IODP 400航次上船科学家手记

2023年10月13日,由美国“决心号”科学执行机构组织实施的 IODP 400航次(西北格陵兰冰盖边缘)离开巴芬湾海域,结束了为期 2 个月的格陵兰冰盖西北边缘钻探研究工作。中国IODP派出中山大学张彦成副教授和自然资源部第二海洋研究所任健副研究员参加了该航次。经历了两个月的海上工作,两位科学家与船上科学家团队成功完成了航次海上取样研究工作。海上航行期间,在中国IODP办公室的组织下,两位科学家在船上还开展了2场精彩纷呈的“船–岸连线”科普直播,为云南大理的乡村中小学生揭秘格陵兰冰盖深处蕴藏的气候奥秘(图1),吸引了全网逾235万人在线观看。

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图1. IODP 400航次“船–岸连线”科普直播活动(左:任健;右:张彦成)

航次背景

全球变暖背景下,查明地球两极的陆地冰盖与气候系统之间的内在物理关联和动态耦合过程,对于精准预测未来人类活动驱动气候情景下的海平面升高和局域/全球尺度的生态系统响应至关重要。格陵兰冰盖是世界第二大陆地冰盖(面积约三万平方公里),目前已有多项研究结果表明,其全部融化后可能会导致全球海平面上升约至少7 m以上。然而,由于极地地区观测资料稀缺,目前对于不同时间尺度、不同气候背景下格陵兰冰盖变化及其与地球气候系统各组分之间的关联知之甚少。

IODP 400航次以IODP 909号建议书为科学基础,计划在格陵兰冰盖西北边缘的巴芬湾海域实施7个站位的连续钻探,以期获取一套晚渐新世至第四纪的综合岩芯地层序列,进而深入研究新生代以来西北格陵兰冰盖在过去气候变暖期的长期演化以及区域生态环境变化。

IODP 400航次主要的科学目标是:(1)查明更新世北格陵兰冰盖的发育演化历史,包括冰盖从陆架边缘发育到全部消融(如“超级间冰期”冰盖的消融)的完整变化过程;(2)检验新生代中期“冰室状态”早期冰盖对大气CO2浓度的响应;(3)揭示气候转型期(如中中新世、中更新世气候转型)北格陵兰冰川侵蚀历史及相应沉积过程变化;(4)重建古新世海洋环流以及穿过巴芬湾(Baffin Bay)和北冰洋通道的北向海洋热平流变化。

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图 2. IODP 400航次钻探站位

该航次拟钻探的站位纬度相对较高(约72°N-75°N),全部位于北极圈内(图2),同时考虑到大洋钻探船“决心号”没有破冰能力,IODP 400航次定于2023年8月13日–10月13日的窗口期从冰岛雷克雅未克进入巴芬湾海域执行作业计划。航次的船上科学研究团队由分别来自10个国家的27位科学家组成(图3,17位为女性科学家),首席科学家是丹麦和格陵兰地质调查局的Paul Knutz博士和美国科罗拉多大学北极与高山研究所的Anne Jennings博士。该航次在格陵兰冰盖西北边缘的巴芬湾海域开展了6个站位(U1603-U1608)的连续钻探,共获取了约2299米的深海沉积物样品,岩芯总回收率为51%,基本覆盖了晚渐新世-第四纪以来的高分辨率连续地质记录,成功完成了预定的钻探目标。

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图 3. IODP 400航次上船科学家团队

张彦成

船上工作:在航次执行过程中,船上科学家按照工作时间分成两组:白班组工作时间为中午至凌晨(12:00-24:00),夜班组工作时间为凌晨至次日中午(00:00-12:00),两班交替值班/休息。本人在船上担任物理性质和地层对比科学家(图4),与另一位日本科学家Yuka Yokoyama负责白班工作,主要负责岩芯常规物理参数(包括:γ射线、磁化率、干/湿密度、导热率、纵波波速等)扫描、后期地层对比分析及相关站点报告的撰写等工作(图5)。 

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图 4. 张彦成讲解航次后初步研究计划

测定岩芯沉积物中的γ射线是分析深海岩芯物理参数的首要步骤。当约9.5米长的岩芯在甲板层被切割成6-7支不超过约1.5米长的岩芯段后,即可直接将整支全岩样芯送入Natural Gamma Radiation仪器进行测试(简写为NGR,需约12分钟每次),测定K、U、Th等元素,以初步判定岩芯中沉积物来源或物源区风化强度等信息。而后,将上述全岩芯静置约4-5小时待其恢复至室温(约20°C)后,再送入Whole Round Multisensor Logger(WRMSL)进行磁化率、湿密度、纵波波速等参数(需约6分钟每次)测试,用于地层比对分析和建立综合岩芯序列,特别是在同一站位不同钻孔之间进行地层对比。此外,还会对每根岩芯进行湿密度、导热率、纵波波速等参数的测试工作,用于对比仪器扫描获取的相关参数并进行校正。

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图5. 张彦成进行物理性质参数测试

船上生活:初登“决心号”科考船的我格外兴奋与激动,特别是在参观了船上的各个部门之间协同工作计划、轮班休息等工作流程后,觉得船上所有人按部就班即可完成海上取样任务。但正式取样工作开始后,各种海况突发(尤其是在U1603、U1604站点作业时,冰山出现次数超乎预想),导致岩芯钻取工作格外坎坷。尽管如此,但船上科学家互相鼓励,特别是之前参加过极地航次的多名科学家纷纷出来现身说法,这些经验仿佛风一般吹散了年轻科学家身上的困惑与迷茫;慢慢地大家在全心投入取样和室内分析工作的同时,渐渐能够欣赏甚至调侃船舷边上的各种冰山“美景”(图6)。9月中旬以后,海况较之前开始好转,船上科学家/工程师之间的配合也达到了空前默契;闲暇之余,大家还会在船上实验室或甲板上欣赏大海的各种美景,特别是海上日出和日落,天气好的时候还能远眺格陵兰岛。

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图 6. “决心号”遇上冰山

航次感想:自初登“决心号”考察船伊始,我就怀着好奇、忐忑的心不断了解船上工作的组织方式和各项基本流程。特别是船上的管理/技术部门、后勤保障人员和科学家之间经过仅一周的短暂磨合便能高度配合并协同一致进行作业,给我留下了深刻印象,极大地开拓了我的视野。船上不同小组科学家之间的协调配合为航次后研究计划的开展奠定了坚实基础,科学家们对于不同数据的实时分析与全面解读(例如,每天中午的crossover时间,时长仅约30分钟),使我对深海沉积物中的各种地球化学指标的理解更为深入。

非常荣幸能够受到中国IODP的选派参加IODP 400航次。该航次在高纬度海域获取的一整套晚渐新世-第四纪以来的高分辨率连续地质记录,将通过在航次后分析提供不同时间尺度上格陵兰冰盖与气候变化之间的耦合特征,为理解地球气候变化历史及其物理机制提供新认识。远赴大洋深处的两个月虽然辛苦,但取样时的激动仍旧在脑海中浮现。预祝IODP 400航次后研究取得丰硕成果!最后,衷心感谢IODP中国办公室的支持和帮助!

 

任健

船上工作:我以微体古生物专家(硅藻)的身份参加航次,主要负责硅藻生物地层学的构建,并利用硅藻组合重建古海洋环境。微体古生物组共有5人组成,除了我以外还有来自瑞典斯德哥尔摩大学的有孔虫专家Helen Coxall,美国卫斯理大学的有孔虫专家Raquel Bryant,荷兰乌得勒支大学的甲藻孢囊专家Mei Nelissen,以及德国柏林自然历史博物馆的硅藻专家Volkan Özen。首席科学家之一Anne本身也是底栖有孔虫专家,所以她经常抽空来微古实验室看显微镜,为建立生物地层框架提供了更多关键信息(图7)。

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图7.  任健(左)鉴定硅藻化石;(右)微体古生物组合影(左起:Raquel,Volkan,Anne,Mei,Helen,任健)

由于微体化石种类繁多,所以我们组内根据化石类别又分成三个工作小组,包括有孔虫组、甲藻孢囊组和硅藻组。我和另一位硅藻学者Volkan之前并不相识,上船之后开始一起搭建实验分析方法,确立鉴定细节,之后共同完成了6个站位的硅藻鉴定工作,合作相当愉快。Volkan比较熟悉古近纪硅藻生物地层学,而我则更了解中新世以来的硅藻化石,所以我们能比较全面地覆盖了新生代的硅藻演化史。航次前,我们也搜集了北太平洋、南大洋、赤道大西洋大量的硅藻地层学资料。尽管做了充分的准备,由于北大西洋高纬地区硅藻生物地层学资料相对较少,尤其是巴芬湾几乎没有以往大洋钻探的文献(仅有ODP 105航次645站位)。这让我们在航次初期建立硅藻生物地层学时仍有些信心不足。但后来通过查阅资料、对比硅藻形态等,我们终于克服了困难,与其他微体古生物专家以及古地磁专家确立了比较可靠的年龄框架。

微体古生物组是科学家中最早接触岩芯样品的小组。每当船上广播响起“core on deck”的时候,就意味着一名微体古生物组的科学家要拿着瓷碗去甲板采集样品。尽管每次取回的样品不多(约5 cm厚),但其中蕴藏有指示岩芯年龄和古环境的重要化石信息。取到样品后微古实验室就开始飞速运转起来:前处理、制片、镜下鉴定、推测年龄与环境(图8)……。在浅水区作业时,由于岩芯钻取速度较快,经常会遇到手头的样品还没鉴定完,但新样品已经进实验室的情况。这种情况下压力就会比较大。好在看显微镜的人大多能沉得住气,所以压力之下也能不急不躁地消化积压的样品,有序完成鉴定任务。

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图8. (左)在采样甲板取样品;(中)取得的底部岩芯样品;(右)在微古实验室前处理样品并制片

工作之余,除了积极准备和参加IODP中国办公室组织的两场船岸连线之外,我还多次参与了IODP科普专员组织的连线活动,向全世界的观众介绍了“决心号”上的科研工作,尤其是硅藻生物地层学的工作内容和研究意义(图9)。世界各地的大小观众对显微镜下的世界如此好奇,提了许多问题,倒是出乎我的意料。这让我对硅藻研究更加自豪。

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图9. 为IODP科普专员组织的连线活动讲解 

船上生活:我曾参加过多次大型海上科考。与这些航次相比,IODP航次有许多特别之处。船上实行12小时工作制,刚开始容易疲劳,但适应之后,这种模式工作效率更高。下班的人也能在客舱中充分休息。每天两次交接班是船上最热闹的时候,早晚班的科学家交流采样和分析的结果与问题,商量解决之道。思维碰撞堪比小型学术会议。为了让科研人员更好地投入工作,船上还配备了22名实验员和技术员,全方位协助解决实验室中遇到的几乎所有问题。“决心号”上的后勤保障细致到位。为满足不同排班人员的需求,厨房每天4次制作不重复的各地美食,此外还有24小时供应的各种糕点和饮料。船上甚至有一个设施齐全的健身房,供大家在工作之余消耗额外的精力。另外,船上还提供快速贴心的洗衣服务,上班前把穿过的衣服放在门口,下班时就能收到干净整齐的衣服了。完全解决了科研人员的后顾之忧。

这是我第四次参加北极科学考察,但却是第一次乘坐非破冰船进入北极圈。受洋流影响,夏季的巴芬湾没有海冰,所以“决心号”可以安全进出。不过由于这里靠近格陵兰冰盖,有另一种任何船都不愿遇上的危险因素——冰山。北半球的绝大部分冰山都是从西格陵兰进入海洋,漂向大西洋。为了应对这种情况,船上专门聘请了两位冰山观察员,负责24小时不间断观测“决心号”周围的冰山。当冰山靠近时,岩芯钻探就要暂停作业。IODP 400航次期间,我们被冰山逼停采样近10次。但“无限风光在险峰”,危险的冰山也带给我们无数难忘的美景(图10)。

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图10. (左)夕阳下的冰山;(右)庆祝生日

这是我第四次在船上过生日,但却是第一次吃到特制的生日蛋糕(图5)。IODP 400航次有6名科研人员过生日。糕点师为每个人都精心准备了特制的蛋糕,色香味俱全。写满全船科考人员祝福语的生日贺卡充满人情味,在寒冷的北极圈也令人感到暖意。我的贺卡上有人手绘了硅藻,祝我找到更多的硅藻,给了我十足的工作动力。

参航感想:这是我第一次参加IODP航次,上船前充满了兴奋和紧张。对于古海洋人来说,参加IODP航次是一次学习,也是一场朝圣。无数学界巨擘都曾在这里工作,无数重要的理论也滥觞于此。楼梯间里大洋钻探历年的航次logo展示着它辉煌的历史,可以说“决心号”上处处都是故事。虽然航次只有2个月,但在这个国际大平台上,我和各国学者一起采样、分析、学习,结下了深厚的友谊。在未来的几年中,希望能挖掘西北格陵兰过去气候变化更多的奥秘。

这应该也是我最后一次参加“决心号”的IODP航次。很遗憾功勋卓著的“决心号”明年就要退役。IODP也会进入新的赛道。令人欣喜的是,我国首艘大洋钻探船已经实现船体贯通,全面建成指日可待。希望有越来越多的中国科学家参与到大洋钻探事业中,引领未来国际大洋钻探的进一步发展。也希望未来我有机会能登上我们自己的大洋钻探船参加科考,为中国大洋钻探贡献自己的绵薄之力。

最后,感谢中国IODP提供宝贵的参航机会!祝IODP 400航次后研究取得重要成果。