（來源：中國環(huán)境網(wǎng)）

轉(zhuǎn)自：中國環(huán)境網(wǎng)

劉麗軍（右）與曹澤斌在進行研究。受訪者供圖

在美國西部廣袤的黃石國家公園地下，潛伏著地球上最大的“火藥桶”——黃石超級火山。一旦蘇醒，它噴發(fā)的火山灰足以覆蓋半個美國，對全球氣候產(chǎn)生影響。

然而，這座超級火山究竟是如何形成的？這一地球科學領域的“懸案”，長期以來困擾著全球科學家。

近日，一項由中國科學家領銜的研究顛覆了人們的認知。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）研究員劉麗軍、博士后曹澤斌聯(lián)合中外合作者，利用高精度“真實地球模型”，繪制出一幅不同于過往認知的畫面：數(shù)百萬年來地球巖石圈與軟流層持續(xù)相互“拉扯”，驅(qū)動了黃石火山噴發(fā)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學》。

為何中國科學家要研究美國火山？在采訪中，劉麗軍與曹澤斌講述了一段跨越山海求學問道，而后相繼歸國潛心深耕的故事。

瞄準“懸案”

作為地球上現(xiàn)存最大的超級火山，黃石火山在過去210萬年里曾兩次發(fā)生超級噴發(fā)——208萬年前，一次噴出了2500立方千米的固體物質(zhì)；63萬年前，噴發(fā)量達到1000立方千米。簡言之，其噴發(fā)量為曾毀滅龐貝古城的維蘇威火山的“數(shù)百倍”。

超級火山會對環(huán)境、氣候和人類社會產(chǎn)生巨大影響，深入理解其運作機制對火山災害預警有重要意義。過去數(shù)十年，主流科學界普遍認為，超級火山的動力來源于地殼內(nèi)長期積累的“巖漿房”——巖漿在自身浮力作用下逐步聚集到巖漿房內(nèi)，當壓力超過周圍巖石可承受的極限時，地殼就會破裂或坍塌，巖漿隨之快速上涌至地表，形成大規(guī)模噴發(fā)。

這套推理看似完美，卻存在兩個打不開的“死結(jié)”?！耙皇切纬蓭r漿房的能量從哪里來？維持超大巖漿房持續(xù)高溫所需的熱量，從地球演化來看無法持續(xù)供給。二是形成巖漿房的空間從哪里來？低密度的液態(tài)巖漿，物理上并不具備推開堅硬巖石圈的能力?！眲Ⅺ愜娬f。

更關(guān)鍵的是，這一模型不符合觀測結(jié)果。近年來的高精度地球物理成像研究證實，黃石火山下不存在純液態(tài)巖漿房，取而代之的是縱貫整個巖石圈的“巖漿晶粥”，即由來自地幔軟流圈的液態(tài)巖漿與上覆巖石圈的堅硬巖石形成的混合體，黏度是普通巖漿的數(shù)十萬倍。

同時，不同于傳統(tǒng)模型中來自地球深部的上涌地幔柱導致垂直向上的巖漿分布，縱跨整個巖石圈的黃石火山巖漿晶粥系統(tǒng)會隨深度增加向西南方向偏移，且僅在噴發(fā)前一小段地質(zhì)時間內(nèi)才會形成大量液態(tài)巖漿。

然而，驅(qū)動這一復雜系統(tǒng)的機制尚不清楚，使得相關(guān)研究成為地球科學研究中備受爭議的“懸案”。

劉麗軍希望用團隊開發(fā)的“真實地球模型”回答這一問題，并把選題交給了學生曹澤斌。

故事要從2010年說起。從中國科學技術(shù)大學畢業(yè)后，劉麗軍遠赴美國，在約翰斯·霍普金斯大學、加州理工學院、加州大學圣地亞哥分校求學深造，并接觸到一項類似天氣預報的技術(shù)——數(shù)據(jù)同化。簡單來說，就是把海量觀測數(shù)據(jù)按物理規(guī)律“喂”給模型，讓數(shù)值模型能夠逐步逼近真實地球。

“傳統(tǒng)模型往往把問題簡化，但真實地球非常復雜?！眲Ⅺ愜娬f，他希望搭建的“真實地球模型”不預設結(jié)論、不強行簡化，把真實地質(zhì)、地震、地磁、地球化學、地球動力學數(shù)據(jù)全部納入，推導出地球的故事。

從2012年到2022年，在伊利諾伊大學香檳分校工作的劉麗軍帶領團隊不斷深耕，打磨出高精度的北美大陸模型，將板塊俯沖、大陸漂移、巖石圈變形等大尺度地質(zhì)過程摸得一清二楚。

他的研究吸引了不少學生，曹澤斌就是其中之一。2016年，劉麗軍回國到浙江大學作報告。臺下，大三學生曹澤斌為他的理念所震撼，報告結(jié)束后追著他提問。兩年后，本科畢業(yè)的曹澤斌成了劉麗軍的學生。

“我本科做地震波各向異性研究，地球動力學基礎幾乎為零，而這個方向要求地質(zhì)、物理、數(shù)學、編程樣樣過硬?！辈軡杀筇寡裕邦^兩三年我?guī)缀醵荚谘a課，學習曲線很陡?！?/p>

劉麗軍的研究思路是，先做好大尺度模型的“骨架”，再往細處“添肉”，做中小尺度驗證。黃石火山作為典型中小尺度現(xiàn)象，正適合檢驗“真實模型”。于是，在劉麗軍的指導下，曹澤斌從大尺度地幔流場做起，再一點點把巖石圈結(jié)構(gòu)、巖漿房的“晶粥”結(jié)構(gòu)等觀測數(shù)據(jù)同化進黃石火山模型。

顛覆性“拉扯”

2023年，劉麗軍全職回國，入職地質(zhì)地球所，把這套世界領先的地球系統(tǒng)模擬體系帶回祖國。此時，曹澤斌博士畢業(yè)后前往美國普林斯頓大學繼續(xù)深造。2024年，他追隨導師的腳步，以博士后身份加入劉麗軍團隊，繼續(xù)開展黃石火山研究。

這可謂一場算力上的“馬拉松”研究，要把北美西部數(shù)十年的地震成像、地磁觀測、地質(zhì)演化數(shù)據(jù)全部注入模型，構(gòu)建起從地表到核幔邊界的高精度三維動態(tài)模型。

“常常是超算‘跑’幾天，結(jié)果不對就全部推倒重來?！辈軡杀蠡貞洝?/p>

最終通過試錯、迭代、優(yōu)化，他們得到一個最優(yōu)模型，而且“跑”出了一個與過往截然不同、極為宏大的動力學機制。從地表來看，整個北美大陸巖石圈板塊在自東向西運動；但在現(xiàn)有巖石圈之下，北美大陸東部深處的古老法拉龍板塊持續(xù)向大西洋下沉，并像一個巨大的“抽水泵”，在周圍形成強勁的“地幔風”，將西部的軟流圈物質(zhì)向東吸引，在其上方巖石圈的底部產(chǎn)生了強大的東向牽引力。當軟流圈物質(zhì)經(jīng)過黃石火山下方從薄變厚的巖石圈過渡地帶時，較輕的熱物質(zhì)與下行的地幔風相互“拉扯”，導致軟流圈減壓熔融，產(chǎn)生大量幔源巖漿。同時，這一拉扯使得黃石火山下方的地幔聚集了區(qū)域性的拉張應力，“撕裂”了該處的巖石圈，形成了一條傾斜向上的貫穿巖石圈的虹吸通道。

“巖漿沿著這個虹吸帶，像‘爬樓梯’一樣上涌、遷移，并在該過程中不斷演化，最終形成了黃石火山下方巖漿系統(tǒng)的形態(tài)?！闭撐牡谝蛔髡卟軡杀蟊扔鞯馈?/p>

這一發(fā)現(xiàn)顛覆了過往對火山“引擎”的認知。“巖漿在這里是結(jié)果，而不是原因?！闭撐耐ㄓ嵶髡邉Ⅺ愜姀娬{(diào)，“是先有構(gòu)造力把巖石圈‘撕開’，巖漿才趁機涌上去的。這就好比先有了裂縫，水才會流出去；而不是水把石頭撐開，再流出去。”

這一機制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、位于東南亞的多巴火山、位于俄羅斯遠東的勘察加火山群和位于南美的阿爾蒂普拉諾火山，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。

審稿人評價稱，研究首次實現(xiàn)了地球物理、地質(zhì)信息和地球動力學數(shù)值模型解釋的優(yōu)雅結(jié)合。美國猶他大學專家在同期觀點與評論文章中指出：“這一發(fā)現(xiàn)對于評估黃石火山系統(tǒng)及全球其他同類火山系統(tǒng)的災害風險具有重要意義?！?/p>

打造地球“天氣預報系統(tǒng)”

回顧研究歷程，劉麗軍表示，黃石火山研究的成功離不開跨學科合作。他所在團隊聚焦高精度數(shù)值模型，地質(zhì)地球所研究員萬博團隊主攻構(gòu)造地質(zhì)，研究員陳凌團隊做地球物理成像，美國伊利諾伊大學教授克雷格·倫德斯特倫則聚焦地球化學和巖石學。

“這是一個跨學科特點非常明顯的領域，每個人的方向都不一樣，自然而然就合作了?！眲Ⅺ愜娧a充說，“我們組內(nèi)也是如此，學生背景很廣泛，有搞純物理的、有搞數(shù)學的、有搞地質(zhì)的。大家多交流，知識面就擴展開了?！?/p>

黃石火山研究的突破只是起點。劉麗軍的終極目標是“把整個地球搬進計算機”，構(gòu)建“全地球系統(tǒng)模型”，實現(xiàn)從地核到地表、從固體地球到海洋-氣候的多圈層耦合，像“預報天氣一樣”推演地球發(fā)展走向。

研究團隊正在開展青藏高原、東北火山等研究，他們希望借此預測地質(zhì)災害，指導深部找礦，服務礦產(chǎn)勘探和國家資源安全。

未來，劉麗軍的目標是把模型做成一個全球通用的開源“工具箱”，讓全球同行都能用它探索地球。為此，他們正在積極培養(yǎng)跨學科人才，打造一支復合型科研團隊。

劉麗軍相信，這類有明確物理根基、關(guān)乎地球安全的基礎研究，最終能像預報天氣一樣精準模擬地球地質(zhì)活動，讓人類更清晰地認識地球、更科學地應對地質(zhì)災害。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.ady2027