厉害了WORD“探海神针”,揭开南海“前世”之谜全靠它了

陈养凯
原创2017-04-19 06:22
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美国“决心号”钻探船

“人工地震”装置,通过不断发出“空气炮”以开展井内垂直地震测量地层速度。——视频拍摄者:Joann  Stock

装着海底岩石的岩芯管被抬上甲板——视频由中科院南海海洋研究所孙珍教授提供

“决心号”钻探船上现场连线——视频南都记者余毅菁拍摄

2月13日,天气晴朗,在香港维多利亚港口,来自全球各地33位海洋科学家在这里集结,其中包括了13位中国专家。他们登上停靠等待的美国 “决心号”钻探船后,船驶往南海北部深处,开启为期60天的钻探考察。

他们来自不同的学科,有的从事古生物研究,有的则研究地球化学,但都有一个共同的目标,在南海放下“探海神针”,让它插入近4000米深的海底,穿透1000多米的沉积层,取出“神秘”岩石,以掌握打开南海如何“由陆地变为海洋”谜题的“钥匙”。

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IODP367航次全体人员合照。  摄影Bill Crawford

这是由中国科学家主导的第三次南海大洋钻探。按照计划,这次钻探项目分为了IODP367和IODP368两个航次,目前,367航次已经顺利归来,而作为下半场的368航次已经在4月14日扬帆出海。中国科学院南海海洋研究所孙珍教授,是367航次的首席科学家,也是历次南海大洋钻探中首位女性首席科学家。

据孙珍介绍,367航次已经成功在南海定点打下了2个钻探站位,并在第二个钻探站位顺利取出玄武岩,成为目前南海钻探中所取得的“最老”玄武岩,最大深度超海面之下5300米,一举创下了大洋钻探深度全球第八的纪录。近日,南都记者来到了位于广州的中科院南海海洋研究所,听5位科研人员讲述发生在不久前的那趟“奇幻旅程”。

现场

南海北部陆缘被誉为

大陆破裂研究“天然实验室”

2月14日,经过一日一夜的行驶,“决心号”抵达北纬18.4度、东经115.9度51.6分的第一个目标钻探海域,此时他们离岸约为400海里。经过一轮科学家培训以后,“钻探”的重头戏便正式启动。南海北部陆缘一直被科学家誉为,是开展大陆破裂研究的“天然实验室”。按照第三次南海大洋钻探计划,此次钻探确定的四个站位分别分布在南海北部的外缘隆起、洋陆过渡带、胚胎洋盆、成熟洋盆地带。

已经归航的367航次主要负责中间两个钻探位,编号为U1499和U1500两个点的钻探。在颠簸的海浪中要穿过数千米深的海水,再钻入海底深处获取一管管岩芯样品,其难度可想而知,“每一个环节都是来之不易”,孙珍感叹,她说,插入海底的“探海神针”是从“决心号”中部一个连接大海的“月池”中入水的。“一打开它,可以看到海水在下面翻滚。”中国科学院南海海洋所海洋地球物理学博士张锦昌说。

深入大海的钢铁管子就像是“套娃”一般,大管子套着小管子。为了钻取深层的基底岩石,在最外层加设了称为“套管”的管子,布放在海底沉积物中,它如一层强大的保护膜,防止插入海底深部时,松散的上部岩层倒塌干扰岩石取样,这次U1500站位安装的单层保护套管长达842米,创下了大洋钻探的历史记录。

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“榴莲”样式的钻头。  (摄影:Michael Nirrengarten

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从船上一只延伸到海底的是“钻管”,它头顶着一只“榴莲”状的钻头带着钻管一路潜入海中,并在接近海底沉积物处时,通过水下摄像机的实时观测,引导钻管由再入锥插入预先布设的保护套管中,为岩石取样的“开路”打头阵。最后,在钻管内还套着“岩芯筒”,它用来装着这次科学家的最终目标——海底沉积物或岩石样品,通过岩芯筒在钻管内从海底到船甲板一次次穿梭,把宝贵的深海样品交给科学家进行研究。


钻探深达5300

取芯管“跑”了近3000公里

由于通往海底之路漫漫,每一层的管子并不是一插到底,而是一段段接驳插入,一直接到海底,随着取样的深入,连接的钻管长度也逐渐加长,在U1500站位,接驳的钻管长度最长达到了5300多米。

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摄影:Bill Crawford


据介绍,为了确保钻探的顺利进行,在“决心”号钻探船各个关键位置,安装了12个伸缩式推进器,当船从钻孔上方位置发生漂移时,计算机就会测出漂移的方向和距离,“指示”船上不同位置的推进器开始工作,自动校正船舶位置,这就是动力定位系统,它可以保证“决心”号即使在浪高7.5米海况下,仍可将船位控制在2%误差范围内

据悉,在钻探施行的每一个步骤,都需要花费较长的时间。就单纯放“套管”到海底,就需要花费近1天,更换钻头则通常需要近两天的时间。而岩芯筒每取样10米,管底的门就启动关闭,然后岩芯筒返回地面“卸货”一次,再重新返回海底进行取样。“在持续60天的钻探历程中,运输岩石的岩芯筒是最“忙”的,“这趟下来,它一共来回跑了近3000公里。”中国科学院南海海洋研究所博士苏翔说。333.jpg

摄影:Bill Crawford



“钻探”装置一度“罢工”

维修后成功达到目标深度

除了时间的耗费,钻探过程中也常要面对多变气候和突发情况的考验。在3月6日,当钻探队在第一钻孔位U1499B穿越过3770米深的海水,钻探至海底以下1080米时,钻孔底部松软的砾石层突然出现了滑塌,卡住了钻杆,技术人员先后用海水和泥浆清洗,企图冲走卡住钻杆的石头,然而,经过了一天一夜的冲洗后,钻杆还是未能被成功“解锁”。

然而,当时留给第二个钻孔站位的时间已经不多,考虑到继续往松散的砾石层钻探,会有再次坍塌的危险。无奈之下,钻探队放弃了第一个钻探孔继续取样的计划,赶往第二个钻探站位。“有时候,你觉得科学目标就近在咫尺了,没想到转眼梦想又变得远在天边。”孙珍感叹。

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摄影:Bill Crawford


3月7日,“决心”号来到了第二个钻井位U1500,其位于北纬18度18.27分、东经116度13.20分,与第一个钻孔相距仅30多公里,海域水深达到3800多米。在这期间,“钻探”装置还一度“罢工”,需要维修整顿。幸运的是,到了3月25日,在船上钻探负责人员的钻探方案调整后,“决心”号还是在海底1380米深处成功“触摸”到南海海底的玄武岩,达到了目标深度。

据悉,U1500B位置的钻探需要潜入3800多米深的海水下,穿过南海海底1400米的松散沉积物,其中包括900多米砂层,才最终钻取到坚硬的基底-玄武岩,“取上来的岩芯每一段颜色都不一样,最上面是软泥,中间是固结较好但没有成岩的,最下面是已经成岩的岩石。有砂岩、泥岩、碳酸岩、火山岩等。”中国科学院南海海洋研究所副研究员张翠梅说。据悉,U1500站位钻探深度去到了海底以下1520多米,创下了大洋钻探全球第八的钻探深度纪录。

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摄影:Bill Crawford



在海底七八百米深处

发现罕见“大洋红层”

“Core on Deck”,这是每当沉积物岩芯从数千米深的海底“捞”出水面上到甲板时,船员都会大声宣布的话。而这个时候,科学家的研究工作才正要开始。他们首先需要把每次取出的10米长的岩芯,按照1.5米的长度进行切割,还要平均剖成两半。一半作为永久样本封存,另一半则分送到各个研究部门进行研究,如物理实验室需要对岩石样品的大小、形状、密度等物理性质进行记录,化学部门需要对其所含成分进行探究,微生物部门和古生物部门需要在显微镜下对其蕴含的生物性进行观察。

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摄影:Bill Crawford



素材到手后,科学家们最重要的工作是对岩芯进行“第一手”的直观描述,包括地球物理、地球化学、磁性等参数。孙珍说,这次南海大洋的钻探“充满了意外惊喜”。虽然U1499钻位没有钻到预想的结晶基底岩石,但却在海底七八百米深处,发现了罕见的“大洋红层”。它是一种远离陆地、在深水中慢速堆积的远洋沉积物,在如今的南海已经难觅踪迹。此外,在“大洋红层”以下继续深钻时,还遇到了150多米厚的砾石层,它们是一颗颗深灰色、坚硬光滑的砾石,大小在2、3厘米至10多厘米之间,与陆地河谷经常看到的“鹅卵石”十分相似,如今却在南海深处得以发现。这一系列的发现让科学家们连连惊叹。


这次钻探初步结论

可能会在一年后出来

“原本越浅的岩石越年轻,越深位置的岩石越老,跟盖楼房一样,但水动力很强的情况下常出现的砾石层,居然会出现在大洋红层下面,这给了我们很多的联想。可能3000万年前,南海当年可能并非现在的样子,可能是水动力强的峡谷,也可能下面的岩石跟上面的地层出现缺失,造成二者移花接木,可以有很多种假设。”孙珍说。

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摄影:Bill Crawford


大洋红层和砾石层的出现意味着什么?在U1500中最终钻到的玄武岩预示着怎样的海陆变迁秘密?一切尚无定论。孙珍说,由于船上的研究设备局限,岩石的研究还只是在“第一眼”描述和初步的研究阶段。之后,岩芯样本将会陆续运送到美国,并计划九月份召开取样大会,进行岩石样本的分配,届时,中科院南海海洋研究所将从美国取回岩石,全球的海洋科学家还将对岩芯样本进行持续的研究、分析。

“对海洋的研究是没有止境的,这次钻探初步的结论可能会在一年后出来,但关于海洋更深入的研究,可能要用一辈子的时间。”孙珍说。“最大的收获是完成了我的心愿。参与才真正称得上是行内人士,才理直气壮地可以说自己是做地学、做海洋研究的。 这趟航次的体验,确实证实了这个雄伟的科学钻探计划为什么这么厉害、这么酷。”张锦昌说。

揭秘

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摄影:中国科学院南海海洋研究所孙珍教授



如何在汪洋大海中定点?

面对一望无际又深不见底的汪洋大海,技术人员当初如何确定钻探点?孙珍表示,科学家对于海底环境并非“一无所知”,在钻探开始以前,技术人员已经运用“人工地震”对南海北部做了一个全方位的“CT扫描”。

   “地震在普通人看来是一种灾害,但它却成为科学家获取海底地图的常用手段。”孙珍说。据介绍,“海底地震”的操作主要通过向海底放出巨能量“空气炮”来撼动海底,“就跟小时候看炸爆米花一样”,同时让早已拖在船后的地震电缆记录出海底返回的地震波,通过源源不断的放炮和记录,多条地震波通过电脑分析就可以描绘出初步的“海底图鉴”了,科学家正是根据这个图鉴来选定具体的钻探位置。

有了地图,如何定点?孙珍表示,钻探的定点通常要根据海底地形来选择,既要有代表性也要尽量降低难度。如第一个钻位U1499的位置,正选在了南海北部大陆边缘、地壳减薄到最小的地方。钻孔只要打穿海底800多米的沉积层,就可以钻取正下方一个“小山丘”的山顶岩石。这个“小山丘”很可能就是由于地壳减薄、莫霍面上扬、下地壳出露所形成的,是南海由大陆变为海洋前的最后一段基底岩石。

账本

深海研究“航空母舰”

“决心号”一天花费100万

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美国“决心号”钻探船


“其实真的是一艘豪华的科考船。”张锦昌首次踏上“决心号”,他如是描述。孙珍介绍,“决心”号大洋钻探船全名为“JOIDES·决心”号,由美国制造,是世界上最先进的大洋钻探船之一。

“决心号”共有七层,船长143米,宽度21米,排水量1.86万吨,能在海上连续航行75天。作为科考船,它的科研能力不容小觑。1400平方米的实验室,包括沉积学、岩石学、古生物学、地球化学、地球物理、古地磁等7个科研范畴。实验室还配备电子扫描显微镜、X射线荧光计、X射线衍射计、气相色谱仪、热解分析仪等诸多先进仪器,堪称一座国际合作的深海研究“航空母舰”。

出航两个月,庞大的“决心号”要花费多少?孙珍介绍,每个航次花费约950万美元,算下来平均每天15万美元,约等于100万人民币。两个航次将花费1.2亿人民币。

海洋科学研究需要先进的技术和大量的投入,曾被称为“贵族科学”。孙珍说,事实上,石油公司去深海打一口井,成本达5到10亿,这够“决心号”运行4-5个航次。“比如另一个钻探平台提供者,日本的’地球号’虽然技术先进,可以钻油、气等,但运行成本高出’决心号’三到五倍。各个国家都还在用决心号的原因主要是,它确实便宜,而且产出可观,钻探效率高、速度很快。”

孙珍也介绍,367-368国际钻探航次,中国科技部出资70%,“占了单个航次费用的七成。但根据美国计算,加上一年养船的费用平摊,中国的出资额占每个航次总费用的三成。”


花絮

海上生活两个月

科学家除了科考还做什么

“海上风云变幻,有时海天一色,有时波涛汹涌,空气很清新,视野很开阔,有鲯鳅绕船,我们把它们当老友一般给他们取名,有时晚上还有海豚群舞轻唱,歇脚的鸽子也在船上驻足和安家。”在海上生活两个月,是怎样的体验?忆起船上的科考生活,张翠梅如是说。


   南海所5位参与此次钻探的科研人员中,3位是首次亲身出海加入类似科考活动。“船上很稳,超过我的想象。”张锦昌说,船上一共有12个推进器,能抗衡海流和风的影响。当然难免有不那么稳当的时候。苏翔记得,3月中旬时,有一次海上掀起了7、8米的浪,风力12级,在船上上下晃动。“看岩芯和显微镜都会晕,但是工作仍要继续,不然新的岩芯上来,做不完会拖延后面的进度。”张翠梅说。

在船上,科研人员们与外界几乎“失联”,每天12小时都处于工作状态,“航次的培训系统非常完善,一上船就要进行工作内容的培训,包括科学目标、任务,实验室的参观,仪器的操作,确保每个人的科学价值最大化。”孙珍说。除了自己的科研外,他们也要经常进行学术交流,寻找更多的科研合作伙伴,“船上的科学家经常有观点冲突,但是最后都化解了,科学观点、辩论技巧和风度同等重要。”张翠梅说。

科研人员被分成白班和夜班,“白班的人只能看到日落,夜班的人只能看到日出。” 中国科学院南海海洋研究所向荣研究员说。在张锦昌看来,除了晕船、与外界失联外,还有一个困难是空间小。“交谈、会议的空间都不大,睡觉也是上下铺。”

即便如此,在不多的休息时间,船上的业余生活依旧很丰富。“全船的人都很友善,厨房的后勤人员第一天就能喊出每个人的名字,很是让大家吃惊。他们还经常为大家准备一些小惊喜,比如庆祝某人拿到博士学位证书,庆祝某人生日等。”张翠梅对此印象非常深刻。在船上,中国科学家们会组织包饺子,请外国科学家一起吃。在英文k歌比赛中,张锦昌成了“海洋科学家里最会唱英文歌的”,乒乓球比赛的前三名也都集中在南海所,“我们极大提高了老外们的乒乓球水平。”“技术人员、后勤人员,钻探队像个大家庭一样互帮互助,温暖着每个人。”张翠梅说。

背景

“下海”比“上天”难

海陆变迁谜题仍未破解

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“决心号”船上的景色   摄影: Joann Stock


“对人类来说,‘下海’比‘上天’的难度更大。我们对海的了解还不如太空。”面对汪洋大海如何“问”历史?“钥匙”正是在海底深处。孙珍解释,海底的岩石层都有规律,一般而言,最古老的沉积层在下,年轻的则靠上,通过对它的“解剖”,可以极大帮助解密海洋的变迁史。向海底岩石询问沧海桑田的变化,是海洋科学家们的惯用手段。“就好比一个人长大,然后工作、结婚、生孩子等,南海也有它的前半生、后半生。”

早在1999年,第一次南海大洋钻探ODP184航次就从南海3000多米深的海底以下钻取到了沉积物岩芯,并从中读取了西太平洋最近3000万年的气候变化记录,掌握了南海在“长成”以后“后半生”历史。2014年第二次南海大洋钻探IODP349航次中,科学家为南海洋盆初步刻画了“从出生到死亡”的时间轴。

何谓海洋的“出生”和“死亡”?孙珍表示,板块漂移,地幔物质从海岭顶部的巨大开裂处涌出,凝固后形成新的大洋地壳和地幔,这就如同海洋“出生”;上升的岩浆又把原先形成的大洋地壳以每年几厘米的速度推向两边,使海盆不断更新和扩张,直至停止,这就类似“死亡”。而第二次南海大洋钻探的研究结果表明:南海东部海盆“出生”于3300万年前,“死亡”于1500万年前;西南部海底“出生”于2360万年前,相对较晚,而“死亡”则于1600万年前。

   前两次的钻探,科学家们已经初步揭示了南海的“后半生”。而今年科学家第三次回归南海大洋钻探,想法则更加“疯狂”,它们要聚焦南海“前半生”,解开南海成因,探寻大陆如何破裂、海洋盆地如何形成的科学之谜,这将意味着钻探要去到更深,难度更大。

   对于海陆变迁的谜题,目前科学界并没有一致的定论,但普遍沿用的是以大西洋为“蓝本”的非火山型大陆破裂理论。然而,在南海的早期研究中,已经有初步证据显示,南海的成因可能与大西洋蓝本不尽相同。南海陆缘与洋壳之间如何过渡?是通过一个大断层“干脆利落”地分开还是“拖泥带水”?不同的分离方式将代表着不同的大陆破裂模式。孙珍表示,南海的运动速度是中速到慢速扩张,代表全球大多数海盆扩张方式,南海版本可能在世界海洋研究中更具代表性,而这次的钻探将有望带来“大陆破裂”理论的新版本 。

出品:南方都市报科学新闻工作室

主持:陈养凯

采写:南都记者 余毅菁 阳广霞

摄影: Bill Crawford 、Michael Nirrengarten、

Joann Stock、孙珍

南都记者 陈志刚 实习生 许燕玲


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陈养凯

用科学灭不靠谱的。