航次介绍

西南太平洋古近纪气候与环境变化 —IODP 378航次报告

 

张强  中科院南海海洋研究所

 

1、 航次目标及意义

       西南太平洋既是赤道低纬度与南大洋乃至南极高纬度海区相互影响和作用的关键区域,又是环南极流形成演化的重要场所,因此,详细了解地史时期南太平洋高—低纬上层海洋之间的温度梯度和热量交换、古生产力水平、环流变化等古海洋学信息及其与重大气候转变的内在联系,将为准确理解海洋热传输在全球气候历史演变中的作用,以及深入探讨环南极流形成演化过程及其与南极冰盖发育历史之间的关系提供关键依据。

       为了获取早新生代古近纪重大气候转变时期太平洋亚南极区和古南极表层海水温度变化等古海洋环境记录,IODP 378航次计划在大洋钻探50多年以来从未涉足的西南太平洋远洋深海区域钻取6个站位,并将在新的钻探条件下重新钻取DSDP 277站位的沉积序列(图1),预期达到的总体目标包括:1) 重建早新生代南太平洋表层海水及不同纬度间的温度梯度,探讨低纬度向高纬度海洋热输送变化历史及其在无冰盖时期南极维持温暖气候条件中的作用;2) 探讨生物生产力特征及水团结构变化历史,揭示温暖气候时期亚热带水团向高纬度海洋的扩展程度和范围;3) 阐明始新世—渐新世气候转型期(Eocene-Oligocene Transition)南太平洋表层海水温度和温盐环流等古海洋变化特征,进而探讨环南极流的形成时间及其与南极冰盖形成的关系;4) 重建西南太平洋古近纪的风场演化历史,揭示PETM (Paleocene–Eocene Thermal Maximum,古新世—始新世极热气候事件)等极热气候条件下南太平洋大气系统特征及其对海洋环流和全球气候变化的影响机制与响应规律。

 

图1  IODP378航次计划站位图 (红色圆圈为完成站位U1553;黄色圆圈为原计划站位(含备用站位),将在今后的航次中完成)

 

       该航次的实施和预期成果将不仅填补西南太平洋深海区域早新生代古海洋学与古气候记录的空白,还将为揭示古新世和始新世南极温暖气候条件的发育机理及渐新世南极冰盖的形成机制等热点科学问题提供关键证据,以及为预测全球气候变暖背景下海洋温盐环流转变及南极等区域气候环境的变化趋势与规律等提供关键性依据,具有重要的科学意义和应用价值。

 

2 、航次执行概况

       IODP 378航次的实施可谓一波三折,航次首席科学家Deborah Thomas将该航次的经历戏称为“Anything is possible (一切皆有可能)”。航次最初定于2018年10月至12月实施钻探,当一切准备妥当,大家整装待发时, “决心号”(JOIDES Resolution)钻探船却在例行保养时发现推进器发生故障,为了确保原有计划站位取芯工作的顺利完成和相应科学目标的完整实现,航次推至2020年1月执行。然而,推迟后的378航次临行前,“噩耗”再度传来:“决心号”又一次出现故障,致使钻塔仅能连接不超过2000米的钻探套管。因此,原计划在西南太平洋远洋区的所有深水站位(水深大于4000米)被迫全部放弃,只保留了水深相对较小(~1220m)的原DSDP 277井位,航次时间也由常规的2个月缩减至1个月。 

       尽管航次一再受挫,但再多的艰难险阻也无法磨灭科研工作者对于科学探索的兴趣与激情。2020年1月4日,来自中国、美国、巴西、德国、英国、澳大利亚、新西兰、日本等国的27位科学家和3名科普专员,终于在斐济劳托卡港口顺利会师并登上“决心号”(JOIDES Resolution)钻探船,开启为期34天的IODP 378航次之旅。在经过2天的航次工作培训和交流之后,“决心号”于1月6号清晨起航,迎着南太平洋清爽的夏风,一路向南,领略了近10天碧海蓝天,飞鸟翱翔,日出朝霞红胜火,落日余辉染金黄的海上风光,于1月15日终于到达期待已久的目标站位。大家摩拳擦掌,各司其职,全身心投入工作,在经历了11天紧张忙碌的取芯与样品分析工作后,成功获取了原DSDP 277站位区域高质量的沉积岩芯和初步的岩性特征与生物地层等第一手分析资料。航次于1月26日完成该站位的钻探任务,并于2月6日在大溪地靠岸结束航行。

       该航次新的钻探井位编号为U1553,钻取了A、B、C、D和E共5个钻孔(U1533A至U1533E)。该井位原计划最大钻进深度为670m,以获取古近纪至早白垩世的地层。由于钻至早古新世地层时,实时监测结果显示甲烷浓度超出作业安全值,因此实际最大钻进深度只到达584.3m,五个钻孔共获取岩芯总长度约912m,不同钻孔岩芯拼接的最大组合长度约为581m。其中,A、B、E孔主要利用APC(Advanced Piston Coring,活塞取芯设备)管钻取约250m以上的松软沉积物,C孔利用RCB(Rotary core barrel,旋转取芯设备)管钻取~240m以下逐渐变硬的沉积岩芯,D孔利用RCB钻取~400m以下的沉积岩石,各个孔位的钻进深度及取芯长度等见表1。总体上,U1553井位中上部地层以钙质生物软泥为主,富含保存极好的硅质生物,下部以岩性偏硬的灰岩、泥岩和白云质泥岩为主,发育燧石夹层和结核,生物化石少;整个沉积岩芯,仅顶部0~4m为更新世的沉积物,往下发育长时期的沉积间断,并直接过渡到渐新世地层,钻孔底部因生物化石少且保存较差,依据钙质超微化石的分析结果,初步判定为早古新世地层。

       由于钻探取样技术的大幅改进,相比深海钻探早期DSDP 277站位的岩芯样品,U1553站位钻进深度更大,取芯率更高(表1),样品质量更好(扰动小);同时,船上的样品分析初步获得了部分原DSDP 277站位没有的新发现和未报道的新记录(如岩芯底部富含陆源有机质和内生胶结底栖有孔虫,呈现出完全不同于中上部的浅水贫氧环境,可提供研究区域早古新世气候环境演变记录的新信息),这些都将为科学家团队深入研究早新生代不同气候条件下南太平洋高纬度海区古海洋环境变化特征与规律,以及探讨古近纪重大气候转变—环南极流形成—南极冰盖发育之间的耦合关系等提供更好的样品材料,从而为航次科学目标的实现提供了较好的基础保障。

 

表1. IODP U1553井位和DSDP 277井位钻孔位置与取芯情况

 

Exp.

Site

Hole

Latitude

Longitude

Water depth (m)

Penetration

DSF

 (m)

Cored

interval

(m)

Recovered length

 (m)

Composite depth

(m)

IODP378

 

 

U1553

A

52°13.43'S

166°11.48'E

1221.2

216.4

216.4

214.08

581.16

B

52°13.43'S

166°11.50'E

1221.7

243

243

231.91

C

52°13.44'S

166°11.50'E

1221.6

567.5

333.5

158.76

D

52°13.44'S

166°11.48'E

1221.6

584.3

184.9

97.95

E

52°13.44'S

166°11.46'E

1221.3

237.6

237.6

209.77

DSDP29

277

Only one

52°13.43'S

166°11.48'E

1214

472.5

472.5

434.5

434.5

 

3. 航次初步结果及展望
3.1分析工作和初步结果

       航次过程中,科学家团队进行分组工作。首席和项目科学家总揽钻探取芯和样品分析工作的全局;其余科学家分成沉积学组、微体古生物学组、古地磁学组、地球化学组和物理属性组,各组负责相应的样品测试工作,并进行数据的分析整理和初步报告的撰写。各个小组分白班(12:00-24:00)和晚班(12:00-24:00),轮流工作,交接班时将工作进展和相关问题进行组内和小组间的交流讨论,以确保样品分析工作的连续进行以及不同数据的及时整合,从而较好地获取钻探站位总体岩性特征、年龄模式和古环境变化等的初步信息。
       航次期间我以微体古生物(放射虫)学家的身份参与工作,与新西兰地质与核科学研究所(GNS Science) Christopher Hollis教授一起负责放射虫生物地层及钻井年龄模式的分析工作。根据取芯过程中样品分析的综合资料数据、相互讨论与个人体会,认为海上初步分析的主要结果有:
       1) 综合开展了研究站位的古生物地层与磁性地层学分析,建立了初步的地层年龄模式。航次中系统开展了放射虫、有孔虫和钙质超微化石的综合生物地层及古地磁分析,其中,各个钻孔中三个不同门类的生物地层学分析结果较吻合,而在早渐新世,生物地层与古地磁的年龄数据存在一定偏差。依据生物地层和部分古地磁数据的年代分析结果,获得340m(~42Ma)之上的沉积速率为~1.5-4cm/ka,平均沉积速率~2.1cm/ka,之下的沉积速率为~0.5-1cm/ka,平均沉积速率~0.64cm/ka。由于底部生物化石极少,且保存差,依据钙质超微化石定年结果,初步判定为早古新世(<64Ma)。
       2) 获得了站位岩性的阶段变化特征:总体上,U1553站中上部以钙质生物软泥为主,但放射虫等硅质生物也异常丰富;下部以半固结至固结灰岩和泥岩为主,生物化石较少,陆源组分增多。依据沉积物颜色和物质组成等基本属性,该站位可划分为五个不同的岩性单元,其中,岩芯底部(单元V)富含陆源有机质和内生胶结底栖有孔虫,呈现出完全不同于中上部的浅水贫氧环境,可提供研究区域早古新世气候环境演变和物源记录的新信息。
       3) 识别出新近纪长时期的沉积间断。整个沉积序列,仅顶部0~4m为更新世地层,往下则直接过渡到古近纪的渐新世地层,这一沉积间断可能与环南极流的形成及其演化过程中对海底的冲刷侵蚀有关。
       4) 查明了PETM和EOT(始新世—渐新世气候转型)气候事件在U1553站位中的地层位置、地层岩性与地球化学特征,将为进一步开展极端气候条件和重大气候转型期的古海洋环境变化与响应规律研究提供可靠的样品保障。
       5) 发现古近纪与新近纪地层中硅质生物群落的显著差异。古近纪时期,始新世到渐新世放射虫、硅藻和海绵骨针等硅质生物化石异常丰富,且保存极好,而新近纪地层中硅质生物化石十分稀少,表明新近纪以来,研究区域海洋环境和水团特征发生了转折变化。 
       6) 确定了放射虫群落对重大气候事件的较好响应。放射虫生物化石丰度在气候温暖的MECO(Middle Eocene Climatic Optimum)时期开始显著升高,在气候逐渐变冷的EOT(Eocene-Oligocene Transition)时期明显降低,展现了放射虫群落对气候变化的较好响应和记录。
       7) 孔隙水硅离子浓度与放射虫丰度呈现一致的变化特征,表明地层中放射虫等硅质生物化石的保存与孔隙水硅离子饱和度密切相关。
       8)站位中—下部燧石结核、白云岩化现象频繁出现,表明下部岩层经历了一定程度的成岩作用改造,利用钙质生物化石壳体同位素进行古气候环境解释时,需综合考虑成岩作用的影响。
       9) 该站位下部有机质含量和水合物浓度明显升高,表明该区域发育有潜在的油气资源。

 

2. 微体古生物学小组

 

3.2 航次后研究与展望
       目前,参与航次的各位科学家正在进一步准备和调整岸上研究计划,将于2020年8月在美国德州农工大学的海湾岩芯库(GCR-Texas A&M University)进行取样,之后将按各自预定的研究目标和计划全面展开西南太平洋古近纪气候与海洋环境变化的研究工作。  
       综合航次总体科学目标、实际取样情况和样品条件,预计航次后研究将主要在海洋沉积学、微体古生物学、地球化学、古地磁学、古气候与古海洋学等方面详细展开,重点探讨西南太平洋古新世以来的生物地层、古地磁地层与综合地层年龄框架、微体古生物群演变、生产力特征及其变化历史、海水表层温度和梯度变化、水团形成与结构变化、环南极流的形成演化、PETM和EOT等重大气候事件演变过程及其环境效应、海洋生物地球化学过程、碳酸盐岩与白云岩化形成机制、有机质来源、赋存规律及其与天然气水合物分布的关系、西南太平洋古海洋学变化与全球变化关系等。相信1-2年后将陆续有一大批高显示度的 IODP 378航次研究成果面世。

 

撰稿: 张    强

编辑: 温廷宇

审核: 拓守廷

 

 

 

 

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