米兰官网-一场地下“拉扯”，造就地球最大超级火山—新闻—科学网

于美国西部广袤的黄石国度公场地下，暗藏着地球上最年夜的“炸药桶”——黄石超等火山。一旦清醒，其喷发的火山灰足以笼罩半个美国，对于全世界天气孕育发生影响。

然而，这座超等火山毕竟是怎样形成的？这一地球科学范畴的“悬案”，持久以来困扰着全世界科学家。

近日，一项由中国科学家领衔的研究，做出了倾覆性的认知。中国科学院地质与地球物理研究所（如下简称地质地球所）研究员刘丽军、博士后曹泽斌与中外互助者，使用高精度“真实地球模子”，绘制出一幅差别在过往认知的画面：数百万年来地球岩石圈与软流层连续彼此“拉扯”，驱动黄石火山喷发。相干研究4月10日发表在《科学》。

为什么中国科学家要研究美国的火山呢？于采访中，刘丽军与曹泽斌讲述了一段超过山海修业问道，尔后接踵返国潜心深耕的故事。

对准悬案

作为地球上现存最年夜超等火山，黄石火山于已往的210万年里曾经两次发生超等喷发：208万年前，一次喷出了2500立方公里的固体物资；63万年前，喷发量到达1000立方公里。简言之，其喷发量可以到达曾经致使庞贝古城死亡的维苏威火山的“数百倍”。

超等火山会对于情况、天气及人类社会孕育发生巨年夜的影响，深切理解其运作机制对于火山灾难预警有着主要意义。已往数十年，主流科学界遍及认为：超等火山的动力来历在地壳内持久堆集的“岩浆房”——岩浆于自身浮力的作用下慢慢堆积到岩浆房内，当岩浆房内的压力跨越周围岩石可蒙受的极限时，地壳就会分裂或者坍塌，岩浆快速上涌至地表，形成年夜范围喷发。

这套推理看似完善，却存于两个没法回覆的“死结”。“第一是形成岩浆房的能量从哪来？维持超年夜岩浆房连续高温所需的热量，从地球演化来看没法连续供应；第二是形成岩浆房的空间从哪来？低密度的液态岩浆，物理上其实不具有推开坚硬岩石圈的能力。”刘丽军画龙点睛此中的问题。

更要害的是，这一模子也不切合不雅测成果。最近几年来的高精度地球物理成像证明：黄石地下不存于纯液态岩浆房，取而代之的是直通整个岩石圈的“岩浆晶粥”——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淆体，黏度是平凡岩浆的数十万倍。

同时，差别在传统模子里来自地球深部的上涌地幔柱致使垂直向上的岩浆漫衍，纵跨整个岩石圈的黄石火山岩浆晶粥体系会随深度增长向西南边向偏移，且仅于喷发前一小段地质时间内才形成年夜量液态岩浆。

然而，驱动这一繁杂体系的机制尚不清晰，使患上相干研究成为地球科学研究中备受争议的“悬案”。

刘丽军但愿使用团队开发的“真实地球模子”回覆这一问题，并把这个选题交给了学生曹泽斌。

故事要从2010年提及。从中国科技年夜学卒业后，刘丽军远赴美国，于约翰斯?霍普金斯年夜学、加州理工学院、加州年夜学圣地亚哥分校一起修业深造，接触到一项近似气候预告的技能——数据夹杂。简朴来讲，就是把海量不雅测数据按物理纪律“喂”给模子，让数值模子可以或许慢慢迫近真实地球。

“传统模子往往把问题简化，但真实地球很是繁杂。”刘丽军说，他但愿搭建的“真实地球模子”是，不预设结论、不强行简化，把真实地质、地动、地磁、地球化学、地球动力学数据全数纳入，让模子本身推导出地球的故事。

2012年到2022年，刘丽军从伊利诺伊年夜学喷鼻槟分校的助理传授发展为终身传授，领导团队不停深耕，打磨出高精度的北美年夜陆模子，从地表到地幔，将板块俯冲、年夜陆漂移、岩石圈变形等年夜标准地质历程摸患上一清二楚。

他的研究吸引了不少学天生为门内门生。曹泽斌就是此中之一。2016年，刘丽军回国到浙江年夜学海洋学院作陈诉。台下，年夜三学生曹泽斌被他的理念震撼，陈诉竣事后追着发问。2018年，曹泽斌本科卒业后就成为刘丽军的学生。

“我本科做地动波各向异性研究，地球动力学基础险些为零，而这个标的目的要求地质、物理、数学、编程样样过硬。”曹泽斌坦言，“头两三年险些都于补课，进修曲线很陡。”

刘丽军的研究思绪是：先做好年夜标准模子的“骨架”，再往细处“长肉”，做中小标准验证。黄石火山作为典型中小标准征象，正合适查验“真实模子”。在是，于刘丽军的引导下，曹泽斌从年夜标准地幔流场做起，再一点点把岩石圈布局、岩浆房的“晶粥”布局等不雅测数据夹杂进黄石火山模子。

倾覆性“拉扯”

科研路上分分合合。2023年，刘丽军全职回国，入职地质地球所，刻意把这套世界领先的地球体系模仿系统带回故国。此时，曹泽斌博士卒业后前去普林斯顿年夜学继承深造。2024年，他跟随导师的脚步，以博士后身份插手刘丽军团队，继承开展黄石火山研究。

这堪称是一场算力上的“马拉松”研究。刘丽军先容，因为要把北美西部数十年的地动成像、地磁不雅测、地质演化数据，经由过程数据夹杂技能全数注入模子，构建起从地表到核幔界限的高精度三维动态模子，仅单个模子就要用600个CPU内核持续跑30多个小时，全项目累计耗损超 2000万个CPU核时，折算经费数百万元。

“经常是超算跑几天，成果不合错误就全数推倒重来。”曹泽斌回忆。

终极经由过程试错、迭代、优化，他们获得一个满意所有不雅测数据的最优模子，并且跑出了一个与过往大相径庭的、极其弘大的动力学机制：从地表来看，整个北美年夜陆岩石圈板块于自东向西运动；但于现有岩石圈之下，北美年夜陆东部深处的古老法拉龙板块连续向年夜西洋下沉，像一个巨年夜的“抽水泵”，于周围形成强劲的“地幔风”，将西部的软流圈物资向东吸引，于其上方岩石圈的底部孕育发生了强盛的东向牵引力。当软流圈物资颠末黄石火山下方从薄变厚的岩石圈过渡地带时，较轻的热物资与下行的地幔风彼此“拉扯”致使软流圈减压熔融，孕育发生年夜量幔源岩浆。同时，这一拉扯使患上黄石火山下方的地幔堆积了区域性的拉张应力，“扯破”了该处的岩石圈，形成为了一条歪斜向上的贯串岩石圈的虹吸通道。

“岩浆沿着这个虹吸带，像‘爬楼梯’同样上涌、迁徙，并于该历程中不停演化，终极形成为了黄石火山下方岩浆体系的形态。”论文第一作者曹泽斌比方道。

这一发明倾覆了过往对于火山“引擎”的认知。“岩浆于这里是成果，而不是缘故原由。”论文通信作者刘丽军夸大，“是先有组织利巴岩石圈‘扯开’了，岩浆才乘隙涌上去的。这就比如先有了裂痕，水才会流出去；而不是水把石头撑开，再流出去。”

这一机制可以广泛合用在其他活跃的火山，例如位在我国东北的镜泊湖火山、位在东南亚的多巴火山、位在俄罗斯远东的勘测加火山群及位在南美的阿尔蒂普拉诺火山，为将来进一步理解火山动力历程，猜测火山勾当性及预防火山灾难提供了新的地球动力学视角。

国际审稿人评价称，其初次实现了地球物理、地质信息及地球动力学数值模模子注释的优雅联合。美国犹他年夜学专家于该刊同期不雅点与评论文章中指出：“这一发明对于在评估黄石火山体系和全世界其他同类火山体系的灾难危害具备主要意义。”

这是刘丽军及团队发表的第五篇“顶刊”论文。谈和暗地里的“法门”，刘丽军笑着说：“咱们的顶刊结果都不是规划出来的，做本身喜欢的问题，把事情做扎实，好的成果天然会来。”

打造地球“气候预告体系”

回首研究过程，刘丽军暗示，黄石火山研究的乐成离不开跨学科互助。他地点团队聚焦高精度数值模子，地质地球所万博研究员团队主攻组织地质，陈凌研究员团队做地球物理成像，美国伊利诺伊年夜学的克雷格 伦德斯特伦传授则聚焦地球化学及岩石学。

“这是一个跨学科特色很是强的范畴，每一个人的标的目的都纷歧样，天然而然地就互助起来了。”刘丽军增补说，“咱们组内也是，学生配景很广——有纯物理的、有数学的、有地质的。各人多交流，常识面就扩大开来了。”

至在黄石火山下次何时喷发？刘丽军说，那是下一步的事——“把岩浆怎么从地下上来的汗青历程弄清晰，先回溯已往，才能猜测未来”。

而黄石的冲破，只是出发点。刘丽军的最终方针，是“把整个地球搬进计较机”，构建“全地球体系模子”，实现从地核到地表、从固体地球到海洋—天气的多圈层耦合，像“预告气候同样”推演地球成长的走向。

如今，模子已经经“搬场”，从北美年夜陆转向以中国为焦点的欧亚年夜陆，研究团队正于开展青藏高原、东北火山等研究。他们但愿借此猜测地质灾难，引导深部找矿、办事矿产勘探及国度资源安全。

将来，刘丽军的方针是，把这个模子做成一个全世界通用开源“东西箱”，让全世界偕行都能用它摸索地球。为此，他们正于踊跃造就跨学科人材，打造一支复合型科研团队。

不外，他暗示，今朝这一范畴的一个限定因素是“烧算力”，模子推演动辄泯灭百万级另外机时费。初期于外洋开展研究时，算力资源很是紧张，一年的机时预算往往跑几个模子就耗尽，团队只能事前重复查抄模子参数，只管即便削减无效计较；回国后，依托“河汉一号”“北京云”“曙光智算”等海内超算平台，算力问题才获得减缓，但模子的细化历程依然艰巨。为了让模子更切近地球真实状况，团队需要不停插手新的不雅测数据，重复调解及细化模子布局，一个参数的修改就可能象征着从头于上万CPU核上破费数十小时的计较。

“经常是超算跑了几天的成果，发明与不雅测数据不符，就要推倒重来，这类重复试错的历程，是研究中最磨人的部门。”曹泽斌说。采访末了，刘丽军呼吁，国度及社会越发存眷这种有明确物理根底、关乎地球安全的基础研究，终极实现像预告气候同样精准模仿地球的地质勾当，让人类能更清楚地熟悉地球、更科学地应答地质灾难。

相干文章信息：

https://doi.org/10.1126/science.ady2027

https://doi.org/10.1126/science.aeg3511