北極之謎：海底巖漿豐富還是極度貧瘠？

全球超慢速擴(kuò)張洋中脊位置圖。周志遠(yuǎn)、林間供圖

超慢速擴(kuò)張洋中脊的巖漿是極度貧瘠還是豐富，一直以來(lái)都是困擾科學(xué)家的難題。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，超慢速擴(kuò)張洋中脊的巖漿供給極度貧瘠。然而，最新的研究成果顛覆了這一觀點(diǎn)。

近日，《自然》在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)工程院院士、自然資源部第二海洋研究所研究員李家彪領(lǐng)銜，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、南方科技大學(xué)、法國(guó)巴黎地球物理研究所等單位科學(xué)家合作的最新成果。他們首次在極端的北極環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)超慢速擴(kuò)張洋中脊的巖漿活動(dòng)存在超強(qiáng)變化，部分區(qū)域的地殼甚至厚達(dá)9000米。

“這打破了之前國(guó)際上關(guān)于北極高緯度密集冰區(qū)無(wú)法進(jìn)行海底地震儀探測(cè)的論斷，顛覆了學(xué)術(shù)界一直認(rèn)為的‘超慢速擴(kuò)張洋中脊巖漿供給極度貧瘠’的觀點(diǎn)，完善了地球板塊邊界動(dòng)力學(xué)理論?！闭撐墓餐髡摺⒅袊?guó)科學(xué)院南海海洋研究所特聘研究員林間對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，該發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了國(guó)際研究空白。

探究“最后一塊拼圖”

深海洋中脊是地球表面最長(zhǎng)的海底山脈，是洋殼與大洋板塊誕生的地方，孕育了大量礦產(chǎn)資源。地球上的超慢速擴(kuò)張洋中脊山脈，分別位于偏遠(yuǎn)的西南印度洋與北極之下。早在2003年，林間就與合作者對(duì)西南印度洋中脊進(jìn)行了探測(cè)，提出了超慢速擴(kuò)張洋中脊地幔動(dòng)力學(xué)經(jīng)典模型。

由于北冰洋加克洋中脊海域常年冰封，開(kāi)展冰下海底地震探測(cè)十分困難，成為地球板塊邊界動(dòng)力學(xué)觀測(cè)的“最后一塊拼圖”。為此，李家彪發(fā)起了“北冰洋洋中脊國(guó)際聯(lián)合考察計(jì)劃”，并于2021年帶隊(duì)前往北極加克洋中脊開(kāi)展中國(guó)第12次北極科學(xué)考察。

研究區(qū)域覆蓋的極厚冰層給儀器安置工作出了難題。幸運(yùn)的是，研究團(tuán)隊(duì)乘坐的“雪龍2”號(hào)破冰船憑借其全球首創(chuàng)的船艏和船艉雙向破冰技術(shù)，成功克服了這一困難。

破冰船在厚厚的冰層上開(kāi)辟出一條“水路”，李家彪團(tuán)隊(duì)迅速投放了海底地震儀等科學(xué)儀器。在破冰船的尾部，他們釋放空氣槍作為人工地震源，海底地震儀負(fù)責(zé)接收信號(hào)。團(tuán)隊(duì)共投放自主研制的海底地震儀43臺(tái)，成功回收42臺(tái)，獲得大量珍貴的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。之后，研究人員對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

論文第一作者、自然資源部第二海洋研究所研究員張濤介紹，基于這次海底深部探測(cè)和綜合調(diào)查，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了北極超慢速擴(kuò)張洋中脊極端豐富和變化的巖漿供給特征?！?015年，科學(xué)家在西南印度洋中脊也發(fā)現(xiàn)了超厚地殼。將這兩種現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)，我們突然醒悟，原來(lái)這種超厚地殼很可能是常態(tài)，是超慢速擴(kuò)張洋中脊特有的超強(qiáng)變化?！?/p>

提出地幔動(dòng)力新機(jī)制

超慢速擴(kuò)張洋中脊是海底擴(kuò)張和板塊運(yùn)動(dòng)在地球表面留下的壯觀的痕跡之一，它們以極低的速率擴(kuò)張，形成了獨(dú)特的地質(zhì)特征。根據(jù)地幔動(dòng)力學(xué)經(jīng)典理論，洋中脊下的地幔被板塊拖曳著向上運(yùn)動(dòng)而呈現(xiàn)被動(dòng)上涌，即被動(dòng)地幔上涌機(jī)制，形成的巖漿量（即地殼厚度）受擴(kuò)張速率的控制。

“北冰洋加克洋中脊是典型的超慢速擴(kuò)張洋中脊，科學(xué)家一直預(yù)測(cè)那里難以形成地殼，地殼厚度可能接近于零?！绷珠g告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，最新研究提出了全球洋中脊系統(tǒng)均受主動(dòng)和被動(dòng)地幔上涌雙機(jī)制控制的新理論，改變了學(xué)界一直認(rèn)為的超慢速擴(kuò)張洋中脊巖漿極度貧瘠的觀點(diǎn)。

論文共同作者、中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所助理研究員查財(cái)財(cái)介紹，根據(jù)擴(kuò)張速率的不同，全球洋中脊被分為快速擴(kuò)張、慢速擴(kuò)張和超慢速擴(kuò)張3種類(lèi)型。傳統(tǒng)的被動(dòng)地幔上涌理論很好地解釋了從快速擴(kuò)張到慢速擴(kuò)張洋中脊的地殼增生，但在超慢速擴(kuò)張洋中脊中，理論預(yù)測(cè)與實(shí)際觀測(cè)存在很大偏差。

該新發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)洋殼增生的經(jīng)典理論，揭示了超慢速擴(kuò)張洋中脊局部大規(guī)模巖漿活動(dòng)的普遍性。李家彪團(tuán)隊(duì)提出，在占全球洋中脊系統(tǒng)約20%的超慢速擴(kuò)張洋中脊下，主動(dòng)地幔上涌機(jī)制占據(jù)了主導(dǎo)地位。

《自然》審稿專(zhuān)家對(duì)該研究成果給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為這是首次在北極地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的冰下海底地震探測(cè)實(shí)驗(yàn)。這一突破性的嘗試將極大激發(fā)人們對(duì)洋中脊領(lǐng)域的研究興趣。研究中發(fā)現(xiàn)的地殼厚度變化非常顯著，并且測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)觀念存在較大差異。這表明需要采用新的理論模型來(lái)解釋這些發(fā)現(xiàn)。

“這項(xiàng)工作不僅豐富了地球板塊邊界動(dòng)力學(xué)的理論，還增進(jìn)了我們對(duì)超慢速擴(kuò)張洋中脊地幔動(dòng)力學(xué)的理解，具有重要的科學(xué)意義。”林間表示，隨著研究的不斷深入，人們有望更加全面、深入地認(rèn)識(shí)超慢速擴(kuò)張洋中脊的巖漿活動(dòng)特征。