简介
数值模拟研究发现，地幔柱在上升过程中会与对流上地幔（上地幔风）发生复杂相互作用，表现出倾斜偏移、周期性断离上升或不稳定断离上升等不同模式，进而导致地表热点具有复杂的时空分布特征。这一研究结果表明，在通过移动热点框架来约束绝对板块运动时，需要充分考虑上地幔动力环境的影响。相关成果发表在《中国科学：地球科学》2024年第12期。
Science Technology
地幔热柱在上升过程中可能受地幔侧向流(地幔风)的作用倾斜、偏移乃至断离，进而改变上覆板块岩浆活动等各种地质响应与地表热点轨迹的空间分布，影响板块绝对运动历史约束的可靠性。前人对其地幔柱倾斜偏移的研究主要集中在下地幔，全地幔或分层地幔对流形成的地幔柱在上地幔内是否会产生侧向倾斜偏移，并如何影响地表热点轨迹内岩浆活动的生成以及地幔柱相关构造的排布，是地幔热柱动力学以及板块构造理论重要的科学问题。
中国科学院大学的辛杰、张怀、石耀霖，联合南方科技大学的Felipe Orellana-Rovirosa，利用ASPECT软件构建了热-Stokes流体耦合动力学演化（二维与三维）模型，并引入符合矿物热演化物理规律的地幔岩物性参数，量化分析了在上覆板块运动与上地幔内地幔回流风共同作用下，地幔柱在上地幔内的倾斜偏移形态与热点时空分布演化特征（图1）。
图1 上地幔风影响下参考模型地幔柱密度(左)、黏度(右)分布演化
温度等值线(左，黄)，地幔柱组分等值线(右，绿)。参考模型结果显示低黏度地幔柱在上地幔风的作用下，逐渐沿上覆板块运动的相反方向倾斜偏移
结果发现，在较大的产生自洋中脊快速扩张、俯冲板块俯冲、大陆岩石圈厚度变化等构造活动的地幔风作用下(上地幔风最大值>1~2倍上覆板块运动速度)，地幔柱可以呈现出与前人研究一致的近周期性上升模式，这可能会导致热点相关的地表岩浆活动的周期性生成。在特定的Poiseuille-Couette型水平地幔风与地幔柱热化学浮力的组合下，地幔柱有可能呈现出不稳定上升模式（图2），并在地表的热点(例如Kerguelen热点)轨迹内表现出：(1) 较老热点相关构造位于较年轻构造之间(热点移动或地幔柱偏移距离大于上覆板块移动距离)；(2) 热点相关构造相距较远但年龄接近(<4Myr)(来自同一地幔柱根的两处地幔柱近同时上升)。
图2 不同地幔柱与地幔风的典型模型结果
(a) 垂向侧边界上，水平速度随深度变化的Dirichlet边界条件；(b)约200km深度等压线上修改浮力通量密度演化；(c) 5个典型模型自初始条件模拟100Myr后的结果，显示了地幔柱以及修改浮力通量密度的全域分布。黄绿色为地幔柱组分等值线。根据地幔柱形态以及热点分布演化差异，可以总结为三种模式。模式Ⅰ：地幔柱倾斜形态，热点连续移动(模型1与2)；模式Ⅱ：地幔柱周期性断离形态，热点位置较固定(模型3)；模式Ⅲ：地幔柱不稳定断离形态，热点位置摆动/跳跃(模型4与5)
热点轨迹内岩浆活动-构造分布的时空变化特征并不仅是板块运动变化的结果。本研究表明，这种时空分布也不仅是恒定上覆板块运动驱动下的地幔流导致地幔柱简单偏移所产生的结果，这种偏移会形成均匀排布的地质岩浆响应。相对的，特定热化学浮力的地幔柱与水平地幔流场作用(仅由地幔流(Couette)和回流(Poiseuille)组成的简单二次垂向分布)，就有可能产生本质不可重复的、近混沌的地幔柱断离上升时间间隔，以及非均匀的地表热点轨迹岩浆活动-构造排布。
因此在通过移动热点框架来约束板块绝对运动时，尤其是当这些热点位于洋中脊和俯冲带附近且存在软流圈/上地幔回流时，还需要充分考虑上地幔内复杂的动力学环境的影响。
文章出版信息
中文版: 辛杰, 张怀, 石耀霖, Orellana-rovirosa F. 2024. 上地幔风对地幔柱形态及热点轨迹影响的数值模拟. 中国科学: 地球科学, 54(12): 3929–3946
英文版: Xin J, Zhang H, Shi Y, Orellana-rovirosa F. 2024. Effects of upper mantle wind on mantle plume morphology and hotspot track: Numerical modeling. Science China Earth Sciences, 67(12): 3881–3899, https://doi.org/10.1007/s11430-024-1431-4
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