地幔风揭秘：超级火山的新成因

新华社北京4月27日电题：听地球科学家讲超级火山的最新故事

4月10日，我与团队伙伴在国际学术期刊《科学》网络版发布了我们关于超级火山的最新研究进展。

说到火山，很多人并不陌生：夏威夷的熔岩奔流、长白山天池的雄奇、富士山雪顶的静美，都是大自然赠予人类的壮阔景象。然而在迷人风光背后，火山也是地球上最具摧毁性的地质动力之一。

尤其是超级火山，一次喷发就可能改写全球气候、左右生物圈走向；在地球演化史上，它们甚至多次与生物大灭绝事件相互交织。

这是2025年4月8日在菲律宾内格罗斯岛拍摄的正在喷发的坎拉翁火山。新华社发（菲律宾火山地震研究所供图）

火山喷发并非同一量级，而是有明确的等级体系。依据喷出固体物质体积大小，喷发被划分为0级到8级共九档，相邻两级的破坏力相差整整10倍。

0级喷发的体积不足1万立方米，比如近期夏威夷一些火山活动，规模有限，对人类几乎构不成威胁，甚至还能近距离拍摄与观赏。但若达到8级——也就是“超级火山”，其喷发体积不少于1000立方千米。这究竟有多大？足以灌满7200万个标准游泳池。

人类有记录以来最猛烈的坦博拉火山喷发，抛出约150立方千米物质，虽然“仅”为7级，却已引发全球“无夏之年”，并导致超过7万人因饥荒丧生。由此可见，一旦8级超级火山爆发，带来的将是全球范围、难以逆转的巨大冲击。

我国长白山在公元946年前后曾发生一次“千年大喷发”，规模已逼近8级。约7万年前印尼多巴火山的超级喷发，更让人类差点走到绝境。再往前追溯，2.5亿年前二叠纪末期西伯利亚超级火山活动，直接导致地球上90%以上的海洋物种灭绝。

那么，这些能量惊人的超级火山，究竟如何诞生？

在一代代科学家持续探索后，我们逐渐意识到：关键不在地表，也不在浅部地壳，而深藏在脚下数百乃至上千公里的地球内部。

不少人以为地球内部只是坚硬静止的岩石，但事实远非如此。地球是一颗高度活跃的行星，地表地形与气候在变化，地下深处同样在以缓慢却持续的方式运动。

地球内部温度随深度增加而升高，岩石在高温条件下会像糖浆般缓慢流动，温度下降后又会重新变硬。基于这一特征，我们把地表到数百公里深处那层又冷又硬的部分称为岩石圈；其下方温度更高、能够缓慢流动的层，则叫作软流圈。

通过对超级火山喷发岩浆的化学组成进行分析，我们已确认：多数超级火山的岩浆源自软流圈物质的熔融。于是问题随之而来：第一，软流圈为何会出现大范围熔融？第二，岩浆又如何穿透坚硬的岩石圈抵达地表？

为弄清这些问题，我们选取全球关注度最高的超级火山之一——北美黄石火山作为研究对象，利用计算机开展三维建模，模拟软流圈的流动与岩石圈的形变，逐步揭开其深部过程。

在相当长的一段时期里，学界对黄石火山形成有一套“标准解释”：黄石被认为是地幔柱在地表的体现。

地幔柱常被形容为从地核顶部垂直上升的“热烟囱”，把高温物质输送至软流圈，进而加热岩石、生成大量岩浆；岩浆再像沸水中的气泡般向上涌动，在地壳内形成一个巨大的液态岩浆房，压力不断累积，最终撑裂岩石引发超级喷发。

这一模型直观易懂，也被写入不少教材与纪录片。

然而，我们最新的研究结论，彻底改写了这种传统认识。

我们发现黄石下方的确存在高温地幔，但并不存在一个充满熔体的巨大岩浆房。真实的地下结构更像一张“蜘蛛网”：由密集分布的岩浆脉络组成，从地壳向下倾斜延伸并连通到软流圈顶部。这意味着，经典的液态岩浆房与地幔柱模型，并不能解释黄石地下的真实图景。

既然并非地幔柱主导，黄石岩浆究竟从何而来，又如何一路运移至地表？在反复模拟与对比分析后，我们得到一个出人意料的答案：来自地球深处的一股“地幔风”。

图示为北美下方复杂的地幔流场和驱动机制。古老俯冲板片驱动的东向“地幔风”，在黄石下方形成了减压熔融区。这一发现揭示了黄石超级火山形成的新机制。（作者供图）

在北美中东部地下超过一千公里的深处，存在一块又冷又重的古老地幔体，我们称其为法拉龙残余板片。它源于上亿年前古老大洋板块俯冲进入地幔后的遗留部分，并长期缓慢下沉。

它的下沉好比一只巨大的手向下拖拽，促使上方地幔发生大范围汇聚与流动，甚至把千里之外黄石下方的软流圈整体牵引着向东移动。其原理与空气运动形成风非常相似，因此我们形象地将其称为“地幔风”。

这股难以直接观测的地幔风，吹到黄石下方时，遭遇了一堵“墙”。

黄石以西的岩石圈较薄，约60公里；但在黄石正下方，岩石圈厚度却骤增至上百公里。浅部地幔风因此被阻挡，而深部地幔风仍持续向东流动；一堵一拉之下，该区域压力迅速下降。

这就像高原上水的沸点会降低一样，地幔岩石在压力减小时，熔点也会显著下降，从而触发大规模熔融，生成大量岩浆。

这一过程被称为减压熔融。过去我们更多认为它通常发生在持续张裂的大洋中脊下方。而这一次，我们首次用计算结果证明：在稳定大陆的下方，同样可能出现这种现象。

那么，岩浆又怎样穿过坚硬的岩石圈？答案依然与地幔风有关。

向东的地幔风会对深部岩石圈施加东向推力；与此同时，黄石西侧岩石圈更薄、密度更小，产生向上与向西的延展作用。一推一拉，就像两只手反向撕开纸张一样，使黄石下方岩石圈被强行撕裂出一道倾斜向上的“裂缝”。

这道裂缝由无数微小裂隙相互连通构成，形成天然的“虹吸式”通道，让深部岩浆能够持续向上爬升进入地壳，为超级火山提供长期而稳定的物质补给。

也就是说，从岩浆生成、穿越岩石圈，到逐步汇聚与成长，黄石超级火山形成的每一个关键环节，都可追溯到这股地幔风的驱动。

黄石超级火山下方岩浆生成与运移过程和岩石圈“裂缝”成因示意图。（作者供图）

这正是我们团队最核心的发现，也为超级火山成因提供了全新的地球科学解释框架。

更令我们振奋的不仅是解释黄石这一座火山。我们认为，“地幔风”这一成因机制很可能适用于全球其他超级火山体系，例如长白山、多巴火山等。

接下来，我们将继续采用定量研究手段，逐步揭示更多超级火山背后的深部动力学奥秘。

地球科学的迷人之处正在于此：超级火山的成因听上去复杂而神秘，但其背后的物理规律并未超出中学课本所涉及的基础知识。正是这些看似朴素的规律，在地球内部牵一发而动全身，塑造出脚下星球的万千景观。

我们站在地表所见，是山河湖海与四季轮转；而在看不见的地下、上千公里深处，一股股缓慢却强大的“风”，正悄然塑造着地质历史。这既是地球的深层力量，也是我们一代代地球科学家愿意不断探索、不断追问的原因。（作者系中国科学院地质与地球物理研究所研究员刘丽军）