地幔風“撕裂”巖石圈——黃石超級火山形成的關(guān)鍵條件

北京時間2026年4月10日，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）曹澤斌博士、劉麗軍研究員、萬博研究員、陳凌研究員和伊利諾伊大學克雷格?倫德斯特倫（Craig Lundstrom）教授基于采用了數(shù)據(jù)同化技術(shù)的高精度地球動力學數(shù)值模型首次清晰描繪了黃石超級火山下方巖漿系統(tǒng)形成的動力過程，最新研究發(fā)表于國際學術(shù)期刊《科學》。

超級火山是地球上威力最強的一類火山，單次噴發(fā)的固態(tài)物質(zhì)體積可達1000 立方千米以上，會對環(huán)境、氣候和人類社會產(chǎn)生巨大的影響。因此，深入理解超級火山的運作機制對火山災害預警和保護人類文明有著重要意義。其中，理解超級火山下方巖漿系統(tǒng)的形成和演化機制是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

以往認為，超級火山的動力來源是其下方地殼內(nèi)的液態(tài)巖漿房，低密度巖漿逐步聚集到巖漿房內(nèi)，并持續(xù)增加對圍巖的壓力，最終導致地殼發(fā)生大規(guī)模破裂、坍塌和巖漿噴發(fā)（圖一左）。然而，越來越多的研究發(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巖石圈的大型巖漿晶粥（magma mush）。巖石圈是地球最外層的堅硬圈層，其下方的地幔溫度較高，粘度較低，在地質(zhì)時間尺度上可緩慢流動，故被稱為軟流圈。近年的研究表明，超級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。當來自深部的液態(tài)巖漿與巖石圈的固體巖石混合時，即可形成粘度達液態(tài)巖漿數(shù)十萬倍的巖漿晶粥。然而該復雜系統(tǒng)的深部驅(qū)動機制仍然不清楚，也是當前超級火山機制研究所面臨的核心問題。

位于北美西部的黃石火山，在過去的210萬年內(nèi)發(fā)生了兩次超級噴發(fā)，一次在208萬年前，另一次是在63萬年前，噴發(fā)量分別達到了2500立方千米和1000立方千米，是一座典型的超級火山。傳統(tǒng)觀點認為黃石火山是來自數(shù)千公里深處的地幔熱柱在地表的體現(xiàn)。過去數(shù)十年中，人們對黃石超級火山的結(jié)構(gòu)與演化過程進行了大量研究。結(jié)果顯示，黃石火山的巖漿系統(tǒng)縱跨整個巖石圈，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)（圖一右），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）應該僅在噴發(fā)前一小段地質(zhì)時間內(nèi)出現(xiàn)。這些觀測為理解黃石火山下方巖漿系統(tǒng)提供了關(guān)鍵信息。

圖1黃石超級火山下方巖漿系統(tǒng)示意圖。

左側(cè)：傳統(tǒng)地殼巖漿房觀點下的黃石超級火山巖漿系統(tǒng)示意圖。

右側(cè)：大型巖漿晶粥視角下的黃石超級火山巖漿系統(tǒng)示意圖。其中黃色到紅色的漸變區(qū)域顯示了縱跨巖石圈的大型巖漿晶粥結(jié)構(gòu)。在這一結(jié)構(gòu)中，少量液態(tài)巖漿和大量固體巖石混合形成了極其粘稠的巖漿晶粥。在巖漿晶粥結(jié)構(gòu)以外，地殼和巖石圈地幔都以固態(tài)巖石的形態(tài)存在。

地質(zhì)地球所的研究團隊仔細分析了大量北美西部的地質(zhì)、地球物理和地球化學觀測資料，對北美西部的巖石圈和對流地幔進行了高精度建模，并計算了相關(guān)的動力學過程，構(gòu)建了完整的北美西部固體地球系統(tǒng)模型。該模型預測，位于北美中東部下地幔的古老法拉龍（Farallon）板塊的持續(xù)下沉驅(qū)動了北美西部的軟流圈快速向東漂移，而該東向流動的軟流圈（地幔風）在穿過黃石火山下方狹窄的大陸巖石圈通道時，由于相互拉扯,熱物質(zhì)發(fā)生減壓熔融，產(chǎn)生了大量幔源巖漿（圖二左）。同時，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)域性的拉張應力，“撕裂”了該處的北美大陸巖石圈，形成了一條傾斜向上的貫穿巖石圈的虹吸通道（圖二右）。巖漿沿著這個虹吸帶像“爬樓梯”一樣上涌、遷移，并在過程中不斷演化，最終形成了黃石火山下方巖漿系統(tǒng)的形態(tài)。模型預測的巖漿系統(tǒng)與多種地球物理、地質(zhì)和巖石地球化學觀測相吻合，為理解黃石超級火山提供了全面的地球動力學約束。

圖2黃石超級火山巖漿系統(tǒng)成因示意圖。

左側(cè)：北美西部軟流圈結(jié)構(gòu)俯視圖。紅色的等值面展現(xiàn)了東向漂移的熱物質(zhì)。這些熱物質(zhì)在東向地幔風與上覆北美巖石圈拉扯導致的降壓熔融過程中產(chǎn)生了大量幔源巖漿。黃色五角星標記了黃石超級火山在地表的位置。

右側(cè)：巖石圈應力和巖漿系統(tǒng)示意圖。在地幔風-巖石圈相互作用產(chǎn)生的應力和巖石圈內(nèi)部應力的共同作用下，黃石火山下方形成了一條向西南方向傾斜的快速拉張帶（陰影區(qū)域），“撕裂”了北美大陸巖石圈。這一構(gòu)造過程控制了黃石火山下方巖漿系統(tǒng)的形態(tài)，對黃石超級火山的形成和演化有重要意義。注：圖中箭頭僅指示速度的方向，不代表實際大小。

這一研究首次系統(tǒng)性地揭示了超級火山下方巖漿系統(tǒng)的形成機制，清晰地描繪了從巖漿產(chǎn)生到聚集的動力過程，為超級火山下方長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制，并否定了傳統(tǒng)的地幔柱模型。上述機制可能廣泛適用于其他活躍的火山，例如位于我國東北的鏡泊湖火山、位于東南亞的多巴（Toba）火山、位于俄羅斯遠東的勘察加（Kamchatka）火山群和位于南美的阿爾蒂普拉諾（Altiplano-Puna）火山。這一研究為未來進一步理解火山動力過程，預測火山活動性和預防火山災害提供了新的地球動力學視角。

研究成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊Science(曹澤斌,?劉麗軍, 萬博, 陳凌, Craig Lundstrom. Tectonic origin of Yellowstone's translithospheric magma plumbing system.?Science,?2026.)

相關(guān)論文信息：

DOI: 10.1126/science.ady2027.