美国黄石超级火山是如何形成的？中国团队领衔研究揭示关键机制

作为当今全球规模最大的活火山系统，美国黄石超级火山是如何形成的？长期以来广受关注。

首次系统揭示动力过程

来自中国科学院地质与地球物理研究所(地质地球所)的最新消息说，该所科研团队领衔并联美国合作者，基于采用数据同化技术的高精度地球动力学数值模型，首次清晰揭示出黄石超级火山下方岩浆系统形成的动力过程，其关键条件是软流圈(地幔风)“撕裂”岩石圈。

这项火山形成演化机制的重要研究突破，由中国科学院地质地球所曹泽斌博士、刘丽军研究员、万博研究员、陈凌研究员和美国伊利诺伊大学克雷格·伦德斯特伦(Craig Lundstrom)教授共同完成，相关成果论文北京时间4月10日凌晨在国际学术期刊《科学》(Science)上线发表。

本项研究首次系统性揭示了超级火山下方岩浆系统的形成机制，清晰描绘出从岩浆产生到聚集的动力过程，为超级火山下方长期存在的超大型岩浆晶粥结构的形成提供了明确的物理机制，并否定了传统的地幔柱模型。

研究团队表示，上述机制可能广泛适用于其他活跃的火山，包括中国东北镜泊湖火山、东南亚多巴火山、俄罗斯远东勘察加火山群和南美阿尔蒂普拉诺火山。同时，这一研究为未来进一步理解火山动力过程，预测火山活动性和预防火山灾害提供了新的地球动力学视角。

纯液态岩浆房并不存在

超级火山是地球上威力最强的一类火山，单次喷发的固态物质体积可达1000立方千米以上，会对环境、气候和人类社会产生巨大的影响。因此，深入理解超级火山的运作机制对火山灾害预警和保护人类文明有重要意义。其中，理解超级火山下方岩浆系统的形成和演化机制至为关键。

研究团队指出，以往研究认为，超级火山的动力来源是其下方地壳内的液态岩浆房，低密度岩浆逐步聚集到岩浆房内，并持续增加对围岩的压力，最终导致地壳发生大规模破裂、坍塌和岩浆喷发。

不过，越来越多的研究发现纯液态岩浆房并不存在，更可能的分布是纵跨整个岩石圈的大型岩浆晶粥。岩石圈是地球最外层的坚硬圈层，其下方的地幔温度较高，粘度较低，在地质时间尺度上可缓慢流动，故被称为软流圈。

近年的研究表明，超级火山的岩浆主要源自岩石圈下覆的软流圈物质部分熔融。当来自深部的液态岩浆与岩石圈的固体岩石混合时，即可形成粘度达液态岩浆数十万倍的岩浆晶粥。然而，该复杂系统的深部驱动机制仍然不清楚，也是当前超级火山机制研究所面临的核心问题。

软流圈“撕裂”了岩石圈

位于北美西部的黄石火山，在过去210万年内发生了208万年前、63万年前的两次超级喷发，喷发量分别达到2500立方千米和1000立方千米，是一座典型的超级火山。传统观点认为，黄石火山是来自数千公里深处的地幔热柱在地表的体现。

过去数十年中，对黄石超级火山结构与演化过程进行的大量观测研究结果显示，黄石火山的岩浆系统纵跨整个岩石圈，并且呈现随深度增加向西南方向偏移的倾斜几何形态，显著有别于传统的垂直上升地幔柱模型。在这一系统中，岩浆长期以晶粥的形式存在，富含液态岩浆的晶粥(即传统意义上的岩浆房)应该仅在喷发前一小段地质时间内出现。这些观测为理解黄石火山下方岩浆系统提供了关键信息。

在本项研究中，中国科学院地质地球所团队仔细分析大量北美西部的地质、地球物理和地球化学观测资料，对北美西部的岩石圈和对流地幔进行高精度建模，并计算相关的动力学过程，构建出完整的北美西部固体地球系统模型。

该模型预测，位于北美中东部下地幔的古老法拉龙板块的持续下沉，驱动了北美西部的软流圈快速向东漂移，而该东向流动的软流圈在穿过黄石火山下方狭窄的大陆岩石圈通道时，由于上升的热物质与下潜的地幔流之间相互拉扯，导致减压熔融，产生大量幔源岩浆。

同时，在由软流圈产生的东向推力与岩石圈密度结构产生的西向拉力的共同作用下，黄石火山下方的岩石圈内聚集了区域性的拉张应力，“撕裂”了该处的北美大陆岩石圈，形成一条倾斜向上的贯穿岩石圈的虹吸通道。岩浆沿着这个虹吸带像“爬楼梯”一样上涌、迁移，并在过程中不断演化，最终形成黄石火山下方岩浆系统的形态。

研究团队表示，其模型预测的岩浆系统与多种地球物理、地质和岩石地球化学观测相吻合，为理解黄石超级火山提供了全面的地球动力学约束。