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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)在國際權威學術期刊《自然》上在線發表最新研究成果,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,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,地球內部結構由外到內分為地殼、地幔、地核。地殼,是地球表面最外層的部分,主要由岩石和土壤構成。而約佔地球表面積70%的海洋下面的地殼,被稱為洋殼。“主動和被動地幔上涌雙機制”這一聽起來複雜的最新科研成果如何通俗地去理解?為什麼説這一研究顛覆了國際對海底地殼形成機制的認知?
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行進在茫茫冰海上的破冰船
地殼,是和人類息息相關的固體圈層,是地球最外層的部分,大部分礦産和地震活動等都在地殼內産生。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,其中洋殼佔地殼總面積的約2/3,目前仍然在通過大洋中脊不斷生長,在俯衝帶不斷消亡。那麼,為什麼陸殼變化較小,而洋殼不斷在生長?什麼是大洋中脊,為什麼洋殼會在此誕生,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,張開之後岩漿由地幔上涌,經過海水冷卻,再結合周邊已經硬化的岩石,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,最終由於質地比陸殼緻密,所以會在板塊交界邊界俯衝返回地幔。在地球誕生的早期,陸殼就開始冷卻形成了,後面變化相對較小。而洋殼則因為板塊拉張,拖曳著下面的地幔運動,岩漿不斷被動上涌,週而复始重復剛才所説的過程,所以在不斷生長。
大家想象一下,把地球上的海水抽幹,那麼地球其實並不是一個正圓形,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。李家彪所説的,正是傳統地幔被動上涌理論,這是20世紀60年代,由美國海洋地質學家哈裏·赫斯在海底擴張學説中提出的。根據這一理論,海洋地殼生成的速度取決於板塊擴張的速度,擴張越快,岩漿噴出量越大、速度越快,洋殼生成速度也就越快。然而李家彪説,研究團隊的最新研究成果,則顛覆了這一傳統認知。
李家彪:國際權威學術期刊《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。那麼根據經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,形成的岩漿應該非常少,所以地殼應該是非常薄,甚至沒有。但是我們通過中國第12次北極科學考察發現,結果令人非常意外,在加克洋中脊我們發現了非常厚的地殼,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,岩漿從洋中脊處被動上涌——這好理解;但主動上涌又是什麼,什麼情況下會發生呢?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,使裏面的物質被動噴出;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。但實際上我們發現,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。地幔的固體岩石在上涌過程中會融化為流體,熔融的岩漿會從固體岩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的地幔整體比其他區域要輕一些。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,就已經被釋放了;但是超慢速擴張洋中脊下方,由於擴張速率很慢,單位距離上會積累更多這些較輕的地幔物質,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。
冰下火山活動示意圖
然而,這麼重大的研究發現,為什麼此前幾十年間無人達成呢?李家彪解釋,此前,科學家們寄希望於到北冰洋的加克洋中脊找尋這一理想中“全球最薄的地殼”,進而驗證這一假説。但由於那裏位於北緯85°的區域,幾乎常年冰封,放置到海底的探測設備無法實現有效回收,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的冰下海底地震儀、海底大地電磁儀、基線定位系統、自治機器人等關鍵技術設備,使投放的43台地震儀最終成功回收42台,6台大地電磁儀回收5台,回收率高達97.7%,打破了國際上北極高緯密集冰區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據,為這一理論的提出,奠定紮實基礎。
成功回收的海底探測設備
那麼,這一理論的提出,對人類而言有什麼作用?將對目前的科學研究、生産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産勘探的思路,為人類認識海洋、經略海洋、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海洋地殼的結構、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,在礦産勘探領域,我們知道除了岩漿活動,還存在熱液活動,也就是海水通過岩石裂隙或構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,是重要的戰略礦産。我們的研究表明,超慢速擴張洋中脊也可以有豐富的岩漿活動,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、礦産總量更大,這也顛覆了我們對能源礦産開發的認知。我們已經發起了一個聯合國“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。
自然資源部第二海洋研究所研究團隊
(記者 王澤華 圖供 自然資源部第二海洋研究所)