近日，中国科学院南海海洋研究所张锦昌研究员及其国际合作团队在地球最大单体火山——大塔穆火山成因机制研究方面再次获得重大突破，揭示了地幔柱与洋中脊的相互作用是这座海底火山形成的新模型。2023年X月X日，该成果发表于国际顶尖学术期刊《自然·地球科学》(Nature Geoscience)上。
大塔穆火山（Tamu Massif）是西太平洋海底的一座死火山，位于日本以东约一千多公里的沙茨基海隆区内，占地面积相当于广东和广西两个省的面积总和，占据了整个沙茨基海隆超60%的面积。沙茨基海隆（Shatsky Rise）是全球排名第三大的洋底高原，仅次于太平洋的翁通爪哇高原和印度洋的凯尔盖朗高原，均属于海洋里典型的大火成岩省，即超级火山喷发地区。
▲全球三大洋底高原分布（研究团队供图）
关于大塔穆火山和沙茨基海隆的形成机制，在科学界一直存在着争议，主要观点有两种：（1）地幔柱模型，认为大规模岩浆活动是由源于地幔深部的高温地幔柱上升到地表引起的；（2）板块模型，认为大规模岩浆活动是由异常易熔的上地幔在海底扩张背景下减压熔融形成的，类似洋中脊，无需明显的温度异常。
从上个世纪开始，前人便在沙茨基海隆上开展海洋科学考察，积累了丰富的地球物理探测和岩石采样数据，学界也在不断找寻支持地幔柱模型或板块模型的科学证据，以解决关于其成因机制的争论。
2013年9月大塔穆火山被宣布发现，张锦昌及其合作团队通过分析地震探测和大洋钻探数据，指出盾状的大塔穆火山是地球上最大的单体火山，不但超过了夏威夷的冒纳罗亚火山，还能与火星上的奥林帕斯火山媲美。且火山上的溢流玄武岩结构符合地幔柱喷发超级火山的模型。随后他们团队再次出海考察，对大塔穆火山展开了精细的地磁测量。2019年，经对地磁数据分析发现，大塔穆火山内部具有条带状磁异常特征，这和海底扩张形成的洋中脊的地磁特征相吻合，符合板块模型。这两项成果分别于2013和2019年发表在《自然·地球科学》期刊上。
▲大塔穆火山海底地形图（研究团队供图）
但令人感到疑惑的是，地幔柱和板块两个成因模型都有上述重要的证据支持，二者之间难分胜负，也就是说，两个模型都无法单独地解决大塔穆火山的成因问题，因此急需建立替代模型去更好地解释现有的观测结果。
于是，张锦昌及其合作团队采用热力学-化学结合的数值模拟方法，建立了两个大塔穆火山形成机制的测试模型：第一个是单独海底扩张模型，第二个是地幔柱与洋中脊相互作用模型。模拟结果表明：单独海底扩张所需的地幔潜在温度，远远高于全球洋中脊系统的平均地幔潜在温度，不合乎常理；而地幔柱与洋中脊相互作用模型估算的地幔潜在温度适中，更为合理。另外，地幔柱与洋中脊相互作用模型估算的地幔熔融程度与前人基于地球化学元素的估算结果一致。因此得出结论：地幔柱与洋中脊相互作用是大塔穆火山形成的最合理模型。
▲洋底高原形成机制（研究团队供图）
张锦昌还补充道：“地幔柱与洋中脊相互作用的模型类似于‘1+1=2’的效果，但地幔柱是如何跟洋中脊‘加’起来的？这里面可能涉及地幔柱诱发洋中脊跃迁的动力学过程，目前还缺乏深入的研究。”
此次大塔穆火山的研究也给全球海洋超级火山的形成演化规律提供了启示。越来越多的研究工作揭示了海洋里的超级火山广泛发育在洋中脊之上或附近，例如上述的翁通爪哇高原和凯尔盖朗高原等。这意味着，诸多的洋底高原与洋中脊之间存在着很强的联系。那么，地幔柱与洋中脊相互作用是不是全球洋底高原形成的必要条件呢，还是说大塔穆火山只是个特例？这个全球普适性问题有待日后更多研究去解决。
此外，张锦昌研究员在早前接受万象曰采访时也曾就“海底火山有哪几种类型？”“为什么海底火山不会被海水浇灭？”“研究海底火山对我们人类的重要性”“海底火山喷发究竟离我们有多远？”等问题作出解答。以下为采访原文。
海底火山和陆地火山哪个更危险？
海底的火山和陆地上的火山在位置上是不同的，海底火山是在海洋里面的火山。整个地球30%的面积是陆地，70%是海洋。按照这个比例，在海洋里面的火山，应该要比陆地的火山更多。
在地质概念里，陆地上的火山是位于陆壳，即大陆的地壳，而海洋里面的火山位于洋壳。大陆的地壳是比较厚的，相对坚固、稳定一些；海洋里面的地壳相对较薄，也更活跃一些，从这个角度上来看，海洋里面的火山更容易喷发。
在灾害方面，陆地上城市很多、很发达，人口也比较密集，如果火山在陆地上喷发，肯定对我们的经济社会、人身安全、财产安全产生的灾害会更严重一些。
海底火山有哪几种类型？
根据不同的构造位置，海底火山大概被分为三种类型。地球表面的固体层（板块）是漂浮在软流层上面的，是可以动的，即地球板块之间可以活动。其中，有两类火山就形成在板块的边界。
第一种是洋脊火山，形成在板块的生长边界。当板块发生扩张的时候，火山就会喷发在大洋中脊上面，会形成一条条成千上万公里长的海底山脉。
第二种叫岛弧火山，形成在板块的死亡边界。板块向下俯冲，把水和含有碳的海洋沉积物、石头带到地球的深部，随着温度和压力的逐步上升会发生岩石的熔融，岩浆就会再次喷发回海底。
还有一种类型的火山叫作热点火山，它不发生在板块的边界，发生在板块的内部。热点是地球内部热物质集中的地方，就像家里燃气灶的火源一样，假设地球内部有一个火源，地球表面是一个固体板块，那火源会不断地烤着上面的板块，直到把这个板块烤穿了，岩浆就能在板块内部喷发出来。
为什么海底火山不会被海水浇灭？
第一点可能大家忽略了，火山喷发的高温高压岩浆是能够突破海水的压力喷发到海底的。
第二点，高温高压的岩浆源头在地球的深部，海水是进不去的，它浇灭不了火山的源头，只能浇灭喷发出来的岩浆。旧的岩浆被海水浇灭了，新的岩浆又跟着喷发出来，所以海水是没法从根本上浇灭海底火山的。
海底火山喷发究竟离我们有多远？
很多人都关心现在海底火山这么多，对我们的国家影响有多大。其实我们国家以及周边的海底火山主要分布在第一岛链，也就是说从日本到我们中国台湾，再到菲律宾。第一岛链上的火山都属于岛弧火山，岛弧火山数量比较多，动力也比较强，喷发起来的影响相对比较大，但是幸运的是它离我们国家相对还是远一点。
那离我们国家近一点，就是在我们国家的大陆架上，有零星的海底火山分布。例如我们海南岛以及雷琼地区，还有邻国越南、韩国都有零星的大陆架上的火山，这些基本都是属于热点火山，热点火山的数量不多，影响也相对比第一岛链的火山要小。
如果具体到我们所居住的粤港澳大湾区，算是更幸运的，因为在海底火山灾害方面还是相对比较安全的。
研究海底火山对我们人类的重要性
因为火山喷发是地球内部的物质和能量输送到地球表面的过程，所以研究不同类型的火山对认识板块运动、地幔对流等地球内部运行规律，以及整个地球的演化历史都是有重要指导意义。
随着科技的飞速发展，现在我们已经拥有了许多高精尖的科技法宝，可以用于监测海底火山以及相关的海洋环境变化，包括海底地震仪、水听器、海底光纤，还有深拖测量，浮标和锚系都能帮助监测火山。另外还能够做到很详细的原位测量，包括深潜器蛟龙号、奋斗者号、深海勇士。我们国家也正在建设海底观测网，将会在我国海域布设一个观测系统，它能够实现从海底到海面，长期、连续、实时、原位的综合观测。
有了系统性的观测网，我们就可以更好地了解火山的形成机制、环境变化，从而进行风险评估，给我们的防灾减灾提供非常好的理论基础和技术支撑。
张锦昌 | 大塔穆火山发现者之一，中国科学院南海海洋研究所研究员
广东省自然科学基金杰出青年项目获得者。近年来承担国家级、省部级、国际合作等十余项科研项目，作为联合首席科学家主持西太平洋海底火山调查航次。“地球最大单体火山”大塔穆火山相关研究成果入选Nature年度十大科学新闻以及广东省基础研究优秀成果汇编。