中国科学家领衔破解地球科学领域“悬案”
■本报记者 冯丽妃
在美国西部广袤的黄石国家公园地下，潜伏着地球上最大的“火药桶”——黄石超级火山。一旦苏醒，它喷发的火山灰足以覆盖半个美国，对全球气候产生影响。
然而，这座超级火山究竟是如何形成的？这一地球科学领域的“悬案”，长期以来困扰着全球科学家。
近日，一项由中国科学家领衔的研究颠覆了人们的认知。中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）研究员刘丽军、博士后曹泽斌联合中外合作者，利用高精度“真实地球模型”，绘制出一幅不同于过往认知的画面：数百万年来地球岩石圈与软流层持续相互“拉扯”，驱动了黄石火山喷发。相关研究成果发表于《科学》。
为何中国科学家要研究美国火山？在采访中，刘丽军与曹泽斌讲述了一段跨越山海求学问道，而后相继归国潜心深耕的故事。
瞄准“悬案”
作为地球上现存最大的超级火山，黄石火山在过去210万年里曾两次发生超级喷发——208万年前，一次喷出了2500立方千米的固体物质；63万年前，喷发量达到1000立方千米。简言之，其喷发量为曾毁灭庞贝古城的维苏威火山的“数百倍”。
超级火山会对环境、气候和人类社会产生巨大影响，深入理解其运作机制对火山灾害预警有重要意义。过去数十年，主流科学界普遍认为，超级火山的动力来源于地壳内长期积累的“岩浆房”——岩浆在自身浮力作用下逐步聚集到岩浆房内，当压力超过周围岩石可承受的极限时，地壳就会破裂或坍塌，岩浆随之快速上涌至地表，形成大规模喷发。
这套推理看似完美，却存在两个打不开的“死结”。“一是形成岩浆房的能量从哪里来？维持超大岩浆房持续高温所需的热量，从地球演化来看无法持续供给。二是形成岩浆房的空间从哪里来？低密度的液态岩浆，物理上并不具备推开坚硬岩石圈的能力。”刘丽军说。
更关键的是，这一模型不符合观测结果。近年来的高精度地球物理成像研究证实，黄石火山下不存在纯液态岩浆房，取而代之的是纵贯整个岩石圈的“岩浆晶粥”，即由来自地幔软流圈的液态岩浆与上覆岩石圈的坚硬岩石形成的混合体，黏度是普通岩浆的数十万倍。
同时，不同于传统模型中来自地球深部的上涌地幔柱导致垂直向上的岩浆分布，纵跨整个岩石圈的黄石火山岩浆晶粥系统会随深度增加向西南方向偏移，且仅在喷发前一小段地质时间内才会形成大量液态岩浆。
然而，驱动这一复杂系统的机制尚不清楚，使得相关研究成为地球科学研究中备受争议的“悬案”。
刘丽军希望用团队开发的“真实地球模型”回答这一问题，并把选题交给了学生曹泽斌。
故事要从2010年说起。从中国科学技术大学毕业后，刘丽军远赴美国，在约翰斯·霍普金斯大学、加州理工学院、加州大学圣地亚哥分校求学深造，并接触到一项类似天气预报的技术——数据同化。简单来说，就是把海量观测数据按物理规律“喂”给模型，让数值模型能够逐步逼近真实地球。
“传统模型往往把问题简化，但真实地球非常复杂。”刘丽军说，他希望搭建的“真实地球模型”不预设结论、不强行简化，把真实地质、地震、地磁、地球化学、地球动力学数据全部纳入，推导出地球的故事。
从2012年到2022年，在伊利诺伊大学香槟分校工作的刘丽军带领团队不断深耕，打磨出高精度的北美大陆模型，将板块俯冲、大陆漂移、岩石圈变形等大尺度地质过程摸得一清二楚。
他的研究吸引了不少学生，曹泽斌就是其中之一。2016年，刘丽军回国到浙江大学作报告。台下，大三学生曹泽斌为他的理念所震撼，报告结束后追着他提问。两年后，本科毕业的曹泽斌成了刘丽军的学生。
“我本科做地震波各向异性研究，地球动力学基础几乎为零，而这个方向要求地质、物理、数学、编程样样过硬。”曹泽斌坦言，“头两三年我几乎都在补课，学习曲线很陡。”
刘丽军的研究思路是，先做好大尺度模型的“骨架”，再往细处“添肉”，做中小尺度验证。黄石火山作为典型中小尺度现象，正适合检验“真实模型”。于是，在刘丽军的指导下，曹泽斌从大尺度地幔流场做起，再一点点把岩石圈结构、岩浆房的“晶粥”结构等观测数据同化进黄石火山模型。
颠覆性“拉扯”
2023年，刘丽军全职回国，入职地质地球所，把这套世界领先的地球系统模拟体系带回祖国。此时，曹泽斌博士毕业后前往美国普林斯顿大学继续深造。2024年，他追随导师的脚步，以博士后身份加入刘丽军团队，继续开展黄石火山研究。
这可谓一场算力上的“马拉松”研究，要把北美西部数十年的地震成像、地磁观测、地质演化数据全部注入模型，构建起从地表到核幔边界的高精度三维动态模型。
“常常是超算‘跑’几天，结果不对就全部推倒重来。”曹泽斌回忆。
最终通过试错、迭代、优化，他们得到一个最优模型，而且“跑”出了一个与过往截然不同、极为宏大的动力学机制。从地表来看，整个北美大陆岩石圈板块在自东向西运动；但在现有岩石圈之下，北美大陆东部深处的古老法拉龙板块持续向大西洋下沉，并像一个巨大的“抽水泵”，在周围形成强劲的“地幔风”，将西部的软流圈物质向东吸引，在其上方岩石圈的底部产生了强大的东向牵引力。当软流圈物质经过黄石火山下方从薄变厚的岩石圈过渡地带时，较轻的热物质与下行的地幔风相互“拉扯”，导致软流圈减压熔融，产生大量幔源岩浆。同时，这一拉扯使得黄石火山下方的地幔聚集了区域性的拉张应力，“撕裂”了该处的岩石圈，形成了一条倾斜向上的贯穿岩石圈的虹吸通道。
“岩浆沿着这个虹吸带，像‘爬楼梯’一样上涌、迁移，并在该过程中不断演化，最终形成了黄石火山下方岩浆系统的形态。”论文第一作者曹泽斌比喻道。
这一发现颠覆了过往对火山“引擎”的认知。“岩浆在这里是结果，而不是原因。”论文通讯作者刘丽军强调，“是先有构造力把岩石圈‘撕开’，岩浆才趁机涌上去的。这就好比先有了裂缝，水才会流出去；而不是水把石头撑开，再流出去。”
这一机制广泛适用于其他活跃的火山，例如位于我国东北的镜泊湖火山、位于东南亚的多巴火山、位于俄罗斯远东的勘察加火山群和位于南美的阿尔蒂普拉诺火山，为未来进一步理解火山动力过程、预测火山活动性和预防火山灾害提供了新的地球动力学视角。
审稿人评价称，研究首次实现了地球物理、地质信息和地球动力学数值模型解释的优雅结合。美国犹他大学专家在同期观点与评论文章中指出：“这一发现对于评估黄石火山系统及全球其他同类火山系统的灾害风险具有重要意义。”
打造地球“天气预报系统”
回顾研究历程，刘丽军表示，黄石火山研究的成功离不开跨学科合作。他所在团队聚焦高精度数值模型，地质地球所研究员万博团队主攻构造地质，研究员陈凌团队做地球物理成像，美国伊利诺伊大学教授克雷格·伦德斯特伦则聚焦地球化学和岩石学。
“这是一个跨学科特点非常明显的领域，每个人的方向都不一样，自然而然就合作了。”刘丽军补充说，“我们组内也是如此，学生背景很广泛，有搞纯物理的、有搞数学的、有搞地质的。大家多交流，知识面就扩展开了。”
黄石火山研究的突破只是起点。刘丽军的终极目标是“把整个地球搬进计算机”，构建“全地球系统模型”，实现从地核到地表、从固体地球到海洋-气候的多圈层耦合，像“预报天气一样”推演地球发展走向。
研究团队正在开展青藏高原、东北火山等研究，他们希望借此预测地质灾害，指导深部找矿，服务矿产勘探和国家资源安全。
未来，刘丽军的目标是把模型做成一个全球通用的开源“工具箱”，让全球同行都能用它探索地球。为此，他们正在积极培养跨学科人才，打造一支复合型科研团队。
刘丽军相信，这类有明确物理根基、关乎地球安全的基础研究，最终能像预报天气一样精准模拟地球地质活动，让人类更清晰地认识地球、更科学地应对地质灾害。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ady2027
《中国科学报》(2026-04-27 第1版 要闻)
（原标题：地下“拉扯”，造就最大超级火山）