地下“拉扯”，造就最大超級火山

（來源：中國環境網）

轉自：中國環境網

劉麗軍（右）與曹澤斌在進行研究。受訪者供圖

在美國西部廣袤的黃石國家公園地下，潛伏著地球上最大的“火藥桶”——黃石超級火山。一旦蘇醒，它噴發的火山灰足以覆蓋半個美國，對全球氣候產生影響。

然而，這座超級火山究竟是如何形成的？這一地球科學領域的“懸案”，長期以來困擾著全球科學家。

近日，一項由中國科學家領銜的研究顛覆了人們的認知。中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）研究員劉麗軍、博士后曹澤斌聯合中外合作者，利用高精度“真實地球模型”，繪制出一幅不同于過往認知的畫面：數百萬年來地球巖石圈與軟流層持續相互“拉扯”，驅動了黃石火山噴發。相關研究成果發表于《科學》。

為何中國科學家要研究美國火山？在采訪中，劉麗軍與曹澤斌講述了一段跨越山海求學問道，而后相繼歸國潛心深耕的故事。

瞄準“懸案”

作為地球上現存最大的超級火山，黃石火山在過去210萬年里曾兩次發生超級噴發——208萬年前，一次噴出了2500立方千米的固體物質；63萬年前，噴發量達到1000立方千米。簡言之，其噴發量為曾毀滅龐貝古城的維蘇威火山的“數百倍”。

超級火山會對環境、氣候和人類社會產生巨大影響，深入理解其運作機制對火山災害預警有重要意義。過去數十年，主流科學界普遍認為，超級火山的動力來源于地殼內長期積累的“巖漿房”——巖漿在自身浮力作用下逐步聚集到巖漿房內，當壓力超過周圍巖石可承受的極限時，地殼就會破裂或坍塌，巖漿隨之快速上涌至地表，形成大規模噴發。

這套推理看似完美，卻存在兩個打不開的“死結”?！耙皇切纬蓭r漿房的能量從哪里來？維持超大巖漿房持續高溫所需的熱量，從地球演化來看無法持續供給。二是形成巖漿房的空間從哪里來？低密度的液態巖漿，物理上并不具備推開堅硬巖石圈的能力。”劉麗軍說。

更關鍵的是，這一模型不符合觀測結果。近年來的高精度地球物理成像研究證實，黃石火山下不存在純液態巖漿房，取而代之的是縱貫整個巖石圈的“巖漿晶粥”，即由來自地幔軟流圈的液態巖漿與上覆巖石圈的堅硬巖石形成的混合體，黏度是普通巖漿的數十萬倍。

同時，不同于傳統模型中來自地球深部的上涌地幔柱導致垂直向上的巖漿分布，縱跨整個巖石圈的黃石火山巖漿晶粥系統會隨深度增加向西南方向偏移，且僅在噴發前一小段地質時間內才會形成大量液態巖漿。

然而，驅動這一復雜系統的機制尚不清楚，使得相關研究成為地球科學研究中備受爭議的“懸案”。

劉麗軍希望用團隊開發的“真實地球模型”回答這一問題，并把選題交給了學生曹澤斌。

故事要從2010年說起。從中國科學技術大學畢業后，劉麗軍遠赴美國，在約翰斯·霍普金斯大學、加州理工學院、加州大學圣地亞哥分校求學深造，并接觸到一項類似天氣預報的技術——數據同化。簡單來說，就是把海量觀測數據按物理規律“喂”給模型，讓數值模型能夠逐步逼近真實地球。

“傳統模型往往把問題簡化，但真實地球非常復雜。”劉麗軍說，他希望搭建的“真實地球模型”不預設結論、不強行簡化，把真實地質、地震、地磁、地球化學、地球動力學數據全部納入，推導出地球的故事。

從2012年到2022年，在伊利諾伊大學香檳分校工作的劉麗軍帶領團隊不斷深耕，打磨出高精度的北美大陸模型，將板塊俯沖、大陸漂移、巖石圈變形等大尺度地質過程摸得一清二楚。

他的研究吸引了不少學生，曹澤斌就是其中之一。2016年，劉麗軍回國到浙江大學作報告。臺下，大三學生曹澤斌為他的理念所震撼，報告結束后追著他提問。兩年后，本科畢業的曹澤斌成了劉麗軍的學生。

“我本科做地震波各向異性研究，地球動力學基礎幾乎為零，而這個方向要求地質、物理、數學、編程樣樣過硬?！辈軡杀筇寡裕邦^兩三年我幾乎都在補課，學習曲線很陡?！?/p>

劉麗軍的研究思路是，先做好大尺度模型的“骨架”，再往細處“添肉”，做中小尺度驗證。黃石火山作為典型中小尺度現象，正適合檢驗“真實模型”。于是，在劉麗軍的指導下，曹澤斌從大尺度地幔流場做起，再一點點把巖石圈結構、巖漿房的“晶粥”結構等觀測數據同化進黃石火山模型。

顛覆性“拉扯”

2023年，劉麗軍全職回國，入職地質地球所，把這套世界領先的地球系統模擬體系帶回祖國。此時，曹澤斌博士畢業后前往美國普林斯頓大學繼續深造。2024年，他追隨導師的腳步，以博士后身份加入劉麗軍團隊，繼續開展黃石火山研究。

這可謂一場算力上的“馬拉松”研究，要把北美西部數十年的地震成像、地磁觀測、地質演化數據全部注入模型，構建起從地表到核幔邊界的高精度三維動態模型。

“常常是超算‘跑’幾天，結果不對就全部推倒重來。”曹澤斌回憶。

最終通過試錯、迭代、優化，他們得到一個最優模型，而且“跑”出了一個與過往截然不同、極為宏大的動力學機制。從地表來看，整個北美大陸巖石圈板塊在自東向西運動；但在現有巖石圈之下，北美大陸東部深處的古老法拉龍板塊持續向大西洋下沉，并像一個巨大的“抽水泵”，在周圍形成強勁的“地幔風”，將西部的軟流圈物質向東吸引，在其上方巖石圈的底部產生了強大的東向牽引力。當軟流圈物質經過黃石火山下方從薄變厚的巖石圈過渡地帶時，較輕的熱物質與下行的地幔風相互“拉扯”，導致軟流圈減壓熔融，產生大量幔源巖漿。同時，這一拉扯使得黃石火山下方的地幔聚集了區域性的拉張應力，“撕裂”了該處的巖石圈，形成了一條傾斜向上的貫穿巖石圈的虹吸通道。

“巖漿沿著這個虹吸帶，像‘爬樓梯’一樣上涌、遷移，并在該過程中不斷演化，最終形成了黃石火山下方巖漿系統的形態?！闭撐牡谝蛔髡卟軡杀蟊扔鞯?。

這一發現顛覆了過往對火山“引擎”的認知?！皫r漿在這里是結果，而不是原因。”論文通訊作者劉麗軍強調，“是先有構造力把巖石圈‘撕開’，巖漿才趁機涌上去的。這就好比先有了裂縫，水才會流出去；而不是水把石頭撐開，再流出去?！?/p>

這一機制廣泛適用于其他活躍的火山，例如位于我國東北的鏡泊湖火山、位于東南亞的多巴火山、位于俄羅斯遠東的勘察加火山群和位于南美的阿爾蒂普拉諾火山，為未來進一步理解火山動力過程、預測火山活動性和預防火山災害提供了新的地球動力學視角。

審稿人評價稱，研究首次實現了地球物理、地質信息和地球動力學數值模型解釋的優雅結合。美國猶他大學專家在同期觀點與評論文章中指出：“這一發現對于評估黃石火山系統及全球其他同類火山系統的災害風險具有重要意義?！?/p>

打造地球“天氣預報系統”

回顧研究歷程，劉麗軍表示，黃石火山研究的成功離不開跨學科合作。他所在團隊聚焦高精度數值模型，地質地球所研究員萬博團隊主攻構造地質，研究員陳凌團隊做地球物理成像，美國伊利諾伊大學教授克雷格·倫德斯特倫則聚焦地球化學和巖石學。

“這是一個跨學科特點非常明顯的領域，每個人的方向都不一樣，自然而然就合作了。”劉麗軍補充說，“我們組內也是如此，學生背景很廣泛，有搞純物理的、有搞數學的、有搞地質的。大家多交流，知識面就擴展開了?！?/p>

黃石火山研究的突破只是起點。劉麗軍的終極目標是“把整個地球搬進計算機”，構建“全地球系統模型”，實現從地核到地表、從固體地球到海洋-氣候的多圈層耦合，像“預報天氣一樣”推演地球發展走向。

研究團隊正在開展青藏高原、東北火山等研究，他們希望借此預測地質災害，指導深部找礦，服務礦產勘探和國家資源安全。

未來，劉麗軍的目標是把模型做成一個全球通用的開源“工具箱”，讓全球同行都能用它探索地球。為此，他們正在積極培養跨學科人才，打造一支復合型科研團隊。

劉麗軍相信，這類有明確物理根基、關乎地球安全的基礎研究，最終能像預報天氣一樣精準模擬地球地質活動，讓人類更清晰地認識地球、更科學地應對地質災害。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.ady2027