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北极之谜：海底岩浆丰富还是极度贫瘠？
2024/09/10 11:24 来源：中国科学报 阅读：1.1万
超慢速扩张洋中脊的岩浆是极度贫瘠还是丰富，一直以来都是困扰科学家的难题。传统观点认为，超慢速扩张洋中脊的岩浆供给极度贫瘠。然而，最新的研究成果颠覆了这一观点。
近日，《自然》在线发表了中国工程院院士、自然资源部第二海洋研究所研究员李家彪领衔，中国科学院南海海洋研究所、南方科技大学、法国巴黎地球物理研究所等单位科学家合作的最新成果。他们首次在极端的北极环境中，发现超慢速扩张洋中脊的岩浆活动存在超强变化，部分区域的地壳甚至厚达9000米。
“这打破了之前国际上关于北极高纬度密集冰区无法进行海底地震仪探测的论断，颠覆了学术界一直认为的‘超慢速扩张洋中脊岩浆供给极度贫瘠’的观点，完善了地球板块边界动力学理论。”论文共同作者、中国科学院南海海洋研究所特聘研究员林间对《中国科学报》表示，该发现填补了国际研究空白。
探究“最后一块拼图”
深海洋中脊是地球表面最长的海底山脉，是洋壳与大洋板块诞生的地方，孕育了大量矿产资源。地球上的超慢速扩张洋中脊山脉，分别位于偏远的西南印度洋与北极之下。早在2003年，林间就与合作者对西南印度洋中脊进行了探测，提出了超慢速扩张洋中脊地幔动力学经典模型。
由于北冰洋加克洋中脊海域常年冰封，开展冰下海底地震探测十分困难，成为地球板块边界动力学观测的“最后一块拼图”。为此，李家彪发起了“北冰洋洋中脊国际联合考察计划”，并于2021年带队前往北极加克洋中脊开展中国第12次北极科学考察。
研究区域覆盖的极厚冰层给仪器安置工作出了难题。幸运的是，研究团队乘坐的“雪龙2”号破冰船凭借其全球首创的船艏和船艉双向破冰技术，成功克服了这一困难。
破冰船在厚厚的冰层上开辟出一条“水路”，李家彪团队迅速投放了海底地震仪等科学仪器。在破冰船的尾部，他们释放空气枪作为人工地震源，海底地震仪负责接收信号。团队共投放自主研制的海底地震仪43台，成功回收42台，获得大量珍贵的科学探测数据。之后，研究人员对收集到的数据进行了详细分析。
论文第一作者、自然资源部第二海洋研究所研究员张涛介绍，基于这次海底深部探测和综合调查，研究团队发现了北极超慢速扩张洋中脊极端丰富和变化的岩浆供给特征。“2015年，科学家在西南印度洋中脊也发现了超厚地壳。将这两种现象结合起来，我们突然醒悟，原来这种超厚地壳很可能是常态，是超慢速扩张洋中脊特有的超强变化。”
提出地幔动力新机制
超慢速扩张洋中脊是海底扩张和板块运动在地球表面留下的壮观的痕迹之一，它们以极低的速率扩张，形成了独特的地质特征。根据地幔动力学经典理论，洋中脊下的地幔被板块拖曳着向上运动而呈现被动上涌，即被动地幔上涌机制，形成的岩浆量（即地壳厚度）受扩张速率的控制。
“北冰洋加克洋中脊是典型的超慢速扩张洋中脊，科学家一直预测那里难以形成地壳，地壳厚度可能接近于零。”林间告诉《中国科学报》，最新研究提出了全球洋中脊系统均受主动和被动地幔上涌双机制控制的新理论，改变了学界一直认为的超慢速扩张洋中脊岩浆极度贫瘠的观点。
论文共同作者、中国科学院南海海洋研究所助理研究员查财财介绍，根据扩张速率的不同，全球洋中脊被分为快速扩张、慢速扩张和超慢速扩张3种类型。传统的被动地幔上涌理论很好地解释了从快速扩张到慢速扩张洋中脊的地壳增生，但在超慢速扩张洋中脊中，理论预测与实际观测存在很大偏差。
该新发现挑战了传统洋壳增生的经典理论，揭示了超慢速扩张洋中脊局部大规模岩浆活动的普遍性。李家彪团队提出，在占全球洋中脊系统约20%的超慢速扩张洋中脊下，主动地幔上涌机制占据了主导地位。
《自然》审稿专家对该研究成果给予了高度评价，认为这是首次在北极地区进行大规模的冰下海底地震探测实验。这一突破性的尝试将极大激发人们对洋中脊领域的研究兴趣。研究中发现的地壳厚度变化非常显著，并且测量结果与传统观念存在较大差异。这表明需要采用新的理论模型来解释这些发现。
“这项工作不仅丰富了地球板块边界动力学的理论，还增进了我们对超慢速扩张洋中脊地幔动力学的理解，具有重要的科学意义。”林间表示，随着研究的不断深入，人们有望更加全面、深入地认识超慢速扩张洋中脊的岩浆活动特征。（朱汉斌 李淑）