大洋科学钻探展望

　　一、概述 

　　地球表面的海底沉积物和喷发岩代表现代地质时间的一刹那。埋藏于沉积剖面之下的这层沉积物和喷发岩及其下伏地壳记录了冰川消涨的丰富历史，包括大洋岩石圈的更新和老化、微生物的演化和灭绝以及大陆的形成和侵蚀。三十余年的科学大洋钻探越来越详细地探索了这段历史，揭示了控制地壳形成、地震发生、大洋循环和化学成分以及全球气候变化的复杂过程。钻探还显示深海沉积物内部、岩石孔隙和裂隙是海水循环、微生物繁衍以及自然资源堆积的活跃场所。 

　　综合大洋钻探计划始于2003年10月1日，这是一个雄心勃勃的洋底勘探计划，并设想通过加大钻探能力加以实施，从目前的单船钻探扩大到将来的多钻探平台钻探。钻探船由日本海洋科技中心提供新型动力定位船。该船将与钻探船（JOIDES Resolution）号一起执行该项计划（美国国家科学基金会提供）。欧洲和环太平洋国家正在积极主动地为这项特殊使命提供钻探技术。这些新的技术和多平台方法将允许科学家在以前从未达到的深度环境下进行科学实验并采集样品。 

　　国际社会的大洋钻探科学家充分利用这些新的钻探、取样和观测能力设计了一个大胆的调查地球系统的新战略，综合大洋钻探计划的最初科学计划针对主要地球演变过程组织科学研究，鼓励专家多提建议，包括与相关学科的同行合作研究。综合大洋钻探计划利用新的多平台手段进行科学大洋钻探，利用新的针对地球演变过程的手段进行研究，以探索地球、海洋和生命奥秘为主题，具体是研究以下三个内容广泛的科学课题： 

　　深部生物圈和大洋洋底。 新的证据证明有大量微生物群落能够生活在宽广的温度和压力范围内，那里的沉积物和岩石似乎能够提供维持生命的资源。生活在这些极端环境的微生物现在被广泛地认为是新的生物物质的潜在资源，也是利用新的生物工程（例如水处理和用微生物提高石油回收率）的思想基础。关于广阔洋底的垂直系统的结构与动力学我们还知之不多，只知道在那里，流动的水能蚀变岩石，能影响大洋的化学成分，能润滑引起地震的活断层，能形成有经济价值的矿床并可能出现大量生命。综合大洋钻探将全球性地探测这种环境，提供反映大洋洋底的第一手综合资料。 

　　环境变化、过程和效应。大洋沉积物提供了地球气候波动的独特记录，并能够探测四个时间尺度的气候信号：构造尺度（大于50万年）；轨道尺度（2至40万年）；大洋尺度（几百至几千年）；人类尺度（一个季节至一千年）。钻孔岩芯研究表明气候变化的节律随时间变化而变化，从渐变到突变。然而，需要充分探查的是：是什么引起这些变化的，这些变化是如何推进的，什么环境扩大或减小了大大小小的事件引起的气候效应，以及什么过程引起了地球环境变化。综合大洋钻探计划将从迄今取样较少的环境，如北冰洋盆地，环礁，珊瑚礁，碳酸盐台地和浅水下大陆架以及沉积物堆积迅速的环境（尤其是缺氧盆地）采取岩芯。结合来自全球测点的钻探结果，这些新的沉积物样品将使我们能够更精细地分析地球气候系统在各个时间尺度上变化的原因、速率、序列和严酷，同时亦使我们能够更彻底地调查极端气候、气候变化和生物演化主要脉动之间的关系。 

　　固体地球循环和地球动力学。储存于地球内部的巨大能量常常导致诸如地震、火山和海啸等一系列破坏性事件引起人们的关注。其中最重要的事件发生在固体地球循环部分，这包括洋壳的更新和老化，洋壳在俯冲带的再循环以及大陆的形成和演化。物质和能量从地幔转换到地壳且又回到地幔的速率在整个演化历史中并不是一成不变的。我们很少知道其变化原因及其对全球环境的影响。应用深海钻探计划和大洋钻探计划首创的新的综合大洋钻探计划技术，研究者将能够对现在和几百几千万年前发生大量物质和能量转换的海底区域采集样品并对其进行监测。综合大洋钻探计划亦将对地壳的钻探深度比以前更深，从而能对与洋壳形成和变形有关的过程，包括与海洋磁异常的成因和流体在地震形成中的作用等有关的悬而不决的问题提供新的观点，也许是答案。在计划的第一阶段，综合大洋钻探计划将试图采集岩芯、测量并监测俯冲板块边界深源地震的起因。这项实验将会使我们对地震形成有一个基本的理解和对制订全球地震减灾政策作出有意义的贡献。 

图1 地球系统组成、过程和现象（据东京大学，Asahiko Taira） 

　　这些将来的科学挑战，包括八个专门的初始钻探动议，需要综合大洋钻探计划在同一时间统一部署密切相关的钻探平台类型。具有升降能力的钻探船将促使综合大洋钻探计划致力于在一个位置需要钻探数月至一年或更长时间的深海项目。深海项目包括“地震成因带”实验（为确定俯冲带产生地震断层的行为而设计的），深地壳和沉积物内的生物圈，洋壳和“大火成岩省壳”的三维构造，大陆裂解和沉积盆地形成过程（图1）。不具备升降能力的钻探船将能够促使综合大洋钻探计划达到大洋最大的深度，扩大大洋取样的覆盖率。负有专门使命的平台将促使对海岸线附近的关键区域海平面变化的历史进行史无前例的检验，获得浅水区域环礁和珊瑚礁高分辨率的气候记录，促使对气候敏感，迄今没有被钻探取样的冰川覆盖区，诸如北冰洋盆地区域的探查。 

　　二、为未来搭建舞台 

　　最近几十年，科学大洋钻探揭示了许多关于地球动力学的奥秘。几百万年以来，地球经历了大陆裂解，洋盆张开和闭合，大陆碰撞形成新的山脉等一系列地质事件（图1）。这些大规模的板块构造相互作用导致短期的现象，如发生在俯冲带（如在日本南海海槽）和沿大陆转换断层（如美国加州圣安德列斯断层）大的破坏性地震以及发生在岛弧（如菲律宾皮纳图帕山）的爆发性火山作用。我们刚刚开始认识到这些构造过程以及伴随这些过程所产生的大洋循环和气候变化已经深刻地影响着生物演化和生物地球化学循环。 

　　在中等时间尺度上，地球轨道参数的变化导致了周期性的气候变化，其中最具戏剧性的是3400万年以来全球冰川体积的交替性扩大和缩小。渐变论，即相对逐渐的、演变式或循环式的变化，不时为突变论，如迄今未能解释的气候突变，地球气候系统的短期摆动以及受诸如地球外星体撞击而导致的灾难性事件的打断。无论观察到的通常的地球系统变化是人为的还是自然的，根据大洋钻探推断的地质记录都表明地球历史是变化的而不是静止的。 

　　科学钻探亦为研究人类影响之前地球系统短期变化和长期自然变化的关键过程提供强有力的工具。地球变化的构造、气候、大洋循环和生物群的独特的全球历史记录保存在海洋沉积物及下伏的基岩中。这种详细完整的历史记录只有通过大洋钻探才能够发现，这是因为许多关键的过程（例如，与俯冲有关的地震，块状硫化物的形成和沉积物中碳的广泛的有序化）仅在海底环境下才能发生。只有通过对地球系统历史的理解，我们才能试图预测它的未来——从人类社会时间尺度上看可能是深远变化的时间。 

　　三、科学大洋钻探取得的主要成就 

　　在深部生物圈和大洋海底方面： 

　　深部海底的广泛的微生物群落。海底沉积物和玄武岩壳深部剖面样品揭露出来的似乎是一些多样且常常是非常活跃的微生物生态系统。近来采样工作表明，这些未污染微生物样品可采取出来供实验室研究用。 

　　海底冻结的甲烷库。大洋钻探已经采集到海底广泛发育的天然气水合物样品，并提供了关于它们可能影响全球碳平衡、海底斜坡稳定性及其资源潜力的有价值信息。目前，只有大洋钻探计划能够从原地压力海底海洋环境中获取和保存天然气水合物样品。 

　　沿主要冲断层带的流体压力和流体排泄。对会聚板块边界上的滑脱断层及其相关冲断层的钻探证实了三维地震观测结果，即流体沿滑动带积极流动。这些流体具有特殊的地球化学标志，可能涉及冲断层的力学机制。 

　　上部洋壳中的热液流量。海洋沉积物和洋壳剖面钻探正在开始确定活跃的海底热液系统内部与矿化有关的流体的来源、通道和成分，以及流体循环对大洋化学成分、洋壳蚀变和洋壳生物圈的影响。 

　　在环境变化、过程和效应方面： 

　　古海洋学领域的发展。大洋钻探获取的近于覆盖全球的连续网状地层剖面是古海洋学领域发展的基础。古海洋学研究海洋生命、化学成分以及海洋表层、中层和深层循环随时间的变化。古海洋学为几乎所有的其它全球环境变化调查提供了参考框架。 

　　新生代轨道变化。将保存在深海沉积物的气候变化记录与计算的地球轨道参数变化联系起来，科学家证明轨道变化对驱动气候变化的作用。 

　　高分辨率年代学的发展。将含化石的海洋沉积剖面完整地恢复出来，大大有利于将地磁极倒转历史与演化的生物变化，以及与全球海洋同位素组成之间的联系。海洋剖面内轨道调谐时间的确定亦具有很大意义，它可以极精确地校准3000万年以来的地磁极时间表。这种新校准的适用于全球的时间表是确定在陆地和海洋地球科学各个领域发生的过程速率的关键。 

　　几十年至几千年时间尺度的大洋循环变化。大洋钻探恢复的保存在海洋沉积物中的记录清晰地表明大洋深部和表层循环在几十年至几千年时间尺度上是变化的，冰芯记录确认了这一结果。基于海洋的数据集提供了证据，证明大洋-大气圈-冰冻圈在高纬度北大西洋及其周围的相互作用与温盐环流的不稳定性是有联系的。温盐环流引起的气候突变对全球有深远的影响。 

　　大洋地球生物化学循环。地球系统科学的概念随着大洋钻探恢复的相对完整的深海沉积剖面的详细分析而进化。这些研究已经揭示了生物地球化学循环随时间的重大变化，尤其是起源于生物物质的演化的复杂的碳循环的重大变化、构造的变化、气候的变化、海底热液活动的变化以及大洋循环的重大变化。 

　　全球大洋缺氧事件。深海沉积物显示有一段时间大面积海洋表层水体的成矿能力异常高。在这段时代，全球大洋发育缺氧带，大量有机碳被结合，并被储存在称之为黑色页岩的海相沉积物中。科学大洋钻探使我们了解了大洋缺氧事件，这对理解全球气候短期和长期变化、碳循环以及生油岩沉积的时间至关重要。 

　　深水中的大量油砂矿床。钻探证实深水扇状体系的结构，如亚马逊河的扇状体系的结构主要受海平面变化的控制。油气工业正在大力勘探含在这些扇状体系中的“成藏组合”，以证实其经济潜力。 

　　南极和北极冰盖的发育时间。钻探揭示了地球进入近代冰期的时间超过5000万年，涉及地球单极、两极冰盖形成的复杂历史。早在4000万年前，冰流就到达了南极海，但直到2500万年前才形成冰盖。在北半球，冰盖是在1500万年以后才开始形成，而北半球主要的大陆冰川作用则在此后400万年才开始发生。漫长的冰川期似乎加快了气候变化的步伐，且每一步都与影响大气和大洋环流的主要构造变化相关。 

　　撞击事件和生物演化。钻探确定了大约6500万年前外星撞击地球的全球效应，包括多达90%的浮游生物的灭绝，只是由于一些幸存的物种才使全球大洋的浮游生物再度繁衍。 

　　海平面变化和全球冰的体积。浅海地区的海相沉积物研究表明重要的全球海平面变化至少在2500万年前就发生了，并且这种变化和深海气候氧同位素记录是一致的。这种对全球海平面升降的新认识成为一种揭开大陆边缘生长历史和在边缘环境中寻找碳氢化合物的重要解释手段。 

　　喜马拉雅和西藏高原的抬升。在印度和太平洋的钻探有助于建立西藏高原抬升的时间表，并确定海岸线上升变化，碳的有序化，以及与这一构造事件相关的区域和全球气候。钻探结果表明印度和亚洲季风的产生和发展是与这种抬升相关的气候变化的结果。 

　　地中海盆地干化。钻探表明，近500万年以来，由于注入盆地的海水受到限制，盆地水平面由于蒸发下降数百米使地中海深部盆地成为盐类沉淀的场所。 

　　对碳酸盐台地生长和消失的环境控制。钻探表明大的碳酸盐台地发育和突然消失与气候变化、海平面变化、大洋循环变化以及岩石圈板块的不断运动有关。 

　　在固体地球循环及地球动力学方面： 

　　板块构造理论的证实。对大洋科学钻探揭示的火成基岩及其上覆的沉积物进行的测年表明，洋壳年龄离开大洋中脊越远越老，从而证实了板块构造理论的基本预测。 

　　无火山被动边缘演化和阿尔卑斯地质学。利比里亚被动裂谷边缘的钻探结果和地震数据促进了未发生什么伴生火山作用的陆壳的新裂谷和拉伸变形模型的建立。这些模型表明地壳的变薄是非岩浆性的，同时有地幔岩石广泛出露，与在含大量岩浆的边缘发生的事件具有完全不同的过程。阿尔卑斯地区的裂谷边缘构造和地层与在西利比里亚半岛的发现十分相似。 

　　与大陆裂解有关的大火成岩省：火山边缘。钻探证实，根据来自许多被动大陆边缘多道地震反射数据鉴别的向海倾斜的反射层是由大量喷到地表的熔岩组成，这些熔岩是在大陆最后裂开和洋盆最初形成期间快速到位的。在某些情况下，大量熔体的产生可能与几千公里宽的地幔柱头有关，但在另一些情况下，似乎与已知地幔柱无关。 

　　大火成岩省：洋底高原的起因。对两个直径2000公里、地壳厚度35公里的洋底高原的钻探表明，其最上部地壳由单个厚度几十米的玄武岩熔岩流组成。这两个洋底高原的主体部分到位的时间从地质上看是短暂的，仅为几百万年或更少，可能是上升的地幔柱的“头部”。这些高原添加到大陆边缘就构成了大陆生长的一种形式，经典的板块构造理论没有预测到这种生长机制。 

　　洋壳。迄今为止，我们对洋壳和浅部地幔的知识主要限于地球物理观测、挖掘海底样品和对蛇绿岩套的研究。大洋钻探计划对洋幔和主要壳层进行的钻探有限的部分证实了根据这些早期研究结果建立的模型，但亦揭示了一些重大差异，将改变对最近2.5亿年地幔、地壳和大洋之间热流和物质流的估计。大洋钻探结果亦向对估计洋壳的成分和体积极为重要的假设提出了挑战，而地震结构和火成岩地层可能是直接相关的。 

　　块状硫化物矿床。对两个正在形成的火山岩和沉积岩中的金属硫化物矿床地点的钻探结果表明，海底硫化物矿床无论在成矿过程方面，还是在矿化规模和品位方面都与陆上块状硫化物矿床极为类似。大洋钻探获得的新认识有助于陆上矿产勘查。 

　　会聚边缘构造和俯冲再循环。地震数据显现科学钻探证实了会聚边缘构造有明显不同的样式，从添加到上驮板块为主，到大部分海沟沉积物俯冲，再到上驮板块底部侵蚀。对俯冲板片的钻探和与岛弧岩浆作用的对比使我们开始定量理解俯冲再循环。 

　　洋壳上的热点踪迹。钻探获取的沉积物和玄武岩的年龄测定表明沿几个海底火山链或海底火山脊的年龄系统地增加，从而证实这样一个假设，即这些火山链或火山脊是由运动着的岩石圈下的相对稳定的热点形成的。这些钻探样品亦提供了重要的观测证据，即这些热点是于深部地幔柱产生的。此外，这项工作有助于确认岩石圈板块相对于下地幔的绝对运动。海山钻探得到的古地磁数据表明大西洋热点与太平洋热点是相互运动的。 

　　许多构造环境下的含水地幔。钻探记录了在各种构造环境下——从大陆裂谷边缘到弧前再到扩张洋脊的浅部地壳上的意想不到的地幔成因的蛇纹岩。这些结果表明，上地幔蚀变远比以前认为的更为普遍。 

　　引自地质调查动态 2004年第23期（总第38期）2004年12月5日 

　　陈永清摘译自WWW.IODP.ORG网站 

上传时间：2007-7-23