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颠覆国际对洋壳形成机制认知我国科学家最新研究登上《自然》杂志

来源：中国之声 | 2024年08月22日 20:13

中国之声 | 2024年08月22日 20:13

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自然资源部第二海洋研究所李家彪院士研究团队今天（22日）在国际权威学术期刊《自然》上在线发表最新研究成果，颠覆国际对海底地壳形成机制的认知。研究结果显示，“主动和被动地幔上涌双机制”控制了全球的洋中脊系统，从而进一步揭示和完善了全球海洋地壳的形成机制。

大家知道，地球内部结构由外到内分为地壳、地幔、地核。地壳，是地球表面最外层的部分，主要由岩石和土壤构成。而约占地球表面积70%的海洋下面的地壳，被称为洋壳。“主动和被动地幔上涌双机制”这一听起来复杂的最新科研成果如何通俗地去理解？为什么说这一研究颠覆了国际对海底地壳形成机制的认知？

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行进在茫茫冰海上的破冰船

地壳，是和人类息息相关的固体圈层，是地球最外层的部分，大部分矿产和地震活动等都在地壳内产生。中国工程院院士李家彪介绍，地壳可以分为陆地地壳和海洋地壳，其中洋壳占地壳总面积的约2/3，目前仍然在通过大洋中脊不断生长，在俯冲带不断消亡。那么，为什么陆壳变化较小，而洋壳不断在生长？什么是大洋中脊，为什么洋壳会在此诞生，又消亡向何方呢？

李家彪：大家知道，陆地上的高山，主要是板块挤压形成；而洋中脊，也就是大洋中央的山脉，却恰恰相反，它形成于板块拉张，张开之后岩浆由地幔上涌，经过海水冷却，再结合周边已经硬化的岩石，形成洋中脊以及新的洋壳。新生成的洋壳，挤压洋中脊两边已有的地壳，不断向外扩张，最终由于质地比陆壳致密，所以会在板块交界边界俯冲返回地幔。在地球诞生的早期，陆壳就开始冷却形成了，后面变化相对较小。而洋壳则因为板块拉张，拖曳着下面的地幔运动，岩浆不断被动上涌，周而复始重复刚才所说的过程，所以在不断生长。

大家想象一下，把地球上的海水抽干，那么地球其实并不是一个正圆形，表面是高低不平的，高的地方，就是陆壳，平均35千米厚；而低的地方，就是洋壳，一般认为在6千米至7千米之间，水往低处流，也就在洋壳上面形成了海洋。李家彪所说的，正是传统地幔被动上涌理论，这是20世纪60年代，由美国海洋地质学家哈里·赫斯在海底扩张学说中提出的。根据这一理论，海洋地壳生成的速度取决于板块扩张的速度，扩张越快，岩浆喷出量越大、速度越快，洋壳生成速度也就越快。然而李家彪说，研究团队的最新研究成果，则颠覆了这一传统认知。

李家彪：国际权威学术期刊《科学》曾提出125个人类未知的根本性科学问题，其中地球内部是如何运行的这一问题被列为前十大问题之一。而我们这项工作就是从地壳到地幔逐步回答地球内部运行的机制，像是打开这个问题的一把钥匙。在太平洋，洋壳的扩张速率每年可达10厘米，大西洋就只有太平洋一半左右的速率，而西南印度洋每年只有1.4厘米。世界上扩张速率最慢的洋中脊在北冰洋，我们称为加克洋中脊，每年只有1厘米左右。那么根据经典的地幔被动上涌模式，我们就不难推断，加克洋中脊扩张速率非常慢，形成的岩浆应该非常少，所以地壳应该是非常薄，甚至没有。但是我们通过中国第12次北极科学考察发现，结果令人非常意外，在加克洋中脊我们发现了非常厚的地壳，超过9千米，进而提出了被动和主动地幔上涌的双控制因素。

板块扩张，岩浆从洋中脊处被动上涌——这好理解；但主动上涌又是什么，什么情况下会发生呢？李家彪解释，如果把大洋中脊简单比作高压锅上面的气阀，被动上涌就好比是有人拿掉了气阀，使里面的物质被动喷出；而主动上涌，则类似于气压达到了一定程度，高压锅中的气体主动把气阀顶了起来，喷出高压气体的过程。

李家彪：地幔被动上涌比较容易理解，也在快速扩张洋中脊得到了验证，所以大家一直都深信不疑。但实际上我们发现，不管是快速、慢速还是超慢速扩张洋中脊，主动和被动上涌双机制都在共同起作用。地幔的固体岩石在上涌过程中会融化为流体，熔融的岩浆会从固体岩石中带走更重的铁元素，留下相对较轻的镁元素，使得洋中脊下熔融区的地幔整体比其他区域要轻一些。这好比是，洋中脊下方有一个“氢气球”顶着，要跑出来。在快速扩张的洋中脊，这个“氢气球”还没有积累到主动上浮的程度，就已经被释放了；但是超慢速扩张洋中脊下方，由于扩张速率很慢，单位距离上会积累更多这些较轻的地幔物质，也就会形成较厚的地壳，进而让主动上涌这个过程就凸显出来了。

冰下火山活动示意图

然而，这么重大的研究发现，为什么此前几十年间无人达成呢？李家彪解释，此前，科学家们寄希望于到北冰洋的加克洋中脊找寻这一理想中“全球最薄的地壳”，进而验证这一假说。但由于那里位于北纬85°的区域，几乎常年冰封，放置到海底的探测设备无法实现有效回收，所以，在厚厚的海冰下去查明地壳深部情况、开展大规模海底主动源探测，在科学界一直是空白。

李家彪：2020年，随着“雪龙2”号的下水，我们看到了探测北极海底的希望，因为有了破冰考察船，意味着放置到海底的探测设备，能够有机会进行高效回收。2021年中国第12次北极科学考察，我们团队借助自主研发的冰下海底地震仪、海底大地电磁仪、基线定位系统、自治机器人等关键技术设备，使投放的43台地震仪最终成功回收42台，6台大地电磁仪回收5台，回收率高达97.7%，打破了国际上北极高纬密集冰区无法开展海底地震仪探测的断言，最终也带回了我们意想不到的研究数据，为这一理论的提出，奠定扎实基础。

成功回收的海底探测设备

那么，这一理论的提出，对人类而言有什么作用？将对目前的科学研究、生产生活起到怎样的指导意义？李家彪指出，除了改变对海洋地壳本身的认知外，这还很可能改变我们对超慢速扩张洋中脊矿产勘探的思路，为人类认识海洋、经略海洋、保护海洋开拓全新视野。

李家彪：首先这肯定是改变了我们对传统海洋地壳的结构、形成机制的认识，不只是加克洋中脊，西南印度洋等超慢速扩张洋中脊都可以适用这一理论。同时，在矿产勘探领域，我们知道除了岩浆活动，还存在热液活动，也就是海水通过岩石裂隙或构造断裂带渗入海底地壳深层，会带出大量金属元素，形成热液硫化物矿床，是重要的战略矿产。我们的研究表明，超慢速扩张洋中脊也可以有丰富的岩浆活动，因此可能形成更多的热液喷口，甚至可能形成的热液喷口活动更持久、矿产总量更大，这也颠覆了我们对能源矿产开发的认知。我们已经发起了一个联合国“海洋十年”国际科学项目，这个项目由美国、加拿大、俄罗斯等国家参加，我们将会共同探索这一前沿科学研究领域。