劉麗軍(右)與曹澤斌在�(jìn)行研�。受訪者供�
■本報記� 馮麗�
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�”——黃石超級火山。一旦蘇�,它噴發(fā)的火山灰足以覆蓋半個美國,對全球氣候產(chǎn)生影��
然�,這座超級火山究竟是如何形成的?這一地球科學(xué)�(lǐng)域的“懸案”,長期以來困擾著全球科學(xué)��
近日,一項由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的研究顛覆了人們的�(rèn)�。中國科�(xué)院地�(zhì)與地球物理研究所(以下簡稱地�(zhì)地球所)研究員劉麗�、博士后曹澤斌聯(lián)合中外合作�,利用高精度“真實地球模型”,繪制出一幅不同于過往�(rèn)知的畫面:數(shù)百萬年來地球巖石圈與軟流層持�(xù)相互“拉扯”,驅(qū)動了黃石火山噴發(fā)。相�(guān)研究成果�(fā)表于《科�(xué)》�
為何中國科學(xué)家要研究美國火山?在采訪�,劉麗軍與曹澤斌講述了一段跨越山海求�(xué)問道,而后相繼歸國潛心深耕的故事�
瞄準(zhǔn)“懸案”
作為地球上現(xiàn)存最大的超級火山,黃石火山在過去210萬年里曾兩次�(fā)生超級噴�(fā)——208萬年�,一次噴出了2500立方千米的固體物�(zhì)�63萬年�,噴�(fā)量達(dá)�1000立方千米。簡言�,其噴發(fā)量為曾毀滅龐貝古城的維蘇威火山的“�(shù)百�”�
超級火山會對�(huán)�、氣候和人類社會�(chǎn)生巨大影�,深入理解其運作機制對火山災(zāi)害預(yù)警有重要意義。過去數(shù)十年,主流科�(xué)界普遍認(rèn)為,超級火山的動力來源于地殼�(nèi)長期積累�“巖漿�”——巖漿在自身浮力作用下逐步聚集到巖漿房�(nèi),當(dāng)壓力超過周圍巖石可承受的極限�,地殼就會破裂或坍塌,巖漿隨之快速上涌至地表,形成大�(guī)模噴�(fā)�
這套推理看似完美,卻存在兩個打不開�“死結(jié)”�“一是形成巖漿房的能量從哪里�?維持超大巖漿房持續(xù)高溫所需的熱�,從地球演化來看無法持續(xù)供給。二是形成巖漿房的空間從哪里來?低密度的液態(tài)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(guān)鍵的是,這一模型不符合觀測結(jié)�。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(tài)巖漿�,取而代之的是縱貫整個巖石圈�“巖漿晶粥”,即由來自地幔軟流圈的液�(tài)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�(shù)十萬��
同時,不同于傳統(tǒng)模型中來自地球深部的上涌地幔柱導(dǎo)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�(tǒng)會隨深度增加向西南方向偏�,且僅在噴發(fā)前一小段地質(zhì)時間�(nèi)才會形成大量液態(tài)巖漿�
然�,驅(qū)動這一�(fù)雜系�(tǒng)的機制尚不清�,使得相�(guān)研究成為地球科學(xué)研究中備受爭議的“懸案”�
劉麗軍希望用�(tuán)隊開�(fā)�“真實地球模型”回答這一問題,并把選題交給了�(xué)生曹澤斌�
故事要從2010年說起。從中國科學(xué)技�(shù)大學(xué)畢業(yè)�,劉麗軍�(yuǎn)赴美�,在約翰�·霍普金斯大學(xué)、加州理工學(xué)陀加州大�(xué)圣地亞哥分校求學(xué)深�,并接觸到一項類似天氣預(yù)報的技�(shù)——�(shù)�(jù)同化。簡單來�,就是把海量觀測數(shù)�(jù)按物理規(guī)�“�”給模型,讓數(shù)值模型能夠逐步逼近真實地球�
“傳統(tǒng)模型往往把問題簡化,但真實地球非常復(fù)��”劉麗軍說,他希望搭建�“真實地球模型”不預(yù)�(shè)�(jié)�、不強行簡化,把真實地質(zhì)、地�、地�、地球化�(xué)、地球動力學(xué)�(shù)�(jù)全部納入,推�(dǎo)出地球的故事�
�2012年到2022年,在伊利諾伊大�(xué)香檳分校工作的劉麗軍帶領(lǐng)�(tuán)隊不斷深�,打磨出高精度的北美大陸模型,將板塊俯沖、大陸漂�、巖石圈變形等大尺度地質(zhì)過程摸得一清二楚�
他的研究吸引了不少學(xué)�,曹澤斌就是其中之一�2016�,劉麗軍回國到浙江大�(xué)作報�。臺�,大三學(xué)生曹澤斌為他的理念所震撼,報告結(jié)束后追著他提�。兩年后,本科畢�(yè)的曹澤斌成了劉麗軍的�(xué)生�
“我本科做地震波各向異性研�,地球動力學(xué)基礎(chǔ)幾乎為零,而這個方向要求地�(zhì)、物�、數(shù)�(xué)、編程樣樣過��”曹澤斌坦言�“頭兩三年�?guī)缀醵荚谘a�,學(xué)�(xí)曲線很陡�”
劉麗軍的研究思路�,先做好大尺度模型的“骨架”,再往�(xì)�“添肉”,做中小尺度驗證。黃石火山作為典型中小尺度現(xiàn)�,正適合檢驗“真實模型”。于�,在劉麗軍的指導(dǎo)�,曹澤斌從大尺度地幔流場做起,再一點點把巖石圈�(jié)�(gòu)、巖漿房�“晶粥”�(jié)�(gòu)等觀測數(shù)�(jù)同化�(jìn)黃石火山模型�
顛覆�“拉扯”
2023�,劉麗軍全職回國,入職地�(zhì)地球所,把這套世界�(lǐng)先的地球系統(tǒng)模擬體系帶回祖國。此�,曹澤斌博士畢業(yè)后前往美國普林斯頓大學(xué)繼續(xù)深��2024�,他追隨�(dǎo)師的腳步,以博士后身份加入劉麗軍�(tuán)�,繼�(xù)開展黃石火山研究�
這可謂一場算力上�“馬拉�”研究,要把北美西部數(shù)十年的地震成像、地磁觀�、地�(zhì)演化�(shù)�(jù)全部注入模型,構(gòu)建起從地表到核幔邊界的高精度三維動態(tài)模型�
“常常是超�‘�’幾天,結(jié)果不對就全部推倒重��”曹澤斌回��
最終通過試錯、迭�、優(yōu)�,他們得到一個最�(yōu)模型,而且“�”出了一個與過往截然不同、極為宏大的動力�(xué)機制。從地表來看,整個北美大陸巖石圈板塊在自東向西運�;但在現(xiàn)有巖石圈之下,北美大陸東部深處的古老法拉龍板塊持續(xù)向大西洋下沉,并像一個巨大的“抽水�”,在周圍形成強勁�“地幔�(fēng)”,將西部的軟流圈物質(zhì)向東吸引,在其上方巖石圈的底部產(chǎn)生了強大的東向牽引力。當(dāng)軟流圈物�(zhì)�(jīng)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�(zhì)與下行的地幔�(fēng)相互“拉扯”,導(dǎo)致軟流圈減壓熔融,產(chǎn)生大量幔源巖�。同�,這一拉扯使得黃石火山下方的地幔聚集了區(qū)域性的拉張�(yīng)力,“撕裂”了該處的巖石�,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�’一樣上�、遷�,并在該過程中不斷演�,最終形成了黃石火山下方巖漿系統(tǒng)的形�(tài)�”論文第一作者曹澤斌比喻道�
這一�(fā)�(xiàn)顛覆了過往對火�“引擎”的認(rèn)��“巖漿在這里是結(jié)�,而不是原因�”論文通訊作者劉麗軍強調(diào)�“是先有構(gòu)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�”
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�、位于東南亞的多巴火�、位于俄羅斯�(yuǎn)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�(jìn)一步理解火山動力過程、預(yù)測火山活動性和�(yù)防火山災(zāi)害提供了新的地球動力�(xué)視角�
審稿人評價稱,研究首次實�(xiàn)了地球物�、地�(zhì)信息和地球動力學(xué)�(shù)值模型解釋的�(yōu)雅結(jié)�。美國猶他大�(xué)專家在同期觀點與評論文章中指出:“這一�(fā)�(xiàn)對于評估黃石火山系統(tǒng)及全球其他同類火山系�(tǒng)的災(zāi)害風(fēng)險具有重要意義�”
打造地�“天氣�(yù)報系�(tǒng)”
回顧研究歷程,劉麗軍表示,黃石火山研究的成功離不開跨�(xué)科合�。他所在團(tuán)隊聚焦高精度�(shù)值模型,地質(zhì)地球所研究員萬博團(tuán)隊主攻構(gòu)造地�(zhì),研究員陳凌�(tuán)隊做地球物理成像,美國伊利諾伊大�(xué)教授克雷�·倫德斯特倫則聚焦地球化學(xué)和巖石學(xué)�
“這是一個跨�(xué)科特點非常明顯的�(lǐng)�,每個人的方向都不一�,自然而然就合作了�”劉麗軍補充說�“我們組�(nèi)也是如此,學(xué)生背景很廣泛,有搞純物理�、有搞數(shù)�(xué)�、有搞地�(zhì)的。大家多交流,知識面就擴展開��”
黃石火山研究的突破只是起�。劉麗軍的終極目�(biāo)�“把整個地球搬�(jìn)計算�”,構(gòu)�“全地球系�(tǒng)模型”,實�(xiàn)從地核到地表、從固體地球到海�-氣候的多圈層耦合,像“�(yù)報天氣一�”推演地球�(fā)展走��
研究�(tuán)隊正在開展青藏高�、東北火山等研究,他們希望借此�(yù)測地�(zhì)�(zāi)�,指�(dǎo)深部找礦,服�(wù)礦產(chǎn)勘探和國家資源安��
未來,劉麗軍的目�(biāo)是把模型做成一個全球通用的開�“工具�”,讓全球同行都能用它探索地球。為�,他們正在積極培�(yǎng)跨學(xué)科人�,打造一支復(fù)合型科研�(tuán)隊�
劉麗軍相�,這類有明確物理根基、關(guān)乎地球安全的基礎(chǔ)研究,最終能像預(yù)報天氣一樣精�(zhǔn)模擬地球地質(zhì)活動,讓人類更清晰地�(rèn)識地�、更科學(xué)地應(yīng)對地�(zhì)�(zāi)害�
相關(guān)論文信息�
https://doi.org/10.1126/science.ady2027
《中國科�(xué)報�(2026-04-27 �1� 要聞)
(原�(biāo)題:地下“拉扯”,造就最大超級火山)