北極之謎：海底巖漿豐富還是極度貧瘠？

超慢速擴張洋中脊的巖漿是極度貧瘠還是豐富，一直以來是困擾科學家的難題。傳統觀點認為，超慢速擴張洋中脊的巖漿供給極度貧瘠。然而，最新的科學研究成果顛覆了這一學術觀點。

8月21日，《自然》在線刊發了中國工程院院士、自然資源部第二海洋研究所研究員李家彪領銜，中國科學院南海海洋研究所、南方科技大學、法國巴黎地球物理研究所等單位科學家合作的最新成果。他們首次在極端的北極環境中，發現超慢速擴張洋中脊的巖漿活動存在超強變化、部分區域甚至厚達9000米的地殼。

“這打破了之前國際上關于北極高緯度密集冰區無法進行海底地震儀探測的論斷，顛覆了學術界一直認為的‘超慢速擴張洋中脊巖漿供給極度貧瘠’的觀點，完善了地球板塊邊界動力學理論。”論文共同作者、中國科學院南海海洋研究所特聘研究員林間對《中國科學報》表示，該發現填補了國際研究空白。

探究“最后一塊拼圖”

深海洋中脊是地球表面最長的海底山脈，是洋殼與大洋板塊誕生的地方，孕育了大量礦產資源。地球上的超慢速擴張洋脊山脈，分別位于偏遠的西南印度洋與北極之下。早在2003年，林間與合作者對西南印度洋中脊進行探測，提出超慢洋中脊地幔動力學經典模型。

全球最大超慢速洋中脊位置圖。周志遠、林間供圖

由于北冰洋加克洋中脊海域常年冰封，開展冰下海底地震探測十分困難，成為地球板塊邊界動力學觀測上“最后一塊拼圖”。為此，李家彪發起了“北冰洋洋中脊國際聯合考察計劃”（簡稱JASMInE計劃），并于2021年帶隊前往北極加克洋中脊開展中國第12次北極考察。

記者了解到，李家彪團隊乘坐“雪龍2”號破冰船前往北極，歷時79天戰冰斗寒，克服作業海域超過80%海冰覆蓋、平均作業水深超過3500米的不利條件，共投放自主研制的海底地震儀（OBS）43臺，成功回收42臺，獲得大量珍貴的科學探測數據。

該研究面臨的主要挑戰是研究區域北極地區覆蓋著極厚的冰層，這給儀器的安置帶來了難題。幸運的是，“雪龍2”號憑借其全球首創的船艏和船艉雙向破冰技術，成功地克服了這一困難。

“我們利用破冰船在厚厚的冰層上開辟了一條‘水路’，然后迅速投放了海底地震儀等科學儀器。在破冰船的尾部，釋放空氣槍作為人工地震源，海底地震儀則負責接收這些信號。最后，破冰船返回并回收了這些儀器，研究團隊對收集到的數據進行了詳細的分析。”李家彪說。

論文第一作者、自然資源部第二海洋研究所研究員張濤介紹，基于這項海底深部探測和綜合調查，團隊驚奇地發現北極超慢速擴張洋中脊極端豐富和高變化的巖漿供給特征。“2015年，科學家們在西南印度洋中脊，也發現了超厚的地殼。將這兩種現象結合起來，我們突然醒悟，原來這種超厚的地殼很可能是常態，是超慢速擴張洋中脊特有的超強變化。”

提出地幔動力新機制

超慢速擴張洋中脊是海底擴張和板塊運動在地球表面留下的壯觀痕跡之一，它們以極低的速率擴張，形成了獨特的地質特征。根據地幔動力經典理論，洋中脊下的地幔，被板塊拖曳著向上運動而呈現被動上涌，稱為“被動地幔上涌”模式，形成的巖漿量（即地殼厚度）受擴張速率的控制。

“北冰洋加克洋中脊是典型的超慢速擴張洋中脊，科學家一直預測那里難以形成地殼，地殼厚度可能接近于零。”林間表示，最新研究提出了全球洋中脊系統均受主動和被動地幔上涌雙機制控制的新理論，改變了一直認為的超慢速擴張洋中脊巖漿極度貧瘠的觀點。

論文共同作者、中國科學院南海海洋研究所助理研究員查財財介紹，根據擴張速率的不同，全球洋中脊被分為快速擴張（全擴張速率大于80 mm/yr）、慢速擴張（全擴張速率介于20-80 mm/yr）和超慢速擴張（全擴張速率小于20 mm/yr）三種類型。傳統被動地幔上涌理論很好地解釋了從快速擴張到慢速擴張洋中脊的地殼增生，但在超慢速擴張洋中脊，理論預測與實際觀測存在很大偏差。

“新的發現挑戰了傳統洋殼增生的經典理論，揭示了超慢速擴張洋中脊局部大規模巖漿活動的普遍性，提出了全球洋中脊被動與主動地幔上涌雙控制理論。”李家彪團隊提出：在占全球洋中脊系統約20%的超慢速擴張洋中脊下，“主動地幔上涌”模式占據了主導地位。

《自然》評審專家對該項研究成果給予了高度評價，認為這是首次在北極地區進行大規模的冰下海底地震探測實驗。這一突破性的嘗試將極大地激發大洋中脊研究領域的研究興趣。研究中發現的地殼厚度變化非常顯著，并且測量結果與以往的傳統觀念存在較大差異。這表明需要采用新的理論模型來解釋這些發現，從而引起地球科學界的廣泛關注。

“該研究工作不僅豐富了地球板塊邊界動力學的理論，還提升了我們對超慢速洋中脊地幔動力學的理解，具有重要的科學意義。”林間表示，隨著研究的不斷深入，我們有望對超慢速擴張洋中脊的巖漿活動特征有更加全面和深入的認識。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07831-0