劉麗軍（右）與曹澤斌在進(jìn)行研究。受訪者供圖■本報(bào)記者 馮麗妃
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(jí)火山。一旦蘇醒，它噴發(fā)的火山灰足以覆蓋半個(gè)美國，對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響。
然而，這座超級(jí)火山究竟是如何形成的？這一地球科學(xué)領(lǐng)域的“懸案”，長期以來困擾著全球科學(xué)家。
近日，一項(xiàng)由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的研究顛覆了人們的認(rèn)知。中國科學(xué)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(shí)地球模型”，繪制出一幅不同于過往認(rèn)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(dòng)了黃石火山噴發(fā)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。
為何中國科學(xué)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(xué)問道，而后相繼歸國潛心深耕的故事。
瞄準(zhǔn)“懸案”
作為地球上現(xiàn)存最大的超級(jí)火山，黃石火山在過去210萬年里曾兩次發(fā)生超級(jí)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(dá)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(jí)火山會(huì)對(duì)環(huán)境、氣候和人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響，深入理解其運(yùn)作機(jī)制對(duì)火山災(zāi)害預(yù)警有重要意義。過去數(shù)十年，主流科學(xué)界普遍認(rèn)為，超級(jí)火山的動(dòng)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(dāng)壓力超過周圍巖石可承受的極限時(shí)，地殼就會(huì)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(gè)打不開的“死結(jié)”。“一是形成巖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(jiān)硬巖石圈的能力。”劉麗軍說。
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(shí)，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(gè)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(jiān)硬巖石形成的混合體，黏度是普通巖漿的數(shù)十萬倍。
同時(shí)，不同于傳統(tǒng)模型中來自地球深部的上涌地幔柱導(dǎo)致垂直向上的巖漿分布，縱跨整個(gè)巖石圈的黃石火山巖漿晶粥系統(tǒng)會(huì)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(shí)間內(nèi)才會(huì)形成大量液態(tài)巖漿。
然而，驅(qū)動(dòng)這一復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)制尚不清楚，使得相關(guān)研究成為地球科學(xué)研究中備受爭議的“懸案”。
劉麗軍希望用團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“真實(shí)地球模型”回答這一問題，并把選題交給了學(xué)生曹澤斌。
故事要從2010年說起。從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)后，劉麗軍遠(yuǎn)赴美國，在約翰斯·霍普金斯大學(xué)、加州理工學(xué)院、加州大學(xué)圣地亞哥分校求學(xué)深造，并接觸到一項(xiàng)類似天氣預(yù)報(bào)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(shí)地球。
“傳統(tǒng)模型往往把問題簡化，但真實(shí)地球非常復(fù)雜。”劉麗軍說，他希望搭建的“真實(shí)地球模型”不預(yù)設(shè)結(jié)論、不強(qiáng)行簡化，把真實(shí)地質(zhì)、地震、地磁、地球化學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)全部納入，推導(dǎo)出地球的故事。
從2012年到2022年，在伊利諾伊大學(xué)香檳分校工作的劉麗軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(xué)生，曹澤斌就是其中之一。2016年，劉麗軍回國到浙江大學(xué)作報(bào)告。臺(tái)下，大三學(xué)生曹澤斌為他的理念所震撼，報(bào)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(xué)生。
“我本科做地震波各向異性研究，地球動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)幾乎為零，而這個(gè)方向要求地質(zhì)、物理、數(shù)學(xué)、編程樣樣過硬。”曹澤斌坦言，“頭兩三年我?guī)缀醵荚谘a(bǔ)課，學(xué)習(xí)曲線很陡。”
劉麗軍的研究思路是，先做好大尺度模型的“骨架”，再往細(xì)處“添肉”，做中小尺度驗(yàn)證。黃石火山作為典型中小尺度現(xiàn)象，正適合檢驗(yàn)“真實(shí)模型”。于是，在劉麗軍的指導(dǎo)下，曹澤斌從大尺度地幔流場做起，再一點(diǎn)點(diǎn)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(jìn)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(lǐng)先的地球系統(tǒng)模擬體系帶回祖國。此時(shí)，曹澤斌博士畢業(yè)后前往美國普林斯頓大學(xué)繼續(xù)深造。2024年，他追隨導(dǎo)師的腳步，以博士后身份加入劉麗軍團(tuán)隊(duì)，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(dòng)態(tài)模型。
“常常是超算‘跑’幾天，結(jié)果不對(duì)就全部推倒重來。”曹澤斌回憶。
最終通過試錯(cuò)、迭代、優(yōu)化，他們得到一個(gè)最優(yōu)模型，而且“跑”出了一個(gè)與過往截然不同、極為宏大的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。從地表來看，整個(gè)北美大陸巖石圈板塊在自東向西運(yùn)動(dòng)；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(gè)巨大的“抽水泵”，在周圍形成強(qiáng)勁的“地幔風(fēng)”，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(qiáng)大的東向牽引力。當(dāng)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(shí)，較輕的熱物質(zhì)與下行的地幔風(fēng)相互“拉扯”，導(dǎo)致軟流圈減壓熔融，產(chǎn)生大量幔源巖漿。同時(shí)，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(yīng)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(gè)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)。”論文第一作者曹澤斌比喻道。
這一發(fā)現(xiàn)顛覆了過往對(duì)火山“引擎”的認(rèn)知。“巖漿在這里是結(jié)果，而不是原因。”論文通訊作者劉麗軍強(qiáng)調(diào)，“是先有構(gòu)造力把巖石圈‘撕開’，巖漿才趁機(jī)涌上去的。這就好比先有了裂縫，水才會(huì)流出去；而不是水把石頭撐開，再流出去。”
這一機(jī)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(yuǎn)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(jìn)一步理解火山動(dòng)力過程、預(yù)測火山活動(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。
審稿人評(píng)價(jià)稱，研究首次實(shí)現(xiàn)了地球物理、地質(zhì)信息和地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型解釋的優(yōu)雅結(jié)合。美國猶他大學(xué)專家在同期觀點(diǎn)與評(píng)論文章中指出：“這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于評(píng)估黃石火山系統(tǒng)及全球其他同類火山系統(tǒng)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。”
打造地球“天氣預(yù)報(bào)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(xué)科合作。他所在團(tuán)隊(duì)聚焦高精度數(shù)值模型，地質(zhì)地球所研究員萬博團(tuán)隊(duì)主攻構(gòu)造地質(zhì)，研究員陳凌團(tuán)隊(duì)做地球物理成像，美國伊利諾伊大學(xué)教授克雷格·倫德斯特倫則聚焦地球化學(xué)和巖石學(xué)。
“這是一個(gè)跨學(xué)科特點(diǎn)非常明顯的領(lǐng)域，每個(gè)人的方向都不一樣，自然而然就合作了。”劉麗軍補(bǔ)充說，“我們組內(nèi)也是如此，學(xué)生背景很廣泛，有搞純物理的、有搞數(shù)學(xué)的、有搞地質(zhì)的。大家多交流，知識(shí)面就擴(kuò)展開了。”
黃石火山研究的突破只是起點(diǎn)。劉麗軍的終極目標(biāo)是“把整個(gè)地球搬進(jìn)計(jì)算機(jī)”，構(gòu)建“全地球系統(tǒng)模型”，實(shí)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(yù)報(bào)天氣一樣”推演地球發(fā)展走向。
研究團(tuán)隊(duì)正在開展青藏高原、東北火山等研究，他們希望借此預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害，指導(dǎo)深部找礦，服務(wù)礦產(chǎn)勘探和國家資源安全。
未來，劉麗軍的目標(biāo)是把模型做成一個(gè)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(xué)科人才，打造一支復(fù)合型科研團(tuán)隊(duì)。
劉麗軍相信，這類有明確物理根基、關(guān)乎地球安全的基礎(chǔ)研究，最終能像預(yù)報(bào)天氣一樣精準(zhǔn)模擬地球地質(zhì)活動(dòng)，讓人類更清晰地認(rèn)識(shí)地球、更科學(xué)地應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ady2027
《中國科學(xué)報(bào)》(2026-04-27 第1版 要聞)
（原標(biāo)題：地下“拉扯”，造就最大超級(jí)火山）