中国科学家联合国际专家提出大塔穆海底火山成因新模型！全球最大火山是怎么形成的？

近日，中国科学院南海海洋研究所深海地球动力学学科组张锦昌研究员及其国际合作团队在地球最大单体火山——大塔穆火山成因机制研究方面再次获得重大突破，提出地幔柱与洋中脊的相互作用是这座海底火山形成的新模型。2023年10月2日，该成果发表于国际顶尖学术期刊《自然·地球科学》(Nature Geoscience)上。
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! |3 B. Y/ T! n$ H地质概念
. }& x- y' J0 W5 J) z% t1 q 地幔柱 ： 是指地球内部热量上升，在地幔形成的柱状物质运动。
洋中脊 ： 是指由于地表板块运动，在大洋里的海底扩张中心形成的山脉。
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大塔穆火山（Tamu Massif）是西太平洋海底的一座死火山，位于日本以东约一千多公里的沙茨基海隆区内，占地面积接近广东和广西两个省的面积总和，占据了整个沙茨基海隆超60%的面积。沙茨基海隆（Shatsky Rise）是全球排名第三大的洋底高原，仅次于太平洋的翁通爪哇高原和印度洋的凯尔盖朗高原，均属于海洋里典型的大火成岩省，即超级火山喷发地区。
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▲全球三大洋底高原分布图
, C' g9 E: |+ d& q. \  N& u （研究团队供图）
关于大塔穆火山和沙茨基海隆的形成机制，在科学界一直存在着争议，主要观点有两种 ：（1）地幔柱模型，认为大规模岩浆活动是由源于地幔深部的高温地幔柱上升到地表引起的；（2）板块模型，认为大规模岩浆活动是由异常易熔的上地幔在海底扩张背景下减压熔融形成的，类似洋中脊，无需明显的温度异常。
6 d- u) ?2 ~$ q 从上个世纪开始，前人便在沙茨基海隆上开展海洋科学考察，积累了丰富的地球物理探测和岩石采样数据，学界也在不断找寻支持地幔柱模型或板块模型的科学证据，以解决关于其成因机制的争论。
) |( i7 }( ?" O( N! J, P2 J, ^ 2013年9月大塔穆火山被宣布发现，张锦昌及其合作团队通过分析地震探测和大洋钻探数据，指出盾状的大塔穆火山是地球上最大的单体火山，不但超过了夏威夷的冒纳罗亚火山，还能与火星上的奥林帕斯火山媲美；且大塔穆火山上的溢流玄武岩结构符合地幔柱喷发超级火山的模型。随后他们团队再次出海考察，对大塔穆火山展开了精细的地磁测量。2019年，经对地磁数据分析发现，大塔穆火山内部具有条带状磁异常特征，这和海底扩张形成的洋中脊的地磁特征相吻合，符合板块模型。这两项突破性成果分别于2013和2019年发表在《自然·地球科学》期刊上。

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▲ 大塔穆火山海底地形图
（研究团队供图）
6 I" |, K; c" B  s, `8 ?& { 但令人感到疑惑的是，地幔柱和板块两个成因模型都有上述重要的证据支持，两者之间难分胜负，也就是说，两个模型都无法单独地解决大塔穆火山的成因问题，因此急需建立替代模型去更好地解释现有的观测结果。
于是，张锦昌及其合作团队采用热力学-化学结合的数值模拟方法，建立了两个大塔穆火山形成机制的测试模型：第一个是单独海底扩张模型，第二个是地幔柱与洋中脊相互作用模型。模拟结果表明：单独海底扩张模型所需的地幔潜在温度，远远高于全球洋中脊系统的平均地幔潜在温度，不合乎常理；而地幔柱与洋中脊相互作用模型估算的地幔潜在温度则更为合理。另外，地幔柱与洋中脊相互作用模型估算的地幔熔融程度与前人基于地球化学元素的估算结果一致。因此得出结论：地幔柱与洋中脊相互作用是大塔穆火山形成的最合理模型。
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" H$ H6 A' q) l! V- D% n0 V ▲洋底高原形成机制模型示意图
' n9 ~( j1 |, g/ R" p5 x （研究团队供图）
/ L" A# P  I& d/ Y( _2 [! i 张锦昌还补充道：“地幔柱与洋中脊相互作用的模型类似于‘1+1=2’的效果，但地幔柱是如何跟洋中脊‘加’起来的？这里面可能涉及地幔柱诱发洋中脊跃迁的动力学过程，目前还缺乏深入的研究。”
此次大塔穆火山的研究也给全球海洋超级火山的形成演化规律提供了启示。越来越多的研究工作揭示了海洋里的超级火山广泛发育在洋中脊之上或附近，例如上述的翁通爪哇高原和凯尔盖朗高原等。这意味着，诸多洋底高原与洋中脊之间存在着很强的联系。那么，地幔柱与洋中脊相互作用是不是全球洋底高原形成的必要条件呢，还是说大塔穆火山只是个特例？这个全球普适性问题有待日后更多研究去解决。
0 i9 O/ Q, p# B# u 此外，张锦昌研究员在早前接受万象曰采访时也曾就“海底火山有哪几种类型？”“为什么海底火山不会被海水浇灭？”“研究海底火山对我们人类的重要性”“海底火山喷发究竟离我们有多远？”等问题作出解答。
* 参考文献 ： https://www.nature.com/articles/s41561-023-01286-0
大塔穆火山发现者之一
张锦昌
中国科学院南海海洋研究所研究员
广东省自然科学基金杰出青年项目获得者。近年来承担国家级、省部级、国际合作等十余项科研项目，作为联合首席科学家主持西太平洋海底火山调查航次。“地球最大单体火山”大塔穆火山相关研究成果入选Nature年度十大科学新闻以及广东省基础研究优秀成果汇编。
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信息来源：万象曰 小象快跑团队。