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我国科学家首次在南海发现岩石圈“脱碳换骨”的秘密

2017-02-13 10:23:57

【观察者网综合】面积350万平方公里、水深却可达5500米,从地质演变上讲,南海是一个绝佳标本,大洋“板块学说”里的整套过程,南海几乎都有。目前,大洋钻探是了解深海海底最直接、最有效的方式,而我国已晋级为这一领域的主要“玩家”。

新华社2月13日报道,通过大洋钻探,我国科学家首次在南海发现岩石圈“脱碳换骨”的秘密:南海地幔深部存在一种高度富碳的新型岩浆,可在岩石圈的作用下“脱碳”,连续转化为碱性玄武岩。

这是本次“第三次南海大洋钻探”的新发现。

"决心"号大洋钻探船停泊在香港招商局码头


目标:揭示南海形成之谜 “桑田”如何变“沧海”

另据“科学网”2月11日报道,第三次南海大洋钻探的主要目的,是揭示南海形成之谜。

“中国南海中可能会有地球上最迷人的地质记录。”法国古海洋学家卡罗?拉伊的这一判断勾起了无数科学家对南海的向往。

三年前的这个时候,中科院南海海洋所特聘研究员林间正在“决心号”上主持第二次南海大洋钻探,而在千里之外的上海,中科院院士汪品先则和几位科学家讨论着下一次南海大洋钻探的建议书。

时隔三年,随着中、美、法、意等国的科学家登上“决心号”大洋钻探船,由中国科学家主导的第三次南海大洋钻探正式拉开了序幕。

第三次南海大洋钻探包括国际大洋发现计划(IODP)367和368两个航次,共有来自13个国家的66名科学家参加,时间长达四个月。

“两个航次是一个主题,即聚焦于南海扩张之前的大陆破裂,回答‘为什么陆地会变为海洋’的根本性科学问题。”汪品先告诉《中国科学报》记者,与前两次相比,这次钻探目标更深、难度更大。计划在南海北部水深三四千米的深海海底,选取4个站位,往下钻探千余米,钻取南海张裂前夕的基底岩石。

在科学家的眼中,今年这两个航次有更深更大的意义。

“假如把南海比喻成一个人的话,上一次揭示的只是它的‘后半生’,对于它的‘前半生’并不知道。而要完整了解一个人,帮一个人写传记的话,必须得了解一个完整的历史。”

中科院南海海洋所研究员孙珍是参与第二次南海大洋钻探的12位中国科学家之一,令她兴奋的是,这次可以作为IODP367航次首席科学家,揭示南海的成因,解开“海洋盆地怎样形成”的科学之谜。

为什么陆地会变为海洋?陆地是怎么裂解成海洋的?目前国际上较经典的是以大西洋为蓝本的“大陆破裂”理论,那么南海和大西洋是不是完全一样,抑或是另一种新的模式,这就有待第三次南海大洋钻探去验证。

“无论结果如何都很重要,我们对于沧海桑田的基本规律会有进一步的深入了解。”林间期待中国科学家此次可以揭开地球生命史上新的一页。

发现岩石圈“脱碳换骨”的秘密

地球是由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等圈层有机组成的一个整体,碳元素在这些圈层之间循环运动。研究全球碳循环,对于理解现今及未来大气圈层的二氧化碳浓度及变化趋势至关重要,与人类赖以生存的环境息息相关。

我国科学家南海大洋钻探的这一新发现,打开了揭秘地球深部碳循环一扇新的窗户,将大大推动有关深部碳对岩浆活动、地表环境的影响等相关研究。

据这项研究负责人、中国科学院海洋研究所张国良研究员介绍,2014年,在第二次南海大洋钻探IODP 349航次中,“决心”号在南海深水海盆、约4000米深的海底,成功钻取到火山角砾。

航次后,中外科学家合作对这些珍贵样品进行了地球化学、同位素化学和矿物学的深入研究,证明了这是一种新型的、硅含量很高的碳酸质母岩浆。这种岩浆从深部地幔上升并和岩石圈相互作用后,脱“碳”换骨,就变成了很常见的碱性玄武岩。

碳酸岩作为一种岩浆,过去早已被科学家发现过,但这些碳酸岩的硅含量很低,与实验室里推算的原始高硅碳酸岩岩浆是矛盾的。因此,科学家推测:也许已发现的低硅碳酸岩岩浆并不是地幔直接产生的,而很可能是由富碳酸岩的母岩浆演化而成的。

“这种母岩浆只在实验室里出现过,到底是否真实存在于地球上,一直是个谜。通过在南海深部钻探,首次发现硅含量很高的碳酸盐母岩浆,证明了科学家的推测。”张国良说,“更为重要的是:我们在南海首次发现的这种新类型岩浆,构成了一个从富硅碳酸岩至碱性玄武岩的连续变化,出现了一个过去研究从未想到的事实:碱性玄武岩可以由碳酸岩母岩浆演化而成。”

他带领课题组进一步推测认为,地球内部可能存在大量这种新类型的母岩浆,只是这种岩浆上升并经过岩石圈后,脱“碳”换骨,把自己变成了很常见的碱性玄武岩。而且,岩石圈越厚,脱碳能力就越强。因此,通过脱去大量二氧化碳,岩石圈起到了阻止二氧化碳迁出地表的重大作用,仿佛一道“天然屏障”,保护了人类赖以生存的地表环境。

这一发现还表明南海深部存在一个异常的地幔区域。“碱性玄武岩在全球大洋中分布十分广泛,全球海山大多由碱性玄武岩组成。但南海是第一个发现碳酸质母岩浆的地方,全球有多少碱性玄武岩是来自这种碳酸质岩浆?这是一个涉及深部碳循环以及地球内、外相互作用的重大科学问题。”张国良说。

业内专家认为,我国科学家在南海的这项最新发现,对于进一步认识二氧化碳在岩浆起源和演化中的作用,也具有重要科学意义。

近日,国际知名学术期刊《自然—地球科学》已在线刊登了这项南海大洋钻探的最新发现。该项研究得到中国科学院战略性先导科技专项(海洋专项)和国家优秀青年科学基金的共同资助。

我国已晋级大洋钻探主要“玩家”

目前,大洋钻探是了解深海海底最直接、最有效的方式。

“现在世界上可以钻这种井的只有两艘船,一艘是美国的‘决心号’,另一艘是日本的‘地球号’。”林间向《中国科学报》记者介绍说,“决心号”虽不是最大的,但它的科学功能跟科学家的需求较接近;“地球号”个头大可花费也高,主要在日本外海进行钻探。此外,欧洲科学家没有自己的钻探船,用的较多的方式是租船进行科学钻探。

中国自1998年加入国际大洋钻探计划以来,先后设计和主持了两次南海大洋钻探,近年来在国际大洋钻探中的作用日渐增强。用汪品先的话说,中国要成为国际大洋钻探的主要“玩家”之一。

1999年、2014年和2017年的三次南海大洋钻探,林间有幸都参加了。能够见证祖国海洋科学的发展以及科学家队伍的成长,他感到非常欣慰。

“未来,无论是利用第三方平台还是自己造船,中国作为一个大国都是适合的。”林间透露,这两种途径中国科学家都在尝试往前推进。

其实,早在多年前,两院院士60多人曾给中央领导提出关于发展深海研究的建议,其中就包括了建造中国自己的大洋钻探船。

中科院院士孙枢表示,不研究大洋就不可能对地球有真正的全面的了解,如今我国科学技术以及经济的发展已经达到一定水平,有这种可能性和必要性来建造自己的大洋钻探船。

汪品先提醒,自己造船必须非常慎重,同时还需要把人才队伍培养出来,包括科学的、技术的,“将来造出船来得有事干、有人干”。

成为世界“边缘海”研究典范

面积350万平方公里、水深可达5500米的南海,是全球最大的边缘海之一,也是我国岸外最重要的深海区。从地质演变上讲,大洋“板块学说”里的整套过程南海都有。

“在一个范围有限的边缘海,将现代深海过程与地质演变相结合,就有可能通过‘解剖一个麻雀’,在崭新的水平上认识海洋变迁及其对海底资源和宏观环境的影响,而南海是最佳选择。”汪品先说。

不过,林间坦言,现在对南海还是研究得不够深。“尤其,长时间观测仪器只有零散投放,观测深度不够、观测时间不够。”他认为,将来必须在南海投放更多的立体的长期观测的科学仪器。

这与汪品先的观点不谋而合。“深钻、深潜、深网这‘三深’技术都要推进。”他以国家自然科学基金重大研究计划“南海深部过程演变”为例说,项目进行了6年,动用了中国深海研究的各种手段,3次大洋钻探加上深潜航次,到2019年结题,成果可以在国际上亮一亮。

为了更好地利用南海这座海洋科学的天然实验室,汪品先建议,可以由中国牵头组织国际性的南海研究。“但有一条原则是不能动摇的——‘老板是我’。”

据了解,继第三次南海大洋钻探之后,中国科学家还有更多的计划,比如由中国组织的大洋钻探、建造岩心库等,目前都在积极的筹备之中。

“这几次南海钻探的成功直接反映了国际合作的重要性,而且中国科学家慢慢开始领头了。”林间希望,将来关于边缘海重要的理论、观点中有相当一部分是中国科学家的创新。

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来源:观察者网综合 | 责任编辑:周远方
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