在美国西部广袤的黄石国家公园地下，潜伏着地球上最大的“火药桶”——黄石超级火山。一旦苏醒，其喷发的火山灰足以覆盖半个美国，对全球气候产生影响。

然而，这座超级火山究竟是如何形成的？这一地球科学领域的“悬案”，长期以来困扰着全球科学家。

近日，一项由中国科学家领衔的研究，做出了颠覆性的认知。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、博士后曹泽斌与中外合作者，利用高精度“真实地球模型”，绘制出一幅不同于过往认知的画面：数百万年来地球岩石圈与软流层持续相互“拉扯”，驱动黄石火山喷发。相关研究4月10日发表于《科学》。

为何中国科学家要研究美国的火山呢？在采访中，刘丽军与曹泽斌讲述了一段跨越山海求学问道，而后相继归国潜心深耕的故事。

瞄准悬案

作为地球上现存最大超级火山，黄石火山在过去的210万年里曾两次发生超级喷发：208万年前，一次喷出了2500立方千米的固体物质；63万年前，喷发量达到1000立方千米。简言之，其喷发量可以达到曾导致庞贝古城灭亡的维苏威火山的“数百倍”。

超级火山会对环境、气候和人类社会产生巨大的影响，深入理解其运作机制对火山灾害预警有着重要意义。过去数十年，主流科学界普遍认为：超级火山的动力来源于地壳内长期积累的“岩浆房”——岩浆在自身浮力的作用下逐步聚集到岩浆房内，当岩浆房内的压力超过周围岩石可承受的极限时，地壳就会破裂或坍塌，岩浆快速上涌至地表，形成大规模喷发。

这套推理看似完美，却存在两个无法回答的“死结”。“第一是形成岩浆房的能量从哪来？维持超大岩浆房持续高温所需的热量，从地球演化来看无法持续供给；第二是形成岩浆房的空间从哪来？低密度的液态岩浆，物理上并不具备推开坚硬岩石圈的能力。”刘丽军一语道破其中的问题。

更关键的是，这一模型也不符合观测结果。近年来的高精度地球物理成像证实：黄石地下不存在纯液态岩浆房，取而代之的是纵贯整个岩石圈的“岩浆晶粥”——由来自地幔软流圈的液态岩浆与上覆岩石圈的坚硬岩石形成的混合体，黏度是普通岩浆的数十万倍。

同时，不同于传统模型里来自地球深部的上涌地幔柱导致垂直向上的岩浆分布，纵跨整个岩石圈的黄石火山岩浆晶粥系统会随深度增加向西南方向偏移，且仅在喷发前一小段地质时间内才形成大量液态岩浆。

然而，驱动这一复杂系统的机制尚不清楚，使得相关研究成为地球科学研究中备受争议的“悬案”。

刘丽军希望利用团队开发的“真实地球模型”回答这一问题，并把这个选题交给了学生曹泽斌。

故事要从2010年说起。从中国科技大学毕业后，刘丽军远赴美国，在约翰斯?霍普金斯大学、加州理工学院、加州大学圣地亚哥分校一路求学深造，接触到一项类似天气预报的技术——数据同化。简单来说，就是把海量观测数据按物理规律“喂”给模型，让数值模型能够逐步逼近真实地球。

“传统模型往往把问题简化，但真实地球非常复杂。”刘丽军说，他希望搭建的“真实地球模型”是，不预设结论、不强行简化，把真实地质、地震、地磁、地球化学、地球动力学数据全部纳入，让模型自己推导出地球的故事。

2012年到2022年，刘丽军从伊利诺伊大学香槟分校的助理教授成长为终身教授，带领团队不断深耕，打磨出高精度的北美大陆模型，从地表到地幔，将板块俯冲、大陆漂移、岩石圈变形等大尺度地质过程摸得一清二楚。

他的研究吸引了不少学生成为门内弟子。曹泽斌就是其中之一。2016年，刘丽军回国到浙江大学海洋学院作报告。台下，大三学生曹泽斌被他的理念震撼，报告结束后追着提问。2018年，曹泽斌本科毕业后就成为刘丽军的学生。

“我本科做地震波各向异性研究，地球动力学基础几乎为零，而这个方向要求地质、物理、数学、编程样样过硬。”曹泽斌坦言，“头两三年几乎都在补课，学习曲线很陡。”

刘丽军的研究思路是：先做好大尺度模型的“骨架”，再往细处“长肉”，做中小尺度验证。黄石火山作为典型中小尺度现象，正适合检验“真实模型”。于是，在刘丽军的指导下，曹泽斌从大尺度地幔流场做起，再一点点把岩石圈结构、岩浆房的“晶粥”结构等观测数据同化进黄石火山模型。

颠覆性“拉扯”

科研路上分分合合。2023年，刘丽军全职回国，入职地质地球所，决心把这套世界领先的地球系统模拟体系带回祖国。此时，曹泽斌博士毕业后前往普林斯顿大学继续深造。2024年，他追随导师的脚步，以博士后身份加入刘丽军团队，继续开展黄石火山研究。

这可谓是一场算力上的“马拉松”研究。刘丽军介绍，由于要把北美西部数十年的地震成像、地磁观测、地质演化数据，通过数据同化技术全部注入模型，构建起从地表到核幔边界的高精度三维动态模型，仅单个模型就要用600个CPU内核连续跑30多个小时，全项目累计消耗超 2000万个CPU核时，折算经费数百万元。

“常常是超算跑几天，结果不对就全部推倒重来。”曹泽斌回忆。

最终通过试错、迭代、优化，他们得到一个满足所有观测数据的最优模型，而且跑出了一个与过往截然不同的、极为宏大的动力学机制：从地表来看，整个北美大陆岩石圈板块在自东向西运动；但在现有岩石圈之下，北美大陆东部深处的古老法拉龙板块持续向大西洋下沉，像一个巨大的“抽水泵”，在周围形成强劲的“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了强大的东向牵引力。当软流圈物质经过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相互“拉扯”导致软流圈减压熔融，产生大量幔源岩浆。同时，这一拉扯使得黄石火山下方的地幔聚集了区域性的拉张应力，“撕裂”了该处的岩石圈，形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、迁移，并在该过程中不断演化，最终形成了黄石火山下方岩浆系统的形态。”论文第一作者曹泽斌比喻道。

这一发现颠覆了过往对火山“引擎”的认知。“岩浆在这里是结果，而不是原因。”论文通讯作者刘丽军强调，“是先有构造力把岩石圈‘撕开’了，岩浆才趁机涌上去的。这就好比先有了裂缝，水才会流出去；而不是水把石头撑开，再流出去。”

左侧：传统地壳岩浆房观点下的黄石超级火山岩浆系统示意图。右侧：大型岩浆晶粥视角下的黄石超级火山岩浆系统示意图。其中黄色到红色的渐变区域显示了纵跨岩石圈的大型岩浆晶粥结构。在这一结构中，少量液态岩浆和大量固体岩石混合形成了极其粘稠的岩浆晶粥。在岩浆晶粥结构以外，地壳和岩石圈地幔都以固态岩石的形态存在。受访者供图

这一机制可以广泛适用于其他活跃的火山，例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察加火山群和位于南美的阿尔蒂普拉诺火山，为未来进一步理解火山动力过程，预测火山活动性和预防火山灾害提供了新的地球动力学视角。

国际审稿人评价称，其首次实现了地球物理、地质信息和地球动力学数值模模型解释的优雅结合。美国犹他大学专家在该刊同期观点与评论文章中指出：“这一发现对于评估黄石火山系统及全球其他同类火山系统的灾害风险具有重要意义。”

这是刘丽军和团队发表的第五篇“顶刊”论文。谈及背后的“秘诀”，刘丽军笑着说：“我们的顶刊成果都不是计划出来的，做自己喜欢的问题，把工作做扎实，好的结果自然会来。”

打造地球“天气预报系统”

回顾研究历程，刘丽军表示，黄石火山研究的成功离不开跨学科合作。他所在团队聚焦高精度数值模型，地质地球所万博研究员团队主攻构造地质，陈凌研究员团队做地球物理成像，美国伊利诺伊大学的克雷格·伦德斯特伦教授则聚焦地球化学和岩石学。

“这是一个跨学科特点非常强的领域，每个人的方向都不一样，自然而然地就合作起来了。”刘丽军补充说，“我们组内也是，学生背景很广——有纯物理的、有数学的、有地质的。大家多交流，知识面就扩展开来了。”

至于黄石火山下次什么时候喷发？刘丽军说，那是下一步的事——“把岩浆怎么从地下上来的历史过程搞清楚，先回溯过去，才能预测将来”。

而黄石的突破，只是起点。刘丽军的终极目标，是“把整个地球搬进计算机”，构建“全地球系统模型”，实现从地核到地表、从固体地球到海洋—气候的多圈层耦合，像“预报天气一样”推演地球发展的走向。

如今，模型已经“搬家”，从北美大陆转向以中国为核心的欧亚大陆，研究团队正在开展青藏高原、东北火山等研究。他们希望借此预测地质灾害，指导深部找矿、服务矿产勘探和国家资源安全。

未来，刘丽军的目标是，把这个模型做成一个全球通用开源“工具箱”，让全球同行都能用它探索地球。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。

不过，他表示，目前这一领域的一个限制因素是“烧算力”，模型推演动辄耗费百万级别的机时费。早期在国外开展研究时，算力资源非常紧张，一年的机时预算往往跑几个模型就耗尽，团队只能事先反复检查模型参数，尽量减少无效计算；回国后，依托“天河一号”“北京云”“曙光智算”等国内超算平台，算力问题才得到缓解，但模型的细化过程依然艰难。为了让模型更贴近地球真实状态，团队需要不断加入新的观测数据，反复调整和细化模型结构，一个参数的修改就可能意味着重新在上万CPU核上花费数十小时的计算。

“常常是超算跑了几天的结果，发现与观测数据不符，就要推倒重来，这种反复试错的过程，是研究中最磨人的部分。”曹泽斌说。采访最后，刘丽军呼吁，国家和社会更加关注这类有明确物理根基、关乎地球安全的基础研究，最终实现像预报天气一样精准模拟地球的地质活动，让人类能更清晰地认识地球、更科学地应对地质灾害。

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https://doi.org/10.1126/science.aeg3511