科学圆桌会|听地球科学家讲超级火山的最新故事

　　新华社北京4月27日电　题：听地球科学家讲超级火山的最新故事

　　4月10日，我和同事在国际学术期刊《科学》上在线发表了关于超级火山的最新研究成果。

　　提到火山，相信每个人都不陌生。夏威夷的岩浆流淌、长白山的壮美天池、富士山的皑皑白雪，都是地球赐予人类的壮美奇观。但风景背后，火山其实是地球上最具破坏力的地质力量之一。

　　尤其是超级火山，它的一次喷发，足以改变全球气候、影响生物圈的命运，甚至在地球历史上，多次和生物大灭绝事件紧密相连。

　　火山喷发是有严格等级划分的。按照喷发的固体物质体积，我们从0级到8级分成九个等级，相邻两级的威力相差整整10倍。

　　0级喷发的体积不到1万立方米，就像最近夏威夷火山的喷发，规模很小，对人类几乎没有威胁，大家甚至可以近距离拍摄、观赏。但到了8级，也就是我们所说的超级火山，喷发体积不少于1000立方千米。这个量级意味着什么？足以填满7200万个标准游泳池。

　　人类有记录以来最强的坦博拉火山喷发，喷出了约150立方千米的物质，仅仅是7级，就造成了全球无夏之年，超过7万人死于饥荒。可想而知，8级超级火山一旦喷发，带来的是全球性、不可逆的巨大影响。

　　我们中国的长白山，在公元946年左右发生过一次千年大喷发，规模就已经接近8级。7万年前印尼多巴火山的超级喷发，更是让人类几近灭绝。2.5亿年前二叠纪末期的西伯利亚超级火山喷发，直接让地球上超过90%的海洋物种彻底消失。

　　这些威力惊人的超级火山，到底是怎么形成的？

　　经过几代科学家的努力，我们慢慢发现，答案不在地表，不在浅层地壳，而在我们脚下数百甚至上千公里的地球内部。

　　很多人以为，地球内部就是坚硬不动的石头，其实完全不是这样。地球是一个充满活力的星球，不仅地表的地貌、气候在不断变化，地下深处也一直在缓慢而持续地运动。

　　地球内部的温度，会随着深度不断升高，岩石在高温下会像糖浆一样慢慢流动，温度降低又会变得坚硬。基于这个特点，我们把地球表层到数百公里深处又冷又硬的部分叫作岩石圈；它下方高温、可以缓慢流动的部分，就是软流圈。

　　通过分析超级火山喷发的岩浆化学成分，我们已经确定，大部分超级火山的岩浆，都起源于软流圈物质的熔融。那么，问题来了：第一，软流圈为什么会大规模熔融？第二，这些岩浆怎么穿透坚硬的岩石圈到达地表？

　　为了找到答案，我们选择了全世界最受关注的超级火山——北美黄石火山作为研究对象，用计算机做三维建模，模拟地下软流圈的流动和岩石圈的变形，一点点揭开它的秘密。

　　在很长一段时间里，科学界对黄石火山有一套固定的解释。大家认为，黄石是地幔柱在地表的表现。

　　地幔柱就像一根从地核顶部垂直上升的热烟囱，把高温物质带到软流圈，加热岩石形成大量岩浆，岩浆像沸水的气泡一样往上涌，在地壳里形成一个巨大的液态岩浆房，压力不断积累，最终撑破岩石，发生超级喷发。

　　这个模型简单直观，也被写进了很多教科书和纪录片里。

　　但我们的最新研究结果，完全推翻了这个传统认知。

　　我们发现，黄石下方确实有高温地幔，可根本不存在一个充满熔体的巨型岩浆房。真实的地下结构，更像一张蜘蛛网，是细密分布的岩浆脉络，从地壳一直倾斜向下连通到软流圈顶部。这也就意味着，传统的液态岩浆房和地幔柱模型，并不符合黄石地下的真实情况。

　　既然不是地幔柱，那黄石的岩浆到底来自哪里？又是怎么运移到地表的？经过反复模拟和分析，我们找到了一个完全意想不到的答案：一股来自地球深处的“地幔风”。

　　在北美中东部地下一千多公里的深处，有一块又冷又重的古老地幔区域，我们叫它法拉龙残余板片。它是上亿年前古老大洋板块俯冲进入地幔形成的，一直在缓慢下沉。

　　它下沉的过程，就像一只巨手向下拖拽，带动上方的地幔发生大范围汇聚流动，连千里之外黄石下方的软流圈，都被整体拉扯着向东移动。这个原理和空气流动形成风一模一样，所以我们形象地称之为“地幔风”。

　　这股看不见的地幔风，吹到黄石下方时，遇到了一堵“墙”。

　　黄石西部的岩石圈很薄，只有60公里左右，可到了黄石正下方，岩石圈突然增厚到上百公里。浅部的地幔风被挡住，深部的地幔风依旧向东流动，一堵一拉之间，这片区域的压力急剧降低。

　　就像高原上水的沸点会降低一样，地幔岩石在压力降低时，熔点也会大幅下降，从而大规模熔融，产生海量岩浆。

　　这个过程叫作减压熔融，以往我们只知道它通常发生于持续扩张的大洋中脊下方。而这一次，我们第一次用计算证明，稳定的大陆下方也能出现这样的现象。

　　岩浆怎么穿过坚硬的岩石圈？答案还是地幔风。

　　这股向东的地幔风，给深部岩石圈施加了向东的推力，而黄石西侧岩石圈更薄、密度更小，又产生了向上和向西的延展力。一推一拉，就像两只手反方向撕开一张纸，黄石下方的岩石圈被硬生生撕开一个倾斜向上的“裂缝”。

　　这道裂缝，由无数微小裂隙连接而成，形成了天然的虹吸通道，让深部岩浆可以持续不断地向上爬升，进入地壳，为超级火山提供稳定补给。

　　也就是说，从岩浆诞生，到穿越岩石圈，再到慢慢聚集成长，黄石超级火山的每一步，都是被这股地幔风一手孕育出来的。

　　这是我们团队最核心的发现，也是地球科学对超级火山成因的全新解读。

　　这项研究最让我们兴奋的地方，不只是解释了黄石一座火山。我们相信，这套“地幔风”形成机制，完全可以推广到全球其他超级火山，比如长白山、多巴火山等。

　　未来，我们会继续用定量研究的方法，一步步揭开更多超级火山的秘密。

　　地球科学的魅力就在这里。超级火山的形成原理，听起来复杂神秘，背后的物理规律却并没有超出我们中学课本的知识范围。可正是这些简单的规律，在地球内部牵一发而动全身，塑造出我们脚下这个星球的万千景象。

　　我们站在地表，看到的是山川湖海、四季更迭。可在我们看不见的地下，上千公里深处，一股股缓慢而强大的“风”，正在默默塑造着地质历史。这就是地球的神秘力量，也是我们一代代地球科学家，愿意不断探索、不断追问的原因。（作者系中国科学院地质与地球物理研究所研究员刘丽军）（完）