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地球探秘 | 深海沉積物的故事

中國(guó)礦業(yè)報(bào) 評(píng)論 2021-10-19

  ◎ 劉協(xié)魯 陳云龍 梁濤 劉智鍵

  對(duì)人類而言,海洋與人類生活息息相關(guān),。那一望無際的藍(lán)色海洋,,蘊(yùn)藏著極為豐富的生物、礦產(chǎn),、油氣等資源,給人類的生活帶來的價(jià)值無可估量,。但人類對(duì)于海洋,,尤其是對(duì)水深超過2000米、占據(jù)海洋面積超過84%的深海區(qū)卻知之甚少,,甚至比不上對(duì)月球表面的了解,。從古至今,人類的求知欲,、探索欲不斷推動(dòng)著人們向更深的深海底部進(jìn)軍,,去發(fā)現(xiàn)和研究深海隱藏的奧秘。要想研究深海,,必不可少的一個(gè)手段,,就是研究深海沉積物。

  深海沉積物是什么

  深海沉積物是指水深超過2000米的深海底部的松散沉積物,,在大陸邊緣以外的大洋盆地內(nèi)廣泛分布,。深海沉積物主要由海洋生物遺骸、自生沉積,、風(fēng)生塵,、火山灰、宇宙塵,、陸源粘土膠體和冰閥碎屑組成,。簡(jiǎn)言之,深海沉積物就是深海底的泥巴,。但大家千萬別小看這深海底的泥巴,,它記載著地球大洋變遷的歷史信息,在研究深海發(fā)展史中有著無法替代的作用,。不僅如此,,深海沉積物與極地冰心、黃土被稱為全球氣候變化的三大信息庫,連續(xù)的深海沉積剖面能夠在百萬年時(shí)間尺度上記錄豐富的氣候變化信息,,被越來越廣泛地應(yīng)用于古氣候研究,。

  深海沉積物怎么獲取

  要想研究深海沉積物,必需要采取連續(xù)的,、無擾動(dòng)的沉積物樣品,。那人們是怎么穿過幾千米深的海水,從深海底部表層直到下部幾百米取出這些松散沉積物的呢,?這就要從上世紀(jì)六十年代興起的深海鉆探(DSDP)說起,。

  當(dāng)時(shí),科學(xué)家們?yōu)榱颂剿骱Q?,研發(fā)了一系列適用于海洋鉆探取樣的工具,,其中就有專門用于采獲海底沉積物樣品的液壓活塞取心器(APC)。與傳統(tǒng)鉆探取樣不同的是,,液壓活塞取心器采用不回轉(zhuǎn)的方式,利用泥漿壓力直接將巖心管壓入到海底沉積物中(圖1),,這樣能最大限度減小對(duì)沉積物的擾動(dòng),,盡可能采獲原狀樣品。在搭載鉆探船(或鉆探平臺(tái))到達(dá)取樣地點(diǎn)后,,鉆井工程師們開始連接鉆桿直到海底,,然后將取心器投放到鉆桿底部,隨后向鉆桿中注入泥漿,,泥漿的壓力驅(qū)動(dòng)巖心管以一定的速度壓入地層實(shí)現(xiàn)取樣,。巖心管的活塞,能夠排出巖心管里的水,,減小巖心上的壓力,,以防止對(duì)巖心產(chǎn)生沖蝕和擾動(dòng)。在完成取樣后,,通過繩索打撈工具將取心器打撈回鉆井船,,從中將沉積物樣品取出后交由科學(xué)家開展后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,進(jìn)而解鎖其中的奧秘,。

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深海沉積物鉆探取樣示意圖

  近年來,,隨著國(guó)內(nèi)對(duì)海底沉積物鉆探取樣需求的增多,這種取樣工藝和器具也逐漸國(guó)產(chǎn)化,。自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所研發(fā)了泥漿靜壓繩索取樣鉆具,,與國(guó)內(nèi)多艘海洋鉆探船進(jìn)行了適配,在海洋地質(zhì)調(diào)查,、資源勘查,、海底滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、海洋沉積學(xué)等研究中進(jìn)行了多次應(yīng)用(圖2)。

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取到的基本無擾動(dòng)的海底沉積物

  深海沉積物里的秘密

  那么,,深海沉積物里到底隱藏著什么秘密,,能夠不斷吸引人們進(jìn)行取樣,開展科學(xué)研究呢,?其中一個(gè)重要原因,,就是里面含有豐富的多金屬結(jié)核、稀土元素等多種金屬礦產(chǎn),,具有廣闊的開發(fā)和利用前景,。以稀土資源為例,據(jù)初步估算,,僅太平洋沉積物中深海稀土的資源量就是已知陸地稀土資源量的約1000倍,。深海稀土最早在2011年由日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)于太平洋,此后引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,。

  由于沉積速率極其緩慢(一般約為0.1厘米~10厘米/千年),,深海沉積物里記錄了百萬年的海洋地質(zhì)演化歷史,這就像年輪對(duì)樹的記錄一樣,,但它的意義和影響的范圍卻遠(yuǎn)比年輪大得多,。從深海沉積物里,科學(xué)家們能夠知道在地球的某個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期,,滄海怎樣變成桑田,,也能知道地球的氣候變化。

  以南海大洋鉆探為例,,自1999年在南海成功實(shí)施大洋鉆探航次以來,,已累計(jì)實(shí)施了5個(gè)鉆探航次,采獲的沉積物巖心長(zhǎng)度超過9000米,,取得了約32百萬年前南海開始擴(kuò)張以來連續(xù)的深海沉積,,獲得了深海盆完整沉積記錄,為盆地演化提供了沉積證據(jù),,重建了東亞季風(fēng)的演變與波動(dòng)歷史,,揭示了構(gòu)造隆升、侵蝕與風(fēng)化,、沉積與氣候變化之間的關(guān)系,。

  深海沉積物里還有著數(shù)量巨大的生物——深部生物圈,而這是研究生命起源和進(jìn)化的理想場(chǎng)所,。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展,,人們已經(jīng)到訪了目前已知的海洋最深處——馬里亞納海溝。這里最大深度達(dá)到10994米,,被稱為“地球最深處”,,即使將世界最高峰珠穆朗瑪峰放在這里,,它都不能露出海面。迄今為止,,只有中國(guó),、美國(guó)、日本等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了對(duì)這里的探索,。2020年,,我國(guó)“奮斗者號(hào)”萬米級(jí)載人潛水器成功對(duì)馬里亞納海溝坐底科考,海底揚(yáng)起了大量的沉積物,,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了深淵物種——溝蝦,。

  在海底10000米的深海,人們?cè)谔剿鞯耐瑫r(shí),,也發(fā)現(xiàn)了人類活動(dòng)給海洋留下的塑料垃圾,,甚至在深海沉積物中也檢測(cè)出了大量微塑料。這些深海底部的垃圾在不斷地警示我們,,要重視海洋保護(hù)問題,,而深海沉積物也在忠實(shí)地記錄著人類活動(dòng)對(duì)海洋的影響。

  (作者單位:北京探礦工程研究所)

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