近日，中国科学院海洋研究所大洋岩石圈与地幔动力学课题组郭鹏远副研究员及其合作者在海山的成因方面取得创新性认识，提出并验证了“不均一地幔在快速扩张的大洋岩石圈下脊向流动会产生海山/海山链”的重要科学假说，为理解全球海山的成因提供了全新视角。相关成果发表于地质学期刊GEOLOGY。

上世纪六、七十年代提出的地幔柱假说（Wilson, 1963; Morgan, 1971）可以很好地解释年龄渐变的海山链（夏威夷-皇帝岛链）以及体积较大的海底高原（Ontong Java高原）的成因。然而，沉寂在大洋之下的数以万计的海山大多没有此类特征，它们既没有年龄渐变的现象，体积也很小。因此，“非地幔柱成因的海山是如何形成的”这一重要科学问题一直悬而未决。

Hillier等人（2007）发现全球99%以上的海山形成于在正在生长的大洋岩石圈上，由此猜想这些小海山的形成可能与岩石圈的结构有关。因为大洋岩石圈在快速扩张时，近脊区域下会产生一个“大斜坡”，沿着“大斜坡”脊向流动的地幔物质容易发生减压熔融从而形成区域广阔的海山/海山链；相反，大洋岩石圈在慢速扩张时，近脊区域没有产生“大斜坡”，不利于发生减压熔融也不会形成区域广阔的海山/海山链。基于此，郭鹏远等提出了“不均一地幔在快速扩张的大洋岩石圈下脊向流动会产生海山/海山链”的科学假说。

不同大洋岩石圈结构对海山形成的区域影响示意

为了验证这一科学假说，团队首先对南太平洋（快速扩张板块）的Pukapuka海山链海山玄武岩进行了系统的地球化学研究。数据表明Pukapuka海山的地幔源区非常不均一，这些海山的时空分布和系统性成分变化一致说明，它们的地幔源区发生了自西向东（向洋脊的方向）的流动，推测该不均一地幔最终会流到洋脊之下进而影响洋脊玄武岩的成分。为了证实这一推测，科研人员进一步对与Pukapuka海山链相交的东太平洋13-23°S洋中脊段玄武岩进行了地球化学分析研究。结果显示，交汇区的洋脊玄武岩确实有显著的地球化学异常，充分验证了提出的这一科学假说。

Pukapuka海山分布图（A）；其形成时间和空间的相关关系图(B)

“不均一地幔脊向流动产生海山/海山链”假说描述了，当不均一地幔在快速扩张的大洋岩石圈之下流动时，由于洋脊的吸引作用会使其沿着大洋岩石圈底部的“大斜坡”向洋脊方向流动，从而导致不均一地幔持续减压熔融（图3）。随着不均一地幔的脊向流动，源区地幔中易熔富集组分逐渐被熔融、抽离，最终产生的岩浆喷发至海底所形成的海山就具有年龄和成分渐变的特征。

不均一地幔在快速扩张的大洋岩石圈之下流动过程中发生减压熔融，易熔富集组分逐渐被熔融、抽离源区，产生的熔体喷发至海底形成Pukapuka海山链

该论文第一作者和通讯作者为中国科学院海洋研究所郭鹏远副研究员。合作者包括自然资源部第一海洋研究所沈芳宇博士、中国海洋大学李东永博士、自然资源部第二海洋研究所赵阳慧博士、中国科学院海洋研究所工程师王晓红和段梦、崂山实验室国坤博士和牛耀龄研究员、夏威夷大学John Sinton教授。本研究得到了国家自然科学基金和山东省科技厅项目资助。

相关论文：Pengyuan Guo*, Fangyu Shen, Dongyong Li, Yanghui Zhao, Lipeng Zhang, Xiaohong Wang, Meng Duan, Kun Guo, John Sinton, Yaoling Niu. Ridgeward flow of compositionally heterogeneous mantle produces near-ridge seamount chains in the South Pacific. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52299.1