航次介绍

追溯喜马拉雅隆升与亚洲季风的相互作用历史

  ——IODP 354航次报告

 

贾国东

 

中国科学院广州地球化学研究所

 

        1、航次计划与目标

        IODP 354航次计划在孟加拉沉积扇沿8°N的东-西断面上钻取6个钻孔(MBF-1~6,图1)以揭示喜马拉雅隆升与亚洲季风的相互作用历史,以及与之有关的碳循环和全球气候变化。具体目标主要有两个:(1) 计划在东经90°海岭的西翼钻取约1500 m深的能达到始新世的钻孔,以获取喜马拉雅的早期剥蚀记录,这在此前的钻探中都没有实现过。(2) 计划通过东西断面上布置的6个钻孔的综合对比,研究新生代亚洲季风的发展及其对孟加拉扇物质供应和通量变化的影响。除上述最深钻孔外,计划了另两个约900 m深的能达到中中新世的钻孔和三个约300 m深的能达到早更新世的钻孔。后三个浅钻将有助于了解在所研究断面上更新世期间孟加拉扇的河道-堤岸体系沉积中心的摆动情况。

图1. IODP 354航次各站位位置及其与沉积扇结构关系

        2、执行情况

        1月30日上午,包括本人在内的来自9个国家的33名科研人员在新加坡登上JOIDES Resolution船,开始了IODP 354航次之旅。在经过4天的靠港和船上培训与交流之后,于2月3日11点起航进入马六甲海峡,一路西行驶向孟加拉湾。2月7日早晨到达第一个目的站位,3月28日结束最后一个站位。整个航次期间气候一直稳定,风平浪静,使得钻探工作得以持续顺利进行。3月31日靠岸斯里兰卡首都科伦坡,结束整个航次。

        由于沉积扇的沉积物岩性和结构复杂,粗粒砂质沉积物较多,井壁稳定性差,钻头在钻进和提升过程中多次遇到卡堵现象,因此实际执行中基本上取消了原计划对每个站位的地球物理测井任务,节省出来的时间用于在断面最西端申请增加的一个浅钻站位,即第七个站位MBF-7(图1)。所有站位的水深介于3600 -3800 m之间,七个站位的粗略情况见表1。

表1. IODP 354航次站位简表

站位

执行时间

进尺 m

最老时代

U1449/MBF-6

2月07日—日10

0–214

早更新世

U1450/MBF-2

2月10日—17日

3月07日—11日

0–687 (A)

608–812 (B)

晚中新世

U1451/MBF-3

2月18日—3月6日

0–582 (A)

542–1181 (B)

始新世

U1452/MBF-5

3月11日—14日

0–218

早更新世

U1453/MBF-4

3月14日—17日

0–216

早更新世

U1454/MBF-7

3月18日—21日

0–162

早更新世

U1455/MBF-1

3月21日—28日

0–949

中/晚中新世

 

        由于沉积物浊流沉积发育,砂质物多,取芯率很高的APC取芯器难以穿透一些层位,而可以穿透沉积物的XCB取芯器的取芯率又极低,故在钻井过程中,对大多数井深700 m以上层段的取芯采用的是HLAPC取芯器,取芯长度4.7m;对于700 m以下的较硬沉积物,主要运用的是RCB取芯器。APC、XCB和RCB取芯器的取芯长度是9.5 m,故半长的HLAPC取芯器的长时间使用使工作效率有所降低,几乎每个井的最终进尺都小于原计划的深度。但是,从采集到的岩芯结果来看,原计划的工作目标基本上顺利达到了。

 

        3、岩芯概述

        浊流沉积发育是本次7个钻孔的共同特征,其岩性为硅质碎屑,由富含云母、以石英为主的砂、细砂、粉砂和粘土构成典型的递变层理。矿物组合特征与源自喜马拉雅的河流沉积物基本一致。在不同厚度的浊流层序之间通常夹有粘土——粉砂粒级的含有孔虫的杂色半深海沉积层,反映了附近海底河道重力流和浊流活动的周期性变化。而半深海沉积显然代表了河道——堤岸沉积体系的非活动期。由于对半深海沉积的定年有微体古生物、古地磁等可靠手段,因而浊流沉积的年代可以通过其上下层的深海沉积加以限定,这为研究浊流沉积与喜马拉雅隆升和气候环境演变之间的联系奠定了年代地层学基础。7个站位的更新世沉积表明,最近200 kyr来在孟加拉扇的中部和东部不存在明显浊流沉积;此前,一直到早更新世,浊流沉积与深海沉积交替,呈现出一定的周期性;而中——晚中新世和上新世则以各种规模大小不等的浊流递变层为主,而且往往有厚达数米的砂层存在,半深海沉积相对次要,似乎指示了喜马拉雅在这一时期的快速剥蚀和/或南亚次大陆强降水气候的持续存在;在最深的U1451B孔,860 m(约中中新世)以深,以浊流为主的沉积环境转为以富含碳酸盐和/或粘土为主的沉积环境,松软沉积物逐渐转为坚硬的沉积岩;而自1103.4 m(渐新世)直至底部(始新世),岩性则显示为泥灰岩、灰岩和粘土岩。渐新世以前的沉积似乎代表的是孟加拉扇形成前的半深海环境,但这一看法有待更深入的后续研究加以确认。此外,由于海水较深,微体化石受到较强烈溶蚀,地层年代学工作尚不十分肯定。特别是很关键的U1451B孔,尚难给出确切可靠的年代学结果。

        浊流沉积物,特别是上新世和中新世的浊流沉积物中富含高等植物残屑,肉眼清晰可辩,表明了一种快速的、未经陆地充分风化和降解的陆源有机质的埋藏过程。这无疑是一个显著而有效的自然碳汇过程,其碳汇贡献及对全球碳循环和大气CO2的影响虽然有待定量分析,但孟加拉扇的巨大规模使得这一碳汇机制必然会受到学术界的重视。

        在7个站位的沉积岩芯上部数米都存在数十厘米厚的Toba火山灰层,这不仅为沉积物定年和地层对比提供了可靠参考,也为研究这一更新世最大的火山活动和火山灰散布事件对大气和海洋环境的影响提供了很好的研究材料。此外,在U1455站位(与DSDP 218站位一致)的晚中新世层位,还专门针对南亚次大陆的C4扩张事件进行了详细的钻探取芯,为研究这一事件的海洋沉积记录获取了宝贵材料。

 

        4、船上生活与感想

        JOIDES Resolution考察船上的钻探设备、船体定位系统和通讯网络系统等都十分先进和完备。船舱内温度恒定于21°C左右,生活设施和服务也都很齐备和舒适,因此上船前携带的一些保健药品、零食、过多的衣物等则显得多余,但给我印象最深的还是船上的工作运行和管理情况。

图2. 作者在“决心号”钻探船上

        除两个首席科学家外,航次运行的另外一位关键人物就是IODP派出的Expedition Project Manager。航次前、航次间和航次后的活动都由他/她进行联系和组织,其组织和协调能力对航次活动的有效运行很重要。我们这个航次的Manager是Adam Klaus,具有很多次的航次管理经验。自我们上船的那一刻起,他能脱口而出每个来自不同国家的科研人员的名字,特别是对于来自中日韩等国口语不流利、相对沉默的人员,他总是主动打招呼聊天。在样品采集和分配、研究计划等方面出现冲突时,他起到了一定的平衡和协调作用;在航次中后期人员懈怠的时候,他多次鼓励提醒大家;在中午饭后,他还经常和同事在会议室操起吉他演奏和歌唱,丰富了相对单调的日常生活。他还很多次地组织大家去参观钻探设备、钻进施工过程、钻探控制系统、发电和电力管理系统等。为我们最大程度地了解船上设施提供了很大方便。其次,船上发生的事情及时开会通报。除了船上科研工作的进展和最新发现外,钻探施工的进展情况、钻井过程中遇到的困难与问题等也都会通知给大家;船上还有很多闭路电视,随时显示气候和现场施工情况。这样就使得每个人觉得航次的工作进展和环境状态是透明的、开放的,在一定程度上避免了心理上的压抑、紧张和封闭。第三,船上的安全和救生演练常抓不懈。有关责任人每隔几天都会到实验室检查消防和应急设备;每个星期日的弃船演练更是雷打不动,甚至在靠岸登陆前两天的周日还要进行。第四,尊重船上的每个工作人员。在船舱走廊墙壁上的一些地方贴有所有科研人员、技术人员、工人和服务人员的肖像照片和名字,这可能是为了使大家互相熟悉,但我想这也体现了对所有参加航次人员的一种尊重。对于船上的工人和服务人员,我们在短时间内是难以熟识的,在离船后也许就更无缘再见了。但大家见面时都会互致问候和微笑,这使得船上生活显得安逸和放松。

 

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