航次介绍

嘿!岩芯哥今年你多大·航海记(3)—IODP378航次

 

 

 

一、导言:

      从斐济出发,一艘载着31名科学家的科学钻探船“乔迪斯·决心号”正一路向南,航向亚南极海域,为了钻探6600万年前至2300万年前的地球沉积物,揭开地球历史中一段叫做“古近纪”时期的气候、环境及生物变化奥秘,以应对未来地球将发生的变化。我是余一鸣,来自上海自然博物馆(上海科技馆分馆)的公众传播员,受国际大洋发现计划中国办公室(IODP-CHINA) 资助,在IODP第378航次中担任“决心号”科学传播专员。我将在这里介绍整个探险经历,欢迎关注!

 

南太平洋海域“决心号”日落 ©Ursula Röhl & IODP

 

 

二、正文

  • 1“今年多大了?”

      这是每逢过年被问得最多的几个问题之一,在“决心号”这艘基本全是歪果仁科学家的船上,我“冒着生命危险”问了他们,得到了非常有趣的回答:

 

      “我1991年出生,如果用韩国的虚岁算法我是30岁,因为在韩国一出生就已经算作1岁了,不过其实我只有28岁”

——江原大学PhD小哥(韩国)

      “按中国年份的话,我的属相是蛇”

——法兰克福大学微体古生物博士(德国)

      “Well,这是我博士第三年(年龄是隐私……你懂我意思吧?)”

——海德堡大学PhD女士(德国)

 

IODP378航次科学家emoji头像

 

 

      我们可以看到,不仅计算年龄的方法五花八门,而且实际生理年龄又是个人隐私,还真是够复杂的!话归正题,那面对纷繁复杂的岩石或者沉积物,地质学家又是如何得它们年龄的呢?毕竟岩芯又不能说话。

      这里给大家安利两套基本思路

  1. 绝对年代测定:测量岩石或者地质事件的绝对年龄值,例如:法兰克福大学江原大学PHD小哥28岁。
  2. 相对年代测定:把一系列岩石或地质事件按照时间先后进行排序。例如:某海洋研究者出生比江原大学PHD小哥早,因此某海洋研究者>江原大学PHD小哥;

 

  • Ingrid Hendy观察“决心号”岩芯样品 ©Yiming Yu & IODP

 

      在多数情况下,地质学家们会把以上两套方法结合使用。

      其实早在詹姆斯·哈顿(James Hutton)开创现代地质学之前,科学家们就一直想知道岩石的年龄。最开始人们使用相对年代测定的方法确定岩石形成的先后顺序。直到1949年,威拉德·利比(Willard Libby)发明了碳-14测年法,开启了放射性同位素地质年代学。1953年,克莱尔·彼得森(Claire Patterson)使用铀铅法(U-Pb)测出地球年龄,自此,地质学家们解决了岩石年龄的问题。在其后的60多年时间里,分析技术迅猛发展,使得测年技术变得更快速、更准确和更“无损”。

 

      受海洋科考船上的作业时间、仪器空间及工作运行环境等条件的限制,在决心号上,科学家主要用相对年代测定的方法,而这要由两组科学家协作:

 

  • 2、相对年代测定:古地磁定年

同济大学副研究员袁伟(右)、普渡大学博士后张杨(左)©Yiming Yu & IODP 

 

      古地磁测年基于相对年代测定中最基本的规律——地层层序叠覆律,由丹麦解剖学佳尼古拉斯·斯坦诺(Nicolas Steno)于1669年提出。

 

      “理论上,沉积物、火山灰和熔岩流,在地表或海底形成岩石时,都要受到重力的作用。因此,在任何沉积地层(包括喷出岩)的层序中,最年轻的地层应当位于层序的顶部,而最老的地层则位于层序的底部。”

 

挪威冷岸群岛伊斯峡湾北岸的地层剖面 ©Wikipedia

 

 

      在这种“由下到上即是由老到新”的叠覆律中,科学家们结合沉积物中记录的地球磁场信息,发展出了一套测量方法。

     地球是一个大磁场,在漫长的地球历史里,地球磁场的南极和北极曾经颠倒过很多次。科学家将不同时期的不同地球磁场按照地层年代表相匹配,就构成了一个磁性地层表。用黑色表示与当前地球磁场一致,白色段表示与当前磁场相反,于是就构成了垂直方向黑白相间的“条形码”。

 

典型岩芯的地磁极性信息

 

      在自然界中,大多数岩石都含有一些磁性矿物如氧化铁等,这些磁性矿物在形成岩石之初就可以记录当时的地球磁场信息,并被保存在岩石之中,显然,获得的磁性方向与当时当地的地球磁场方向是一致的。这些含有地球磁场信息的物质,在其后时间如果没有经历过高温的话,那么无论地球磁场如何变化,当初获得的磁性都不会变。

 

洋中脊旁地壳剩磁方向 ©寒木钓萌

 

      通过一些高精密的现代仪器,读取岩芯中的远古时代地球磁场信息,将它们与标准地磁年代“条形码”进行对比,就能得出当前地层的准确年代。

 

古地磁仪器 ©Yiming Yu & IODP

 

     “决心号”上,为了获得岩芯更多的年代信息,还需要另一个年代学方法——生物化石定年。

 

  • 3、相对年代测定:生物化石定年

378航次生物地层组 ©Yiming Yu & IODP

 

      为什么生物能定年呢?因为可以“根据岩石中包含的化石将不同时期的岩层分开”,这就是 “化石层序律”,最早是英国地质学家威廉·史密斯(William Smith)提出。它基于这样一个前提:

 

      “同时代沉积岩可能会因为沉积时所处环境的不同而不同,但它们很有可能包含同样的生物化石。假如该物种只存在于一相对短暂的时期(以地质学的角度来说,可能历时约几十万年),那么只要我们对比地层中含的化石,就可以估计这些地层可能的沉积时间。”

 

      所以,越是演化快的生物,其化石越具有年代学价值,它们通常被称为标准化石。在海洋里,鲸豚类、鱼类及各类软体动物等是最为人们所熟知的,但它们却并不适合作为地层年代研究。在目前的海洋地质领域,放射虫、有孔虫和钙质超微等微体生物是生物地层研究中最常用的标准化石。

 

IODP378航次钻探井位中部分放射虫地层标志种 (黑色比例尺长度均为100微米) ©张强

 

      在广阔无垠的海洋中,微体生物简直微不足道:个头很小,通常从几微米至数百微米,还不及一粒米大;多数浮游生活居于食物链的底层。但是它们却拥有值得骄傲的漫长生命史,自寒武纪开始一直演化至今,它们数量庞大,分布广泛,死亡后会沉积在海底,成为地质时代更替和海洋环境变迁的重要“见证者”。今天,它们在地层判定、板块运动等研究中发挥着关键作用。

 

新西兰地质与核科学研究所Christopher Hollis(左),中科院南海海洋研究所张强(右)©Yiming Yu & IODP

 

 

      拿放射虫来说(一种单细胞原生动物,它们大部分都有一个中心骨骼,其外有刺呈放射状向外伸展,因此得名),它受海洋环境变化影响非常直接,与此对应的演化速度非常快,部分属种的首次出现或绝灭事件可以作为判断地层年代的重要依据。

      最后,通过岩芯中的生物化石和古地磁信息,与2012年版地质年代表进行比对,就能得出“决心号”378航次钻探井位中130多段岩芯分别属于那个地质年代。

 

2012年版地史时间标尺

©Felix M. Gradstein, James G. Ogg, Mark D. Schmitz & Gabi M. Ogg

 

      目前,“决心号”已经完成了唯一一个站位的钻探工作,本次钻探的岩芯最深处达到海底584.3米,比1973年深一百多米,在钻探时发现一定浓度的油气,为了安全起见不得不放弃往更深处钻取。本次获得的样品将储存在大洋岩芯库,将提供亚南极区域早新生代气候环境变化的沉积记录,对于了解古近纪极端气候背景下海洋环境与生物群落的演变过程与适应规律,以及海洋环流-大气二氧化碳浓度-南极冰盖形成之间的耦合关系具有极其重要的科学意义。

 

“决心号”上378航次的岩芯样品 ©Lindy Newman & IODP

 

 

      接下来科学家们将随“决心号”返回大溪地港口,一段航行即将结束,对于科学家来说,这只是一段研究的开始,未来他们将在各自大学、研究所的实验室里,透过岩芯发现更多地球奥秘。

 

      作者:余一鸣[上海自然博物馆(上海科技馆分馆)]

      审稿:袁伟(同济大学海洋地质国家重点实验室)、张强(中科院南海海洋研究所)、张杨(普渡大学)

参考资料:

      《地质大辞典·普通地质、构造地质分册(上册)》(M)1.北京:地质出版社.2005:7.

      《同舟共济南海梦》(M), 上海:科技教育出版社.2019:28

      杨蔚.(2016).这“老东西”是中国寿星,[online]ztever.Available at: http://ztever.com/how-old-rocks/

 

三、互动:

      我是余一鸣,受国际大洋发现计划中国办公室(IODP-CHINA)资助,担任“决心号”的中国科普专员,欢迎转发支持我们,关于这次科学航行有什么想问的请留言,我会在下期回复!

 

决心号各国科学家手写新年祝福

 

 

四、“决心号”运行报告:

      时间:1月24日

      当前位置:南纬52°13.4403’,东经166°11.4796’,水深1221.7米

      当前钻孔:U1553(DSDP277)号站位D孔

      钻孔深度:A孔216.4米深,B孔243米深,C孔567.5米深,D孔584.3米

      科学报告:今日U1553站位钻探在第20段达到584.3米的最深点,在第19段之后暂停操作,以留出时间进行顶部气体分析。在第20段岩芯取出之后,我们停止了D孔的钻探。

      岩芯情况:第6至10段主要由浅绿色至灰色富含纳米级化石的石灰石组成,第10段岩性转变为深灰色泥岩,随后在第11段样品中,又转变为带有底栖有孔虫的黑色泥岩;第12至16段由深灰至黑色泥岩组成,且含有机质、鱼类残体和黄铁矿分布;第6至16段跨越始新世至古新世,古新世始新世界线不整合面出现在第7段样品中。

 

 

 

 

 

联系地址:上海市四平路1239号,同济大学海洋地质国家重点实验室,邮编200092

电 话:021-6598 2198;传真:021-6598 8808

Email: iodp_china@tongji.edu.cn         备案号:沪ICP备05009282号-1