中国科学家领衔破解地球科学局限“悬案”

 

刘丽军（右）与曹泽斌在举办研究。悬案受访者供图

■本报记者 冯丽妃

在美国西部广袤的中国黄石国度公场地下，躲躲着地球上最除夜的科学“火药桶”——黄石超等火山。一旦清醒，家领解地它喷发的衔破学局限旧学网火山灰足以袒护半个美国
，对全球气候笼统产生发火影响。球科

可是事科
，这座超等火山幻想下场是悬案若何构成的
？这一地球科学局限的“悬案”，经久以来困扰着全球科学家。中国

不日，科学一项由中国科学家领衔的家领解地研究倾覆了人们的认知。中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）研究员刘丽军 、衔破学局限旧学网博士后曹泽斌连络中外合作者 ，球科独霸高精度“真实地球模型” ，事科绘制出一幅不合于过往认知的悬案画面 ：数百万年来地球岩石圈与软流层延续彼此“拉扯” ，驱动了黄石火山喷发。相干研究下场宣布于《科学》 。

为何中国科学家要研究美国火山？在采访中 ，刘丽军与曹泽斌陈述了一段超出山海肄业问道，此后接踵归国潜心深耕的故事。

对准“悬案”

作为地球上现存最除夜的超等火山，黄石火山在畴昔210万年里曾两次产生发火超等喷发——208万年前 ，一次喷出了2500立方千米的固体物质；63万年前 ，喷发量抵达1000立方千米
。简言之
，其喷发量为曾杀尽庞贝古城的维苏威火山的“数百倍” 。

超等火山会对气候、气候笼统和人类社会产生发火宏除夜影响，深切邃晓其运作机制对火山灾害预警有次要意义 。畴昔数十年，主流科学界普及认为，超等火山的动力本源于地壳内经久堆集的“岩浆房”——岩浆在本身浮力感染下慢慢聚积到岩浆房内 ，当压力超出邻近岩石可领受的极限时 ，地壳就会***或坍塌，岩浆随之疾速上涌至地表，构成除夜局限喷发。

这套推理看似完竣，却存在两个打不开的“活结”。“一是构成岩浆房的能量从何处来？贯穿连接超除夜岩浆房延续低温所需的热量 ，从地球演变来看没法延续供给。二是构成岩浆房的空间从何处来？低密度的液态岩浆，物理上真实不具有推开刚毅岩石圈的身手。”刘丽军说
。

更关头的是，这一模型不契合不美不美不雅察下场。比来几年来的高精度地球物理成像研究证实 ，黄石火山下不存在纯液态岩浆房 ，取而代之的是纵贯全数岩石圈的“岩浆晶粥”，即由来自地幔软流圈的液态岩浆与上覆岩石圈的刚毅岩石构成的同化体，黏度是深化岩浆的数十万倍。

同时，不合于传统模型中来自地球深部的上涌地幔柱招致垂直向上的岩浆分布，纵跨全数岩石圈的黄石火山岩浆晶粥琐细会随深度添加向东北标的方针偏移，且仅在喷发前一小段地质时额定才会构成除夜量液态岩浆。

可是，驱动这一宏壮琐细的机制尚不了然
，使得相干研究成为地球科学研究中备受争议的“悬案”。

刘丽军希看用团队斥地的“真实地球模型”答复这一问题，并把选题交给了师长教师曹泽斌。

故事要从2010年说起。从中国科学技能除夜学卒业后
，刘丽军远赴美国，在约翰斯·霍普金斯除夜学
、加州理工学院 、加州除夜学圣地亚哥分校肄业进修，并干戈到一项近似气候笼统预告的技能——数据同化。复杂来讲 ，就是把海量不美不美不雅察数据按物理规律“喂”给模型 ，让数值模型可以慢慢切近亲近真实地球 。

“传统模型经常把问题简化，但真实地球特别很是宏壮
。”刘丽军说，他希看搭建的“真实地球模型”不预设结论、不强行简化，把真实地质 
、地动、地磁、地球化学、地球动力学数据全数纳进 ，推导出地球的故事。

从2012年到2022年 ，在伊利诺伊除夜学喷喷喷喷喷鼻槟分校工作的刘丽军带领团队不竭深耕 ，打磨出高精度的北美除夜陆模型，将板块爬升 、除夜陆漂移、岩石圈变形等除夜标准地质过程摸得管窥蠡测。

他的研究吸引了良多师长教师，曹泽斌就是个中之一 。2016年，刘丽军归国到浙江除夜学作陈述。台下，除夜三师长教师曹泽斌为他的理念所震动 ，陈述停止前追着他发问。两年后，本科卒业的曹泽斌成了刘丽军的师长教师
。

“我本科做地动波各向异性研究，地球动力学根本几近为零 ，而这个标的方针请求地质、物理 、数学
、编程样样过硬。”曹泽斌坦言，“头两三年我几近都在补课，进修曲线很陡。”

刘丽军的研究思路是 ，先做好除夜标准模型的“骨架”，再往细处“添肉” ，做中小标准验证。黄石火山作为类型中小标准气候 ，正契合考验“真实模型” 。是以，在刘丽军的带领下，曹泽斌从除夜标准地幔流场做起
，再一点点把岩石圈筹划 、岩浆房的“晶粥”筹划等不美不美不雅察数据同化进黄石火山模型。

倾覆性“拉扯”

2023年 ，刘丽军全职归国，进职地质地球所 ，把这套全国抢先的地球琐细模仿琐细带回故国。此时 ，曹泽斌博士卒业后前去美国普林斯顿除夜学延续进修
。2024年
，他奴隶导师的脚步
，以博士后身份介入刘丽军团队，延续展开黄石火山研究。

这可谓一场算力上的“马拉松”研究，要把北美西部数十年的地动成像 、地磁不美不美不雅察、地质演变数据全数注进模型，构建起从地表到核幔鸿沟的高精度三维静态模型。

“经常是超算‘跑’几天 ，下场舛错就全数推倒重来 。”曹泽斌回想
。

幻想下场经由过程试错、迭代、优化 ，他们掉落踪掉落踪一个最优模型，并且“跑”出了一个与过往截然不合 、极端宏壮的动力学机制 。从地表来看，全数北美除夜陆岩石圈板块在自东向西行动；但在现有岩石圈之下
，北美除夜陆东部深处的别致法拉龙板块延续向除夜西洋下沉，并像一个宏除夜的“抽水泵” ，在邻近构成微弱的“地幔风” ，将西部的软流圈物质向东吸引 ，在其上方岩石圈的底部产生发火了壮除夜的东向牵引力。当软流圈物质经由黄石火山下方从薄变厚的岩石圈过渡地带时 ，较轻的热物质与下行的地幔风彼此“拉扯”
，招致软流圈减压熔融，产生发火除夜量幔源岩浆。同时，这一拉扯使得黄石火山下方的地幔聚积了区域性的拉张应力 ，“扯破”了该处的岩石圈 ，构成了一条倾斜向上的贯穿岩石圈的虹吸通道。

“岩浆沿着这个虹吸带
，像‘爬楼梯’一样上涌 、迁徙，并在该过程中不竭演变，幻想下场构成了黄石火山下方岩浆琐细的外形。”论文第一作者曹泽斌比如道。

这一创作创造倾覆了过往对火山“引擎”的认知。“岩浆在这里是下场
，而不是启事。”论文通信作者刘丽军朴实 ，“是先有构造力把岩石圈‘扯开’，岩浆才趁机涌上往的。这就比如先有了裂缝，水才会流出往；而不是水把石头撑开
，再流出往。”

这一机制普及合用于其他活泼的火山 ，比如位于我国东北的镜泊湖火山、位于东南亚的多巴火山 、位于俄罗斯远东的勘测加火山群和位于南美的阿尔蒂普拉诺火山，为将来进一步邃晓火山动力过程、料想火山活动性和警悟火山灾害供给了新的地球动力学视角
。

审稿人评价称，研究初度完成了地球物理、地质信息和地球动力学数值模型诠释的优雅连络 。美国犹他除夜学专家在同期不雅不雅不雅不雅不雅不雅不美不雅不雅不雅不雅念与攻讦文章中指出 ：“这一创作创造对评价黄石火山琐细及全球其他同类火山琐细的灾害风险具有次要意义。”

打造地球“气候笼统预告琐细”

回想回想研究过程，刘丽军展示
，黄石火山研究的成功离不开跨学科合作
。他地址团队聚焦高精度数值模型，地质地球所研究员万博团队主攻构造地质 ，研究员陈凌团队做地球物理成像，美国伊利诺伊除夜学传授克雷格·伦德斯特伦则聚焦地球化学和岩石学 。

“这是一个跨学科特点特别很是较着的局限，每小我的标的方针都不一样，自可是然就合作了。”刘丽军补偿说 ，“我们组内也是如斯 ，师长教师布景很普及，有弄纯物理的、有弄数学的、有弄地质的
。大年夜师多交换，常识面就扩大年夜大年夜大年夜大年夜开了。”

黄石火山研究的打破只是起点。刘丽军的幻想下场方针是“把全数地球搬进筹算机”，构建“全地球琐细模型”，完成从地核到地表、从固体地球到海洋-气候笼统的多圈层耦合，像“预告气候笼不合样”推演地球展开走向。

研究团队正在展开青躲高原、东北火山等研究
，他们希看借此料想地质灾害
，带领深部找矿，处事矿产勘测和国度成本安然 。

将来，刘丽军的方针是把模型做成一个全球通用的开源“对象箱”，让全球同业都能用它试探地球 。为此，他们正在积极培养跨学科人才，打造一支复合型科研团队。

刘丽军信赖 ，这类有了了物理根本 、关乎地球安然的根本研究 ，幻想下场能像预告气候笼不合样精准模仿地球地质活动，让人类更了然地熟谙地球 、更科学地应对地质灾害 。

相干论文信息 ：

https://doi.org/10.1126/science.ady2027

《中国科学报》(2026-04-27 第1版 要闻)

（原问题 ：地下“拉扯”，培养最除夜超等火山）

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