Nature刊发自然资源部海洋二所关于全球板块构造的最新成果！李家彪院士：颠覆国际对洋壳形成机制认知！

2024年8月21日，国际顶级期刊《Nature》发表了自然资源部第二海洋研究所李家彪院士为通讯作者，张涛为第一作者的论文“超慢速扩张加克洋中脊的高变化岩浆增生”。这一成果颠覆了国际海洋学术界半个多世纪以来一直认为的超慢速扩张洋中脊岩浆供给极度贫瘠的观点，首次证明了其整体超强变化、局部异常丰富的岩浆活动特征，极大丰富和完善了全球洋中脊动力演化理论，在全球板块构造领域发出了中国科学家的声音。

深海洋中脊是地球表面最长的海底山脉，岩浆沿中央裂谷不断上涌、喷发，形成新的洋壳，同时也孕育了大量矿产资源。冰封的北极，发育着全球扩张速率最慢的洋中脊，一直是地球深部探测的盲区。瞄准这一板块动力学观测上最后一块拼图，李家彪院士首先发起JASMInE国际科学合作计划，并于2021年带队前往北极加克洋中脊开展中国第12次北极考察，自主研发极地海底探测设备，创建密集冰区技术流程，历时79天战冰斗寒，克服作业海域超过80%海冰覆盖、平均作业水深超过3500米的不利条件，在历史最寒天气条件下布设海底地震仪43台次，回收率高达97.7%，国际上首次开展了大规模北极冰下海底地震探测，打破了国际上北极高纬密集冰区无法开展海底地震仪探测的断言。

基于这项海底深部探测和综合调查，李家彪院士团队发现了令人惊奇的北极超慢速扩张洋中脊极端丰富和高变化的岩浆供给情况，并通过超慢速洋中脊的系统分析和模拟，确立了主动地幔上涌这一新的动力学机制。在进一步对比全球不同速率洋中脊观测数据后，他们提出了全球洋中脊系统均受主动和被动地幔上涌双机制控制的新理论，其中被动地幔上涌模式在快速和慢速扩张两种类型的洋中脊中占主导地位，而主动地幔上涌模式在超慢速扩张洋中脊中占据了主导地位。

根据扩张速率的不同，全球洋中脊也被分为快速扩张（>80mm/yr）、慢速扩张（20-80mm/yr）和超慢速扩张（<20mm/yr）三种类型。传统被动地幔上涌理论很好地解释了从快速扩张到慢速扩张洋中脊的地壳增生，但在超慢速扩张洋中脊，理论预测与实际观测存在很大偏差。新的发现挑战了传统洋壳增生的经典理论，揭示了超慢速扩张洋中脊局部大规模岩浆活动的普遍性，提出了全球洋中脊被动与主动地幔上涌双控制理论。该项成果也从理论上重新审视了热液硫化物形成的物质基础和资源前景，将为全球海底资源研究、勘探与开发带来全新格局。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07831-0

自然资源部第二海洋研究所研究团队

大家知道，地球内部结构由外到内分为地壳、地幔、地核。地壳，是地球表面最外层的部分，主要由岩石和土壤构成。而约占地球表面积70%的海洋下面的地壳，被称为洋壳。“主动和被动地幔上涌双机制”这一听起来复杂的最新科研成果如何通俗地去理解？为什么说这一研究颠覆了国际对海底地壳形成机制的认知？

地壳，是和人类息息相关的固体圈层，是地球最外层的部分，大部分矿产和地震活动等都在地壳内产生。中国工程院院士李家彪介绍，地壳可以分为陆地地壳和海洋地壳，其中洋壳占地壳总面积的约2/3，目前仍然在通过大洋中脊不断生长，在俯冲带不断消亡。那么，为什么陆壳变化较小，而洋壳不断在生长？什么是大洋中脊，为什么洋壳会在此诞生，又消亡向何方呢？

李家彪：大家知道，陆地上的高山，主要是板块挤压形成；而洋中脊，也就是大洋中央的山脉，却恰恰相反，它形成于板块拉张，张开之后岩浆由地幔上涌，经过海水冷却，再结合周边已经硬化的岩石，形成洋中脊以及新的洋壳。新生成的洋壳，挤压洋中脊两边已有的地壳，不断向外扩张，最终由于质地比陆壳致密，所以会在板块交界边界俯冲返回地幔。在地球诞生的早期，陆壳就开始冷却形成了，后面变化相对较小。而洋壳则因为板块拉张，拖曳着下面的地幔运动，岩浆不断被动上涌，周而复始重复刚才所说的过程，所以在不断生长。

大家想象一下，把地球上的海水抽干，那么地球其实并不是一个正圆形，表面是高低不平的，高的地方，就是陆壳，平均35千米厚；而低的地方，就是洋壳，一般认为在6千米至7千米之间，水往低处流，也就在洋壳上面形成了海洋。李家彪所说的，正是传统地幔被动上涌理论，这是20世纪60年代，由美国海洋地质学家哈里·赫斯在海底扩张学说中提出的。根据这一理论，海洋地壳生成的速度取决于板块扩张的速度，扩张越快，岩浆喷出量越大、速度越快，洋壳生成速度也就越快。然而李家彪说，研究团队的最新研究成果，则颠覆了这一传统认知。

李家彪：国际权威学术期刊《科学》曾提出125个人类未知的根本性科学问题，其中地球内部是如何运行的这一问题被列为前十大问题之一。而我们这项工作就是从地壳到地幔逐步回答地球内部运行的机制，像是打开这个问题的一把钥匙。在太平洋，洋壳的扩张速率每年可达10厘米，大西洋就只有太平洋一半左右的速率，而西南印度洋每年只有1.4厘米。世界上扩张速率最慢的洋中脊在北冰洋，我们称为加克洋中脊，每年只有1厘米左右。那么根据经典的地幔被动上涌模式，我们就不难推断，加克洋中脊扩张速率非常慢，形成的岩浆应该非常少，所以地壳应该是非常薄，甚至没有。但是我们通过中国第12次北极科学考察发现，结果令人非常意外，在加克洋中脊我们发现了非常厚的地壳，超过9千米，进而提出了被动和主动地幔上涌的双控制因素。

板块扩张，岩浆从洋中脊处被动上涌——这好理解；但主动上涌又是什么，什么情况下会发生呢？李家彪解释，如果把大洋中脊简单比作高压锅上面的气阀，被动上涌就好比是有人拿掉了气阀，使里面的物质被动喷出；而主动上涌，则类似于气压达到了一定程度，高压锅中的气体主动把气阀顶了起来，喷出高压气体的过程。

李家彪：地幔被动上涌比较容易理解，也在快速扩张洋中脊得到了验证，所以大家一直都深信不疑。但实际上我们发现，不管是快速、慢速还是超慢速扩张洋中脊，主动和被动上涌双机制都在共同起作用。地幔的固体岩石在上涌过程中会融化为流体，熔融的岩浆会从固体岩石中带走更重的铁元素，留下相对较轻的镁元素，使得洋中脊下熔融区的地幔整体比其他区域要轻一些。这好比是，洋中脊下方有一个“氢气球”顶着，要跑出来。在快速扩张的洋中脊，这个“氢气球”还没有积累到主动上浮的程度，就已经被释放了；但是超慢速扩张洋中脊下方，由于扩张速率很慢，单位距离上会积累更多这些较轻的地幔物质，也就会形成较厚的地壳，进而让主动上涌这个过程就凸显出来了。

然而，这么重大的研究发现，为什么此前几十年间无人达成呢？李家彪解释，此前，科学家们寄希望于到北冰洋的加克洋中脊找寻这一理想中“全球最薄的地壳”，进而验证这一假说。但由于那里位于北纬85°的区域，几乎常年冰封，放置到海底的探测设备无法实现有效回收，所以，在厚厚的海冰下去查明地壳深部情况、开展大规模海底主动源探测，在科学界一直是空白。

李家彪：2020年，随着“雪龙2”号的下水，我们看到了探测北极海底的希望，因为有了破冰考察船，意味着放置到海底的探测设备，能够有机会进行高效回收。2021年中国第12次北极科学考察，我们团队借助自主研发的冰下海底地震仪、海底大地电磁仪、基线定位系统、自治机器人等关键技术设备，使投放的43台地震仪最终成功回收42台，6台大地电磁仪回收5台，回收率高达97.7%，打破了国际上北极高纬密集冰区无法开展海底地震仪探测的断言，最终也带回了我们意想不到的研究数据，为这一理论的提出，奠定扎实基础。

那么，这一理论的提出，对人类而言有什么作用？将对目前的科学研究、生产生活起到怎样的指导意义？李家彪指出，除了改变对海洋地壳本身的认知外，这还很可能改变我们对超慢速扩张洋中脊矿产勘探的思路，为人类认识海洋、经略海洋、保护海洋开拓全新视野。

李家彪：首先这肯定是改变了我们对传统海洋地壳的结构、形成机制的认识，不只是加克洋中脊，西南印度洋等超慢速扩张洋中脊都可以适用这一理论。同时，在矿产勘探领域，我们知道除了岩浆活动，还存在热液活动，也就是海水通过岩石裂隙或构造断裂带渗入海底地壳深层，会带出大量金属元素，形成热液硫化物矿床，是重要的战略矿产。我们的研究表明，超慢速扩张洋中脊也可以有丰富的岩浆活动，因此可能形成更多的热液喷口，甚至可能形成的热液喷口活动更持久、矿产总量更大，这也颠覆了我们对能源矿产开发的认知。我们已经发起了一个联合国“海洋十年”国际科学项目，这个项目由美国、加拿大、俄罗斯等国家参加，我们将会共同探索这一前沿科学研究领域。

• 信息来源：自然资源部海洋二所 作者：张涛、孙湫词；中国之声 记者：王泽华。
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