航次介绍

IODP 356航次报告

 

张文防
南京大学 表生地球化学教育部重点实验室

 

       2015年7月30日早晨6时许,经过长时间飞行,我与浙江大学何毓新博士所乘坐的飞机缓缓着陆在了澳大利亚西南部的珀斯机场。因为距离澳洲其它大城市较远,珀斯被誉为世界上最孤独的城市。然而,此时它却是国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program,简称IODP)356航次开启的地方。非常有幸,作为356航次大洋发现计划中国科学家,我们非常有幸地领略了珀斯这座安静、美丽而孤独的城市。此时,隶属于美国的IODP海洋钻探船—“JOIDES Resolution”(乔迪斯决心号)就停靠在距离珀斯不远的小镇Fremantle(弗里曼特尔)的码头。对于研究过太平洋沉积物的我来说,很早就对IODP及“决心号”有所耳闻,也一直心存向往,却苦于没有机会去瞻仰。因此,当这种迫切的心情一旦获得释放时,那种雀跃的情感便逼迫着我迫不及待赶往弗里曼特尔一睹其真容。终于,在傍晚时分,我亲眼见识到了停靠在Fremantle码头的这艘“决心号”钻探船。第一眼触及到它时,它就那么远远地静立在蔚蓝的港湾里,伴随着夕阳的余光,肃穆而壮观,它如一士兵般严正以待,俨然一副完全做好了欢迎各国科学家到来的样子。经过一整天的妥善准备后,于当地时间8月1日上午9时许,怀着对神秘的大洋深处探知的憧憬和梦想,来自中国、美国、挪威、日本、澳大利亚、巴西、德国、英国、荷兰、奥地利和瑞典11个国家的32位科学家终于登上了“决心号”,和船上所有的工作人员一起,正式开启了长达两个月的印度洋海洋钻探之旅。在“决心号”上经过两个月紧张、有序的钻探工作后,我们非常顺利地完成了本航次预定的各项任务,于当地时间2015年9月30日上午顺利抵达了位于澳大利亚西北部达尔文市的码头,并结束了此次澳大利亚西海岸钻探之行。之后,经过两天的对后期研究任务的筹备、计划和安排工作以及与科学家们的相互告别,我与何毓新博士于10月3日由达尔文市乘坐航班回国,彻底结束了这次伟大而有意义的科学之旅。暮然回首,时间太瘦,似乎还没来得及好好的感受,忽然而已,海上两个月的时间就如梭般过去了,但对于我来说,这两个月的生活却意义深远,不但进一步加强了我对探究海洋沉积物研究的兴趣,也更加增加了我对海洋地质学这一领域的执着追寻。一路走来,非常不易,感谢为了这次钻探计划辛苦工作的“决心号”上的工作人员,也感谢给我们提供了机会和多次帮助的IODP中国地区的老师们。

 

图1  停靠在弗里曼特尔码头夕阳余光下的的“乔迪斯 决心号”


1 航次背景、计划与目标
       印度尼西亚穿越流(Indonesian Throughflow,ITF)是全球温盐环流传输的一个重要部分。它把热量从赤道太平洋(太平洋暖池)输送到印度洋,对全球气候变化起着非常关键的作用。由于澳大利亚板块持续俯冲亚欧板块,印度尼西亚群岛构造演化非常复杂,使得直接地在该地区研究印度尼西亚穿越流变化变得非常困难。研究ITF演化最佳位置应是ITF影响的下游地区。过去对ITF的研究钻孔大都缺少ITF生物和沉积方面的直接证据。IODP 356航次在澳大利亚西海岸南纬18—28°纬向断面上钻取了7个钻孔,研究5百万年来ITF、太平洋暖池和气候演化。具体来说,主要有以下3个目标:
       1、确定ITF、印度-太平洋暖池和Leeuwin洋流出现的时间及变化,了解第四纪热带以外碳酸盐岩及礁沉积作用。
       2、获取一个5 Ma以来热带到亚热带轨道尺度的气候和海洋记录,并直接与深海氧同位素和冰芯记录进行对比,阐明澳大利亚西北部干旱化历史和澳大利亚季风的变化。
       3、为制约澳大利亚板块运动和地幔对流之间的相互作用和地面实测资料的地球动力学模型提供时空证据。

 

图2  IODP 356航次站位分布图


2 船上的工作
       本次航次的首席科学家为澳大利亚墨尔本大学地球科学学院的Stephen J. Gallagher教授和美国德克萨斯州大学奥斯汀分校地球物理研究所的Craig S. Fulthorpe教授。两位首席科学家对科研工作有着浓厚的兴趣。他们工作非常努力认真、统管全局,总能沉着应对各种难题,保证了钻探工作的顺利进行。Stephen教授幽默风趣,时不时讲些有趣的故事和笑话,让人在紧张的工作间隙可以开心一笑,轻松些许。Craig教授非常谦,是一位真正的绅士,让人很有亲切感。除两位首席科学家外,航次的项目经理也起到了至关重要的作用。该航次项目经理为美国德州农工大学的Kara Bogus。Kara为人随和,是一位非常善于表达、很有亲近感的人。她负责航次前、航次中和航次后的科学家联络和消息发布工作。她有着丰富的管理经验并具备卓越的组织能力,语言富有感染力,船上的科学家们都很喜欢她。Kara每天都会给大家发邮件通报过去一天的研究进展,每周也会发送周报告,让我们及时了解最新的情况。她在船上组织的放风筝比赛和趣味游戏更是让人回味无穷,也加强了科学家之间的相互交流。
       “决心号”号上很多位置均安装了扩音器。一旦有最新消息或突发状况,尤其是钻探甲板上的最新信息,大家均可及时获知。洪亮有力的声音“Core on deck”(样品在甲板上)宣告着样品已经成功提出并且即将放到Catwalk(放刚钻取的样品的过道)。听到“指令”后,技术人员和相关研究组科学家会快速赶到Catwalk。此外,在每个实验室以及餐厅里均有显示船上的工作进度的显示屏,我们也可随时了解钻探工作甲板上的最新情况,提前做好去Catwalk取样的准备。当样品提上来后,Core-catcher(提取的样品柱子底端的装置)会第一时间由技术人员抱到Catwalk墙边的桌子上,其中的样品会及时取出,拿给早已在一旁等候的微化石组科学家。随后,钻取的柱子放到支架上后,技术人员快速、准确量取切割成1.5米长的柱子。此时无机和有机地化组科学家要采孔隙水样品和气体测试样品。之后,切好的柱子放到扫描仪中扫描,输入计算机系统并贴上标签。柱子剖开分成两半,一半留给地层描述组科学家进行颜色采集和地层描述,另一半留给物理测试组科学家、古地磁组科学家和沉积组科学家取样分析。
       按照惯例,船上科学家工作时间被分为两班:中午12点至午夜零点(Sunset 组,因只能看日落而得名)与午夜零点至中午12点(Sunrise组,因只能看日出而得名)。在11:45和23:45我们要进行交接班,各个实验室上一班的科学家要把相关情况告知下一班科学家。每天午夜零点和中午12点全体科学家要在样品甲板上参加由两位共同科学家轮流主持的Crossover meeting(交流会)。首先共同首席科学家简要介绍一下过去12个小时钻探情况以及预计下一个12小时将要做的工作。之后,各个研究组科学家畅所欲言,无私地分享自己组的最新发现以及遇到的问题。每一个最新的发现都会赢得大家阵阵掌声。我所在的地球化学小组共有四位科学家,分别来自中国,美国和日本。我的工作任务为无机地球化学,与美国麻省大学有机地化科学家Isla S. Castañeda组成Sunrise组,工作时间为午夜零点至中午12点。另一组(Sunset组)科学家为有机地化科学家何毓新博士和无机地化科学家日本东北大学的助理教授Hideko Takayanagi。技术人员在Catwalk上切割样品后,我们地化组立即取得样品,返回实验室用挤压仪器挤压出孔隙水,分析其碱度、PH、盐度和一些主微量元素。与此同时,有机地化科学家测试沉积物中的甲烷、乙烷等气体来判断钻孔过程是否安全。每个站位工作即将结束时,还要测试提取孔隙水之后的沉积物中的碳酸钙、有机碳和总氮含量。在交接班时,我们地化组科学家会一起探讨和分析这些指标的意义。结合其他研究小组的结果,判断沉积物的形成和沉积过程,最终形成总体意见和看法。然后用IODP规定的格式写成站位报告(Site Report)上传到公共网络服务器,请首席科学家和项目经理审阅。之后按照他们反馈的意见进行修改,完成最终版本,交给航次负责出版的人员。经过两个月的交往和交流,我们地化组四位科学家成了非常要好的朋友。
       在船上各个工作小组中,古地磁组和微体古生物组科学家的工作最为辛苦。古地磁组仅有两位科学家,他们几乎要对每个钻孔的样品进行测试,以便及时获取大家很关心的年代。微体古生物科学家在取得样品后,要先做前处理,然后在显微镜下进行分析工作。在他们工作区域的墙上,经常可以看到不断更新的微化石的照片和工作进展。他们的工作也成为了其它小组科学家较为关注的焦点。工作过程中,难免会遇到仪器或技术方面的难题,但可随时请技术人员帮忙解决。他们技术精湛、经验丰富并热情周到,很快都能使问题顺利解决。
3 航次执行情况
       356航次共钻探7个站位U1458-U1464,共获得了5185.15米的沉积物样品,平均取芯率为67%。其中,U1458位于珀斯盆地的北部,站位水深156.77米,是此次航次的最南端钻孔。该站位仅获得3.72米沉积物,取芯率为37%。对该站位进行取样工作时,首先采用了活塞取样器(APC),后来运用了半活塞取样器(HLAPC),最后用了延伸钻杆取样器(XCB),但均无法获得较高取芯率。因此,不得不放弃此站位的钻探,移到下一个站位。
       U1459距离上一站位仅1海里,是U1458的备选钻孔,对于研究长期的Leeuwin洋流、第四纪前的礁沉积作用和冬季风主导的降雨区气候机制有重要意义。此外,还可探讨澳大利亚板块运动过程,为地球动力学模型提供时空证据。该站位水深约192米,钻取3个孔(Hole A; B; C),共获得224.96米的沉积物样品,平均取芯率为44.7%。
       站位U1460位于U1469西北部18海里处和澳大利亚西南冬季主导的降雨区最北端,对了解气候演化机制有重要意义。该站位水深约214米,共钻取2个钻孔(Hole A和B),获得592.2米沉积物样品,平均取芯率为97.5%。
       从U1461开始,站位转移至澳大利亚西北部近海海域。U1461站位是研究上新世以来澳大利亚干旱化和季风演化的较为理想的地点。水深约127米,共钻取4个钻孔(Hole A、B、C和D),获得1804.87米沉积物样品,平均取芯率为86.5%。U1462站位水深约为87米,共钻取3个钻孔(Hole A、B和C),获得1824.3米样品,平均取芯率为28%。
       U1462主要用来获取上新世以来ITF连通性变化的记录。此外,还可研究澳大利亚季风演化、礁沉积和澳大利亚板块运动过程。
       U1463用来研究澳洲板块向亚欧板块俯冲幅度和速度以及该地区大陆架边缘的海洋环境变迁。水深约为145米,共钻取4个钻孔(Hole A、B、C和D),获得1294.4米样品,平均取芯率为79.5%。
U1464是该行次最北端站位,是研究ITF最佳地点。还可研究澳大利亚季风和干旱化的演化历史。水深约为264米,共钻取4个钻孔(Hole A、B和C),获得487.04米样品,平均取芯率为41.75%。

 

图3  本文作者在船上工作


4 感想与收获
       从见到梦想中的“决心号”钻探船开始,内心就一直充斥着难以言表的喜悦。航次快要结束的时候,共同首席科学家Stephen教授问起我对航次的感受。我不假思索地告诉他我从始至终都保持着非常浓厚的兴趣,所以非常喜欢和享受这样的工作环境和经历。这样的回答也是我真正的切实感受。正是在这艘船上,我更加深入地理解了交流、合作和效率的含义。高效的运作机制、有序的工作安排、精湛的作业技术和几近完美的后勤保障都给我留下了深刻印象。在工作之余,航次执行总监Steve Midgley带领我们参观了引擎及控制室、轮船航行控制室。一个个庞大的引擎,一排排密密的操作按钮,一个个清晰的监控屏幕,显示着它不愧为是一艘经过了几十年发展的巨轮。每周都要举行一次演习,所有人员听到报警后都要快速穿好救生衣、戴好铁帽,在规定时间内赶到自己被分配的救生船甲板上,由负责人清点人数并向船长汇报。这样的规矩,任何人都自觉严格遵守。看着这艘巨轮,我时常忍不住去想:我们中国何时才有这样的大洋钻探船呢?这可能也是中国许多海洋研究人员的共同心愿。在船上,我见到了一位来自我国北京的实验室软件开发技术人员。他目前在美国工作,此次航次负责实验室仪器软件开发和维护工作。我经常和他聊起我们中国是否可以建造类似“决心号”号钻探船。我们一致感受是我国的经济实力也许可以建造一艘这样的轮船硬件设施,但相应的人员配备、钻探技术和后勤服务可能无法跟得上。是的,我国已经看到了海洋研究的重要性,正在转向“海洋战略”研究。也许路途还很遥远,但是只要我们勇于追求和探索,总会找到一条属于自己的道路。
       爱岗敬业、技术精湛的团队。船上人员由四部分组成:第一是科学家组;第二组是技术团队;第三是钻探公司SIEM;第四是后勤保障组。SIEM人员是钻探工作的一线工作者,他们负责把沉积物从海底钻取上来。他们有着非常丰富的钻探经验,有的人员甚至在船建造时就开始在船上工作了。技术人员随后进行切割、编号并录入计算机系统。各个实验室也有专门的技术人员,他们负责培训和协助相关科学家做好工作。后勤保障人员负责做好船上工作人员的饮食起居。在紧张的工作之后每每看到他们给精心准备好的各种美食和各式各样的糕点、饮料和水果;当我们回到休息房间,看到床铺已然铺好,衣服已经洗好;一种幸福和感动油然而生。当船上人员过生日时,他们会准备一个特好的蛋糕,让人不禁感动。我们吃过饭后都会对他们说一声“谢谢”以表达感激之情。也许正是这样的细节,使得IODP依然能够展现出旺盛的生命力。
       实验设备和配套资源。“决心号”上的实验设备非常齐全、准确可靠,可充分保证测试工作的顺利进行。登上船之后,实验室技术人员会耐心地培训科学家,直到完全会操作为止。实验过程中,遇到任何难题,他们能会耐心讲解,并且很快会使问题顺利解决。船上的各个专业方向的书籍应有尽有,甚至还包括从初始大洋钻探开始以来的所有钻孔的初始报告。网络服务器上还有这些报告的电子资源,若需要,可以随时查阅。
       休闲娱乐。孤独与焦躁也许是长时间出海人员不可避免的情绪问题。在我们工作了很久疲惫时,我们可以眺望一望无际的大海;寻找不时跳入眼帘的鲸鱼、海龟、海蛇、海豚和鲨鱼;观赏美轮美奂的日出和日落。每当这个时候,总能看到我们的摄影师William Crawford拿着专业摄像机记录着一幕幕美好的瞬间。IODP显然预先考虑了这样的问题。我们还可以选择在健身房听着音乐锻炼,在电影室里观看喜欢的电影,在台球室里展示桌球技艺,在乒乓球台比赛、切磋与交流。在船上工作中期,还组织安排了Half-day活动,大家尽可展现自己的激情与活力,在舞光灯下跳舞欢唱来放松。在直升机甲板上举行的风筝比赛吸引了各个小组科学家参赛,各式各样的风筝畅游在蓝蓝的天空,展示着我们的创新与巧思。有些搞怪、不拘一格的趣味比赛让人在开怀大笑中体验着酣畅淋漓的快乐。是的,这里有太多方法驱赶孤独或烦躁,留下的是一串串的甜蜜回忆。
       在中国IODP资助与支持下,越来越多的中国年轻科学家有机会踏上“决心号”,参与全球海洋研究上来,正为全球海洋发展贡献着自己的一份力量。正是我国的经济实力、国际地位和国家战略让我们的梦想正逐渐变为现实。不可否认,我们还有很长的路要走,但只要我们脚踏实地,虚心学习,我们迟早可以建造一艘属于我们自己的海洋钻探船,实现我们的“海洋梦”。感谢中国IODP的资助,感谢浙江大学何毓新博士在船上的热情帮助。我将积极开展航次后研究,做出自己的一份贡献。 

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