长期以来，热点隆起（Hotspot Swell）的形成被认为与地幔柱活动密切相关，但对于那些分布范围更广、高度更低的“超级隆起”（Superswell）的成因（图1），学界始终未能达成共识。近日，一项发表在Science Advances的研究，对两类洋底隆起的成因提出了新见解，为理解地幔柱的深部动力学演化过程与浅表响应提供了新思路。

图1. “典型”热点隆起（夏威夷，a-c）与“超级隆起”（东南太平洋，d-f）

 该项研究由中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队、西班牙ICM-CSIC Jason P. Morgan教授团队、及美国哈佛大学的W. Jason Morgan教授（已故）共同完成。研究团队通过综合分析天然观测数据与数值模拟结果，尝试解读了洋底隆起的宽度随大洋年龄的增长而降低、而高度则相应增高的趋势。

图2. 洋底热点隆起规模与大洋年龄的关系

 为了总结洋底热点隆起的特征，研究团队参考已有的洋底热点目录，统计了其宽度和平均高度（移除洋底冷却沉降效应之后）（图2）。通过分析发现，位于>50 Ma洋底的热点隆起倾向于呈现狭窄且高耸的形态，而位于<20 Ma洋底的热点隆起则主要表现为宽阔且低矮的形态。此外，在靠近洋中脊的区域，热点隆起会沿着与中脊平行的方向延伸，导致长轴上的高度/宽度小于短轴。这些观测结果表明，普通的热点隆起与更宽阔的超级隆起分别倾向于在古老和年轻的大洋板块上发育。

 为了深入探究这一规律背后的动力学机制，研究团队构建了可压缩型数值模型，模拟了地幔柱与不同年龄大洋岩石圈之间的相互作用（图3）。模拟结果成功再现了热点隆起规模的演化趋势（图4）。结果显示，无论是普通热点隆起还是超级隆起，都可能源于地幔柱与大洋岩石圈的相互作用（图3）。研究团队强调，年轻大洋板块之下存在着由洋中脊熔融抽取形成的、粘滞残余“成分岩石圈”（Compositional Lithosphere）。当大洋年龄较小时，这种成分岩石圈的厚度会显著大于“热岩石圈”（Thermal Lithosphere），并且比后者具有更小的密度与粘度。当地幔柱物质上升到浅部时，成分岩石圈会因受到纵向挤压而在横向上发生形变，表现为地幔柱周边的局部加厚（图3f）。随着大洋年龄的降低，岩石圈整体粘度会降低，其受到地幔柱挤压后的加厚范围则会增加，进而导致浅表隆起范围的扩大；但由于单位时间内上涌的地幔柱物质有限，热点隆起的平均高度也会相应降低（图4）。因此，年轻大洋成分岩石圈受地幔柱冲击后的物质再分布被认为是导致超级隆起形成的关键因素。（类似上涌导致岩石圈物质再分布的现象也见于Liang Liu et al., 2025, Nat Commun, 16(1), 7603. 其中，深部上涌诱发的离散流场会将上涌中心的岩石圈底部物质往两侧推挤，导致中心处岩石圈薄于两侧，以至浅表出现不同程度的沉降）。

图3. 典型热点隆起（a-c）与超级隆起（e-f）的数值模拟结果

图4. 模型呈现的热点隆起规模与大洋年龄的相关性

 该项研究较好呈现了岩石圈的“盖层”效应（Lid Effects），有效地展示了热岩石圈对地幔熔融的限制作用（图5a-5b）。模拟结果显示，地幔柱在上升过程中，可在地幔过渡带、~260公里深度处及岩石圈底部发生不同程度的滞留，为解读对应层位存在的地震波不连续界面以及大洋岩石圈地震学LAB的本质提供新思路（图5c-5e）。研究还发现，前人对地核热流通量的估算方法大多基于对热点隆起规模的测量。然而，本研究表明，相同地幔柱体积下的热点隆起规模会随着大洋年龄的变化而变化，这意味着以往的估算可能存在较大偏差。因此，该研究为重新审视地核热流通量的估算方法提供了依据。

图5. 模型中地幔柱的熔融行为（a-b）、物质运移（c）、温度演化（d）、纵向结构（e）等结果的汇总

 综上，本研究不仅为理解地幔柱导致的热点隆起规模提供了新视角，也为探索地幔柱的深部动力学演化过程及其浅表响应开辟了新思路。通过综合天然观测数据与数值模拟结果，研究揭示了地幔柱导致岩石圈物质再分布的浅表响应形式，强调了大洋成分岩石圈对地幔柱上涌和地幔熔融的关键制约作用。研究进一步表明，地幔柱在大洋板块下方的活动频率可能高于以往认识，且其影响范围可能更为广泛。

 刘亮副研究员是本文的第一作者、共同通讯作者，J. P. Morgan教授为本文的共同通讯作者。该项工作受到国家重点研发计划—常规项目（2024YFF0808200）和青年科学家项目（2024YFF0809600）以及国家自然基金委项目（92058212）的联合资助。

论文信息：Liu, L.*（刘亮），Morgan, J.P.*，Xu, Y.G.（徐义刚），Long, S.M.，De Montserrat A.，Morgan, W. Jason，2025，Science Advances. 11(46).

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady1276.