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bv1946伟德入口大洋红层,南海深部动荡中的平静

2019-08-01 12:16

代表了远洋和极其安静深海沉积环境的“大洋红层”,再次出现在第三次南海大洋钻探的第二个钻探站位,令“决心”号上的科学家们十分惊喜。

南海海底意外发现“大洋红层”

[编者按] 1月29日小年夜从香港出发的大洋钻探船,载着同济的七位教授,正在南海四千米的深海底探索奥秘。我校科学家特地从船上发来信息,和学校师生一起分享南海的奥秘。让我们和“深海战士”们一起,为航次的成功祝福,为同济人的深海贡献而自豪!

[编者按] 1月29日小年夜从香港出发的大洋钻探船,载着同济的七位教授,正在南海四千米的深海底探索奥秘。我校科学家特地从船上发来信息,和学校师生一起分享南海的奥秘。让我们和“深海战士”们一起,为航次的成功祝福,为同济人的深海贡献而自豪!

在第一个钻探站位U1499B孔,大洋红层出现在海底以下约800米深处;而在目前的第二个钻探站位U1500B孔,大洋红层则出现在海底以下约1200米位置,整整深了400米。在大洋红层之下,“决心”号紧接着在1380米深处钻到了灰黑色的玄武岩。

据电 3月1日,由我国科学家主导的第三次南海大洋钻探进入关键时期,科学家在南海北部的海底意外发现了“大洋红层”。

我们的349航次虽然已近尾声,还有四天就提钻返航了,但钻探工作仍然在如火如荼地进行。目前在第四个站位已经钻穿沉积层,又一次成功获得大洋玄武岩。整个航次发现的南海深部一千六百多万年以来动荡的演变历史,给我们留下了深刻印象。然而,南海深部的历史演绎有动荡的时期,也有其相当安静的一面。在三个钻穿沉积层的站位,我们发现沉积层的底部和大洋玄武岩之间都有一层较厚的红棕色泥岩,这是一种常见但非常特殊的沉积层,告诉我们南海深部曾经有时相当安静,可称其为“宁静”。

在南海大洋钻探349航次第一个站位,我们发现了被喻为“海底风暴”的浊积沉积、记录海底火山爆发的火山角砾岩以及代表海底扩张的大洋玄武岩,这是南海中部海盆1600万年以来的演绎史。然而,南海深部并非每处都这样动荡,第三个站位钻探的结果却是记录相对平静的演化历史,这出乎我们船上科学家的预料。科学钻探的诱人之处就在于不断地发现地球深处的奥秘。

仔细观察,南海大洋红层的红层泥岩,质地极为细腻,颜色由暗红、到浅红、再到微红。红层中,有时夹杂着绿色的层段,有时呈现绿色的斑斑点点,有时还出现微小的砾石颗粒,甚至“镶嵌”着金属条带和金属颗粒。

连日来,“决心”号大洋钻探船长达四千多米的钻杆日夜不停地向下深钻。理论上推测的南海基底岩石深度870米早已钻过,还是没有看到基底岩石的出现。从海底钻取出来的一管管岩芯样品,是一种看上去呈红棕色、细腻如巧克力的泥岩。

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“决心”号上的海洋沉积学家、同济大学海洋与地球科学学院刘志飞教授认为,南海大洋红层直接覆盖在玄武岩之上,说明当时的深海在玄武岩喷发之后,经历了一段长期安静的远洋环境,这进一步证实南海在演化早期是“远洋沉积环境”,与现今的“半远洋沉积环境”截然不同。

据海洋沉积学家、同济大学教授刘志飞介绍,这种红棕色泥岩就是典型的“大洋红层”。2014年,第二次南海大洋钻探曾在南海中部海盆第一次发现了“大洋红层”,当时位于大洋地壳玄武岩之上。此次在南海大陆斜坡的底部再次发现了“大洋红层”,到目前已有一百多米沉积,具有重要科学研究意义。

图片说明:红棕色泥岩的岩芯照片,橘黄色标签“LIU_Z”是作者开展研究的采样位置

图片说明:作者在钙质超微化石白垩的岩芯前

在远洋沉积环境里,海洋里的颗粒物自上而下的缓慢沉降,沉积速度慢,通常每千年仅沉积几毫米;而在半远洋沉积环境里,颗粒物从陆向海进行侧向搬运和沉降,沉积速度快,每千年沉积可达几厘米或几十厘米。

“大洋红层”是一种远离陆地、在深水中慢速堆积、在富氧条件下形成的远洋沉积物,其主要成分是微米级的黏土矿物,也可能含有微体化石碎片等。由于细小的沉积物在海底停留时间很长,颗粒外表容易形成一层铁锰氧化物,加之沉积环境缺少有机质,这些偏红色的氧化物被埋藏后就将颜色保存下来。“大洋红层”在现今的太平洋、大西洋、印度洋海底均有广泛分布。

这里先解释一下红棕色泥岩的来龙去脉。在现今的世界大洋底部广泛分布有红色或棕色软泥,这是一种在远离陆地、深水、慢速堆积条件下的远洋沉积物,平均每千年仅沉积1~5毫米厚。软泥的成份都是微米粒级的陆地来源、火山来源或海底自生形成的矿物颗粒,也可能含有微体化石碎片等,其中,最主要的成份是粘土矿物,并含有微量的铁锰氧化物等。由于这种软泥形成的水深都是位于碳酸钙补偿深度深度以下,因此基本上不含钙质化石。现今的太平洋海底有35%面积、大西洋和印度洋海底有25%面积都覆盖着这种红色软泥,代表了远洋和极其安静的深海环境。为何这些软泥是红色的呢?前人研究已经发现,这是因为细小的沉积物在海底停留时间很长,颗粒外表容易形成一层铁锰氧化物,沉积环境缺少有机质,这些偏红色的氧化物被埋藏后就将这种颜色保存下来,形成独具特色的远洋红棕色泥岩,被广泛称为“大洋红层”。 南海发现这种“大洋红层”还是第一次,它的重要性还不仅是其代表宁静的深海沉积环境,而更在于其蕴藏了可能相当长时间的南海演变历史。我们的钻探发现这种红棕色泥岩有十米至三四十米之厚,这意味了什么呢?如果以三十米厚、现代最快平均沉积速率每千年五毫米来推算,三十米红棕色泥岩代表了六百万年的沉积历史。这绝非是耸人听闻,根据船上对钙质超微、有孔虫和放射虫化石的地层年代学现场研究,这些厚层的红棕色泥岩至少记录了三百万至八百万年的年代跨度。 南海深部这段宁静的深海环境,恰巧是发生在海底扩张停止之后,红棕色泥岩直接覆盖在大洋玄武岩之上,这让船上科学家百思不得其解。海底扩张形成大洋玄武岩时可谓是“熔岩滚滚”,而上面覆盖的红棕色泥岩则是“这里的黎明静悄悄”,这两者如何相容呢?实际上,这是两个迥异的时间尺度问题。“熔岩滚滚”是快速活动的过程,在其停止活动后相当长的时间都是非常地安静,海水中悬浮的微小颗粒慢悠悠地沉降,每一千年才累积一毫米多一点,而那时炽热的岩浆早已冷凝成坚固的玄武岩。这里的关键就在于南海深部那段非常宁静的深海环境,没有构造活动,没有火山爆发,甚至连周边陆地河流输入的沉积物也不能抵达此处,南海深部那时的宁静世界可堪称“世外桃源”。 那么,南海在扩张停止后为何如此安静呢?这是我们航次后研究需要解答的科学问题,也是我的研究兴趣所在。刘传联教授的手记《出人意料和情理之中》,似乎预测了情理之中的答案,但这些“情理之中”还有待于我们不断地去探索。

我们是在3月8日到达了第三个站位,这是位于南海西南部的深水盆地,水深约4390米,比第一个站位还深150米,这里的海底周围一百公里范围内也分布着几座海山。迄今为止,我们已钻穿了八百米厚的沉积层序,发现这里的深海要安静许多。钻取的岩芯在上部两百多米都是厚层的泥质沉积,偶尔夹杂一些很薄的粉沙层,这些沉积物说明当时沉积环境的水动力条件不强,虽然薄层的粉沙也指示短时的动荡,但这里的深海底部总体相对安静。这让我们感叹南海深部“深不可测”,因为当时预测这个站位上部地层都是以浊流沉积为主,钻探的发现却揭示了一个截然不同的深海沉积环境。继续钻进时,我们仍然想象可能有浊流或火山碎屑沉积的出现,毕竟这里距离第一个站位仅有三百多公里距离,而且处于同一个区域的深海环境。 然而,钻进到三百多米时迎接我们的仍然是厚层泥质沉积,但夹有中厚层的钙质沉积物。这些钙质沉积层就如刘传联教授在《“决心号”上的“超微小屋”》文中所描述,是由钙质超微化石组成的钙质软泥。钙质超微化石一般仅有几微米大小,专业术语称为“钙质超微化石软泥”。有时在钙质超微化石软泥层的底部见有颗粒稍大的有孔虫软泥,有孔虫化石的大小从几十微米到几百微米,如李前裕教授在《探究深海生物化石编年》文中所述,我们称其为“有孔虫软泥”。钙质软泥沉积层只有在碳酸盐补偿深度之上才能形成,南海现今的CCD深度是3500米左右,而这个站位水深远超过CCD深度,加上钙质软泥的粒度变细层序,我们推断新出现的钙质软泥仍然是一种浊流形成的产物,可能是从附近的海山斜坡快速搬运而来。但尽管这样,这样钙质软泥形成的动荡环境还远不及第一个站位频繁发生沙泥质浊流的强度。 继续钻进到距海底五六百米深度时,不断有厚层的钙质超微化石软泥出现,厚度有时达到七八米。这时的沉积物由于埋藏很深,加上当时可能地热的作用,沉积物已经开始固结成坚硬的岩石,我们将这种由钙质软泥形成的岩石称为“白垩”。“白垩”是一种白色、质软、多孔隙、形成于深海环境、由方解石矿物组成的石灰岩。这个词起源于欧洲的地质地层单位,即晚白垩世“Chalk Group”,由于其颜色灰白、矿物成份单一,非常别具特色,后来地质学界将这类石灰岩都称为“chalk”。最简单的例子,就是老师在上课时使用的“白色粉笔”也称为“chalk”,这是因为“白垩”这种石灰岩在颜色和成份上就如同粉笔一样。由钙质超微化石软泥成岩就形成“钙质超微化石白垩”,由有孔虫软泥成岩就称为“有孔虫白垩”。我们钻探获得的钙质超微化石白垩层,在其底部通常会有十来厘米厚的有孔虫白垩,显示其仍然起源于浊流成因。但如此之厚的钙质超微化石白垩让我们感到迷惑,一次浊流活动如何形成这么厚、而且成份均一的钙质超微化石沉积?为什么没有如同第一个站位那样形成大规模厚层砂泥岩组成的浊流沉积? 航次钻探已进行了一个半月,从南海深部的动荡到相对平静,一系列的发现给我们带来更多有待解答的科学疑问,探索南海深部的奥秘可能才真正开始。

“大洋红层在这个航次的钻探地层中出现,表明至少1000多万年前的南海曾经开阔而安静。斗转星移,南海沿着自身地质历史发展的轨迹不断演化,深海环境也随之不断变化,再也没能回到史前安静祥和的沉积岁月。”刘志飞说。

对“大洋红层”样品中有孔虫化石的分析显示,刚开始出现的“大洋红层”里有孔虫,大约生活在900万年前。截至记者发稿时,已经发现了最古老的有孔虫化石,大约生活在1900万年前。也就是说,这里的“大洋红层”至少已经沉积了一千多万年。

“决心”号上的海洋古生物学家们还发现,南海大洋红层里普遍发育生物遗迹,尤其在底部层位中,含有大量的微体化石,如有孔虫和钙质超微化石等。

刘志飞表示,“大洋红层”代表了远洋和极其安静的深海环境,在南海的海底沉积发现“大洋红层”,说明当时的南海是面向西太平洋开放的边缘海。而现今的南海是半远洋沉积环境,南海东部的菲律宾岛弧带向北移动,致使南海成为半封闭海盆,深海环境发生了巨大转变,现今的南海海底再也没有“大洋红层”了。

“大多数的大洋红层里,基本是不含化石的。南海大洋红层表明:在史前那段安静祥和的岁月里,南海里的生命旺盛、旖旎多姿,令人浮想联翩。”刘志飞说,“这些富含微体化石的远洋沉积形成的岩石--白垩,通常是白色的。但在南海,白垩却是红色的,令人诧异不已。”。

《中国科学报》 (2017-03-02 第1版 要闻)

2014年,在我国科学家主导的第二次南海大洋钻探IODP349航次中,“决心”号曾在南海中部海盆U1431和U1433等三个站位,第一次发现了南海大洋红层,当时也是位于大洋地壳玄武岩之上。

在航次后的研究中,刘志飞和他的博士生吕璇对U1433站位一段40多米厚的大洋红层沉积岩芯样品,进行了元素地球化学和矿物学的分析。结果表明:U1433站位的“中新世”红层,是在富氧的水团环境下形成的;在沉积后,又有部分红层发生了热液蚀变。

“此次在南海北部陆坡的最底部再次发现大洋红层,具有重要科学研究意义,我们将进一步展开对比研究。”刘志飞说,“在船上观察和描述大洋红层,是一件非常令人愉快的事。不但可以自己静静观察仔细描述,想象着1000多万年前红色的南海深海世界;还可以与大家分享红色沉积的由来,一起深入探讨,将来共同揭开南海深海史前的神秘面纱。”刘志飞说。

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