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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。
自然资源部第二海洋研究所研究团队
(记者 王泽华 图供 自然资源部第二海洋研究所)