海山、洋岛以及洋底高原广泛分布于现代大洋，通常被认为是深源地幔柱与浅表大洋岩石圈相互作用后在洋底的不同表现形式，为了简便起见，本文用海山代表所有洋底的板内火山。统计表明现代洋底海山占全球热点总数的83%（图1）。现代大洋中最老的洋壳记录不超过2亿年，而全球联动的俯冲作用可能在20亿年前已经开始（Wan et al.，2020, Science Advances），漫长的地质历史中不计其数的洋盆关闭导致洋盆内普遍存在的海山通过俯冲作用循环至地幔。 

　　已有研究指出海山俯冲对上覆岩石圈具有显著的改造作用，典型例子是美国西部的拉拉米运动，含有海山的法拉伦板块俯冲（Farallon Plate）导致北美上覆岩石圈超过1500 km的变形，同时却鲜有岩浆作用产生（Liu et al., 2010, Nature Geoscience）。Murphy教授认为这些海山从形成到俯冲始终靠近造山带，或直接形成于造山带下方，是地幔柱-造山带相互作用的区域，因此将这种构造现象称作地幔柱叠加的造山作用（plume-modified orogeny；Murphy, 1998, Geology）。 

　　地震学观测认为绝大多数的地幔柱源自于两个对蹴于核幔边界的大尺度低速异常边界区，而地球动力学的研究认为地幔柱和俯冲带的相对位置是互斥的，因此北美西部地幔柱与造山带相互作用属于特例。更为普遍的现象是海山率先就位于大洋板块内部，随着俯冲作用的进行最终被带至地幔。这种现象应该称作海山改造的造山作用（Seamount-modified orogeny），现今南美中部发生平板俯冲的地区就属于典型的海山改造的造山作用，但是其持续时间只有几个百万年。那么，地球历史上的这种造山作用如何识别，能够引起哪些地质现象，能够持续多久？围绕上述科学问题，岩石圈演化国家重点实验室研究团队联合国内其他单位的优势力量在西南天山造山带开展了详细研究。 

 

　　图1 全球现代热点分布图与地幔柱与造山带相互作用的两种形式 

　　天山地区是我国研究超高压洋壳榴辉岩最具代表性的地区之一，已有研究指出该地区的部分高压榴辉岩具有洋岛玄武岩的性质（Gao et al., 2003, Lithos），显然进一步对该地区进行综合研究是回答上述科学问题的有效途径。西南天山向西进入吉尔吉斯斯坦境内出露一系列俯冲增生刮铲下来的古生代海山，说明西南天山洋内确实存在不少地幔柱与大洋板块相互作用的产物。已有研究指出阿克牙孜还出露超高压的大理岩(Lü et al., 2013, Journal of Asian Earth Sciences)，这一套超高压变质岩组合（洋岛玄武岩+灰岩）是海山发生俯冲作用有力的岩石学证据。对天山地区古生代岩浆岩时空分布规律梳理发现，该地区自80°E以西存在一个400-330 Ma的岩浆岩空白区。而80°E正是西南天山阿克牙孜超高压洋壳榴辉岩的出露区域（图2）。 根据该区蓝片岩-榴辉岩变质年龄、构造特征等综合因素的判断，南天山洋自古生代以来一直朝北西方向俯冲于伊犁陆块之下，而在400-330 Ma期间，曾就位于洋内的海山发生俯冲，导致俯冲板块角度变缓，抑制了岩浆作用的发育，而海山俯冲东部边界在80°E左右，西部边界还需要更多研究来厘定。随着海山俯冲的停止，正常俯冲重启，330 Ma以后岩浆作用重新开始广泛发育，并伴随有高压岩石的折返现象。 

 

　　图2 天山地区构造简图及古生代岩浆岩的时空分布 

　　进一步对天山地区及塔里木大火成岩省内的洋岛玄武岩的进行Pb同位素分析，发现它们与非洲地幔柱区域（Tuzo）的洋岛型玄武岩更为类似，具有更高的Th/U比值，与太平洋区域的洋岛玄武岩略有差异。而这一结果也和前人的绝对板块位置重构结果类似，认为南天山洋在古生代可能位于非洲地幔域上方（图3）。 

 

　　图3 450 Ma全球板块重构显示南天山洋位于非洲地幔柱区域上方 

　　天山地区的地质研究表明海山改造的造山作用可以持续70百万年，远远超过了南美地区已有的地质记录。地幔柱与大洋岩石圈相互作用时间可以持续非常久，比如现代夏威夷-皇帝岛链最老的海山与最年轻的洋岛时间差为80个百万年。也有研究指出地幔柱如果就位于洋中脊下方，能够更加持久且稳定的存在，比如现今印度洋的90度海岭和冰岛地区。 

　　本项研究提出天山地区在400-330 Ma记录了一个海山改造的造山作用，其鉴别标志是增生楔内发育深俯冲海山记录和俯冲刮铲增生的海山记录以及相匹配的岩浆岩时-空空白区。330 Ma后该地区迅速转变为正常俯冲并伴随有大规模岩浆作用和高压岩石的折返（图4）。然而源自非洲地幔域的上涌作用在该地区持续存在，随着洋盆逐渐关闭，天山造山带在晚古生代最终转变为地幔柱叠加的造山带(Han et al., 2019, Geology) 。 

 

　　图4 海山改造型造山作用与地幔柱与岩石圈相互作用示意图 

　　海山改造型造山作用应该是地质历史上非常普遍的一种造山作用，然而中生代以来的地质历史毕竟有限，还不足以认识这种造山作用的全貌和影响。试想地幔柱和大洋岩石圈相互作用的绝大多数记录都已经返回地幔，势必对地幔、地壳的演化都具有较大影响。未来的研究应该注重这种造山类型的识别，通过残存在造山记录中的蛛丝马迹，逐步揭示地幔柱与岩石圈的相互作用的方式及其对地球演化的影响。 

　　研究成果发表于国际学术期刊Geology (万博, 王信水, 刘希军,蔡克大, 肖文交, Ross Mitchell. Long-lived seamount subduction in ancient orogens: Evidence from the Paleozoic South Tianshan [J]. Geology, 2021, 49: 531-535. DOI: 10.1130/G48547.1)。本研究受中国科学院战略先导项目和国家自然科学基金委项目的资助。