北京時間2026年4月10日，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）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(xué)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(xué)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

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(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制對火山災(zāi)害預(yù)警和保護(hù)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(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)（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(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)動機制仍然不清楚，也是當(dāng)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(dá)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(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，人們對黃石超級火山的結(jié)構(gòu)與演化過程進(jìn)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(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。

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(tuán)隊仔細(xì)分析了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)行了高精度建模，并計算了相關(guān)的動力學(xué)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(yù)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(fēng)）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(yīng)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(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。

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(fēng)與上覆北美巖石圈拉扯導(dǎo)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(biāo)記了黃石超級火山在地表的位置。

右側(cè)：巖石圈應(yīng)力和巖漿系統(tǒng)示意圖。在地幔風(fēng)-巖石圈相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力和巖石圈內(nèi)部應(yīng)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(yuǎn)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(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。

研究成果發(fā)表于國際學(xué)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.