板内环境中取代地幔柱模型, 而是为特定构造背景下的岩浆活动成因提供一种替代机制, 特别是在移动的洋中脊与局部水化的地幔过渡带相互作用的区域. 因此, 该模型为完善大规模岩浆活动的成因机制提供了重要补充.

参考文献

[1] Macdougall J D. Continental Flood Basalts. Dordrecht: Springer Science & Business Media, 1988.

[2] Mahoney J J, Coffin M F. Large Igneous Provinces: Continental, Oceanic, and Planetary Flood Volcanism. Washington DC: American Geophysical Union, 1997.

[3] Wignall P B. Large igneous provinces and mass extinctions. Earth-Sci Rev, 2001, 53 1-33

[4] Sobolev S V, Sobolev A V, Kuzmin D V, et al. Linking mantle plumes, large igneous provinces and environmental catastrophes. Nature, 2011, 477 312-316

[5] Richards M A, Duncan R A, Courtillot V E. Flood basalts and hot-spot tracks: plume heads and tails. Science, 1989, 246 103-107

[6] Foulger G R. The “plate” model for the genesis of melting anomalies. In: Foulger G R, Jurdy D M, eds. Plates, Plumes and Planetary Processes. Boulder: Geological Society of America, 2007. 430.

[7] Rogers G C. Oceanic plateaus as meteorite impact signatures. Nature, 1982, 299 341-342

[8] Zhang J, Zhang X, Chen S, et al. Ontong Java Plateau formed by a thermochemical mantle plume. Nat Geosci, 2026, 19 846-854

[9] Dong H, Liu L, Cao Z, et al. Deep mantle plume origin of oceanic intraplate volcanism. Nat Geosci, 2026, 19 828-836

[10] Deng D, Li S, Cao X, et al. Vigorous mantle convection triggered the Cretaceous Pacific large igneous provinces. Nat Geosci, 2026, 19 837-845

[11] Yang J, Faccenda M, Meyzen C M, et al. Subduction legacies in the mantle transition zone modulate intraplate oceanic volcanism. Nat Commun, 2026, 17 6566

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