航次介绍

亚特兰蒂斯蛇纹岩化与生命演化——IODP 357航次介绍

 

刘海泉

中国科学院广州地球化学研究所

 

       继IODP 357航次海上钻探部分完成后,2016年1月29日至2016年2月5日,岸上研究计划如期在德国不莱梅大学海洋环境研究中心(简称MARUM)完成。航次题目是:蛇纹石化与生命——新生镁质-超镁铁质洋壳的生物地球化学和构造-岩浆过程,由“欧洲大洋研究钻探联盟(简称ECORD)”组织并执行。来自中国科学院广州地球化学研究所的刘海泉博士代表中国参加了本航次的岸上研究。

 

1、航次背景

       IODP 357航次目的是通过获取大西洋洋中脊亚特兰蒂斯基性-超基性岩体(Atlantis Massif, 以下简称AM)的蛇纹岩,研究基性-超基性岩石蛇纹石化的生物和非生物过程,具体科学目标有五个:

1)探索海底基性-超基性岩表层生物圈活动及其发育规模;

2)确定海底基岩蛇纹石化过程支持的微生物群体是否与热液沉积物及流体相似;

3)评价随岩石圈年龄变老和不同岩石类型的生命和非生命进程的演化;

4)量化蛇纹岩化在驱动热液体系和吸收超基性岩中碳所起的作用;

5)表征慢速扩张脊,尤其是非对称伸展以及地幔剥露过程控制的热流以及流体活动,在推动岩石圈成分多样性,变形和热液蚀变等热液活动和构造-岩浆演化过程所起的作用。

       AM位于大西洋洋中脊北纬30°与亚特兰蒂斯转换断层相交出内侧(图1);IODP 304-305航次研究成果表明,其北侧组成主要为辉长岩,而南侧主要为蛇纹岩化的橄榄岩,含有少量辉长岩体;锆石SHRIMP U-Pb年龄显示AM形成年龄为1.3-1.1 Ma。著名的Lost City Hydrothermal Field(简称LCHF)即坐落于南部洋脊之上。通常,在洋中脊发现的热液活动一般位于洋中脊玄武岩之上,例如发育于洋脊玄武岩之上的“黑烟囱”,这一类型热液活动以高温(200 - 400℃)、偏酸性(pH值<7)、富含多金属为特征;含矿热液与海水反应后,沉淀变为“黑烟”,因此由沉淀物组成的“黑烟囱”主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铁-铜硫化物等组成。而LCHF则位于遭受蚀变和变形的橄榄岩和辉长岩之上,其热液流体则是低温的(40-75℃)、偏碱性(pH值=9.0 - 9.8),构成其“烟囱”的主要物质为碳酸盐和水镁石。

       IODP 357航次首席科学家为瑞士苏黎世联邦理工学院教授Gretchen Früh-Green和美国比奇洛海洋科学实验室高级研究员Beth Orcutt, 其中Gretchen Früh-Green也是亚特兰蒂斯LCHF的发现者。

 

图1 IODP 357航次站位分布图

 

2、航次执行情况

       本航次使用英国南安普顿大学所属的詹姆斯·库克号(James Cook)科学考察船,搭载英国地质调查局的海底岩石钻探系统(Seafloor Rockdrill 2, 简称RD2)和德国不莱梅大学的海底钻探系统(Meeresboden-Bohrgerät, 简称Mebo)实施钻探。由于本航次钻探目标是距海底约100 m深度内拆离断层的蛇纹岩;因此,虽然RD2和Mebo设计的最大钻探深度较小,分别为55 m和80 m,但是这样深度设计足以满足本次科学任务的需要。在历时47天的航次时间里,船上科学家共完成9个基站(M0068, M0069, M0070, M0071, M0072, M0073, M0074, M0075, M0076),钻井17口,总进尺105.11米,取芯57.05米的沉积物和岩石取样任务;并获得了孔隙水和海水样38个,完成了航次的预期目标。本航次分为海上部分和岸上部分,由于科考船容量有限,只有包括首席科学家、部分微生物和地球物理学家在内的11名科学家参加了海上钻探工作。海上钻探结束后,除部分微生物样品送往日本高知县的日本海洋-地球科学和技术研究中心(JAMSTEC)冷库封藏处理,剩余岩芯样品和海水样的岸上研究在德国不莱梅大学MARUM下属的IODP岩芯库进行。岸上工作分为岩芯描述、地球化学、古地磁、岩石物理属性和微生物等五个组,我被分到了地球化学组(图2)。IODP 357航次岸上研究原计划在不莱梅大学地质实验室开展全岩主量元素(XRF)和水样的主-微量元素(ICP-OES)、阴离子(IC)和硫化物(DR5000)的测试分析工作。但是由于担心岩石样品受到污染,首席科学家决定岩石样品的XRF的分析工作由地球化学组成员Dominique Weis教授带回加拿大英属哥伦比亚大学的太平洋同位素和地球化学研究中心进行。因此,地化组的工作主要是负责航次水样的地球化学分析、实验方法和报告的撰写工作。

 

图2 本文作者在不莱梅大学地质实验室开展地球化学分析工作

 

3、航次后研究以及期望

       对于航次后续研究,IODP有着严格的规定,即不允许重复,以避免样品的浪费;鼓励参与的科学家合作或寻找新的科学问题与目标。然而,大家有相同想法的几率很高,因此竞争不可避免。对于我来说,更是如此。我近几年的工作是地幔柱和俯冲带岩浆岩的研究,岩浆岩的研究才是我的强项;因此,基性-超基性岩的蛇纹岩化研究对我来说是一个全新的领域,需要学习的理论知识很多。经过了两次修改航次后研究计划,最终我的航次后研究计划是:Atlantis Massif基性-超基性岩石蛇纹岩化过程的稳定Sr-Nd同位素研究。

       最后,期望本航次后续研究能够取得重要的进展,期望更多的中国科学家参与到海洋地质的研究,期望中国海洋事业长足发展。

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