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“决心号”大洋钻探:打穿地球壳幔边界进程近半
关键字: 决心号决心号大洋钻探决心号不眠夜“决心号”打穿地球壳幔边界进程近半大洋钻探决心号在西南印度洋钻探作业2015年12月18日,“决心”号钻探人员在通过船底与海水相连通的月池上安装返孔锥。
2015年12月19日,“决心”号钻探人员在钻探平台工作。
2015年12月19日,“决心”号水下摄像机传回的岩芯钻杆进入钻孔的画面。
西南印度洋中脊,让科学家着迷
半月谈网此前曾发表文章,详实地介绍“决心号”在西南印度洋钻探研究的相关情况。
近年来,西南印度洋中脊成为地球科学研究的热点地区。
为什么这儿会吸引全世界的科学家?原来,作为南极洲板块和非洲板块的分界线,西南印度洋中脊有独特的超慢速扩张和倾斜扩张的特征,可以让科学家一窥地壳深处的奥秘。
如果去除巨厚的水层,海底地形地貌实际上与陆地很相似:既有平原千里、丘陵逶迤,也有高山峡谷、沟壑纵横。其中,隆起于洋底的巨大“山脉”,成为一道道蔚为壮观的“大洋脊梁”。
西南印度洋中脊的西侧与大西洋中脊和美洲—南极洲洋中脊相交于布韦三联点,东侧与中印度洋中脊和东南印度洋中脊相交于罗德里格斯三联点。根据海底扩张和板块构造学说,洋中脊是洋底的“扩张中心”和新洋壳的“制造工厂”。热的地幔物质沿着脊轴不断上升并发生熔融,形成的玄武质岩浆凝固成新洋壳,并不断向两侧扩张推移。在不同的洋中脊,新洋壳的“制造”速度也不一样。
科学家根据洋中脊的扩张速率和岩浆供给量的不同,将洋中脊划分为快速、中速、慢速和超慢速四种主要类型。其中,超慢速扩张洋中脊是近年来最新划定的,以西南印度洋中脊和北极的加克尔洋脊最为典型。
慢速或超慢速扩张的洋中脊,地幔熔融不能产生足够的岩浆,因此地壳断裂非常普遍,广泛分布着“构造窗”,暴露出地壳的下层。这些“构造窗”是人类目前的钻探技术可以“触摸”到地幔边界的唯一场所。30名科学家前往的西南印度洋中脊“亚特兰蒂斯浅滩”,就是一处理想的钻探地点。
目前,科学家已经在西南印度洋中脊观察到很多独有特征,如广泛分布的大型拆离断层、出露海底的蛇纹石化橄榄岩、洋脊斜向扩张、显著变化的轴部水深地形等。深入研究西南印度洋中脊,对于认识超慢速扩张洋脊的岩石圈增生模式、完善地幔上涌模型、热液循环机制等,均具有重要意义。
环环相扣,打入海底的“岩石探针”
蔚蓝色的西南印度洋,连日来晴空万里。“决心”号大洋钻探船自12月16日晚抵达后,稳稳地停在南纬32度42分、东经57度17分的目标海域,开展大洋钻探工作。
亚特兰蒂斯浅滩位于海面下约700米深处。“决心”号抵达后,一个巨大的水下电视摄像系统和钻杆一起,通过船底与海水相连通的月池缓缓放入海底。所谓月池,是指垂直于海面、贯穿船体、与海水相连的一个空腔。在灯光的照射下,亚特兰蒂斯浅滩的神秘面纱被小心翼翼揭开,通过电缆线在船上电视屏幕上直播。
这是一片生机勃勃的海底世界。成群结队的小鱼被灯光吸引,像飞舞的雪花一样掠过电视屏幕,一只生活在海底的螃蟹,似乎刚刚被“不速之客”惊醒。
随着摄像机缓缓移动,亚特兰蒂斯浅滩上白色“沙滩”与黑色岩石相互交错的地形地貌一览无余。据英国卡迪夫大学克里斯托弗·马克里德教授介绍,由于这片海域洋流很大,海底沉积物大多被冲走,这些白色的“沙滩”其实是石灰岩,黑色岩石就是下地壳的代表性岩石——辉长岩。
经过近10个小时的搜寻,水下摄像机17日终于找到一块合适的平坦区域。“决心”号钻探人员连夜在此展开钻孔重返装置的安装工作。他们将钻杆、返孔锥下部导管和底座以及一个扩孔器套在一起,缓缓放入海底。钻杆抵达海底后,钻头开始钻进。随着钻孔一点点深入,返孔锥下部导管和扩孔器就会一点点嵌入钻孔。
18日傍晚,经过整整一天钻进,10多米长的导管和扩孔器已全部嵌入钻孔,返孔锥底座也安装在钻孔口。通过月池,工人们将漏斗状的返孔锥套在钻杆上,让它顺着钻杆落到海底的底座上。反转钻杆,扩孔器收缩,直径变小,就可牢牢固定返孔锥。
这些安装工作完成后,船上就可收回“打底孔”的钻杆,换上专门钻取岩芯的钻杆。19日下午,岩芯钻杆顺利进入了钻孔。科学家将这个钻孔编号为U1473A。今后一个多月中,“决心”号将一直在这个孔里钻取岩芯。
岩石是一定地质作用的产物,形成和稳定于一定的地质环境。每当地质环境改变,岩石也将随之改变。因此深入研究岩石,就能发现地球发展和演化过程的“蛛丝马迹”。大洋钻探犹如打入海底的“岩石探针”,直接获取珍贵的研究样品和科学数据。科学家期待通过钻取U1473A孔的岩芯,研究一系列科学问题。
深海研究,国际合作的“大舞台”
各司其职、井然有序、严谨认真、舒适整洁,这是记者在美国“决心”号大洋钻探船上工作生活的深切感受。
为了研究地壳、地幔的构造,揭示地球系统演化历史,多国科学家正在实施为期十年(2013年至2023年)的新一轮国际大洋发现计划(IODP)。中国是IODP计划的成员,“决心”号每年给予中国科考人员上船名额,2014年共有22位中国科学家登上“决心”号。
出航之际,总是船上工作人员最忙碌的时候。中科院地质与地球物理研究所的刘传周研究员、同济大学的马强博士等30名中外科学家则显得十分从容。登船介绍之后,科学家们就可以集中精力在会议室里讨论本航次的科学问题。
除了科学家团队,“决心”号上还有IODP计划的管理团队、船员以及钻探人员,共约130人。每位科学家在登船前都会获悉自己的房间、分组、工作时间等安排,井然有序。
“决心”号上的生活区和工作区也是严格区分,每层甲板都有明显的黄线标识,如果没戴头盔和防护镜,严禁进入工作区。登船10天后,船上运营负责人史蒂文·迈迪带领科学家们到驾驶台、轮机部和钻探甲板等船上区域参观。科学家们分成4组,迈迪则一丝不苟地讲解了4遍,详细介绍了船只定位、钻探等功能。
“决心”号不仅在外观上与一般船舶很不一样,内部结构也十分复杂,各种粗大的管道纵横交错,犹如迷宫。船上最醒目的标志物是中部耸立的一个45米高的钻塔,提升能力达400吨的船舶升降补偿装置悬挂在这个大钻塔上,十分壮观。
船上很多地方堆放了9.5米长的钻杆,钻探作业的时候,这些钻杆每3个结成一组,从后甲板起吊。钻井架位于船底的月池之上。月池里有一个伸入海中7米深的保护套管,钻杆和钻具通过这个保护套管抵达海底。
对于“决心”号上采集的岩芯样品,船上科学家拥有一年的优先研究权。一年以后,所有的岩芯样品将向全世界科学家开放。当然,前提是能提交好的研究计划并获得通过。在每个航次结束前,船上科学家都会获得本航次采集的岩芯描述、岩芯测试、井下地层流体监测数据等所有科考数据。
科普:揭秘“决心”号开展大洋钻探关键技术
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- 责任编辑:朱敏洁
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