地幔风“撕裂”岩石圈，我科研团队揭示黄石超级火山形成机制

  超级火山是地球上威力最强的一类火山，单次喷发的固态物质体积可达1000 立方千米以上，会对环境、气候和人类社会产生巨大的影响。因此，深入理解超级火山的运作机制对火山灾害预警和保护人类文明有着重要意义。其中，理解超级火山下方岩浆系统的形成和演化机制是关键中的关键。

4月10日，中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）曹泽斌博士、刘丽军研究员、万博研究员、陈凌研究员和伊利诺伊大学克雷格·伦德斯特伦（Craig Lundstrom）教授基于采用了数据同化技术的高精度地球动力学数值模型首次清晰描绘了黄石超级火山下方岩浆系统形成的动力过程，最新研究发表于国际学术期刊《科学》。

  图一：黄石超级火山下方岩浆系统示意图。左侧：传统地壳岩浆房观点下的黄石超级火山岩浆系统示意图。右侧：大型岩浆晶粥视角下的黄石超级火山岩浆系统示意图。其中黄色到红色的渐变区域显示了纵跨岩石圈的大型岩浆晶粥结构。在这一结构中，少量液态岩浆和大量固体岩石混合形成了极其粘稠的岩浆晶粥。在岩浆晶粥结构以外，地壳和岩石圈地幔都以固态岩石的形态存在。

  过去的研究认为，超级火山的动力来源是其下方地壳内的液态岩浆房，低密度岩浆逐步聚集到岩浆房内，并持续增加对围岩的压力，最终导致地壳发生大规模破裂、坍塌和岩浆喷发（图一左）。

然而，越来越多的研究发现纯液态岩浆房并不存在，更可能的分布是纵跨整个岩石圈的大型岩浆晶粥。岩石圈是地球最外层的坚硬圈层，其下方的地幔温度较高，粘度较低，在地质时间尺度上可缓慢流动，故被称为软流圈。近年的研究表明，超级火山的岩浆主要源自岩石圈下覆的软流圈物质部分熔融。当来自深部的液态岩浆与岩石圈的固体岩石混合时，即可形成粘度达液态岩浆数十万倍的岩浆晶粥。然而该复杂系统的深部驱动机制仍然不清楚，也是当前超级火山机制研究所面临的核心问题。

位于北美西部的黄石火山，在过去的210万年内发生了两次超级喷发，一次在208万年前，另一次是在63万年前，喷发量分别达到了2500立方千米和1000立方千米，是一座典型的超级火山。

传统观点认为黄石火山下方存在纯液态岩浆房，是来自数千公里深处的地幔热柱在地表的体现。过去数十年中，人们对黄石超级火山的结构与演化过程进行了大量研究。结果显示，黄石火山的岩浆系统纵跨整个岩石圈，并且呈现随深度增加向西南方向偏移的倾斜几何形态（图一右），显著有别于传统的垂直上升地幔柱模型。在这一系统中，岩浆长期以晶粥的形式存在，富含液态岩浆的晶粥（即传统意义上的岩浆房）应该仅在喷发前一小段地质时间内出现。这些观测为理解黄石火山下方岩浆系统提供了关键信息。

  图二：黄石超级火山岩浆系统成因示意图。左侧：北美西部软流圈结构俯视图。红色的等值面展现了东向漂移的热物质。这些热物质在东向地幔风与上覆北美岩石圈拉扯导致的降压熔融过程中产生了大量幔源岩浆。黄色五角星标记了黄石超级火山在地表的位置。右侧：岩石圈应力和岩浆系统示意图。在地幔风-岩石圈相互作用产生的应力和岩石圈内部应力的共同作用下，黄石火山下方形成了一条向西南方向倾斜的快速拉张带（阴影区域），“撕裂”了北美大陆岩石圈。这一构造过程控制了黄石火山下方岩浆系统的形态，对黄石超级火山的形成和演化有重要意义。注：图中箭头仅指示速度的方向，不代表实际大小。

  地质地球所的研究团队仔细分析了大量北美西部的地质、地球物理和地球化学观测资料，对北美西部的岩石圈和对流地幔进行了高精度建模，并计算了相关的动力学过程，构建了完整的北美西部固体地球系统模型。该模型预测，位于北美中东部下地幔的古老法拉龙（Farallon）板块的持续下沉驱动了北美西部的软流圈快速向东漂移，而该东向流动的软流圈（地幔风）在沿着黄石火山下方逐渐增厚的大陆岩石圈下潜过程中，由于拉扯上方的热物质导致减压熔融，产生了大量幔源岩浆（图二左）。

同时，在由软流圈产生的东向推力与岩石圈密度结构产生的西向拉力的共同作用下，黄石火山下方的岩石圈内聚集了区域性的拉张应力，“撕裂”了该处的北美大陆岩石圈，形成了一条倾斜向上的贯穿岩石圈的虹吸通道（图二右）。岩浆沿着这个虹吸带像“爬楼梯”一样上涌、迁移，并在该过程中不断演化，最终形成了黄石下方岩浆系统的形态。模型预测的岩浆系统与多种地球物理、地质和岩石地球化学观测相吻合，为理解黄石超级火山提供了全面的地球动力学约束。

这一研究首次系统性地揭示了超级火山下方岩浆系统的形成机制，清晰地描绘了从岩浆产生到聚集的动力过程，为超级火山下方长期存在的超大型岩浆晶粥结构的形成提供了明确的物理机制，并否定了传统的地幔柱模型。上述机制可能广泛适用于其他活跃的火山，例如位于我国东北的镜泊湖火山、位于东南亚的多巴（Toba）火山、位于俄罗斯远东的勘察加（Kamchatka）火山群和位于南美的阿尔蒂普拉诺（Altiplano-Puna）火山。这一研究为未来进一步理解火山动力过程，预测火山活动性和预防火山灾害提供了新的地球动力学视角。（光明网记者宋雅娟）