全球最大火山是怎么形成的？中國科學(xué)家提出海底火山成因新模型！

近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所張錦昌研究員及其國際合作團(tuán)隊(duì)在地球最大單體火山——大塔穆火山成因機(jī)制研究方面再次獲得重大突破，揭示了地幔柱與洋中脊的相互作用是這座海底火山形成的新模型。2023年X月X日，該成果發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然·地球科學(xué)》(Nature Geoscience)上。

大塔穆火山（Tamu Massif）是西太平洋海底的一座死火山，位于日本以東約一千多公里的沙茨基海隆區(qū)內(nèi)，占地面積相當(dāng)于廣東和廣西兩個(gè)省的面積總和，占據(jù)了整個(gè)沙茨基海隆超60%的面積。沙茨基海?。⊿hatsky Rise）是全球排名第三大的洋底高原，僅次于太平洋的翁通爪哇高原和印度洋的凱爾蓋朗高原，均屬于海洋里典型的大火成巖省，即超級火山噴發(fā)地區(qū)。

▲全球三大洋底高原分布（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

關(guān)于大塔穆火山和沙茨基海隆的形成機(jī)制，在科學(xué)界一直存在著爭議，主要觀點(diǎn)有兩種：（1）地幔柱模型，認(rèn)為大規(guī)模巖漿活動是由源于地幔深部的高溫地幔柱上升到地表引起的；（2）板塊模型，認(rèn)為大規(guī)模巖漿活動是由異常易熔的上地幔在海底擴(kuò)張背景下減壓熔融形成的，類似洋中脊，無需明顯的溫度異常。

從上個(gè)世紀(jì)開始，前人便在沙茨基海隆上開展海洋科學(xué)考察，積累了豐富的地球物理探測和巖石采樣數(shù)據(jù)，學(xué)界也在不斷找尋支持地幔柱模型或板塊模型的科學(xué)證據(jù)，以解決關(guān)于其成因機(jī)制的爭論。

2013年9月大塔穆火山被宣布發(fā)現(xiàn)，張錦昌及其合作團(tuán)隊(duì)通過分析地震探測和大洋鉆探數(shù)據(jù)，指出盾狀的大塔穆火山是地球上最大的單體火山，不但超過了夏威夷的冒納羅亞火山，還能與火星上的奧林帕斯火山媲美。且火山上的溢流玄武巖結(jié)構(gòu)符合地幔柱噴發(fā)超級火山的模型。隨后他們團(tuán)隊(duì)再次出?？疾?，對大塔穆火山展開了精細(xì)的地磁測量。2019年，經(jīng)對地磁數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大塔穆火山內(nèi)部具有條帶狀磁異常特征，這和海底擴(kuò)張形成的洋中脊的地磁特征相吻合，符合板塊模型。這兩項(xiàng)成果分別于2013和2019年發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》期刊上。

▲大塔穆火山海底地形圖（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

但令人感到疑惑的是，地幔柱和板塊兩個(gè)成因模型都有上述重要的證據(jù)支持，二者之間難分勝負(fù)，也就是說，兩個(gè)模型都無法單獨(dú)地解決大塔穆火山的成因問題，因此急需建立替代模型去更好地解釋現(xiàn)有的觀測結(jié)果。

于是，張錦昌及其合作團(tuán)隊(duì)采用熱力學(xué)-化學(xué)結(jié)合的數(shù)值模擬方法，建立了兩個(gè)大塔穆火山形成機(jī)制的測試模型：第一個(gè)是單獨(dú)海底擴(kuò)張模型，第二個(gè)是地幔柱與洋中脊相互作用模型。模擬結(jié)果表明：單獨(dú)海底擴(kuò)張所需的地幔潛在溫度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全球洋中脊系統(tǒng)的平均地幔潛在溫度，不合乎常理；而地幔柱與洋中脊相互作用模型估算的地幔潛在溫度適中，更為合理。另外，地幔柱與洋中脊相互作用模型估算的地幔熔融程度與前人基于地球化學(xué)元素的估算結(jié)果一致。因此得出結(jié)論：地幔柱與洋中脊相互作用是大塔穆火山形成的最合理模型。

▲洋底高原形成機(jī)制（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

張錦昌還補(bǔ)充道：“地幔柱與洋中脊相互作用的模型類似于‘1+1=2’的效果，但地幔柱是如何跟洋中脊‘加’起來的？這里面可能涉及地幔柱誘發(fā)洋中脊躍遷的動力學(xué)過程，目前還缺乏深入的研究?！?/p>

此次大塔穆火山的研究也給全球海洋超級火山的形成演化規(guī)律提供了啟示。越來越多的研究工作揭示了海洋里的超級火山廣泛發(fā)育在洋中脊之上或附近，例如上述的翁通爪哇高原和凱爾蓋朗高原等。這意味著，諸多的洋底高原與洋中脊之間存在著很強(qiáng)的聯(lián)系。那么，地幔柱與洋中脊相互作用是不是全球洋底高原形成的必要條件呢，還是說大塔穆火山只是個(gè)特例？這個(gè)全球普適性問題有待日后更多研究去解決。

此外，張錦昌研究員在早前接受萬象曰采訪時(shí)也曾就“海底火山有哪幾種類型？”“為什么海底火山不會被海水澆滅？”“研究海底火山對我們?nèi)祟惖闹匾浴薄昂５谆鹕絿姲l(fā)究竟離我們有多遠(yuǎn)？”等問題作出解答。以下為采訪原文。

海底火山和陸地火山哪個(gè)更危險(xiǎn)？

海底的火山和陸地上的火山在位置上是不同的，海底火山是在海洋里面的火山。整個(gè)地球30%的面積是陸地，70%是海洋。按照這個(gè)比例，在海洋里面的火山，應(yīng)該要比陸地的火山更多。

在地質(zhì)概念里，陸地上的火山是位于陸殼，即大陸的地殼，而海洋里面的火山位于洋殼。大陸的地殼是比較厚的，相對堅(jiān)固、穩(wěn)定一些；海洋里面的地殼相對較薄，也更活躍一些，從這個(gè)角度上來看，海洋里面的火山更容易噴發(fā)。

在災(zāi)害方面，陸地上城市很多、很發(fā)達(dá)，人口也比較密集，如果火山在陸地上噴發(fā)，肯定對我們的經(jīng)濟(jì)社會、人身安全、財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生的災(zāi)害會更嚴(yán)重一些。

海底火山有哪幾種類型？

根據(jù)不同的構(gòu)造位置，海底火山大概被分為三種類型。地球表面的固體層（板塊）是漂浮在軟流層上面的，是可以動的，即地球板塊之間可以活動。其中，有兩類火山就形成在板塊的邊界。

第一種是洋脊火山，形成在板塊的生長邊界。當(dāng)板塊發(fā)生擴(kuò)張的時(shí)候，火山就會噴發(fā)在大洋中脊上面，會形成一條條成千上萬公里長的海底山脈。

第二種叫島弧火山，形成在板塊的死亡邊界。板塊向下俯沖，把水和含有碳的海洋沉積物、石頭帶到地球的深部，隨著溫度和壓力的逐步上升會發(fā)生巖石的熔融，巖漿就會再次噴發(fā)回海底。

還有一種類型的火山叫作熱點(diǎn)火山，它不發(fā)生在板塊的邊界，發(fā)生在板塊的內(nèi)部。熱點(diǎn)是地球內(nèi)部熱物質(zhì)集中的地方，就像家里燃?xì)庠畹幕鹪匆粯樱僭O(shè)地球內(nèi)部有一個(gè)火源，地球表面是一個(gè)固體板塊，那火源會不斷地烤著上面的板塊，直到把這個(gè)板塊烤穿了，巖漿就能在板塊內(nèi)部噴發(fā)出來。

為什么海底火山不會被海水澆滅？

第一點(diǎn)可能大家忽略了，火山噴發(fā)的高溫高壓巖漿是能夠突破海水的壓力噴發(fā)到海底的。

第二點(diǎn)，高溫高壓的巖漿源頭在地球的深部，海水是進(jìn)不去的，它澆滅不了火山的源頭，只能澆滅噴發(fā)出來的巖漿。舊的巖漿被海水澆滅了，新的巖漿又跟著噴發(fā)出來，所以海水是沒法從根本上澆滅海底火山的。

海底火山噴發(fā)究竟離我們有多遠(yuǎn)？

很多人都關(guān)心現(xiàn)在海底火山這么多，對我們的國家影響有多大。其實(shí)我們國家以及周邊的海底火山主要分布在第一島鏈，也就是說從日本到我們中國臺灣，再到菲律賓。第一島鏈上的火山都屬于島弧火山，島弧火山數(shù)量比較多，動力也比較強(qiáng)，噴發(fā)起來的影響相對比較大，但是幸運(yùn)的是它離我們國家相對還是遠(yuǎn)一點(diǎn)。

那離我們國家近一點(diǎn)，就是在我們國家的大陸架上，有零星的海底火山分布。例如我們海南島以及雷瓊地區(qū)，還有鄰國越南、韓國都有零星的大陸架上的火山，這些基本都是屬于熱點(diǎn)火山，熱點(diǎn)火山的數(shù)量不多，影響也相對比第一島鏈的火山要小。

如果具體到我們所居住的粵港澳大灣區(qū)，算是更幸運(yùn)的，因?yàn)樵诤５谆鹕綖?zāi)害方面還是相對比較安全的。

研究海底火山對我們?nèi)祟惖闹匾?/strong>