自然資源部第二海洋研究所李家彪院士研究團隊今天（22日）在國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)表最新研究成果，顛覆國際對海底地殼形成機制的認知。研究結(jié)果顯示，“主動和被動地幔上涌雙機制”控制了全球的洋中脊系統(tǒng)，從而進一步揭示和完善了全球海洋地殼的形成機制。
大家知道，地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)分為地殼、地幔、地核。地殼，是地球表面最外層的部分，主要由巖石和土壤構(gòu)成。而約占地球表面積70%的海洋下面的地殼，被稱為洋殼?！爸鲃雍捅粍拥蒯Ｉ嫌侩p機制”這一聽起來復雜的最新科研成果如何通俗地去理解？為什么說這一研究顛覆了國際對海底地殼形成機制的認知？
地殼，是和人類息息相關(guān)的固體圈層，是地球最外層的部分，大部分礦產(chǎn)和地震活動等都在地殼內(nèi)產(chǎn)生。中國工程院院士李家彪介紹，地殼可以分為陸地地殼和海洋地殼，其中洋殼占地殼總面積的約2/3，目前仍然在通過大洋中脊不斷生長，在俯沖帶不斷消亡。那么，為什么陸殼變化較小，而洋殼不斷在生長？什么是大洋中脊，為什么洋殼會在此誕生，又消亡向何方呢？
李家彪：大家知道，陸地上的高山，主要是板塊擠壓形成；而洋中脊，也就是大洋中央的山脈，卻恰恰相反，它形成于板塊拉張，張開之后巖漿由地幔上涌，經(jīng)過海水冷卻，再結(jié)合周邊已經(jīng)硬化的巖石，形成洋中脊以及新的洋殼。新生成的洋殼，擠壓洋中脊兩邊已有的地殼，不斷向外擴張，最終由于質(zhì)地比陸殼致密，所以會在板塊交界邊界俯沖返回地幔。在地球誕生的早期，陸殼就開始冷卻形成了，后面變化相對較小。而洋殼則因為板塊拉張，拖曳著下面的地幔運動，巖漿不斷被動上涌，周而復始重復剛才所說的過程，所以在不斷生長。
大家想象一下，把地球上的海水抽干，那么地球其實并不是一個正圓形，表面是高低不平的，高的地方，就是陸殼，平均35千米厚；而低的地方，就是洋殼，一般認為在6千米至7千米之間，水往低處流，也就在洋殼上面形成了海洋。李家彪所說的，正是傳統(tǒng)地幔被動上涌理論，這是20世紀60年代，由美國海洋地質(zhì)學家哈里·赫斯在海底擴張學說中提出的。根據(jù)這一理論，海洋地殼生成的速度取決于板塊擴張的速度，擴張越快，巖漿噴出量越大、速度越快，洋殼生成速度也就越快。然而李家彪說，研究團隊的最新研究成果，則顛覆了這一傳統(tǒng)認知。
李家彪：國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》曾提出125個人類未知的根本性科學問題，其中地球內(nèi)部是如何運行的這一問題被列為前十大問題之一。而我們這項工作就是從地殼到地幔逐步回答地球內(nèi)部運行的機制，像是打開這個問題的一把鑰匙。在太平洋，洋殼的擴張速率每年可達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。世界上擴張速率最慢的洋中脊在北冰洋，我們稱為加克洋中脊，每年只有1厘米左右。那么根據(jù)經(jīng)典的地幔被動上涌模式，我們就不難推斷，加克洋中脊擴張速率非常慢，形成的巖漿應該非常少，所以地殼應該是非常薄，甚至沒有。但是我們通過中國第12次北極科學考察發(fā)現(xiàn)，結(jié)果令人非常意外，在加克洋中脊我們發(fā)現(xiàn)了非常厚的地殼，超過9千米，進而提出了被動和主動地幔上涌的雙控制因素。
板塊擴張，巖漿從洋中脊處被動上涌——這好理解；但主動上涌又是什么，什么情況下會發(fā)生呢？李家彪解釋，如果把大洋中脊簡單比作高壓鍋上面的氣閥，被動上涌就好比是有人拿掉了氣閥，使里面的物質(zhì)被動噴出；而主動上涌，則類似于氣壓達到了一定程度，高壓鍋中的氣體主動把氣閥頂了起來，噴出高壓氣體的過程。
李家彪：地幔被動上涌比較容易理解，也在快速擴張洋中脊得到了驗證，所以大家一直都深信不疑。但實際上我們發(fā)現(xiàn)，不管是快速、慢速還是超慢速擴張洋中脊，主動和被動上涌雙機制都在共同起作用。地幔的固體巖石在上涌過程中會融化為流體，熔融的巖漿會從固體巖石中帶走更重的鐵元素，留下相對較輕的鎂元素，使得洋中脊下熔融區(qū)的地幔整體比其他區(qū)域要輕一些。這好比是，洋中脊下方有一個“氫氣球”頂著，要跑出來。在快速擴張的洋中脊，這個“氫氣球”還沒有積累到主動上浮的程度，就已經(jīng)被釋放了；但是超慢速擴張洋中脊下方，由于擴張速率很慢，單位距離上會積累更多這些較輕的地幔物質(zhì)，也就會形成較厚的地殼，進而讓主動上涌這個過程就凸顯出來了。
然而，這么重大的研究發(fā)現(xiàn)，為什么此前幾十年間無人達成呢？李家彪解釋，此前，科學家們寄希望于到北冰洋的加克洋中脊找尋這一理想中“全球最薄的地殼”，進而驗證這一假說。但由于那里位于北緯85°的區(qū)域，幾乎常年冰封，放置到海底的探測設備無法實現(xiàn)有效回收，所以，在厚厚的海冰下去查明地殼深部情況、開展大規(guī)模海底主動源探測，在科學界一直是空白。
李家彪：2020年，隨著“雪龍2”號的下水，我們看到了探測北極海底的希望，因為有了破冰考察船，意味著放置到海底的探測設備，能夠有機會進行高效回收。2021年中國第12次北極科學考察，我們團隊借助自主研發(fā)的冰下海底地震儀、海底大地電磁儀、基線定位系統(tǒng)、自治機器人等關(guān)鍵技術(shù)設備，使投放的43臺地震儀最終成功回收42臺，6臺大地電磁儀回收5臺，回收率高達97.7%，打破了國際上北極高緯密集冰區(qū)無法開展海底地震儀探測的斷言，最終也帶回了我們意想不到的研究數(shù)據(jù)，為這一理論的提出，奠定扎實基礎。
那么，這一理論的提出，對人類而言有什么作用？將對目前的科學研究、生產(chǎn)生活起到怎樣的指導意義？李家彪指出，除了改變對海洋地殼本身的認知外，這還很可能改變我們對超慢速擴張洋中脊礦產(chǎn)勘探的思路，為人類認識海洋、經(jīng)略海洋、保護海洋開拓全新視野。
李家彪：首先這肯定是改變了我們對傳統(tǒng)海洋地殼的結(jié)構(gòu)、形成機制的認識，不只是加克洋中脊，西南印度洋等超慢速擴張洋中脊都可以適用這一理論。同時，在礦產(chǎn)勘探領域，我們知道除了巖漿活動，還存在熱液活動，也就是海水通過巖石裂隙或構(gòu)造斷裂帶滲入海底地殼深層，會帶出大量金屬元素，形成熱液硫化物礦床，是重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)。我們的研究表明，超慢速擴張洋中脊也可以有豐富的巖漿活動，因此可能形成更多的熱液噴口，甚至可能形成的熱液噴口活動更持久、礦產(chǎn)總量更大，這也顛覆了我們對能源礦產(chǎn)開發(fā)的認知。我們已經(jīng)發(fā)起了一個聯(lián)合國“海洋十年”國際科學項目，這個項目由美國、加拿大、俄羅斯等國家參加，我們將會共同探索這一前沿科學研究領域。
（記者王澤華圖供自然資源部第二海洋研究所）
