美國黃石超級火山是如何形成的？中國團(tuán)隊領(lǐng)銜研究揭示關(guān)鍵機(jī)制
來源： 中國新聞網(wǎng)
2026-04-10 08:59:00
中新網(wǎng)北京4月10日電 (記者 孫自法)作為當(dāng)今全球規(guī)模最大的活火山系統(tǒng)，美國黃石超級火山是如何形成的？長期以來廣受關(guān)注。
首次系統(tǒng)揭示動力過程
來自中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所(地質(zhì)地球所)的最新消息說，該所科研團(tuán)隊領(lǐng)銜并聯(lián)美國合作者，基于采用數(shù)據(jù)同化技術(shù)的高精度地球動力學(xué)數(shù)值模型，首次清晰揭示出黃石超級火山下方巖漿系統(tǒng)形成的動力過程，其關(guān)鍵條件是軟流圈(地幔風(fēng))“撕裂”巖石圈。
本項研究的黃石超級火山下方巖漿系統(tǒng)示意圖。中國科學(xué)院地質(zhì)地球所 供圖
這項火山形成演化機(jī)制的重要研究突破，由中國科學(xué)院地質(zhì)地球所曹澤斌博士、劉麗軍研究員、萬博研究員、陳凌研究員和美國伊利諾伊大學(xué)克雷格·倫德斯特倫(Craig Lundstrom)教授共同完成，相關(guān)成果論文北京時間4月10日凌晨在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。
本項研究首次系統(tǒng)性揭示了超級火山下方巖漿系統(tǒng)的形成機(jī)制，清晰描繪出從巖漿產(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(jī)制，并否定了傳統(tǒng)的地幔柱模型。
研究團(tuán)隊表示，上述機(jī)制可能廣泛適用于其他活躍的火山，包括中國東北鏡泊湖火山、東南亞多巴火山、俄羅斯遠(yuǎn)東勘察加火山群和南美阿爾蒂普拉諾火山。同時，這一研究為未來進(jìn)一步理解火山動力過程，預(yù)測火山活動性和預(yù)防火山災(zāi)害提供了新的地球動力學(xué)視角。
純液態(tài)巖漿房并不存在
超級火山是地球上威力最強(qiáng)的一類火山，單次噴發(fā)的固態(tài)物質(zhì)體積可達(dá)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(jī)制對火山災(zāi)害預(yù)警和保護(hù)人類文明有重要意義。其中，理解超級火山下方巖漿系統(tǒng)的形成和演化機(jī)制至為關(guān)鍵。
研究團(tuán)隊指出，以往研究認(rèn)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(dǎo)致地殼發(fā)生大規(guī)模破裂、坍塌和巖漿噴發(fā)。
不過，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。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(dāng)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(dá)液態(tài)巖漿數(shù)十萬倍的巖漿晶粥。然而，該復(fù)雜系統(tǒng)的深部驅(qū)動機(jī)制仍然不清楚，也是當(dāng)前超級火山機(jī)制研究所面臨的核心問題。
軟流圈“撕裂”了巖石圈
位于北美西部的黃石火山，在過去210萬年內(nèi)發(fā)生了208萬年前、63萬年前的兩次超級噴發(fā)，噴發(fā)量分別達(dá)到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(rèn)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，對黃石超級火山結(jié)構(gòu)與演化過程進(jìn)行的大量觀測研究結(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)，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(yīng)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。
本項研究的黃石超級火山巖漿系統(tǒng)成因示意圖。中國科學(xué)院地質(zhì)地球所 供圖
在本項研究中，中國科學(xué)院地質(zhì)地球所團(tuán)隊仔細(xì)分析大量北美西部的地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)觀測資料，對北美西部的巖石圈和對流地幔進(jìn)行高精度建模，并計算相關(guān)的動力學(xué)過程，構(gòu)建出完整的北美西部固體地球系統(tǒng)模型。
該模型預(yù)測，位于北美中東部下地幔的古老法拉龍板塊的持續(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在穿過黃石火山下方狹窄的大陸巖石圈通道時，由于上升的熱物質(zhì)與下潛的地幔流之間相互拉扯，導(dǎo)致減壓熔融，產(chǎn)生大量幔源巖漿。
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(yīng)力，“撕裂”了該處的北美大陸巖石圈，形成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，并在過程中不斷演化，最終形成黃石火山下方巖漿系統(tǒng)的形態(tài)。
研究團(tuán)隊表示，其模型預(yù)測的巖漿系統(tǒng)與多種地球物理、地質(zhì)和巖石地球化學(xué)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(xué)約束。