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科学大洋钻探:成就与展望

第18卷第5期2003年10月地球科学进展A DVAN C E I N E AR T H S C I E N CE SV o l.18 N o.5O c t.,2003文章编号:1001-8166(2003)05-0666-07科学大洋钻探:成就与展望柴育成1,周祖翼2(1.国家自然科学基金委员会地球科学部,北京 100085;2.同济大学海洋地质教育部重点实验室,上海 200092)摘 要:在回顾O D P学术目标的发展历史的基础上,按照地球环境动力学和地球内部动力学两大科学主题,对O D P在地球环境变化、作为环境变化营力的沉积物、流体和细菌、地球内部物质和能量的传递、岩石圈变形和地震作用等前沿领域所取得的主要科学成就进行了简单的介绍。

I OD P将以地球系统科学的思想为指导,利用多个钻探平台,以更为广泛的钻探领域和更深的钻探深度,对全球海底进行学术目标更为庞大、系统的科学钻探,并进一步加强与石油工业以及其它国际地学研究计划的合作。

关 键 词:O D P;I OD P;科学成就;科学目标中图分类号:P71 文献标识码:A0 前 言人类对海底的大规模科学研究已经经历了D S-D P(1968—1983)、O D P(1985—2003)两个阶段。

自1968年开始科学大洋钻探以来,人类在不断地扩大调查的范围,突破技术上的极限。

大洋盆地被证明是研究地球上的物理、化学、生物和地质过程及其相互作用的一个丰富的宝库和理想的全球实验室。

在过去30年中不断壮大的国际科学大洋钻探科学组织,已经成功地开始对上述过程的研究,这些过程包括气候的控制作用、流体在地壳中的大规模循环、地表以及地内生命的性质、岩石圈形成与演化的动力学等。

作为迄今为止历时最长、成效最大的国际地球科学合作计划,O D P将于2003年10月结束,取而代之的将是一个规模更加宏大、科学目标更具挑战性的新的科学大洋钻探计划,它就是综合大洋钻探计划(I n t eg r a t e d O cea n D r illi ng P r og r a m,I OD P)。

与D S D P、O D P仅仅依靠“G l o m a r挑战者号”或“J O I D E S・决心号”一艘钻探船的情况不同,I OD P 的一个主要特点是它将以多个钻探平台为主,除了类似于“J O I D E S・决心号”这样的非立管钻探船以外,加盟I OD P的钻探船将包括日本斥资5亿美元将于2006年投入使用的“地球号”立管钻探船。

美国国家科学基金会将于2004年提供一艘功能比“J O I D E S・决心号”更完备的新的非立管钻探船。

此外,欧洲一些国家在努力争取为I OD P提供一些上述两艘钻探船所无法涉足的、能在海冰区和浅海区进行钻探的钻探平台。

由于I OD P的上述特点,它的航次将进入过去O D P计划所无法进入的地区,如陆架及极地海冰覆盖区;钻探深度则由于立管钻探技术的采用而大大提高,I OD P也因此将在古环境、海底资源(包括气体水合物)、地震机制、大洋岩石圈、海平面变化以及深部生物圈等领域里发挥重要而独特的作用。

无论是对于认识短时期变化的关键过程(如发生在俯冲带的破坏性地震和岛弧的火山活动),还是对于了解人类之前的地球系统的长期自然变化(如大陆的张裂、破裂和漂移);无论是认识深部的地幔动力学及壳幔相互作用(如巨大火成活动区、板块俯冲工厂),还是了解地表浅部的各种作用过程(古气候变化、海平面变化);无论是认识海底固体矿产资源(如巨型硫化物矿床以及沉积物中的气收稿日期:2003-05-23.作者简介:柴育成(1957-),男,河南延津人,博士,主要从事地球科学基金管理工作.E- m a i l:c ha i yc @n s f c. g ov. c n体水合物),还是了解流体和细菌的各种地质作用,科学大洋钻探均不失为一种强有力的手段。

I OD P 与O D P更大的区别还在于,I OD P是用地球系统科学的思想指导其科学规划的。

回顾O D P的历史可以看到,O D P早期的科学规划中(C O S O D I I),其科学主题以及科学咨询机构基本是按传统的学科领域来划分的,如全球环境变化、幔壳相互作用、流体与全球地球化学通量、岩石圈的应力与形变等[1];到了1996年,O D P发现其科学主题和科学评价体系已无法适应新的情况,因此在其战略规划中,将科学主题分为地球外部动力学和内部动力学两大类[2],并相应地对O D P咨询结构也进行了调整。

而I OD P在制定其科学计划时,不再将地球系统分为内、外两个动力系统,而是看成一个内外相互影响、环环相扣的复杂系统。

如大规模的板块活动(如造山作用、俯冲作用)及其伴随的洋流循环和气候的变化,深刻地影响着生物进化和生物地球化学循环,洋底下流体的活动可以影响地震的发生、气体水合物的聚集,核幔边界的变化可以影响地球环境以及生命的演化历史等。

1 O D P的主要科学成就O D P始自1985年墨西哥湾的100航次,到2002年6月为止,“J O I D E S・决心号”共接受来自40多个国家的近2700名科学家上船参加考察,钻取的岩芯累计长达215k m,钻探最深达海底以下2111m,钻探的最大水深达5980m。

考察船的足迹遍布世界各大洋,与D S D P一起,在全球各大洋共留下了1700多个钻孔[3]。

虽然与全球海洋面积相比,这一数量相当于在约3个浙江省的面积上才有一个钻孔,但这些钻孔既增进了我们对地球的外部和内部动力学过程的了解,也为地球科学家们将今论古提供了大量重要的依据。

要全面介绍O D P 的科学成就已大大超出了作者的认识水平,我们在这里只能择主要者作一概要简介。

希望读者能与本专辑的其它文章结合在一起,以全面了解O D P的学术成就。

1.1 地球环境动力学1.1.1 地球环境变化(1)高分辨率新生代地质年代学的发展。

含化石的海洋沉积物剖面的完整获取,极大地增进了对地磁场极性倒转历史、生物进化历史以及全球海洋同位素成分变化历史之间相互联系的认识。

O D P 的一个主要成就就是将深海沉积物中记录的气候变化记录与理论计算的地球轨道参数的变化联系起来,论证了轨道参数变化在驱动气候变化中的作用。

以地球轨道周期为基础的高分辨率地质年代表,开创了地质年代学的新阶段。

如O D P138航次的研究,既建立起6M a以来按轨道周期调谐的地质年代表,也为10M a以来的磁性地层年表作出了改进,如将布容/松山期的界限改为0.78M a B P前[4]。

以O D P成果为基础的、经过重新校正的、且适用于全球的年代表对于确定发生在陆地和海洋的各种地质过程的速率来说,具有重要意义。

(2)十年至千年际的洋流循环变化。

科学大洋钻探所获取的保存在海洋沉积物中的记录清楚地表明,浅部和深部洋流循环是在十年至千年尺度上发生变化的,这一结论证实了对冰芯研究所得到的认识。

如北大西洋地区末次冰期旋回每隔1~3k a发生一次大气和海水温度的快速波动,其中一些变化与大规模冰盖溶化和冰屑排放同时发生。

O D P162航次研究表明,至少在过去的50万年以来,这样的快速变化事件记录在海洋中广泛分布[5]。

这种千年尺度的变化不仅仅是冰期的特征,而且在相对无冰盖的全新世也存在。

如一些科学家认为,发生在17~19世纪的“小冰期”变冷事件就与北大西洋环流的变化有关[6]。

O D P169航次在温哥华岛岸外获取的纹泥层序,记录了超高分辨率(次年度至百年时间尺度)的海洋沉积记录,有助于了解全球海洋/大气系统在人类时间尺度上如何运转[7]。

(3)瞬时气候事件(t r a n s i e nt c li m a t e e ve n t s)。

海洋沉积物分析获得的高分辨率气候记录已经揭示了极端“短暂”(几百至几十万年期间)的气候事件,可能是由于气候系统对内部反馈或外部驱动机制响应的快速转型。

极端温暖的瞬时事件包括古新世—始新世最热事件(P E TM,~55M a B P),全球深海、高纬地区和陆地温度在古新世—始新世界线附近(~55M a B P)极短的时间间隔内增长4~8℃,同时伴随着陆地和海洋植物、动物和微生物群的重大更替[8]。

寒冷的瞬时气候事件包括始新世—渐新世界线(E/O)附近(E/O事件),E/O界线附近,全球气温大幅降低,海陆生物均有不同程度的灭绝,南极东部冰盖首次出现,指示了气候变冷、变干的趋势[9]。

(4)气候周期演变中热带碳循环的作用。

O D P184航次南沙1143站5M a年的碳同位素记录展现出从40万年的偏心率长周期到1万年的半岁差周期,大大丰富了对于气候周期演变历史的认识,766第5期 柴育成等:科学大洋钻探:成就与展望 揭示出低纬海区太阳辐射量的变动引起季风、厄尔尼诺等热带过程的变化,导致碳循环的周期性变迁。

这类以岁差周期为基础的热带气候变化,很可能在第四纪时期还通过碳循环对冰期旋回的进程和规律产生影响,使得地球系统以低纬和高纬区互相作用,水循环和碳循环相互结合,短周期和长周期相互叠加的形式不断演化,表明第四纪气候旋回不仅有高纬区的冰盖驱动,而且有低纬区的热带驱动[10]。

(5)全球大洋缺氧事件。

深海沉积物反映在地质历史的某些特定时期,在大面积的海洋范围内表层海水的生产力特别高。

在这些时期,全球海洋出现一些缺氧层,大量的有机碳在海洋沉积物中以页岩的形式保存下来。

分布最广的白垩纪缺氧事件(120~93M a B P)是全球规模的,表明整个海洋都发生有机质分解,导致异常高的碳埋藏量。

最极端的事件发生在森诺曼期—土仑期交界时期(93M a B P),基本与白垩纪115M a以来最高温度事件同时出现,并表现为碳同位素正偏移和过量的生物碳埋藏[6]。

科学大洋钻探为海洋缺氧事件提供了新的启示,这对于了解全球气候和碳旋回的长期和短期变化,以及主要生油岩的形成时代,具有关键的意义。

(6)南极和北极冰盖的形成时代。

在南极和北极相关海域进行的D S D P和O D P已达28个航次,184个站位。

这些钻探研究发现了南极古新世末的增温事件、始新世大暖期、早渐新世冰盖增大事件以及新生代变冷的原因之争的洋流说等,为人类探测整个地球系统打开了异常广阔的视野。

O D P钻探证实地球在50M a以前进入现在的冰期状态,期间经历了从单极有冰到两极有冰到冰盖形成的过程。

O D P113、114、178、188等航次证明南极在40M a以前出现冰川,但大规模的冰盖的出现则在大约25 M a之后。

O D P151、152航次的钻探则表明北半球冰盖大约在15M a以后才开始发育,而北半球主要的大陆冰川作用则在4M a以后才开始发生[6]。

(7)撞击事件与生物进化。

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