?長期以來，熱點隆起（Hotspot Swell）的形成被認為與地幔柱活動密切相關，但對于那些分布范圍更廣、高度更低的“超級隆起”（Superswell）的成因（圖1），學界始終未能達成共識。近日，一項發表在Science Advances的研究，對兩類洋底隆起的成因提出了新見解，為理解地幔柱的深部動力學演化過程與淺表響應提供了新思路。

圖1. “典型”熱點隆起（夏威夷，a-c）與“超級隆起”（東南太平洋，d-f）

?該項研究由中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛院士團隊、西班牙ICM-CSIC?Jason P. Morgan教授團隊、及美國哈佛大學的W. Jason Morgan教授（已故）共同完成。研究團隊通過綜合分析天然觀測數據與數值模擬結果，嘗試解讀了洋底隆起的寬度隨大洋年齡的增長而降低、而高度則相應增高的趨勢。

圖2. 洋底熱點隆起規模與大洋年齡的關系

?為了總結洋底熱點隆起的特征，研究團隊參考已有的洋底熱點目錄，統計了其寬度和平均高度（移除洋底冷卻沉降效應之后）（圖2）。通過分析發現，位于>50 Ma洋底的熱點隆起傾向于呈現狹窄且高聳的形態，而位于<20 Ma洋底的熱點隆起則主要表現為寬闊且低矮的形態。此外，在靠近洋中脊的區域，熱點隆起會沿著與中脊平行的方向延伸，導致長軸上的高度/寬度小于短軸。這些觀測結果表明，普通的熱點隆起與更寬闊的超級隆起分別傾向于在古老和年輕的大洋板塊上發育。

?為了深入探究這一規律背后的動力學機制，研究團隊構建了可壓縮型數值模型，模擬了地幔柱與不同年齡大洋巖石圈之間的相互作用（圖3）。模擬結果成功再現了熱點隆起規模的演化趨勢（圖4）。結果顯示，無論是普通熱點隆起還是超級隆起，都可能源于地幔柱與大洋巖石圈的相互作用（圖3）。研究團隊強調，年輕大洋板塊之下存在著由洋中脊熔融抽取形成的、粘滯殘余“成分巖石圈”（Compositional Lithosphere）。當大洋年齡較小時，這種成分巖石圈的厚度會顯著大于“熱巖石圈”（Thermal Lithosphere），并且比后者具有更小的密度與粘度。當地幔柱物質上升到淺部時，成分巖石圈會因受到縱向擠壓而在橫向上發生形變，表現為地幔柱周邊的局部加厚（圖3f）。隨著大洋年齡的降低，巖石圈整體粘度會降低，其受到地幔柱擠壓后的加厚范圍則會增加，進而導致淺表隆起范圍的擴大；但由于單位時間內上涌的地幔柱物質有限，熱點隆起的平均高度也會相應降低（圖4）。因此，年輕大洋成分巖石圈受地幔柱沖擊后的物質再分布被認為是導致超級隆起形成的關鍵因素。（類似上涌導致巖石圈物質再分布的現象也見于Liang Liu et al., 2025, Nat Commun, 16(1), 7603. 其中，深部上涌誘發的離散流場會將上涌中心的巖石圈底部物質往兩側推擠，導致中心處巖石圈薄于兩側，以至淺表出現不同程度的沉降）。

圖3. 典型熱點隆起（a-c）與超級隆起（e-f）的數值模擬結果

圖4.?模型呈現的熱點隆起規模與大洋年齡的相關性

?該項研究較好呈現了巖石圈的“蓋層”效應（Lid Effects），有效地展示了熱巖石圈對地幔熔融的限制作用（圖5a-5b）。模擬結果顯示，地幔柱在上升過程中，可在地幔過渡帶、~260公里深度處及巖石圈底部發生不同程度的滯留，為解讀對應層位存在的地震波不連續界面以及大洋巖石圈地震學LAB的本質提供新思路（圖5c-5e）。研究還發現，前人對地核熱流通量的估算方法大多基于對熱點隆起規模的測量。然而，本研究表明，相同地幔柱體積下的熱點隆起規模會隨著大洋年齡的變化而變化，這意味著以往的估算可能存在較大偏差。因此，該研究為重新審視地核熱流通量的估算方法提供了依據。

圖5. 模型中地幔柱的熔融行為（a-b）、物質運移（c）、溫度演化（d）、縱向結構（e）等結果的匯總

?綜上，本研究不僅為理解地幔柱導致的熱點隆起規模提供了新視角，也為探索地幔柱的深部動力學演化過程及其淺表響應開辟了新思路。通過綜合天然觀測數據與數值模擬結果，研究揭示了地幔柱導致巖石圈物質再分布的淺表響應形式，強調了大洋成分巖石圈對地幔柱上涌和地幔熔融的關鍵制約作用。研究進一步表明，地幔柱在大洋板塊下方的活動頻率可能高于以往認識，且其影響范圍可能更為廣泛。

?劉亮副研究員是本文的第一作者、共同通訊作者，J.?P.?Morgan教授為本文的共同通訊作者。該項工作受到國家重點研發計劃—常規項目和青年科學家項目以及國家自然基金委項目的聯合資助。

論文信息：Liu, L.*（劉亮），Morgan, J.P.*，Xu, Y.G.（徐義剛），Long, S.M.，De Montserrat?A.，Morgan, W. Jason，2025，Science Advances. 11(46).

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady1276.