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南海的超微世界

“南海第三次大洋钻探”专栏
来源:海洋与地球科学学院   发表时间:03/21/2017 阅读次数:525

      在浩瀚的海洋世界里,生活着一群非常特殊的单细胞浮游藻类,它们漂浮在200米以浅的上层海水中,依靠光合作用生活。它们很小,直径从几微米到几十微米,要用高倍显微镜放大1000倍以上才能看清它们;它们数量很多,平均1升海水中就有成千上万的兄弟姐妹;它们的生命周期很短,一般从几天到数周不等。然而在这短暂的生命里,他们能分泌许多圆盘状的碳酸钙“骨骼”,一片一片包裹在身体外面,像穿上了一套盔甲。这种微小的“骨骼”被称为颗石(Coccolith),这种藻类被称为颗石藻(Coccolithophore)。
      当颗石藻细胞消亡之后,这些承载着颗石藻生命及环境信息的“骨骼”颗石会慢慢沉降在大洋深处,逐渐变成化石长久保存下来。我们将这类微小的碳酸钙质化石称作“钙质超微化石”。
      1836年,德国自然学家克里斯汀•戈特弗里德•埃伦伯格 (Christian Gottfried Ehrengerg)在波罗的海吕根岛(Rügen)白垩纪灰岩中第一次发现了钙质超微化石。之后随着深海钻探、显微镜技术的发展,钙质超微化石在海洋地质学界越来越受到重视,在生物地层鉴定与古海洋学研究中具有重要作用。由于钙质超微化石演化快、分布广、全球可对比性好、样品制作简单、鉴定速度快等无法比拟的优点,使得钙质超微化石地层鉴定成为中、新生代海相地层鉴定中最为实用和可靠的方法之一。这一点在已经运行了近60年的综合大洋发现计划(IODP)中体现得更加明显,凡是与钻探沉积物有关的航次,从两极到赤道,无论开放大洋或边缘海,都需要钙质超微化石专家上船开展工作,鉴定地层年龄。

Emiliania huxleyi 扫描电镜照片

Emiliania huxleyi 扫描电镜照片

      目前正在进行的第三次南海大洋钻探IODP367航次上,钙质超微化石生物地层鉴定同样发挥着不可替代的重要作用。这个航次上钙质超微化石鉴定工作由来自中国科学院南海海洋研究所的苏翔和意大利帕维亚大学的Claudia Lupi承担。2月15日上午,该航次第一管岩芯成功钻取(core on deck),当全船人还在为这一时刻兴奋不已、不停拍照讨论的时候,超微化石专家已经从岩芯的最底部钻头样品(core catcher sample)中用牙签挑起一点沉积物,涂片、封片固定一气呵成,仅仅几分钟时间就制成了超微化石玻片,放在显微镜下进行鉴定。我们所要寻找的超微化石是地层标志属种中最年轻的小辈——Emiliania huxleyi,她29万年前出现在海洋中并一直延续至今,由于个体很小(3-4微米)且结构简单,需要一定的耐心和细心才能鉴定准确。经过几番对比查看后,可以确认Emiliania huxleyi就静静得躺在样品中,也就肯定了第一管岩芯是小于29万年的年龄。
      随着钻探的深入,我们的超微化石也在慢慢变化,向我们展示岁月和环境的变迁。这里钻探水深3700多米,在南海这个深度,碳酸盐极易溶解、很难保存,钙质超微化石自然受到很大影响,保存状况很不好,很多化石都不完整。然而从第六管岩芯开始,超微化石一改之前的姿态,各个结实饱满,而且数量非常多,显微镜下都是密密麻麻的超微化石,完全没有溶解的迹象,而且化石组合也从之前的四五十万年跳到了两三百万年。我们耐着性子继续往下钻,这种现象又持续了5管岩芯,直到第12管岩芯才恢复成之前的状态,超微化石指示的年龄也回到了七八十万年。这种新-老-新的地层年龄在正常沉积过程中是不可能出现的,然而化石不会欺骗我们,说明这里一定发生了一次翻天覆地的大事,彻底改变了超微化石的面貌。任何科学结论都需要佐证,直到船上沉积学家切开岩芯后,才证实了我们的假设。中间这6管岩芯是与上下完全不同的富含有孔虫和超微化石的白色钙质软泥,说明这是一次大的滑塌事件,这些沉积物是从其他地方整体搬运来堆积在这里的,由此我们心中的疑惑也得到了解答。
      钻探继续进行,超微化石的世界也渐渐丰富起来,个体差异越来越大,既有2-3微米的小网床石(small Reticulofenstra),也有直径20多微米的盘星石(Discoaster);从圆形、椭圆形到五角、六角星型等等,不胜枚举。作为新生代地层超微化石的主角,盘星石类以其独特的造型吸引着大家的眼球,他们大多呈星型,从3个角到7个角不等,有胖有瘦,有大有小。每个属种就像一个武林门派,仿佛组成了一个偌大的江湖,各个门派从创立到兴盛再到衰落,在历史舞台上轮流坐庄、占据主导,你方唱罢我方和,好不热闹。我们从镜下看到的也不再是枯燥的一枚枚化石,更像是在精心品读一部悬念频出、剧情跌宕起伏的武侠小说。每一部小说都会在结尾达到故事的最高潮,我们的这部地层小说亦是如此。
      我们在大约距今2300万年的地层之下发现了一段颜色、岩性高度变化的沉积层,其中既有红色的泥岩,又有灰绿色的角砾岩,还镶嵌着一颗颗黑珍珠般的结核,五颜六色、绚烂夺目。而超微化石所指示的地层年龄更是复杂,短短几米的沉积,时间跨度有近1000万年,化石保存状况和组合变化都很大,而在这套缤纷的沉积之下是大段的砾石层,从中再也找不到一枚超微化石。这就像是众多帮派齐聚一堂的武林大会,大家竭尽所能地展现了自己的实力之后便一起金盆洗手、隐退江湖,从此不再有任何关于他们的消息,带给人一种世事变化无常的唏嘘。更令人好奇的是究竟什么原因造成了超微化石如此巨大的变化?是沉积环境的变化还是构造运动的影响?这些都有待科学家们在航次后的研究中一步步解答。

苏翔工作照

苏翔工作照

(苏翔 2017年3月18日 于“决心号”)


      编者按:2017 年2~6月,来自中、美、英、德、法、意等13个国家的66名科学 家搭乘美国“决心号”科学钻探船在我国南海北部海域执行国 际大洋发现计划(IODP)367、368航次,这也是南海的第三次大洋钻探。此次南海大洋钻探由中国科学家设计和领导,共有来自国内13个单位的26位科学家参加,其中我校海洋与地球科学学院共有8位教师参加,翦知湣教授担任368航次首席科学家。
      在南海第三次大洋钻探执行期间,还有来自新华社、科技日报和东方卫视的记者随船参加航次,他们将不断发来有关航次的最新进展,报道科学家在船上的工作生活和所想所感。为此,我们开辟“南海第三次大洋钻探”专栏,共同关注这一国际深海研究的盛事,为我们的科学家点赞 ,期待航次取得圆满成功!

媒体报道

2017年3月13日 绘制海底“磁性 条形码”追溯南海“岁月之歌”

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2017年3月9日 南海大洋钻探:问号与惊叹的交响

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2017年3月7日 特写:提取“分子化石” 探寻南海古环境“蛛丝马迹”

2017年3月7日 一起到南海“追梦 ”——记“决心”号上的女科学家们

2017年3月1日 南海海底 再次发现“大洋红层”

2017年2月22日 “小帅哥”的“超微世 界”

2017年2月20日 我国在南海建立深海沉积观测“野 外实验室”取得重要科研成果

2017年2月15日 “决心”号抵达南海目标海域 第三 次南海大洋钻探顺利开钻

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2017年2月13日 “决心”号启航前往南海目标海域 我国南海深部计划进入冲刺阶段

2017年2月9日 南海第三次大洋钻 探即将起航

教师日志:

2017年3月18日   南海的超微世界

2017年3月16日 “决心号”连线同济开展海洋科普活动

2017年3月9日 浮游有孔虫讲述的南海神话

2017年3月9日 特别的“海上学期”

2017年3月8日 南海深海钻遇砾石层

 
 

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