自然资源部第二海洋研究所李家彪院士领衔的研究团队今天（22日）在国际权威学术期刊《自然》上在线发表了他们的最新研究成果，颠覆了国际上对海底地壳形成机制的认识。研究结果表明“主动、被动地幔上涌双重机制”控制着全球大洋中脊体系，从而进一步揭示和完善了全球大洋地壳的形成机制。
众所周知，地球内部结构从外到内分为地壳、地幔、地核。地壳是地球表面的最外层，主要由岩石和土壤组成。而位于地球表面约70%的海洋之下的地壳被称为洋壳。听起来复杂的“主动、被动地幔上涌双重机制”最新科研成果，我们该如何理解呢？为何说这项研究颠覆了国际上对海底地壳形成机制的认识呢？
破冰船在广阔的冰海上航行
地壳是与人类息息相关的固体层，是地球的最外层，绝大部分矿物、地震活动都产生在地壳里。中国工程院院士李家彪介绍，地壳可分为大陆地壳和洋壳，洋壳约占整个地壳面积的2/3，它穿过洋中脊仍在生长，在俯冲带则消失。那么，为什么大陆地壳变化较小，而洋壳却在不断生长呢？洋中脊是什么，洋壳为何在这里诞生，又会消失在哪里呢？
李嘉彪：众所周知，陆地上的高山主要是板块挤压形成的；洋中脊，也就是海洋中部的山脉，则正好相反，是由板块伸展形成的。板块伸展之后，岩浆从地幔中上涌，经过海水冷却，与周围硬化的岩石结合，形成洋中脊和新的洋壳。新生成的洋壳挤压洋中脊两侧原有的地壳，并继续向外扩展，最终由于其质地比大陆地壳致密，会在板块连接处边界再次俯冲到地幔中。在地球诞生的早期，大陆地壳开始冷却形成，之后的变化相对较小。而洋壳则因为板块伸展拖拽着下方的地幔，而不断生长，岩浆也不断被动上涌，一遍又一遍地重复着刚才提到的过程。
试想一下，如果把地球上的海水排干，那么地球其实就不是一个完美的圆形，而是一个凹凸不平的表面。高的地方是大陆地壳，平均厚度为35公里；低的地方是洋壳，一般认为厚度在6公里到7公里之间。海水往低的地方流，洋壳上就形成了海洋。李家彪说的是传统的地幔被动上涌理论，是由美国海洋地质学家哈里·赫斯在20世纪60年代的海底扩张理论中提出的。根据这一理论，洋壳形成的速度取决于板块扩张的速度，扩张越快，岩浆喷发的量就越多、速度也越快，洋壳生成的速度也就越快。但李家彪说，研究团队最新的研究成果颠覆了这一传统认知。
李嘉彪：国际权威学术期刊《科学》曾提出125个人类未知的基本科学问题，其中地球内部如何运作的问题被列为十大问题之一。我们的工作就是要逐步回答地球内部从地壳到地幔的机制，就像一把解开这个问题的钥匙。在太平洋，洋壳的扩张速度可达每年10厘米，大西洋只有太平洋的一半左右，西南印度洋每年只有1.4厘米。世界上扩张最慢的大洋中脊是在北冰洋，我们称之为雅科海岭，速度只有每年1厘米左右。那么按照经典的被动地幔上涌模型，我们不难推断，雅科海岭的扩张速度很慢，形成的岩浆应该很少，因此地壳应该很薄，甚至不存在。但是通过我国第12次北极科学考察，我们发现结果非常令人吃惊，在雅科海脊处发现了非常厚的地壳，超过9公里，进而提出了被动和主动地幔上涌的双重控制因素。
板块扩张、岩浆从洋中脊被动上涌这些现象都很容易理解，但什么是主动上涌、在什么情况下会发生呢？李嘉彪解释道，如果把洋中脊简单比喻成一个高压锅上的阀门，被动上涌就像有人把阀门打开，里面的物质被动地喷出；而主动上涌则类似于高压锅中的气体，当气压达到一定程度时，主动地把阀门推上去，喷出高压气体的过程。
李嘉彪：地幔的被动上涌比较容易理解，在快速扩张的洋中脊也得到了验证，所以大家一直相信。但实际上我们发现，无论是快速、慢速还是超慢速扩张的洋中脊，主动和被动两种上涌机制都在共同作用。地幔的固体岩石在上涌过程中会熔融为流体，熔融的岩浆会把固体岩石中较重的铁元素带走，留下相对较轻的镁元素，使得洋中脊之下熔融区的地幔整体上比其他区域轻。就好像洋中脊之下有一个“氢气球”，试图逃逸。在快速扩张的洋中脊，这个“氢气球”还没有积累到主动浮力的程度就已经被释放了；但在超缓慢扩张的大洋中脊之下，由于扩张速度缓慢，单位距离上会堆积更多较轻的地幔物质，形成更厚的地壳，这将凸显活跃上升流的过程。
冰下火山活动示意图
但为何过去几十年无人取得如此重大的研究发现？李家彪解释道，此前科学家曾希望在北冰洋雅科海岭找到理想的“全球最薄地壳”，以验证这一假说。但由于其位于北纬85°，几乎常年冰封，置于海底的探测设备无法有效回收。因此，在厚厚的海冰之下寻找深层地壳，并在海底进行大规模主动源探测，一直是科学界的空白。
李家彪：2020年，随着“雪龙二号”的下水，我们看到了北极海底探测的希望，因为有了破冰调查船，放置在海底的探测设备就有机会被高效回收。在2021年中国第12次北极科学考察中，我们团队利用自主研发的冰下海底地震仪、海底大地电磁仪、基线定位系统、自主机器人等关键技术装备，成功回收了43台地震仪中的42台和6台大地电磁仪中的5台，回收率达97.7%，打破了国际上不可能在北极高纬度密集冰区开展海底地震探测的断言。最后还带回了意想不到的研究数据，为这一理论的提出奠定了坚实的基础。
成功回收海底探测设备
那么，这一理论对于人类来说，起到什么作用？对于当前的科研、生产、生活，又将产生怎样的指导意义？李家彪指出，这除了改变我们对洋壳本身的认识外，还很可能改变我们对超慢速扩张洋中脊矿产勘查的思路，为人类认识、管理和保护海洋开辟新的视角。
李嘉彪：首先这肯定改变了我们对传统洋壳结构和形成机制的认识。这个理论不但可以适用于贾科海岭，还可以适用于西南印度洋等超慢速扩张洋中脊。同时在矿产勘查领域我们知道除了岩浆活动，还有热液活动，就是海水通过岩石裂缝或者构造断裂带渗透到深海海底地壳中，会带出大量的金属元素，形成热液硫化物矿床，这些是重要的战略矿产。我们的研究表明超慢速扩张洋中脊也可以有丰富的岩浆活动，因此可能形成更多的热液喷口，甚至可能形成的热液喷口可能更持久，矿产总量更大，这也颠覆了我们对能源和矿产开发的认识。我们启动了联合国“海洋十年”国际科学项目，美国、加拿大、俄罗斯等国家都参与其中，共同探索这一前沿科研领域。
自然资源部第二海洋研究所研究团队
（自然资源部第二海洋研究所 记者 王泽华 供图）
