在浩瀚的太平洋上，夏威夷群岛如同一条璀璨的珍珠项链，记录着地球内部深部过程的奥秘。这条由火山活动形成的岛链，在过去的800万年中展现出奇特的双轨制火山分布格局——西南侧的Loa型火山和东北侧的Kea型火山，它们如同性格迥异的双胞胎，虽然毗邻而居却有着截然不同的地球化学特征。Loa型火山岩富含放射性同位素，暗示其源自富集的地幔源区；而Kea型火山岩则相对贫瘠，更接近亏损地幔的组成。这种系统的地球化学分异现象，长期以来困扰着地球科学界。
关于这种地球化学二分法的成因，科学家们提出了两种主要假说。浅部成因假说认为，岩石圈底部的小尺度对流造成了类似搓衣板的地形起伏，当板块越过地幔柱时，差异性的熔融作用导致了地球化学分异。而深部成因假说则主张，地幔柱导管本身存在大规模成分分带，反映了核幔边界（CMB）处的大型低速省（LLVP）等深部地幔域的成分不均一性。然而，这些模型在准确预测夏威夷热点位置及其演化过程方面仍存在不足，特别是对从非双侧分带向双侧分带转变机制的认识尚不清晰。
为了解开这一谜团，研究团队开发了高分辨率古地理约束的全球地幔对流模型，该模型同化了自2.5亿年前以来的板块俯冲历史，能够更真实地模拟板块、LLVP和地幔柱之间的相互作用。研究人员通过三维球面有限元代码CitcomS模拟地幔对流，求解质量、动量和能量守恒方程，并考虑了黏度的三维深度、温度和成分依赖性。
生成夏威夷地幔柱
模型成功再现了夏威夷地幔柱的生成过程。该地幔柱约在1.25亿年前起源于太平洋LLVP的北缘，其现今位置与观测结果高度吻合。模拟显示，夏威夷热点在过去的8000万年中向南漂移了约10°，其运动速度在夏威夷-皇帝弯折（HEB）前为6°-7°，之后减缓至3°-4°，与古地磁约束条件一致。这种运动轨迹主要受来自北太平洋和东北太平洋俯冲系统的深部地幔板块向南推挤的控制。
地幔柱导管中的地球化学分带
通过分析地幔柱导管的热化学结构，研究人员发现了有趣的变化规律。从8500万年至约2000万年前，地幔柱导管呈现同心环带结构，导管内部以来自太平洋LLVP的热化学物质为主，外部则以周围地幔物质为主。2000万年后，这种同心环带逐渐演变为更不对称的模式，最终形成现今的南北双侧分带结构：南半部以来自LLVP的富集物质为主，北半部以相对亏损的周围地幔物质为主。
这一发现与地球化学研究结果高度吻合。相比Kea趋势，Loa趋势的地球化学特征表明其含有更大比例的辉石岩衍生熔体，而LLVP通常被认为富含回收的壳源物质，这些物质主要以辉石岩成分为主。模型预测的Loa趋势含有更多LLVP物质，正好解释了这一观测现象。
地幔柱导管的自下而上分裂
深入研究揭示，夏威夷地幔柱的根部在1200公里深度以下已经分裂为两个段落。约5000万年前开始，地幔柱根部在深部下地幔开始分裂，这一分裂过程自下而上传播，导致了浅部地球化学分带不对称性的增加，特别是在最近的1000万年中尤为明显。
南北两个分支在温度和通量上存在显著差异。南支具有较高温度和较低通量特征，而北支则表现为较高通量和较低温度。这种差异与地幔柱根部的不同位置有关：南支更靠近LLVP内部，那里温度较高，稠密的LLVP物质更容易被卷入地幔柱；而北支位于LLVP边缘附近，温度相对较低，且俯冲板块持续冲击LLVP边缘，增强了该区域的地幔流，可能增加了北支的体积通量。
双侧分带的形成条件
研究人员通过测试不同的模型参数，验证了双侧分带形成的稳健性。当热化学堆的浮力比大于0.25时，LLVP保持稳定，夏威夷地幔柱呈现与参考模型相似的演化过程，包括地幔柱导管内双侧分带的出现。黏度的温度依赖性也影响分带模式：当活化能高于15时，热化学堆黏度降低，导致整个域出现大量地幔柱，夏威夷地幔柱在其地质历史中同样经历分裂过程。
讨论与意义
模型结果对解释夏威夷岛链过去3000万年岩浆通量的整体增加趋势提供了新视角。南支比例的不断增加导致了地幔柱潜在温度的逐渐升高，同时南支含有较高比例的辉石岩，这两种因素共同促进了部分熔融程度的增加，可能导致岩浆产量增强。
更重要的是，该研究为理解太平洋其他火山链的地球化学不对称性提供了统一框架。萨摩亚、马克萨斯、社会群岛、加拉帕戈斯和复活节岛等地的火山均显示出类似的地球化学分异特征，但富集程度有所不同。模型表明，这些差异可能反映了地幔柱根部在LLVP中的不同位置：靠近LLVP内部的地幔柱采样更富集的物质，而位于LLVP边缘的地幔柱则采样相对亏损的物质。
研究人员提出了地幔柱演化的三阶段分类：(i)未分裂阶段；(ii)分裂过程中；(iii)完全分裂。环太平洋俯冲带自中生代激活，导致了过去1亿年间太平洋下方LLVP脊部地幔柱的形成。随着地幔柱衰减，分裂过程发生，可能持续数千万年才会完全分裂。相比之下，非洲下方的LLVP可能更早组装完成，且该区域的俯冲活动相对较弱，因此非洲下方的地幔柱可能已经完成分裂过程，处于演化第三阶段。
这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，通过创新的数值模拟方法，揭示了夏威夷地幔柱双侧分带的深部动力学机制，强调了地幔柱导管自下而上分裂过程的重要性。该模型不仅成功再现了夏威夷热点的运动轨迹和地球化学演化，还为理解全球多地幔柱系统的形成和演化提供了新视角，对认识地球深部物质循环和动力学过程具有深远意义。
