美國(guó)黃石超級(jí)火山是如何形成的？中國(guó)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜研究揭示關(guān)鍵機(jī)制

（來(lái)源：中國(guó)環(huán)境網(wǎng)）

轉(zhuǎn)自：中國(guó)環(huán)境網(wǎng)

作為當(dāng)今全球規(guī)模最大的活火山系統(tǒng)，美國(guó)黃石超級(jí)火山是如何形成的？長(zhǎng)期以來(lái)廣受關(guān)注。

首次系統(tǒng)揭示動(dòng)力過(guò)程

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所(地質(zhì)地球所)的最新消息說(shuō)，該所科研團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜并聯(lián)美國(guó)合作者，基于采用數(shù)據(jù)同化技術(shù)的高精度地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，首次清晰揭示出黃石超級(jí)火山下方巖漿系統(tǒng)形成的動(dòng)力過(guò)程，其關(guān)鍵條件是軟流圈(地幔風(fēng))“撕裂”巖石圈。

本項(xiàng)研究的黃石超級(jí)火山下方巖漿系統(tǒng)示意圖。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球所 供圖

這項(xiàng)火山形成演化機(jī)制的重要研究突破，由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球所曹澤斌博士、劉麗軍研究員、萬(wàn)博研究員、陳凌研究員和美國(guó)伊利諾伊大學(xué)克雷格·倫德斯特倫(Craig Lundstrom)教授共同完成，相關(guān)成果論文北京時(shí)間4月10日凌晨在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。

本項(xiàng)研究首次系統(tǒng)性揭示了超級(jí)火山下方巖漿系統(tǒng)的形成機(jī)制，清晰描繪出從巖漿產(chǎn)生到聚集的動(dòng)力過(guò)程，為超級(jí)火山下方長(zhǎng)期存在的超大型巖漿晶粥結(jié)構(gòu)的形成提供了明確的物理機(jī)制，并否定了傳統(tǒng)的地幔柱模型。

研究團(tuán)隊(duì)表示，上述機(jī)制可能廣泛適用于其他活躍的火山，包括中國(guó)東北鏡泊湖火山、東南亞多巴火山、俄羅斯遠(yuǎn)東勘察加火山群和南美阿爾蒂普拉諾火山。同時(shí)，這一研究為未來(lái)進(jìn)一步理解火山動(dòng)力過(guò)程，預(yù)測(cè)火山活動(dòng)性和預(yù)防火山災(zāi)害提供了新的地球動(dòng)力學(xué)視角。

純液態(tài)巖漿房并不存在

超級(jí)火山是地球上威力最強(qiáng)的一類火山，單次噴發(fā)的固態(tài)物質(zhì)體積可達(dá)1000立方千米以上，會(huì)對(duì)環(huán)境、氣候和人類社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。因此，深入理解超級(jí)火山的運(yùn)作機(jī)制對(duì)火山災(zāi)害預(yù)警和保護(hù)人類文明有重要意義。其中，理解超級(jí)火山下方巖漿系統(tǒng)的形成和演化機(jī)制至為關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)指出，以往研究認(rèn)為，超級(jí)火山的動(dòng)力來(lái)源是其下方地殼內(nèi)的液態(tài)巖漿房，低密度巖漿逐步聚集到巖漿房?jī)?nèi)，并持續(xù)增加對(duì)圍巖的壓力，最終導(dǎo)致地殼發(fā)生大規(guī)模破裂、坍塌和巖漿噴發(fā)。

不過(guò)，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)純液態(tài)巖漿房并不存在，更可能的分布是縱跨整個(gè)巖石圈的大型巖漿晶粥。巖石圈是地球最外層的堅(jiān)硬圈層，其下方的地幔溫度較高，粘度較低，在地質(zhì)時(shí)間尺度上可緩慢流動(dòng)，故被稱為軟流圈。

近年的研究表明，超級(jí)火山的巖漿主要源自巖石圈下覆的軟流圈物質(zhì)部分熔融。當(dāng)來(lái)自深部的液態(tài)巖漿與巖石圈的固體巖石混合時(shí)，即可形成粘度達(dá)液態(tài)巖漿數(shù)十萬(wàn)倍的巖漿晶粥。然而，該復(fù)雜系統(tǒng)的深部驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍然不清楚，也是當(dāng)前超級(jí)火山機(jī)制研究所面臨的核心問(wèn)題。

軟流圈“撕裂”了巖石圈

位于北美西部的黃石火山，在過(guò)去210萬(wàn)年內(nèi)發(fā)生了208萬(wàn)年前、63萬(wàn)年前的兩次超級(jí)噴發(fā)，噴發(fā)量分別達(dá)到2500立方千米和1000立方千米，是一座典型的超級(jí)火山。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，黃石火山是來(lái)自數(shù)千公里深處的地幔熱柱在地表的體現(xiàn)。

過(guò)去數(shù)十年中，對(duì)黃石超級(jí)火山結(jié)構(gòu)與演化過(guò)程進(jìn)行的大量觀測(cè)研究結(jié)果顯示，黃石火山的巖漿系統(tǒng)縱跨整個(gè)巖石圈，并且呈現(xiàn)隨深度增加向西南方向偏移的傾斜幾何形態(tài)，顯著有別于傳統(tǒng)的垂直上升地幔柱模型。在這一系統(tǒng)中，巖漿長(zhǎng)期以晶粥的形式存在，富含液態(tài)巖漿的晶粥(即傳統(tǒng)意義上的巖漿房)應(yīng)該僅在噴發(fā)前一小段地質(zhì)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。這些觀測(cè)為理解黃石火山下方巖漿系統(tǒng)提供了關(guān)鍵信息。

本項(xiàng)研究的黃石超級(jí)火山巖漿系統(tǒng)成因示意圖。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球所 供圖

在本項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球所團(tuán)隊(duì)仔細(xì)分析大量北美西部的地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)觀測(cè)資料，對(duì)北美西部的巖石圈和對(duì)流地幔進(jìn)行高精度建模，并計(jì)算相關(guān)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，構(gòu)建出完整的北美西部固體地球系統(tǒng)模型。

該模型預(yù)測(cè)，位于北美中東部下地幔的古老法拉龍板塊的持續(xù)下沉，驅(qū)動(dòng)了北美西部的軟流圈快速向東漂移，而該東向流動(dòng)的軟流圈在穿過(guò)黃石火山下方狹窄的大陸巖石圈通道時(shí)，由于上升的熱物質(zhì)與下潛的地幔流之間相互拉扯，導(dǎo)致減壓熔融，產(chǎn)生大量幔源巖漿。

同時(shí)，在由軟流圈產(chǎn)生的東向推力與巖石圈密度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的西向拉力的共同作用下，黃石火山下方的巖石圈內(nèi)聚集了區(qū)域性的拉張應(yīng)力，“撕裂”了該處的北美大陸巖石圈，形成一條傾斜向上的貫穿巖石圈的虹吸通道。巖漿沿著這個(gè)虹吸帶像“爬樓梯”一樣上涌、遷移，并在過(guò)程中不斷演化，最終形成黃石火山下方巖漿系統(tǒng)的形態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，其模型預(yù)測(cè)的巖漿系統(tǒng)與多種地球物理、地質(zhì)和巖石地球化學(xué)觀測(cè)相吻合，為理解黃石超級(jí)火山提供了全面的地球動(dòng)力學(xué)約束。