南太平洋环流区微生物学研究

——IODP 329航次介绍

张国良1， 张晓华2*，Expedition 329 Scientists

(1 中国科学院海洋研究所地质与环境重点实验室，青岛，266071；2 中国海洋大学海洋生命学院，青岛，266003)

        摘要： 南太平洋是地球上科学钻探最少、面积最大的海区，于2010年12月结束的综合大洋钻探计划（IODP）329航次对南太平洋环流区进行了科学考察。南太平洋环流区是世界上生产力最低的海区，且大洋基底从东端的东太平洋海隆附近一直延伸至西端的白垩纪洋壳。探索南太平洋环流区极低生产力下不同年龄的沉积物和玄武岩中的生命现象是该航次研究的核心任务，该航次有两个钻探剖面以进行对比研究：一个是沿纬线（~26°S）方向横穿环流区（基底年龄跨度为白垩纪中期至13Ma），另一个以~42°S为中心从环流区南部边缘向西南延伸（年龄跨度39-75Ma）。另外，由于研究区沉积厚度极低和基底年龄跨度很大，有助于解决一系列科学问题：如，该航次目标也包括洋底生命现象本质、岩石蚀变过程、西太平洋区域构造重建、地球动力学、Tonga-Kermadec俯冲工厂材料制约和冰期-间冰期地球环境变化等。本文详细介绍了该航次的科学依据、目标和执行情况。

        关键词：综合大洋钻探计划（IODP）；Expedition 329；南太平洋环流区；极低生产力

        1. 引言 

        深部生物圈是指海底沉积物表面以下到坚硬岩石之间的微生物圈层。深部生物圈是大洋科学钻探近年来最伟大的发现之一，也是全球科学家研究的热点。尽管洋底微生物存在的证据最早是由深海钻探计划（DSDP）提出的，而且“乔迪斯-决心号”于1999年就建立了一个专门的微生物实验室，但是直到2002年ODP 201航次才是第一个以探索深海生物圈为主要科学目标的航次。在IODP阶段，海底生物圈是综合大洋钻探计划的基本科学目标之一。与IODP 329航次不同的是，过去研究海底沉积物中生命现象的大洋科学钻探都位于大洋边缘（如，ODP 112、180、201、204，IODP 301、307）或赤道附近的大洋（ODP 138、201）。目前，地球大部分海区的生命现象还不为人类所了解，这在很大程度上是因为过去的航次忽视了对占据地球开放大洋大部分面积的环流区的研究。到目前为止，对位于远离大陆的大洋环流区沉积物中生命现象了解极少。已有的研究结果表明，大洋沉积物中微生物的种类繁多，许多类群与已知生理活性的微生物在系统进化上相差甚远，且不同洋区沉积物的微生物群落结构与洋底环境密切相关[1]。

        除了大洋沉积物中的生物活动以外，海底玄武岩也曾被认为是生物在地球上最大的潜在生存环境[2]。如，一些玄武岩玻璃中的蚀变结构被认为是海底生物在145 Ma基底存在的证据[2,3]；实验室研究也证实了微生物活动是玄武岩蚀变的重要因素[4]；微生物也能从玄武岩蚀变过程中汲取生命所需的能量[5]。尽管有以上证据，但是人类对海底玄武岩中生物活动的特征和生命存在的极限了解甚少，控制玄武岩随时间蚀变和玄武岩中生物生存所需氧化-还原条件的机制也几乎没被探索过。该航次提供了一个研究~100Ma内生物群落与洋底环境、沉积物覆盖和水文条件变化之间关系的契机。

        IODP_329航次以综合大洋钻探的认识“大洋生物圈”为研究目标，与过去航次的生物学研究不同，该航次将确定在一个特殊构造和海洋学背景下生命活动的物理和化学极限环境。该航次将记录极少能量来源维持的微生物过程，评估无氧条件下形成的氢气对大洋深部生物圈支持的程度，计算全球生物圈的生物量，以及记录极低沉积速率环境条件下海底玄武岩在~100Ma内为微生物提供化学环境的变化。航次通过横穿环流区和环流区边缘的两个钻探剖面，对比分析和研究环流区内的微生物活动和生物生存的物理、化学条件。

        另外，作为综合大洋钻探计划，该航次还有一些次要研究计划。如，（1）洋底玄武岩蚀变是一个普遍现象，通常认为洋底玄武岩蚀变过程受海水-玄武岩相互作用过程控制，沉积物厚度可能控制了玄武岩蚀变程度，因为一般正常沉积区玄武岩蚀变只能持续到10Ma，但这个理论是否能成立只能依靠极低沉积速率和基底年龄很大（>10Ma）的岩石蚀变过程研究；（2）航次第一个站位（U1365）基底是白垩纪中期形成的玄武岩，由于白垩纪中期是长达45Ma的正极超时期，没有磁条带反转存在，因此，西南太平洋区域构造一直是个谜，尽管近年来的地形调查有了一定的初步结论，但亟需实际钻探获得的玄武岩样品进行详细的年代学和地球化学分析，该站位玄武岩也是研究地球磁场正极超时期间地球动力学的理想对象；（3）过去对岛弧俯冲工厂的研究都集中于俯冲带形成的各种火山岩，而作为俯冲材料的蚀变洋壳却没有得到充分认识，该航次的U1365站位位于西南太平洋（Lau海盆）俯冲带前缘，代表了俯冲工厂的原材料，因此是理解岛弧俯冲带加工厂作用的新的视角；（4）古海洋研究方面，生物碳泵作用曾假设是导致过去1Ma内地球环境和二氧化碳含量变化的主要原因[6]，过去一个模型是：南太平洋较高的营养盐消耗导致了史前最近一次大冰期的低含量硝酸根和二氧化碳含量降低[7,8,9]，另一个模型则将最近一次大冰期二氧化碳低含量归因于硝酸盐增多导致的生物活动增强[10,11]，该航次测试沉积物孔隙水硝酸根和氧含量以验证以上模型。

        南太平洋环流区是距离大陆最远、生产力最低、面积最大和过去科学钻探钻孔最少的海区，因此，南太平洋是研究开放环流区沉积物中微生物活动特征的理想海区。为了达到以上科学目标，IODP_329航次计划在南太平洋环流区钻探7个站位的沉积物孔，其中横穿南太平洋环流区中心的三个站位分别钻探1个基底玄武岩钻孔，并在航次期间进行的相关沉积学、岩石学、地球化学和地球物理学等研究。

        2. 南太平洋地质背景 

   IODP_329航次调查区南北范围为24°S -46°S、东西范围为165°W-117°W（图1）。研究区水深范围为从西端的5697m逐渐较小至3738m。钻探北部剖面位于南太平洋环流区中心，这里的生物生产力极低，深海沉积速率也极低（0.1-1m/Ma）。北部剖面从西到东，洋底年龄从白垩纪（80-125Ma）逐渐减小到~13Ma（东部是东太平洋海隆），相应的，沉积物厚度从~120m逐渐减小到~20m。研究区西端是西太平洋俯冲带前缘和Hikurangi海底高原前缘，这里的站位U1365附近1 km处是DSDP 91航次的595/596站位。除U1365站位之外，其它站位洋底都具有明显的磁条带异常，均形成于超快速扩张的东太平洋海隆。南部剖面三个站位（U1369-U1371）是从环流区向外延伸，沉积速率逐渐升高。航次前期调查研究证实了该区除了U1371站位外，其它站位沉积物8m深处仍含溶解氧气量>150μmol/L[12]，是目前在大洋沉积物中观测到的溶解氧下渗最深的海区。

图1. IODP 329航次站位分布（U1365~U1371）

        3. 航次研究计划和目标 

        3.1 主要科学目标 

        3.1.1记录在极低生物总量的海底沉积物中微生物群落的生态环境、代谢活动、遗传组成和生物量

目前对大洋环流中心区域海底沉积物的微生物活动尚不清楚，如微生物的代谢速率如何？沉积物中微生物丰度为多少？都有哪些微生物存在？其微生物的群落结构与生物活性很高的海底沉积物相比有很大的区别吗？在这一生境下有特有菌群吗？南太平洋环流区以前从未被大洋钻探计划钻探过，其洋底沉积物是研究微生物生境、活性和群落组成的理想场所。

        3.1.2检验海洋学因素（如海洋表面生产力）是如何控制从南太平洋环流中心到边缘的沉积物环境、生物活动和生物群落的变化

航次前期调查的研究结果表明，在南太平洋环流区的浅层沉积物中的主要电子受体、生物的净活性速率和细胞浓度随环流内外海表叶绿素含量的变化而变化，而且很可能在环流内和环流外的各个站点也有不同[13]。IODP_329航次可以验证这些假设。

        3.1.3量化这些沉积物生物群落受水解提供电子（独立于海面光合作用过程）的支持程度

埋藏的有机质是边缘海和赤道洋区洋底沉积物中微生物的主要电子供体[1]。然而，在南太平洋环流区沉积物中的有机碳浓度非常低，原位水解作用有可能是该环境下微生物的主要电子供体。目前还不清楚有机质贫乏的沉积物生态系统对孔隙水原位水解的依赖程度，而本航次是确定以上假设的绝好机会。

        3.1.4确定基底环境、生物活动潜能，以及可能的微生物群落如何随洋壳年龄和水文环境变化（从洋脊顶部到深海平原）

海底玄武岩被认为是微生物在地球上最大的潜在生存环境之一，然而海底玄武岩中微生物的组成和分布规律尚不明确。本航次拟研究在世界大洋中沉积层最薄的海区在上亿年的基底发展史中，其基底生境和微生物群落是如何随洋壳年龄、沉积层性质、水文条件而发生变化的。

        3.2 次要科学目标

        3.2.1确定俯冲板块的蚀变类型和程度，并为研究蚀变洋壳对俯冲带过程影响提供参考

        航次的U1365站位位于Tanga-Kermadec岛弧俯冲带前缘，该俯冲带可能是世界上沉积物俯冲量最低的地区[14]。过去研究认为，岛弧岩浆活动特征反映了极低沉积物组分特征，而更多是蚀变洋壳的俯冲加工。但是，考虑到极低沉积物覆盖可能导致了特殊的洋壳蚀变特征，俯冲带加工厂“原材料”与其它地区明显不同，对该站位玄武岩矿物和化学组成研究可以揭示蚀变洋壳和沉积物对岛弧岩浆过程的相对贡献。

        3.2.2建立西太平洋构造史，验证Ontong Java, Manihiki 和Hikurangi洋底高原是否形成于一个地幔柱

        U1365站位玄武岩形成于白垩纪正超时（CNS）时期，区域上没有明显的磁条带异常，该地区的板块构造一直不清楚。尽管近年来有研究显示，该区域存在南北向扩张特征，这个板块的成因一直没有得到解决。尤其是，该区域的构造特征决定了Manihiki和Hikurangi高原是否与Ontong Java曾经是一个整体（超级地幔柱）[15]。对该站位岩芯进行年代学测试和通过FMS测井研究海底扩张方向，可以解决以上构造问题。

        3.2.3大于10Ma的洋壳蚀变特征和控制因素

        过去洋底玄武岩蚀变研究认为，洋中脊附近形成的玄武岩在最初的几百万年内蚀变作用将停止，因为玄武岩蚀变作用可能由于随年龄增长上覆沉积物覆盖增厚而阻止海水的下渗，从而阻止了海水对洋底玄武岩的蚀变作用。但事实上，相同年龄或沉积厚度的大洋基底玄武岩蚀变类型和程度也常明显不同。也有研究认为，随着玄武岩年龄的增长和蚀变作用的增强，洋壳孔隙变化也可能导致玄武岩蚀变作用的停止。目前尚不确定是玄武岩裂隙变化还是沉积物厚度的隔水作用对蚀变作用产生了控制。关于数百米厚的大洋沉积物覆盖是否能阻止大洋底玄武岩的蚀变作用仍缺少确凿证据，尤其是对沉积较薄、年龄较老的洋底玄武岩缺少基本的了解。

        辨别是沉积物覆盖或裂隙变化对阻止洋底玄武岩蚀变产生了影响，需要对沉积速率极低和年龄跨度很大的海域的玄武岩进行详细的蚀变岩石学研究。该航次研究区所有年龄的洋底沉积厚度都很薄。对这些不同年龄和沉积物厚度站位玄武岩的蚀变组合变化和裂隙特征进行分析，可以有助于揭示大洋中普遍存在的玄武岩蚀变控制因素。

        4. 航次执行情况

        综合大洋钻探计划（IODP）329航次于2010年10月13日从法属波利尼西亚的Tahiti岛起航，对南太平洋环流区进行科学钻探（站位为U1365-U1371），获得沉积物、基底岩石等样品，并进行船载微生物学、地球化学和岩石学研究，于2010年12月13日在新西兰的奥克兰市靠港，航次共历时65天。船上科学家共32位， 其中有微生物学家14位、无机地球化学家6位、沉积学家3位、岩石学家2位、有机地球化学家2位、古地磁科学家1位、古海洋学家1位、物理性质专家2位和测井科学家1位。

        4.1钻孔取芯成果

        对计划内7个站位（U1365-U1371站）总共钻探42个钻孔，每个站位钻取3-7个沉积物孔，其中U1365、U1367和U1368各完成了一个基底玄武岩钻孔。沉积物岩芯的获得采用APC （Advanced Piston Core）方法，除个别孔外，绝大多数回收率接近100%；其中在U1365站位，由于存在燧石（Chert），长度约15米，APC钻取进度较慢，回收率较低。玄武岩基底钻取在U1365站位较为顺利，由于岩石多为蚀变的巨厚席状玄武岩熔岩流，回收率很高，平均达到70%以上；U1367站位玄武岩主要是枕状玄武岩，回收率很低，平均低于10%；U1368站位基底玄武岩呈枕状玄武岩和席状玄武岩流相间出现，平均回收率约30%。

        4.2航次船载科学研究

        微生物学：

   由于该航次是以微生物学研究为主的航次，因此整个微生物学样品的采集过程都较以往的IODP航次细致。为保证采集的沉积物岩芯不发生过热现象，在洋底钻取岩芯后立即送回钻探船的伸展台进行标记和切割，然后才进行下一个岩芯的钻取；标记后的岩芯立即转移至低温室（4-10°C），并在进行微生物学处理前保持岩芯完整。此外，为保证所采集的岩芯没有受到外界污染，确保后期研究中所分析的是沉积物中的土著微生物及其活性，对微生物样品的全部取芯过程都进行了污染检测。该检测通过全氟碳化合物示踪物质（perfluorocarbon tracer, PFT）[16]及细菌大小的荧光微球来进行。对于不含氧气的沉积物岩芯，为防止厌氧微生物受到氧气的杀伤，样品处理过程需在无氧条件下进行。在环流区的所有站位，微生物细胞计数均低于过去航次钻探获得的相同沉积物深度的沉积物3-4个数量级。而且不同于其他海区的沉积物，大部分沉积物中有氧气穿透，因此对大多数站点的微生物培养均采用好氧培养。

        沉积学方面：

该航次获得的沉积物（U1365, U1366, U1369, U1370）主要由粘土组成。锰结核常出现在海底表面或者零星出现于沉积物岩芯中。燧石和变形（变质）沉积物出现于U1365和U1366站位下部。U1368站位水深最浅，其主要沉积物岩性为碳酸盐软泥。U1371站位正好位于Gyre区的南部边缘，沉积物主要岩性为硅酸盐软泥，底部沉积物含有一定的含金属沸石粘土矿物。

在环流区内部，平均沉积速率随着基底岩石年龄的减小而增加，尤其在U1367和U1368站碳酸盐软泥层位沉积速率更高。相似年龄的站位（U1366、U1370和U1371）对比分析结果显示，平均沉积速率大体上随着距离环流区距离增大而增大。

        沉积物地球化学方面：

在整个南太平洋环流区（U1365-U1370），沉积物溶解氧和硝酸盐存在于整个沉积物柱中，它们的含量变化指示氧气的丢失和硝酸盐的生成，表明海底以下的微生物呼吸作用极低。相对而言，U1371站位位于环流区南部的上升区，溶解氧和硝酸盐被局限于沉积物-海水界面附近和沉积物-玄武岩界面以上。很高的溶解Mn含量表明，Mn还原是主要的电子接受过程，可能存在很短的Fe还原段。在沉积物岩芯上部和下部边缘，溶解氧和硝酸盐的快速消失。

        在环流区的所有站位（U1365-U1370），总固态氮和总有机碳在上部沉积物中随深度增加而下降，在更深的深度基本保持恒定。相应的，在U1371站，总有机氮和总有机碳基本高于所有的环流区内部各站任何深度。溶解氧含量、溶解硝酸盐含量、总有机碳和总氮含量随着可计数细胞的消失而逐渐稳定。可计数细胞的在孔内的消失和可测量的氧还原性来自于有机电子贡献者。溶解氧、溶解硝酸盐、溶解磷和溶解无机碳在环流区所有站位沉积物中存在，这表明微生物的存在并不受沉积环境中的电子受体或主要营养物质（碳、氮和磷）的限制。

        溶解氢含量在所有站位沉积物的上部是低于检测限的。在更深处，氢含量逐渐增加至检测限以上。由于溶解氢气逐渐由原位水解所生成，溶解氢气的存在表明利用氢气的微生物活动在氢气含量可检测之处是减弱或不存在的。最下部沉积物溶解氧、DIC、溶解硝酸盐和溶解磷酸盐含量剖面显示，如果微生物存在于最上部玄武岩中，其并不受电子受体或主要营养物质的限制。

        在所有站位的沉积物中，溶解氧气在最下部沉积物中的存在表明或者（1）由于海水下渗而基底氧化会发生，或者（2）氧气在沿着流动路径过程中被上覆沉积物所吸收。在最老基底的站位中，基底玄武岩蚀变在成因流体活动时间内持续存在。然伽马射线测试、钻孔下天然伽马射线测试和岩石元素分析表明玄武岩蚀变过程均增加了钾元素的含量。

        岩石学方面：

        对三个站位（年龄分别为84-124Ma、34Ma、13Ma）的玄武岩进行岩芯描述和部分化学分析研究，初步揭示了岩石的斑晶和基质组成、熔岩流特征和岩石类型。这三个站位的玄武岩多为中等分异程度的拉斑玄武岩，熔岩流类型主要是枕状玄武岩和席状熔岩流，蚀变作用主要发生在熔岩流单元的边界或天然裂隙处。

        古海洋方面：

   沉积物孔隙水中溶解氯和硝酸盐的精确测试，有助于重建南太平洋环流区海水特征历史变化。该重建计划能够详细理解全球大洋气候系统。

        5. 航次计划研究展望

        国际综合钻探计划329航次首次对面积广大的南太平洋环流区展开研究，揭开了南太平洋综合地球科学研究的序幕，IODP_329航次结束后的330航次也将对南太平洋的Louisville海山链展开钻探。IODP_329航次计划科学目标在航次执行过程中得到了初步认识，例如，对南太平洋沉积物的微生物丰度变化、矿物和化学组成、溶解氢气和氧气变化、硝酸盐含量变化等有了较深入认识，对玄武岩岩芯的矿物和化学组成、蚀变类型和特征等也有了一定了解，另外，通过对钻孔的测井也了解了钻孔的温度和伽马射线等物理性质变化。航次结束后，参加航次的科学家将针对钻探科学目标展开更为详细的分析和研究，南太平洋科学问题的答案将逐渐被揭开。

        致谢：

        本研究使用了综合大洋钻探计划（IODP）提供的样品和数据。本研究由“中国综合大洋钻探计划（IODP-China）”和中国科学院知识创新工程重要方向项目“南太平洋洋底玄武岩蚀变的沉积物覆盖控制及其对地幔熔融和岩浆作用指示”（编号：KZCX2-EW-QN205）资助。

        参考文献：

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Research of Integrated Ocean Drilling Program (IODP) 329: The first scientific drilling across the South Pacific Gyre

Guo-Liang Zhang1， Xiao-Hua Zhang2*，Expedition 329 Scientists

(1 Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2 Ocean University of China, College of Marine life sciences, Qingdao 266003)

Abstract:

The South Pacific Gyre (SPG) contains the largest portion of the seafloor that has very low productivity and has never been explored with scientific ocean drilling. The Integrated Ocean Drilling Program (IODP) expedition 329 has surveyed the South Pacific Gyre, which extends from the southern East Pacific Rise to the east to the Lau Basin Front to the west. The primary object of the expedition 329 is to investigate the nature of the life in the SPG sediment and basalt basement with a very large interval of seafloor age. The IODP 329 has conducted two transects of drilled sites, with one centered at ~26°S (basement age from Cretaceous to 13Ma) and the other centered at ~42°S (basement age from 75-39Ma) in the southern portion of the gyre. The drilled sites with a large age interval is of importance to address a series of scientific questions, such as the nature of life in seafloor sediment with low biomass, the control factor of basalt alteration, the reconstruction of southwestern Pacific tectonics, the constraint on Tonga-Kermadec subduction material, glacia-interglacial ocean climate change, and so on. The paper will give a detailed introduction on the basis of scientific questions, objects and the shipboard implementation of IODP 329.

Keywords: IODP, Expedition 329；South Pacific Gyre, low productivity

Acknowledgement: This research used samples and/or data provided by the Integrated Ocean Drilling Program (IODP)