地幔風“撕裂”巖石圈——黃石超級火山形成的關鍵條件

北京時間2026年4月10日，中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）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克雷格?倫德斯特倫（Craig Lundstrom）教授基于采用了數據同化技術的高精度地球動力學數值模型首次清晰描繪了黃石超級火山下方巖漿系統形成的動力過程，最新研究發表于國際學術期刊《科學》。

超級火山是地球上威力最強的一類火山，單次噴發的固態物質體積可達1000 立方千米以上，會對環境、氣候和人類社會產生巨大的影響。因此，深入理解超級火山的運作機制對火山災害預警和保護人類文明有著重要意義。其中，理解超級火山下方巖漿系統的形成和演化機制是關鍵中的關鍵。

以往認為，超級火山的動力來源是其下方地殼內的液態巖漿房，低密度巖漿逐步聚集到巖漿房內，并持續增加對圍巖的壓力，最終導致地殼發生大規模破裂、坍塌和巖漿噴發（圖一左）。然而，越來越多的研究發現純液態巖漿房并不存在，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部分熔融。當來自深部的液態巖漿與巖石圈的固體巖石混合時，即可形成粘度達液態巖漿數十萬倍的巖漿晶粥。然而該復雜系統的深部驅動機制仍然不清楚，也是當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210萬年內發生了兩次超級噴發，一次在208萬年前，另一次是在63萬年前，噴發量分別達到了2500立方千米和1000立方千米，是一座典型的超級火山。傳統觀點認為黃石火山是來自數千公里深處的地幔熱柱在地表的體現。過去數十年中，人們對黃石超級火山的結構與演化過程進行了大量研究。結果顯示，黃石火山的巖漿系統縱跨整個巖石圈，并且呈現隨深度增加向西南方向偏移的傾斜幾何形態（圖一右），顯著有別于傳統的垂直上升地幔柱模型。在這一系統中，巖漿長期以晶粥的形式存在，富含液態巖漿的晶粥（即傳統意義上的巖漿房）應該僅在噴發前一小段地質時間內出現。這些觀測為理解黃石火山下方巖漿系統提供了關鍵信息。

圖1黃石超級火山下方巖漿系統示意圖。

左側：傳統地殼巖漿房觀點下的黃石超級火山巖漿系統示意圖。

右側：大型巖漿晶粥視角下的黃石超級火山巖漿系統示意圖。其中黃色到紅色的漸變區域顯示了縱跨巖石圈的大型巖漿晶粥結構。在這一結構中，少量液態巖漿和大量固體巖石混合形成了極其粘稠的巖漿晶粥。在巖漿晶粥結構以外，地殼和巖石圈地幔都以固態巖石的形態存在。

地質地球所的研究團隊仔細分析了大量北美西部的地質、地球物理和地球化學觀測資料，對北美西部的巖石圈和對流地幔進行了高精度建模，并計算了相關的動力學過程，構建了完整的北美西部固體地球系統模型。該模型預測，位于北美中東部下地幔的古老法拉龍（Farallon）板塊的持續下沉驅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）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,熱物質發生減壓熔融，產生了大量幔源巖漿（圖二左）。同時，在由軟流圈產生的東向推力與巖石圈密度結構產生的西向拉力的共同作用下，黃石火山下方的巖石圈內聚集了區域性的拉張應力，“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的形態。模型預測的巖漿系統與多種地球物理、地質和巖石地球化學觀測相吻合，為理解黃石超級火山提供了全面的地球動力學約束。

圖2黃石超級火山巖漿系統成因示意圖。

左側：北美西部軟流圈結構俯視圖。紅色的等值面展現了東向漂移的熱物質。這些熱物質在東向地幔風與上覆北美巖石圈拉扯導致的降壓熔融過程中產生了大量幔源巖漿。黃色五角星標記了黃石超級火山在地表的位置。

右側：巖石圈應力和巖漿系統示意圖。在地幔風-巖石圈相互作用產生的應力和巖石圈內部應力的共同作用下，黃石火山下方形成了一條向西南方向傾斜的快速拉張帶（陰影區域），“撕裂”了北美大陸巖石圈。這一構造過程控制了黃石火山下方巖漿系統的形態，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。

這一研究首次系統性地揭示了超級火山下方巖漿系統的形成機制，清晰地描繪了從巖漿產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構的形成提供了明確的物理機制，并否定了傳統的地幔柱模型。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。這一研究為未來進一步理解火山動力過程，預測火山活動性和預防火山災害提供了新的地球動力學視角。

研究成果發表于國際學術期刊Science(曹澤斌,?劉麗軍, 萬博, 陳凌, Craig Lundstrom. Tectonic origin of Yellowstone's translithospheric magma plumbing system.?Science,?2026.)

相關論文信息：

DOI: 10.1126/science.ady2027.