科學圓桌會|聽地球科學家講超級火山的最新故事

　　4月10日，我和同事在國際學術期刊《科學》上在線發表了關于超級火山的最新研究成果。

　　提到火山，相信每個人都不陌生。夏威夷的巖漿流淌、長白山的壯美天池、富士山的皚皚白雪，都是地球賜予人類的壯美奇觀。但風景背后，火山其實是地球上最具破壞力的地質力量之一。

　　尤其是超級火山，它的一次噴發，足以改變全球氣候、影響生物圈的命運，甚至在地球歷史上，多次和生物大滅絕事件緊密相連。

　　這是2025年4月8日在菲律賓內格羅斯島拍攝的正在噴發的坎拉翁火山。新華社發（菲律賓火山地震研究所供圖）

　　火山噴發是有嚴格等級劃分的。按照噴發的固體物質體積，我們從0級到8級分成九個等級，相鄰兩級的威力相差整整10倍。

　　0級噴發的體積不到1萬立方米，就像最近夏威夷火山的噴發，規模很小，對人類幾乎沒有威脅，大家甚至可以近距離拍攝、觀賞。但到了8級，也就是我們所說的超級火山，噴發體積不少于1000立方千米。這個量級意味著什么？足以填滿7200萬個標準游泳池。

　　人類有記錄以來最強的坦博拉火山噴發，噴出了約150立方千米的物質，僅僅是7級，就造成了全球無夏之年，超過7萬人死于饑荒。可想而知，8級超級火山一旦噴發，帶來的是全球性、不可逆的巨大影響。

　　我們中國的長白山，在公元946年左右發生過一次千年大噴發，規模就已經接近8級。7萬年前印尼多巴火山的超級噴發，更是讓人類幾近滅絕。2.5億年前二疊紀末期的西伯利亞超級火山噴發，直接讓地球上超過90%的海洋物種徹底消失。

　　這些威力驚人的超級火山，到底是怎么形成的？

　　經過幾代科學家的努力，我們慢慢發現，答案不在地表，不在淺層地殼，而在我們腳下數百甚至上千公里的地球內部。

　　很多人以為，地球內部就是堅硬不動的石頭，其實完全不是這樣。地球是一個充滿活力的星球，不僅地表的地貌、氣候在不斷變化，地下深處也一直在緩慢而持續地運動。

　　地球內部的溫度，會隨著深度不斷升高，巖石在高溫下會像糖漿一樣慢慢流動，溫度降低又會變得堅硬。基于這個特點，我們把地球表層到數百公里深處又冷又硬的部分叫作巖石圈；它下方高溫、可以緩慢流動的部分，就是軟流圈。

　　通過分析超級火山噴發的巖漿化學成分，我們已經確定，大部分超級火山的巖漿，都起源于軟流圈物質的熔融。那么，問題來了：第一，軟流圈為什么會大規模熔融？第二，這些巖漿怎么穿透堅硬的巖石圈到達地表？

　　為了找到答案，我們選擇了全世界最受關注的超級火山——北美黃石火山作為研究對象，用計算機做三維建模，模擬地下軟流圈的流動和巖石圈的變形，一點點揭開它的秘密。

　　在很長一段時間里，科學界對黃石火山有一套固定的解釋。大家認為，黃石是地幔柱在地表的表現。

　　地幔柱就像一根從地核頂部垂直上升的熱煙囪，把高溫物質帶到軟流圈，加熱巖石形成大量巖漿，巖漿像沸水的氣泡一樣往上涌，在地殼里形成一個巨大的液態巖漿房，壓力不斷積累，最終撐破巖石，發生超級噴發。

　　這個模型簡單直觀，也被寫進了很多教科書和紀錄片里。

　　但我們的最新研究結果，完全推翻了這個傳統認知。

　　我們發現，黃石下方確實有高溫地幔，可根本不存在一個充滿熔體的巨型巖漿房。真實的地下結構，更像一張蜘蛛網，是細密分布的巖漿脈絡，從地殼一直傾斜向下連通到軟流圈頂部。這也就意味著，傳統的液態巖漿房和地幔柱模型，并不符合黃石地下的真實情況。

　　既然不是地幔柱，那黃石的巖漿到底來自哪里？又是怎么運移到地表的？經過反復模擬和分析，我們找到了一個完全意想不到的答案：一股來自地球深處的“地幔風”。

　　圖示為北美下方復雜的地幔流場和驅動機制。古老俯沖板片驅動的東向“地幔風”，在黃石下方形成了減壓熔融區。這一發現揭示了黃石超級火山形成的新機制。（作者供圖）

　　在北美中東部地下一千多公里的深處，有一塊又冷又重的古老地幔區域，我們叫它法拉龍殘余板片。它是上億年前古老大洋板塊俯沖進入地幔形成的，一直在緩慢下沉。

　　它下沉的過程，就像一只巨手向下拖拽，帶動上方的地幔發生大范圍匯聚流動，連千里之外黃石下方的軟流圈，都被整體拉扯著向東移動。這個原理和空氣流動形成風一模一樣，所以我們形象地稱之為“地幔風”。

　　這股看不見的地幔風，吹到黃石下方時，遇到了一堵“墻”。

　　黃石西部的巖石圈很薄，只有60公里左右，可到了黃石正下方，巖石圈突然增厚到上百公里。淺部的地幔風被擋住，深部的地幔風依舊向東流動，一堵一拉之間，這片區域的壓力急劇降低。

　　就像高原上水的沸點會降低一樣，地幔巖石在壓力降低時，熔點也會大幅下降，從而大規模熔融，產生海量巖漿。

　　這個過程叫作減壓熔融，以往我們只知道它通常發生于持續擴張的大洋中脊下方。而這一次，我們第一次用計算證明，穩定的大陸下方也能出現這樣的現象。

　　巖漿怎么穿過堅硬的巖石圈？答案還是地幔風。

　　這股向東的地幔風，給深部巖石圈施加了向東的推力，而黃石西側巖石圈更薄、密度更小，又產生了向上和向西的延展力。一推一拉，就像兩只手反方向撕開一張紙，黃石下方的巖石圈被硬生生撕開一個傾斜向上的“裂縫”。

　　這道裂縫，由無數微小裂隙連接而成，形成了天然的虹吸通道，讓深部巖漿可以持續不斷地向上爬升，進入地殼，為超級火山提供穩定補給。

　　也就是說，從巖漿誕生，到穿越巖石圈，再到慢慢聚集成長，黃石超級火山的每一步，都是被這股地幔風一手孕育出來的。

　　黃石超級火山下方巖漿生成與運移過程和巖石圈“裂縫”成因示意圖。（作者供圖）

　　這是我們團隊最核心的發現，也是地球科學對超級火山成因的全新解讀。

　　這項研究最讓我們興奮的地方，不只是解釋了黃石一座火山。我們相信，這套“地幔風”形成機制，完全可以推廣到全球其他超級火山，比如長白山、多巴火山等。

　　未來，我們會繼續用定量研究的方法，一步步揭開更多超級火山的秘密。

　　地球科學的魅力就在這里。超級火山的形成原理，聽起來復雜神秘，背后的物理規律卻并沒有超出我們中學課本的知識范圍。可正是這些簡單的規律，在地球內部牽一發而動全身，塑造出我們腳下這個星球的萬千景象。

　　我們站在地表，看到的是山川湖海、四季更迭。可在我們看不見的地下，上千公里深處，一股股緩慢而強大的“風”，正在默默塑造著地質歷史。這就是地球的神秘力量，也是我們一代代地球科學家，愿意不斷探索、不斷追問的原因。（作者系中國科學院地質與地球物理研究所研究員劉麗軍）