中科院海洋所孙卫东团队与美国伊利诺伊大学香槟分校刘丽军教授团队合作，通过地球化学和地球动力学模拟，论证了古老的夏威夷地幔柱尾在800万年前开始受到新生地幔柱头影响，研究成果3月8日在国际学术期刊The Innovation上正式发表。
夏威夷-帝王海山链是固体地球科学的经典研究对象，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。根据板块构造理论和地幔柱假说，地幔柱保持基本不动，而板块运动，因此地幔柱喷发形成的火山在板块上留下成串的火山。最近800万年以来，夏威夷海山链开始分叉为两条近似平行的火山链，并出现偏转。夏威夷地幔柱经历了超过8500万年的喷发，岩浆喷发速率自800万年以来开始急剧增加，目前每年喷发量达到0.6立方千米（全球地幔柱平均喷发量为2立方千米）。
夏威夷岛链对板块构造理论和地幔柱假说的诞生做出过重要贡献。1963年，Wilson提出著名的热点假说，认为夏威夷-帝王岛链的下面软流圈中有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岛链，著名的夏威夷-帝王岛链大拐弯处则是板块运动方向改变的结果。随后，有学者测定了夏威夷岛链的年龄，验证了Wilson的说法，为板块构造理论的发展奠定了重要基础。但软流圈是运动的，很难解释为何热点长期在软流圈上保存不动。1971年，Jason Morgan提出地幔柱假说，认为地幔柱起源于核幔边界，其空间位置基本保存不变。1991年，Ian Campbell等通过地球动力学模拟实验，提出地幔柱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，随后地幔柱变的细长、形成岛链。
夏威夷地幔柱喷发量剧增并发生拐弯
近年来，越来越多的研究发现，作为地幔柱假说发源地的夏威夷-帝王岛链并不符合地幔柱假说。首先，根据地幔柱假说，地幔柱头喷发量巨大，随后则是喷发量骤减，但夏威夷地幔柱喷发量却在迅速增加；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。与此同时，夏威夷地幔柱的化学成分发生变化，出现了一支更富集的玄武岩。针对上述问题，国际地学界开展了大量研究，提出多种模型，但往往只能解释其中一个现象，不能同时解释所有现象，有人甚至因此对地幔柱假说产生了怀疑。
地幔柱头与地幔柱尾相互作用导致夏威夷岛链空间位置变化及喷发量增加
孙卫东团队将地球化学和地球动力学模拟结合，通过数值模拟重现了800万年前一个新生地幔柱头与原夏威夷地幔柱尾相互作用导致海山位置、地球化学组成和喷发量随时间变化的过程。模拟显示，开始时地幔柱头比较弱，受地幔柱尾的吸引向地幔柱尾靠拢。随着新生的地幔柱头不断发展，其喷发量逐渐起到主导作用，吸引地幔柱尾向东南移动近280千米，形成夏威夷地幔柱拐弯；与此同时，夏威夷岛链的喷发速率大幅度升高，形成了巨大的夏威夷岛。该研究结果对于研究地幔柱发育和地幔柱-地幔柱相互作用具有重要意义。
中科院海洋所张丽鹏博士为论文第一作者，中科院海洋所孙卫东研究员和美国伊利诺伊大学香槟分校刘丽军教授为论文通讯作者。
文章信息：Lipeng Zhang, Zebin Cao, Robert E Zartman, Congying Li, Saijun Sun, Lijun Liu, Weidong Sun. (2023) An emerging plume head interacting with the Hawaiian plume tail.The Innovation. 4(2).
