北极之谜：海底岩浆丰富还是极度贫瘠？

超慢速扩张洋中脊的岩浆是极度贫瘠还是丰富，一直以来是困扰科学家的难题。传统观点认为，超慢速扩张洋中脊的岩浆供给极度贫瘠。然而，最新的科学研究成果颠覆了这一学术观点。

8月21日，《自然》在线刊发了中国工程院院士、自然资源部第二海洋研究所研究员李家彪领衔，中国科学院南海海洋研究所、南方科技大学、法国巴黎地球物理研究所等单位科学家合作的最新成果。他们首次在极端的北极环境中，发现超慢速扩张洋中脊的岩浆活动存在超强变化、部分区域甚至厚达9000米的地壳。

“这打破了之前国际上关于北极高纬度密集冰区无法进行海底地震仪探测的论断，颠覆了学术界一直认为的‘超慢速扩张洋中脊岩浆供给极度贫瘠’的观点，完善了地球板块边界动力学理论。”论文共同作者、中国科学院南海海洋研究所特聘研究员林间对《中国科学报》表示，该发现填补了国际研究空白。

探究“最后一块拼图”

深海洋中脊是地球表面最长的海底山脉，是洋壳与大洋板块诞生的地方，孕育了大量矿产资源。地球上的超慢速扩张洋脊山脉，分别位于偏远的西南印度洋与北极之下。早在2003年，林间与合作者对西南印度洋中脊进行探测，提出超慢洋中脊地幔动力学经典模型。

全球最大超慢速洋中脊位置图。周志远、林间供图

由于北冰洋加克洋中脊海域常年冰封，开展冰下海底地震探测十分困难，成为地球板块边界动力学观测上“最后一块拼图”。为此，李家彪发起了“北冰洋洋中脊国际联合考察计划”（简称JASMInE计划），并于2021年带队前往北极加克洋中脊开展中国第12次北极考察。

记者了解到，李家彪团队乘坐“雪龙2”号破冰船前往北极，历时79天战冰斗寒，克服作业海域超过80%海冰覆盖、平均作业水深超过3500米的不利条件，共投放自主研制的海底地震仪（OBS）43台，成功回收42台，获得大量珍贵的科学探测数据。

该研究面临的主要挑战是研究区域北极地区覆盖着极厚的冰层，这给仪器的安置带来了难题。幸运的是，“雪龙2”号凭借其全球首创的船艏和船艉双向破冰技术，成功地克服了这一困难。

“我们利用破冰船在厚厚的冰层上开辟了一条‘水路’，然后迅速投放了海底地震仪等科学仪器。在破冰船的尾部，释放空气枪作为人工地震源，海底地震仪则负责接收这些信号。最后，破冰船返回并回收了这些仪器，研究团队对收集到的数据进行了详细的分析。”李家彪说。

论文第一作者、自然资源部第二海洋研究所研究员张涛介绍，基于这项海底深部探测和综合调查，团队惊奇地发现北极超慢速扩张洋中脊极端丰富和高变化的岩浆供给特征。“2015年，科学家们在西南印度洋中脊，也发现了超厚的地壳。将这两种现象结合起来，我们突然醒悟，原来这种超厚的地壳很可能是常态，是超慢速扩张洋中脊特有的超强变化。”

提出地幔动力新机制

超慢速扩张洋中脊是海底扩张和板块运动在地球表面留下的壮观痕迹之一，它们以极低的速率扩张，形成了独特的地质特征。根据地幔动力经典理论，洋中脊下的地幔，被板块拖曳着向上运动而呈现被动上涌，称为“被动地幔上涌”模式，形成的岩浆量（即地壳厚度）受扩张速率的控制。

“北冰洋加克洋中脊是典型的超慢速扩张洋中脊，科学家一直预测那里难以形成地壳，地壳厚度可能接近于零。”林间表示，最新研究提出了全球洋中脊系统均受主动和被动地幔上涌双机制控制的新理论，改变了一直认为的超慢速扩张洋中脊岩浆极度贫瘠的观点。

论文共同作者、中国科学院南海海洋研究所助理研究员查财财介绍，根据扩张速率的不同，全球洋中脊被分为快速扩张（全扩张速率大于80 mm/yr）、慢速扩张（全扩张速率介于20-80 mm/yr）和超慢速扩张（全扩张速率小于20 mm/yr）三种类型。传统被动地幔上涌理论很好地解释了从快速扩张到慢速扩张洋中脊的地壳增生，但在超慢速扩张洋中脊，理论预测与实际观测存在很大偏差。

“新的发现挑战了传统洋壳增生的经典理论，揭示了超慢速扩张洋中脊局部大规模岩浆活动的普遍性，提出了全球洋中脊被动与主动地幔上涌双控制理论。”李家彪团队提出：在占全球洋中脊系统约20%的超慢速扩张洋中脊下，“主动地幔上涌”模式占据了主导地位。

《自然》评审专家对该项研究成果给予了高度评价，认为这是首次在北极地区进行大规模的冰下海底地震探测实验。这一突破性的尝试将极大地激发大洋中脊研究领域的研究兴趣。研究中发现的地壳厚度变化非常显著，并且测量结果与以往的传统观念存在较大差异。这表明需要采用新的理论模型来解释这些发现，从而引起地球科学界的广泛关注。

“该研究工作不仅丰富了地球板块边界动力学的理论，还提升了我们对超慢速洋中脊地幔动力学的理解，具有重要的科学意义。”林间表示，随着研究的不断深入，我们有望对超慢速扩张洋中脊的岩浆活动特征有更加全面和深入的认识。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07831-0