自然資源部第二海洋研究所李家彪院士研究團(tuán)隊(duì)今天（22日）在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)表最新研究成果，顛覆國際對(duì)海底地殼形成機(jī)制的認(rèn)知。研究結(jié)果顯示，“主動(dòng)和被動(dòng)地幔上涌雙機(jī)制”控制了全球的洋中脊系統(tǒng)，從而進(jìn)一步揭示和完善了全球海洋地殼的形成機(jī)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。“主動(dòng)和被動(dòng)地幔上涌雙機(jī)制”這一聽起來復(fù)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(duì)海底地殼形成機(jī)制的認(rèn)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(dòng)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(zhǎng)，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(zhǎng)？什么是大洋中脊，為什么洋殼會(huì)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(kuò)張，最終由于質(zhì)地比陸殼致密，所以會(huì)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(duì)較小。而洋殼則因?yàn)榘鍓K拉張，拖曳著下面的地幔運(yùn)動(dòng)，巖漿不斷被動(dòng)上涌，周而復(fù)始重復(fù)剛才所說的過程，所以在不斷生長(zhǎng)。
大家想象一下，把地球上的海水抽干，那么地球其實(shí)并不是一個(gè)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(rèn)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(dòng)上涌理論，這是20世紀(jì)60年代，由美國海洋地質(zhì)學(xué)家哈里·赫斯在海底擴(kuò)張學(xué)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(kuò)張的速度，擴(kuò)張?jiān)娇欤瑤r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(tuán)隊(duì)的最新研究成果，則顛覆了這一傳統(tǒng)認(rèn)知。
李家彪：國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》曾提出125個(gè)人類未知的根本性科學(xué)問題，其中地球內(nèi)部是如何運(yùn)行的這一問題被列為前十大問題之一。而我們這項(xiàng)工作就是從地殼到地幔逐步回答地球內(nèi)部運(yùn)行的機(jī)制，像是打開這個(gè)問題的一把鑰匙。在太平洋，洋殼的擴(kuò)張速率每年可達(dá)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(kuò)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(dòng)上涌模式，我們就不難推斷，加克洋中脊擴(kuò)張速率非常慢，形成的巖漿應(yīng)該非常少，所以地殼應(yīng)該是非常薄，甚至沒有。但是我們通過中國第12次北極科學(xué)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(jìn)而提出了被動(dòng)和主動(dòng)地幔上涌的雙控制因素。
板塊擴(kuò)張，巖漿從洋中脊處被動(dòng)上涌——這好理解；但主動(dòng)上涌又是什么，什么情況下會(huì)發(fā)生呢？李家彪解釋，如果把大洋中脊簡(jiǎn)單比作高壓鍋上面的氣閥，被動(dòng)上涌就好比是有人拿掉了氣閥，使里面的物質(zhì)被動(dòng)噴出；而主動(dòng)上涌，則類似于氣壓達(dá)到了一定程度，高壓鍋中的氣體主動(dòng)把氣閥頂了起來，噴出高壓氣體的過程。
李家彪：地幔被動(dòng)上涌比較容易理解，也在快速擴(kuò)張洋中脊得到了驗(yàn)證，所以大家一直都深信不疑。但實(shí)際上我們發(fā)現(xiàn)，不管是快速、慢速還是超慢速擴(kuò)張洋中脊，主動(dòng)和被動(dòng)上涌雙機(jī)制都在共同起作用。地幔的固體巖石在上涌過程中會(huì)融化為流體，熔融的巖漿會(huì)從固體巖石中帶走更重的鐵元素，留下相對(duì)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(gè)“氫氣球”頂著，要跑出來。在快速擴(kuò)張的洋中脊，這個(gè)“氫氣球”還沒有積累到主動(dòng)上浮的程度，就已經(jīng)被釋放了；但是超慢速擴(kuò)張洋中脊下方，由于擴(kuò)張速率很慢，單位距離上會(huì)積累更多這些較輕的地幔物質(zhì)，也就會(huì)形成較厚的地殼，進(jìn)而讓主動(dòng)上涌這個(gè)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(dá)成呢？李家彪解釋，此前，科學(xué)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(jìn)而驗(yàn)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(cè)設(shè)備無法實(shí)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(dòng)源探測(cè)，在科學(xué)界一直是空白。
李家彪：2020年，隨著“雪龍2”號(hào)的下水，我們看到了探測(cè)北極海底的希望，因?yàn)橛辛似票疾齑馕吨胖玫胶５椎奶綔y(cè)設(shè)備，能夠有機(jī)會(huì)進(jìn)行高效回收。2021年中國第12次北極科學(xué)考察，我們團(tuán)隊(duì)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(jī)器人等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，使投放的43臺(tái)地震儀最終成功回收42臺(tái)，6臺(tái)大地電磁儀回收5臺(tái)，回收率高達(dá)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(cè)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(shí)基礎(chǔ)。
那么，這一理論的提出，對(duì)人類而言有什么作用？將對(duì)目前的科學(xué)研究、生產(chǎn)生活起到怎樣的指導(dǎo)意義？李家彪指出，除了改變對(duì)海洋地殼本身的認(rèn)知外，這還很可能改變我們對(duì)超慢速擴(kuò)張洋中脊礦產(chǎn)勘探的思路，為人類認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋、保護(hù)海洋開拓全新視野。
李家彪：首先這肯定是改變了我們對(duì)傳統(tǒng)海洋地殼的結(jié)構(gòu)、形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，不只是加克洋中脊，西南印度洋等超慢速擴(kuò)張洋中脊都可以適用這一理論。同時(shí)，在礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，我們知道除了巖漿活動(dòng)，還存在熱液活動(dòng)，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(huì)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(kuò)張洋中脊也可以有豐富的巖漿活動(dòng)，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(dòng)更持久、礦產(chǎn)總量更大，這也顛覆了我們對(duì)能源礦產(chǎn)開發(fā)的認(rèn)知。我們已經(jīng)發(fā)起了一個(gè)聯(lián)合國“海洋十年”國際科學(xué)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目由美國、加拿大、俄羅斯等國家參加，我們將會(huì)共同探索這一前沿科學(xué)研究領(lǐng)域。
（記者王澤華圖供自然資源部第二海洋研究所）
