夏威夷-帝王海山岛链由夏威夷地幔柱形成，其是板块构造理论和地幔柱假说的重要组成部分。长期以来，夏威夷-帝王海山岛链形成的动力学过程及夏威夷地幔柱的演化一直是困扰地学界的热点和难点。尤其是关于岛链于大约5000万年前发生突然弯折的原因，至今仍存在争议，现有模型都无法全面解释所有观测数据。8月3日，清华大学数学科学系杨顶辉团队在《自然》子刊《自然-通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了题为“地幔柱-岩石圈相互作用对夏威夷-帝王岛链形成的作用”（The role of plume-lithosphere interaction in Hawaii-Emperor chain formation）的论文。

研究团队对传统的地幔柱数值算法进行了优化，充分考虑了地幔柱内的热物质在上升过程中的自由演化和地幔物质的熔融过程，并实现了对地表喷发熔体的示踪。最后，综合板块重建模型的约束，将改进数理模型和优化算法应用于模拟夏威夷-帝王海山岛链的动力学演化过程，发现了地幔柱-岩石圈相互作用强烈地影响着软流圈内熔体的形成和移动，进而引起夏威夷-帝王岛链上海山的古纬度异常，这一作用和地幔柱自身的移动一起可以解释岛链5000万年前发生的突然弯折。

本研究中的模型结果与观测到的海山轨迹、年龄分布、火山岩分布特征等均具有较好的一致性，首次量化了地幔柱-岩石圈相互作用对岛链演化的具体影响，即浅部过程（板块拖拽和地幔柱-洋脊相互作用）对海山古纬度异常的贡献为约50%。相比之下，夏威夷地幔柱向南移动的影响并非如现有理论中所认为的那样显著。该工作揭示了地幔柱-岩石圈相互作用代表了一种在全球范围内影响大洋岛链轨迹的普遍机制，且移动板块对浅部地幔上涌的动力学效应是一种被广泛低估的机制，这为深入理解地幔柱的长期演化规律及量化大洋岛链的形成机制，进一步发展地幔动力学和板块重建理论提供了新启示和新方向。

杨顶辉团队2018级博士生解士杰为论文的第一作者，杨顶辉教授和中国科学院地质与地球物理研究所刘丽军研究员为论文的共同通讯作者。论文作者还包括中科院地质与地球物理研究所曹泽斌博士，清华大学刘梦雪博士，伊利诺伊大学香槟分校李衍冲以及清华大学齐蕊博士。

新闻来源：清华大学党政办信息办公网 http://xxbg.cic.tsinghua.edu.cn/oath/detail.jsp?seq=165975&boardid=2701

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51055-9