航次介绍

一次难忘的海上经历——记IODP 351航次

        2014年5月30日,来自世界各地的30名科学家在日本横滨汇合,为了一个共同的目标——揭开“马里亚纳岛弧起源”的神秘面纱,登上了“乔迪斯•决心号”(JOIDES Resolution,以下缩写为JR)钻探船。在中国IODP的资助下,南京大学张朝晖教授、中科院广州地球化学研究所李贺博士和我三人代表中国IODP参加了IODP 351航次的海上科学考察。

 

        2014年5月31日,所有相关人员登上了JR科考船,经过几天的备航之后,2014年6月4日零晨, JR钻探船从日本横滨港本牧(Honmotu)码头缓缓启程,奔赴西北太平洋奄美三角盆地开始了这次深海钻探之旅。本航次首席科学家由澳大利亚国立大学的火山岩石学家Richard Arculus教授和日本地质调查局的火山岩石学家Osamu Ishizuka教授共同担任,其他来自中国、美国、英国、德国、法国、葡萄牙、瑞士、荷兰和巴西等11个国家的沉积学家、火山岩石学家、古生物学家、古地磁学家、地球物理学家和地球化学家(图1)一起参加了这一航次的科学考察。经过近2个月紧张、有序的工作,我们圆满地完成了本航次设定的目标,并于2014年7月30日顺利返回横滨港本牧码头,结束了这次难忘的西太平洋之行。

图1. IODP 351航次全体科学家合影

        1、航次背景 

        大洋岩石圈形成于大洋中脊,并在深海海沟俯冲到地球内部。岩石圈板块的形成和破坏是导致地球表层特征形成的最重要和最根本过程,是地球的物理和化学演化的主要驱动者。在过去的几十年中,尽管针对伊豆—小笠原—马里亚纳(IBM)沟—弧—盆体系的地壳特征、结构构造和时间演化,以及岩浆起源等问题已经开展了许多综合研究;并且对俯冲过程中伴随的岩石圈的形成已经有了很深的认识和理解,但是对于板块俯冲是如何开始的还缺乏直接的证据;而这却是全球板块构造循环的关键环节之一,也是大洋发现计划(IODP)这一新的科学计划所面临主要挑战之一。以往的研究表明,由奄美高原、九州—帕劳海岭(KPR,菲律宾海板块北部洋内岛弧IBM的一个残余弧)和大东海脊所包围的奄美三角盆地(图2)具有岛弧形成前的基底,上覆岛弧形成之初的沉积剖面,以及记录52Ma以来区域构造事件和KPR岛弧形成的沉积层序,因此是研究IBM形成与演化的理想场所。

 

        IODP 351航次正是围绕马里亚纳岛弧起源—洋内岛弧陆壳的形成:建造、起始和早期演化这一主题而展开的。本航次计划在KPR北部以西的奄美三角盆地IBM-1站进行钻探取样和测井研究,计划打穿上部沉积层,直至火山岩基底,在此基础上:(1)阐明中始新世俯冲开始之前已存在的地壳和地幔的性质;(2)识别、模拟俯冲起始过程和初始岛弧地壳的形成过程;(3)明确IBM弧古近纪成分的演化;(4)揭示奄美三角盆地的地球物理性质。另外,本航次还设定了3个次级目标:(1)早第三纪(或更老?) 西太平洋的古海洋状况;(2)东亚季风的形成和演化/气候变化对陆源物质输入西太平洋的调控作用;(3)琉球岛弧演化的火山灰记录。

图2. IODP 351航次钻探位置

        2、航次执行情况 

        本航次钻探的U1438站位于西北太平洋九州-帕劳海脊西侧的奄美三角盆地,水深4711米,共在4个孔取样,钻井总深度超过1706.3米,共获得古新世/始新世以来的火山岩、沉积岩和远洋沉积物样品共计1255米(平均回收率为71.8%);同时采集了大量的地质和地球物理数据,为进一步深入开展IBM岛弧的起源和演化提供了很好的材料。其中U1438A孔是采用活塞取样器(APC)采集样品,该站是为了满足部分科学家研究高分辨率的古气候和古海洋环境而临时增加的采样站位,共采集了26.5米长的无扰动深海软泥样品,记录了更新世以来的地质历史。U1438B孔是活塞取样器(APC)和延伸钻杆取样器(XCB)采集的无扰动高质量岩芯,共计钻进257.3米,获得约227米长的沉积物和沉积岩样品;其中上部168.9米采用定向活塞取样采集的中新世以来的连续沉积,沉积物主要由深海软泥浅(深)黄褐色和橄榄绿灰色软泥组成的互层沉积,其中夹有不连续的火山灰层,底部富含深褐色铁锰氧化物;为研究中新世以来亚洲大陆干旱历史和大气环流的演化提供了很好的材料。U1438D是旋转钻杆取样(RCB),从219米开始采样,直至897.8米,共钻进678.8米,获得523.2米长的沉积岩样品。U1438E同样是旋转钻杆取样,从867米开始取样,直到1611.1米完成航次的全部取样工作,共计钻进743.7米,采样回收率为60.6%;其中867-1461.1米为沉积岩,1461.1米至1611.1米为150米厚的基底拉斑玄武岩,其形成的年代与IMB弧前玄武岩的年龄大致相当(约50Ma),表明其主要形成于IBM俯冲初始阶段。本航次所采集的样品以及船上的初步研究结果为进一步深入研究IBM岛弧的起源和演化奠定了很好的基础。

 

        3、船上的工作 

        深海的岩石和沉积记录就像一本厚重的历史古籍,记载了地球系统近几十个甚至上百个百万年的形成和演化信息。如果想读懂这本书,就需要沉积学家、岩石学家、古生物学家、地球物理学家、地球化学家和古地磁学家从不同的角度来共同解读。沉积学家在船上的主要职责之一就是通过肉眼观察,同时借助于显微镜下的观察涂片和X-射线衍射(XRD)仪,以及所采集的到相关数据从沉积学的角度进行解读。作为本航次船上的沉积学家,我有幸在第一时间亲眼见证了西北太平洋从古新世至今几十个百万年的以来的火山岩、沉积岩直至远洋沉积物的整个地质演化的历史。我在船上的工作主要是岩芯描述,XRD数据分析和解释(图3),以及航次报告的撰写工作。由于这个航次上船的大部分科学家是火山岩石学家,他们对于沉积岩和火山岩的研究很有经验,而我多次参加西太平洋深海调查,对于西太平洋的沉积物相对比较熟悉,因此我们之间形成了有益的互补。通过对几百件沉积物/沉积岩样品XRD矿物相的分析,获得了始新世以来奄美三角盆地沉积岩和沉积物的主要矿物组成,及其演化规律。其中,中新世以来的连续沉积主要是由褐色和橄榄绿灰色的深海软泥组成,沉积物中包含大量的石英、云母、伊利石和长石等碎屑矿物,初步判定是源于亚洲大陆的风尘沉积,因此是研究中新世以来东亚大陆古气候的极好材料。通过船上的工作,不仅为本航次科学目标的实现贡献了自己的一份力量,还为航次后进一步深入研究中新世以来亚洲大陆的干旱历史、东亚季风以及西风带的形成和演化奠定了坚实的基础。

 

图3. 作者在船上工作

        4、航次的体会 

        尽管有十多次国内海洋调查研究的经历,并且数次作为航次的首席科学家执行过西太平洋的海上调查研究工作,甚至有国外科考船上的经历,但是这次的西太平洋考察经历是完全不同的体验。以下是我参加本航次的一些切身体会,记下来和大家分享。

 

        丰富的公共资源

        “乔迪斯•决心号”不仅仅是一个先进的采样平台,同时还是一个流动的大型实验室,这里有异常丰富的公共资源,包括各种分析测试的仪器设备资源,以及与之配套的人力和技术资源,包罗万象的各种专业书籍,网络资源,历史数据和现场采集的数据资源等。JR船上的活塞取样设备可以采集超过300米长的高质量的无扰动岩芯,从而用于长时间尺度、高分辨率的古海洋和古气候研究;旋转钻杆取样器可以采集水深超过8000米的固结的沉积岩样品,以及坚硬的火山岩基底样品,可用于研究中生代以来长时间尺度的地球演化历史。样品采集到甲板后,用于样品图像采集(如照相和颜色采集系统)、物理参数测试(如自然伽玛射线传感器记录仪、热导率仪等)、地球化学分析(如ICP-AES、气相色谱),古生物鉴定(如实体显微镜和扫描电镜)和涂片和矿物相分析(如实体和偏光显微镜、X-射线衍射仪等),古地磁参数测试(如超导低温磁力仪)等的仪器设备一应俱全,可以满足大多数基础研究的需要。JR船上配备有各方面的技术专家,遇到仪器设备和软件使用上的问题,都可以找到相关的专业的技术人员帮助解决,而不用自己去摸索问题出在哪里。参加航次的科学家包括各相关研究领域的专家,而且每个方向都有经验丰富的专家把关,遇到学术上的问题,你尽可以去寻找答案。另外,JR船上的会议室、实验室和图书馆都收藏了许多专业书籍可供大家阅读,学科的经典著作和重要的工具书都可以在这里找到,船上还收藏了深海钻探计划(DSDP)自1968年第一个航次以来所有航次的初始报告,可供随时翻阅。除了大量的书籍之外,还有大量的电子资源可供查阅。IODP、ODP和DSDP以往的航次报告和数据都可以下载,而且航次调查过程中产生大量的数据,都是共享的,只要你有足够的精力和智慧,你会发现这里有取之不尽的宝藏,这时候你只能感慨自己的精力太过有限,而不会去抱怨自己的工作得不到支持。

 

        除此之外,船上的每个实验室、健身房和餐厅都有与主机服务器相连接的显示屏,这些显示屏实时显示测井参数,工作人员的现场采样进展情况和天气状况,真是可以做到足不出户,就了解到船上的各种情况。

        爱岗、敬业的团队

        JR船上的工作人员是一群热爱生活和本职工作的专业团队,船上的几乎所有人都怀着极大的热情和激情去做好本职工作。从科学家、技术人员到后勤保障人员,你可以感觉到那种发自内心的对本职工作的热爱和全身心的投入。

 

        船上的科学家主要由年富力强的中青年学者组成,同时也有经验丰富的科学家,正是这些年近花甲的学界前辈,不仅用自己丰富的学识扶持年轻人的成长,同时也用他们严谨的学风、忘我的敬业精神和饱满的激情时时传递着正能量,成为年轻人学习的榜样。来自加州州立大学的Kathleen Marsaglia教授是一位非常有经验的沉积学家,我有幸和她同在白班承担沉积学方面的工作,并得到了她的热情帮助和指点。虽然Kathleen已近花甲,但是和我们这些年轻人一样每天工作至少12小时,午夜零点完成交接班后,还要经常加班到深夜,而第二天一早,你又可以看到她精神百倍地投入到新的一天的工作当中,这一点让我们这些还算年轻的后辈们深感钦佩。JR船上保存了以前很多航次的涂片,但是很多涂片的顺序和存放的位置已经很乱了,Kathleen利用自己的休息时间,将这些涂片进行了整理和归类,她还根据以往的DSDP/ODP/IODP航次的涂片和资料,编辑出版了关于如何鉴定硅质碎屑组分和生物成因组分的系列方法和图集,以供他人参考。从日常的交流中,你能时时感受到她对于科研工作的热情和投入,这些切身的体验将使我受益终身。

 

        本航次的摄影师Bill Crawford是又一个爱岗敬业的又一典型代表。他是学摄影出身,已到了快退休的年纪。从日常的生活和工作中,你可以深深地体会到他是多么地热爱摄影这一行。JR船上的岩芯照相设备是Bill自己研发设计的,这套设备为我们留下了许多高清晰度的岩芯照片,这些宝贵的资料为航次后的研究工作提供了可靠保证。在航次期间,Bill开课讲授与摄影相关的知识,如相机的原理和使用,图象处理软件的使用技巧,尽管有时听课的只有2-3个人,但是他讲起来津津有味,滔滔不绝,并且充满激情,恨不能把所有的知识都传授给你。只要你有关于摄影和照相机方面的问题,他都会非常热情地讲解,直到你弄明白。在船上你经常可以看到他背着心爱的相机出没于我们工作和休闲的场所,为我们留下了许多珍贵的美好瞬间。

 

        参加本航次的人员中有一位非常特殊的老先生Cotton Guess,他参加了DSDP 1968年的首航,迄今已有46年了。屈指算来老先生至少有70岁了吧,腿脚已不太灵便,但是出于对这份工作的热爱,Guess先生还是参加了这个航次。他的主要职责就是把从取样管提头中的样品取出来供古生物学和地球化学分析,因此他是船上采集的样品的第一个见证者。当他怀抱着提头样品一拐一拐慢慢地从Catwalk一端走过来的时候,令人不由自主地肃然起敬,你能充分地感受到他怀中抱着的那些样品就像是怀抱自己的婴儿,小心翼翼,又充满自豪。

 

        船上的技术人员训练有素,对工作充满热情。他们不仅要负责样品采集上来的样品切割、包装和航次后样品的分样,同样负责现场测试仪器的调试和维护,因此他们的工作很辛苦。但是一旦科学家有任何需要,如仪器测试样品时仪器出了故障,马上可以得到技术人员的热情帮助,而且往往是手到病除。David是岩芯实验室的一位技术人员,主要维护实验室计算机系统的正常运转。我向他请教关于沉积物的颜色方面的知识,他倾囊相授,并且将船上存档的一些文件一股脑拿出来,一本一本地翻给我看,把他认为有用的资料都抽出来给我,建议我去扫描或复印;这份真诚和敬业精神真的很让人感动。

 

        关于这样的人和事还有很多,正是出于对本职工作发自内心的热爱,驱动着他们投入了极大的热情和精力,而正是每个人都在发挥着最大的热情、贡献着正能量,才使得这样大型的综合性的科学考察在经历了几十年后,还依旧有这样旺盛的生命力。

 

        分享的乐趣

        来自不同国家的学术精英,围绕着一个共同的科学目标聚集在一起,在如此狭小、封闭的空间里,共度两个月的宝贵时光,这种经历对于每个参加航次的科学家来说都是千载难逢的好机会。大家可以随时随地通过各种方式进行交流,分享各自的经验、学识和智慧,在这里不同学术思想的碰撞,产生出智慧的火花,点亮了整个航次。

 

        按照惯例,船上的科学家被分成白班和夜班,每天白班/夜班的科学家会在下班前15分钟和夜班/白班的科学家进行工作交接,交流当天工作进展情况、新的发现或遇到的问题等,然后由白班/夜班的科学家再向首席科学家汇报,首席科学家也会将当天的采样进展情况、遇到的问题,以及天气情况等及时通报给大家。交接班往往是大家最兴奋的时候,大家可以畅所欲言地发表自己的观点,分享着这一天所看到的样品和观察到的地质现象,以及各自的研究成果,并进行异常热烈的讨论。此外,大家还通过其他的方式分享着自己的学识。如把自己读过的好文章分享在网上,或是打印出来贴在墙上,供大家阅读学习;或是把把自己的相关研究成果共享在网上,供人参考。此外,由于船上采集和分析的数据结果都是共享的,每个人都可以下载以用于研究。大家争相把自己最新的想法和分析结果共享在局域网络上,或者贴在墙上,或是通过报告的形式展示出来,分享给大家,让别的科学家以最快的速度了解到最新的研究结果;与此同时也从别人那里获得新的启发和思路。这种由分享带来的快乐感和成就感真是无以言表。

 

        除了分享自己的知识和经验之外,大家分享着自己的故事和经历,在日常的交流中,大家分享着从各自国家带来的零食(如巧克力、糖果和点心等),这也成了大家相互交流的一种方式,拉近了大家彼此之间的距离;在享受到各地不同的美食的同时,也了解的各地不同的文化和风俗。首席科学家Richard阅历丰富,涉猎十分广泛,并且善于讲故事,他经常在餐桌上或是聚会时绘声绘色地讲述和分享他的经历和学识,使我们受益匪浅,他还和我们讲述了上世纪80年代初第一次到中国四川峨眉山的有趣经历,让我们仿佛又回到了那个年代。

 

        船上有很多摄影爱好者,大家用自己手中的相机,记录着船上每天发生的事,然后上传到局域网上供大家欣赏和下载。有过出海经验的人都知道,海上日出日落的风景美轮美奂,美不胜收;在陆地上,尤其是在都市里生活的人无法想象,并且很难有机会欣赏到这样的美景。由于船上的科学家通常分成两个班次,白班(中午12点—零点)的科学家每天都可以欣赏到太平洋日落的美景,但是很少有机会欣赏到海上日出(因为这时候都还在梦乡);而夜班(零点—中午12点)的科学家则很少有机会欣赏到日落的美景。但是船上的摄影爱好者,尤其是首席科学家Richard,用他的相机和视角,捕捉到了很多美好的瞬间,并分享给每个人,为大家弥补了这样的缺憾。

 

        在航次结束后的晚宴中,Richard说他很高兴看到有越来越多的中国年轻科学家参与到国际性的综合科学研究队伍中,他认为中国的年轻一代已经成长起来,如果给他们同样的机会,他们会和欧美国家的科学家一样出色,甚至能做得更好。这时一种深深的自豪感油然而生,我想这不仅仅是对某个人的褒奖,而是对我们这代人和整个国家科技进步的一种肯定。正是有了日益强大的祖国作为后盾,才使越来越多的中国年轻人有机会在更广阔的国际舞台上展示中国科学家的风采,这是我们这一代人的幸运。

 

        感谢中国IODP的资助,为我们提供了这样平台和机遇。


中国科学院海洋研究所  蒋富清

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