本站讯 6月16日，中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李三忠教授团队在国际著名学术期刊Nature Geoscience（《自然·地球科学》）在线发表了题为“Vigorous mantle convection triggered the Cretaceous Pacific large igneous provinces”（剧烈地幔对流驱动白垩纪太平洋大火成岩省的形成）的研究成果。论文接收当日，收到Nature（《自然》）集团Nature Portfolio（《科学报告》）和Springer Nature Communities（《施普林格·自然科研社区》）的邀请，在Behind the papers栏目撰稿分享文章相关研究经历。
大火成岩省是地球内部物质与能量快速释放的记录者，被认为与全球气候剧变、大洋缺氧事件等重大环境突变事件密切相关。在太平洋海底，大火成岩省的覆盖面积达到近600万平方千米，其中包括显生宙以来规模最大的火山事件—翁通爪哇，以及沙茨基海隆、赫斯海隆等。这些大火成岩省集中形成于早白垩世，与白垩纪超静磁带、全球高海平面及大洋缺氧事件等全球性异常事件大致同期。对于这一强烈岩浆作用的深部动力学成因长期存在争议，包括超级地幔柱，俯冲加速，地幔柱—洋中脊相互作用等不同观点，至今悬而未决。
图1 模型预测的早白垩世（距今1.45亿年、1.2亿年、1.1亿年）全地幔三维结构。左列：环太平洋深部俯冲结构（蓝色等值面）；右列：下地幔热化学结构（绿色等值面）及其上发育的强烈热上涌（橙红色等值面），与同期大火成岩省（蓝色轮廓）形成位置吻合
图2 模型预测的太平洋区域的热上涌流（红色）与重建大火成岩省（蓝色轮廓）、环太平洋俯冲通量（蓝色色带）的时空对应关系
针对该重要科学问题，研究团队基于板块重建约束的全地幔对流数值模型，将俯冲历史、深部地幔大型横波低速省（LLSVP）、地幔柱活动与洋中脊演化纳入统一的动力学框架，定量刻画了两亿年以来太平洋地幔热上涌强度的时空演化。结果表明，距今约1.65亿至8000万年间，太平洋中部持续发育植根于下地幔LLSVP之上的稳定热上涌流（图1）。距今约1.3亿年至1.25亿年，环太平洋俯冲通量达到峰值，引发地幔底部俯冲环区域压强激增，导致地幔流快速向太平洋LLSVP区域汇聚，进而导致太平洋地区地幔柱活动增强，与大火成岩省喷发峰期在时间上吻合。与此同时，快速迁移的洋中脊在距今约1.45亿至1.2亿年间先后与这些地幔柱交汇（图2），二者的相互作用促进了大规模减压熔融，触发大火成岩省集中喷发。随后，上涌地幔热流的强度减弱，并伴随洋中脊迁离热上涌区域，大火成岩省活动随之迅速衰退。模型预测的热上涌流与重建大火成岩省的空间匹配度在95%置信水平上显著区别于随机分布，证实了模型结果的统计学可靠性。
该研究揭示，板块俯冲加速、地幔柱与洋中脊相互作用并非相互排斥的备选机制，而是同一持续演化的板块—地幔耦合系统在不同阶段的具体表现：俯冲自上而下地调控深部热上涌的强弱，而迁移洋中脊与地幔柱的交汇则为大规模熔融喷发提供了关键触发条件。距今约1.3亿至1.25亿年俯冲通量与地幔热上涌流同时达到峰值，标志着在此期间异常剧烈的全地幔对流，这一认识为理解白垩纪地球深部过程与浅表重大环境事件之间的关联提供了全新视角。
中国海洋大学博士生邓丁山为论文第一作者，李三忠教授、曹现志教授为共同通讯作者。澳大利亚伍伦贡大学Nicolas Flament副教授，中国海洋大学索艳慧教授、戴黎明教授、博士生王鹤达、博士生刘秋玲和博士生王亮亮参与了合作研究。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、崂山实验室科技创新项目、山东省优秀青年科学基金、泰山学者工程、中央高校基本科研业务费以及澳大利亚研究理事会等项目的联合资助。
文：丁文雁
编辑：刘莅
责任编辑：赵奚赟
