参加国际大洋发现计划IODP 361的启示
[张虎才
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引用本文
张虎才. 参加国际大洋发现计划IODP 361的启示[J]. 地球科学进展, 2016, 31(4): 422-427.
Zhang Hucai. .Inspirations from IODP Expedition 361[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(4): 422-427.
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.04.0422.Zhang Hucai. .Inspirations from IODP Expedition 361[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(4): 422-427.
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参加国际大洋发现计划IODP 361的启示
作者简介:张虎才(1962-),男,陕西凤翔人,教授,主要从事湖泊沉积和环境变化研究.E-mail:zhanghc@niglas.ac.cn
摘要
从深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project, DSDP)、大洋钻探计划(Ocean Drilling Program, ODP)和综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program, IODP)发展而来的国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, IODP)是由美国发起并有多国加入的大洋钻探研究计划。IODP 361计划的实施以决心号(JOIDES Resolution)科学钻探船为标志和载体,具有高度机动性、高度综合性、技术密集性、学科综合性、信息聚集性、人才国际性、研究目标全球性、产出批量性、环境封闭性、投资巨量性等一系列的特点,是地球科学、特别是全球变化研究国际合作的一个重要平台,是以海洋演化记录的揭示带动全球变化研究的引擎,也是最终认识全球变化过程与机理的知识源泉。中国作为IODP的会员国,在不断加强参加航次及科学研究的同时,充分和高效利用过去几十年培养的人才与基础知识储备,大力发展、提高大洋综合科学研究与观测能力和基础设施建设,组织国家甚至国际研究、实验研究中心及观测基地,这不但对全球变化研究十分重要,对于国家未来发展与生存空间的拓展利用也至为关键。学习“决心号”成熟的运作模式、借鉴其成功经验将对中国的科研发展起到事半功倍的作用。
关键词:
大洋发现计划; IODP 361; 南部非洲气候; 阿加勒斯洋流; 印度洋
中图分类号:P71
文献标志码:A
文章编号:1001-8166(2016)04-0422-06
Inspirations from IODP Expedition 361
First author:Zhang Hucai(1962-),male,Fengxiang County,Shannxi Province, Professor. Research areas include lake sediments and environmental changes.E-mail:zhanghc@niglas.ac.cn.
Abstract
International Ocean Discovery Program, or present IODP that has been evolved from the early Deep Sea Drilling Project (DSDP), Ocean Drilling Program (ODP) and Integrated Ocean Drilling Program (IODP) is one of the international ocean drilling and exploration programs originated from USA. IODP 361 cruse supported by JOIDES Resolution is characterized of high maneuverability, high tectonic integrity, high comprehensive disciplinary, information aggregation, international researcher gathering, global study targeting, quantity study production, isolated close working environments and huge investment, which is one of the most important international cooperation platforms of the geosciences, especially global changes. It is also one of the super powerful engines not only guiding but also pushing the study on global change via exploring the records of ocean evolution, and also the fountainhead to understand the processes and mechanism of the global changes. As one the main members of the IODP, China is not only participating the activities and scientific researches of IODP, but also needs to improve the capabilities to monitor the ocean and establish our own facilities, laboratories and research centers. These are not only very important for the global research and the future development, but also crucial for the preservation of the ocean environment. Leaning and mastering mature operation models from the JOIDES Resolution, using the experience of IODP management for reference may benefit our research work and yield twice the result with half the effort.
Keyword:
International Ocean Discovery Program; IODP 361; South Africa climate; Agulhas Current; India Ocean.
1 引 言
占地球表面积70%的海洋对于人类的足迹范围是遥远、甚至无限的, 但是, 真正对于人类有用的、可用的地方却是有限的, 所以我们必须充分保护和利用好海洋的宝库。
海洋不但蕴藏着丰富的不可再生资源, 也是巨大可再生资源再生产的场所, 具有重要的战略意义, 是21世纪大国争夺与博弈、小国维护的重地。关注海洋, 就是关注人类的未来; 关心海洋, 就是关心我们自己, 海洋的变化决定并控制着我们生存环境的变化。当我们发现新的、未知的海洋生物, 特别是大型海洋生物、或某种大型动物集体死亡时, 那是一种危险的信号和警告:海洋环境或资源已经到了某种临界点。
海洋对于科学、特别是地球科学具有重要意义:不了解、不认识海洋的自然科学是不完整的; 不了解、不认识海洋变化的全球变化研究也不能算是真正的全球变化研究。
目前的国际大洋发现计划是经历了不同阶段的发展与积累而形成的以大洋沉积与岩石圈为研究对象的国际合作计划, 也是地球科学领域规模最大、历时最久的大型国际合作计划。其发展经历了以下几个关键阶段。
第一阶段:深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project, DSDP, 1968— 1983年):该计划源于1957年美国科学家Walter Heinrich Munk和Harry Hammond Hess提出的“ 莫霍计划(MOHOLE)” 。随着该计划的执行, 1964年由美国斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)等5个单位联合发起组成“ 地球深部取样海洋研究机构联合体” (Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling, JOIDES)。1966年斯克里普斯海洋研究所从美国国家科学基金会接受任务, 筹备开展一项以浅层取样为目的的深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project, DSDP)、技术上接受JOIDES指导。1968年8月DSDP正式开始。随后原苏联、原联邦德国、法国、英国和日本等国相继加入, 进入大洋钻探国际协作阶段(International Phase of Ocean Drilling, IPOD), 又称“ 国际大洋钻探计划” 。
第二阶段:大洋钻探计划(Ocean Drilling Program, ODP, 1985— 2003年):从1985年1月开始实施, 由美国科学基金会和其他18个参加国共同出资, 大洋钻探计划的学术领导机构是JOIDES, 具体的执行和实施机构是德州农工大学(Texas A& M University, USA), 哥伦比亚大学的拉蒙特— 多尔蒂地球观察所 (Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University, USA)负责测井工作。ODP启用“ JOIDES· 决心(JOIDES Resolution)” 号钻探船, 该船具有先进的动力定位系统、重返钻孔技术和升沉补偿系统, 可进行全天候钻探作业。之后, 经过再次改装, “ 决心号” 成为具有先进仪器设备的集钻探、测试和分析为一体的移动实验室, 并于2009年2月正式启用。经过我国科学家刘东生、涂光炽、孙枢等科学家, 特别是著名海洋地质学家汪品先院士的不懈努力, 中国于1998年加入ODP, 并于1998年2月在中国南海执行第184航次, 中国科学家首次担任首席科学家并取得了丰硕的科研成果, 成为我国海洋科学研究的转折点, 宣告我国科学家正式进入深蓝海域, 加速了我国海洋科学的发展与壮大, 提升了我国的海洋研究意识。
第三阶段:综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program, IODP, 2003— 2013年):该计划引入“ 地球系统科学” 概念, 重点以揭示地震机理、查明深海海底的深部生物圈和天然气水合物、理解极端气候和快速气候变化的过程为主要目标, 成为地球系统科学研究的平台, 同时为深海新资源勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标提供服务。
第四阶段:国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, IODP, 2013— 2023年):随着综合大洋钻探计划(IODP, 2003— 2013)执行阶段的结束, 提出了提高版的国际大洋发现计划, 同样的IODP却具有不一样的科学含义。国际大洋发现计划(IODP)的科学目标是:理解海洋和大气的演变、探索海底生物圈、揭示地球表层与地球内部的连接、研究导致灾害的海底过程。目前, IODP共有包括美国、日本、欧洲18国、中国、巴西、印度、韩国、澳大利亚和新西兰等26个国家参与。
2004年, 中国以“ 参与成员国” 身份正式加入当时的综合大洋钻探计划(IODP), 并付年会费100万美元, 每年可派遣科学家参加非立管钻探船6个月次、立管钻探船6个月次、特定钻探平台1/4个成员单位名额, 并享有获得全部航次相关样品、数据, 申请首席科学家等权益。国家科技部于2004年成立中国IODP委员会并建立联络员制度, 同时组建中国IODP专家咨询委员会和中国IODP办公室。2013年起, 我国正式加入国际大洋发现计划(IODP), 年付会费300万美元。在综合大洋钻探阶段积累的基础上, 于2014年1~3月成功实施了南海IODP 349航次, 促使我国进入探索海洋成因的地球科学研究新阶段。2014年6月, 科技部办公厅发文正式成立新一届中国IODP管理机构, 包括中国IODP工作协调小组、中国IODP专家咨询委员会以及中国IODP办公室(办公室设在同济大学)。
就“ 决心号” 科学考察而言, 目前IODP每年安排4个航次, 每次2个月, 年耗经费约6 350万美元(平均每个航次1 632.5万美元, 约合人民币1亿元。总经费中美国国家科学基金会资助4 500万、欧洲700万、中国300万、澳新150万, 印度、巴西、韩国各100万), 根据钻探目标的不同, 每个航次均可获得几百至5 000余m的钻孔岩心, 这些岩心根据工作海域分别储存于德国不莱梅岩心库(IODP Bremen Core Repository), 德州农工大学海岸岩心库(IODP Gulf Coast Repository)和日本高知岩心库 (Kochi Core Center)。岩心到岸1年内, 参加航次的科学家具有优先申请岩心进行研究的权力, 1年后对所有科学家开放, 可以自由申请进行研究。
2 IODP 361首席科学家团队及研究目标
IODP 361航次以南部非洲气候 (Southern Africa Climate)为主题进行岩心提取研究。项目实施从2016年1月30日于毛里求斯圣路易斯港起航至2016年3月31日于南非开普敦港结束, 历时61天。设计从莫桑比克海峡到开普敦6个区域, 水深3 050~430 m海域进行钻探工作, 提取总计达5 200 m的岩心(实际在克服了恶劣气象条件和国际航权等问题的情况下, 获得岩心5 175 m、岩心取芯率平均达102%), 对5 Ma BP(实际达到7 Ma BP左右)以来的环境进行研究(图1)。
 | 图1 U1474-U1479站位钻孔岩心物理特征[1] CSF-A: 海底— 下岩心深度(单位:m)Fig.1 Summary of major lithologic characteristics of sediment cores, Sites U1474-U1479[1] CSF-A:Core depth below seafloor scale(unit: m) |
本航次联合首席科学家之一是来自英国卡迪非大学地球与海洋科学学院(School of Earth and Ocean Sciences, Cardiff University, UK)的Ian R. Hall教授, 另一位联合首席科学家是美国哥伦比亚大学拉蒙特— 多尔蒂地球观察所地球与环境科学系(Department of Earth and Environmental Sciences, Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University, USA)的女科学家Sidney R. Hemming, 美国德州农工大学国际大洋发现计划办公室(International Ocean Discovery Program, Texas A& M University, USA)的Leah J. LeVay为项目主管。
本航次有以下4个科学目标:
(1) 评价上新世/更新世(the Pliocene/Pleistocene)转换期阿加勒斯海流(Agulhas Current)对气候变化的敏感性及其与高纬气候变化、赤道热平衡和季风之间的关系。
(2) 重建气候变化过程中印度洋— 大西洋通道环流动力学及风场变化和南大洋极锋移动的关系。
(3) 验证过去5 Ma以来阿加勒斯泄流及伴随的涨潮转换和大西洋经向翻转洋流 (the Atlantic Meridional Overturning Circulation或AMOC) 及气候重组之间的关联性。
(4) 探讨阿加勒斯洋流变化对南部非洲大陆气候, 特别是降水和河流流量的影响。
研究发现, 阿加勒斯洋流作为印度洋西侧重要的一支洋流可将赤道印度洋70 Sv(希沃特, 单位是J/kg)的高温盐海水输入大西洋, 从而直接影响大西洋经向翻转洋流的变化, 进而影响到北大西洋甚至更大范围的气候变化, 同时, 阿加勒斯洋流还直接影响非洲季风的变化(图2)。通过IODP 361航次工作, 我们对阿加勒斯洋流在全球变化中的作用有了进一步的认识:随着阿加勒斯洋流的变化和印度洋向大西洋的能量输送, 印度洋能量的传输过程发生根本性的变化, 即原来赤道印度洋能量自东向西输送并在印度洋西侧转向高纬输送, 对高纬地区气候、特别是北半球印度洋季风的加强起到推动作用。但随着阿加勒斯洋流向大西洋的能量溢漏(leakage), 这种过程将随之减弱, 致使我们所感受的印度洋季风减弱, 这也会导致东亚季风的影响范围扩大, 加强东亚季风通过西伯利亚— 蒙古高压与北大西洋的遥相关。理解这一过程, 将对我们理解全球变化过程, 即洋流传输与大气联动过程具有重要的意义。理解这一过程, 也会对亚洲季风区地质记录中一些特殊气候变化事件, 如亚洲季风记录中MIS13阶段所谓的“ 大冰盖强季风” 和MIS5e“ 小冰盖弱季风” 、全新世早期气候变化(季风强度)与太阳辐射不一致性的解释和理解有所帮助。通过这次活动也进一步认识到充分了解已有成果和资料并提出意义重大的科学问题是获得航次的关键。
 | 图2 大洋发现计划361航次站点 黄色、橘黄色箭头为主要大洋表层流; 灰色箭头为西北印度洋、西南印度洋向非洲大陆水汽输送路径; 折线为热带辐合带(ITCZ)和刚果气团(CAB)边界; 紫色阴影区为Zambezi流域; 绿色阴影区为Limpopo流域; AC为阿加勒斯洋流; SEC为南赤道洋流; SEMC为东南马达加斯加洋流; NEMC为东北马达加斯加洋流; EACC为东非近岸洋流[1]Fig.2 Expedition 361 site locations Yellow and orange arrows: Main surface ocean currents; Gray arrows: Main pathways of moisture supply to the African continent from the northwest Atlantic (via Congo) and the northwest and southwest Indian Ocean; Dashed lines: Approximate position of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and Congo Air Boundary (CAB); Purple shaded area: Zambezi Catchment; Green shaded area: Limpopo Catchment. AC: Agulhas Current, SEC: South Equatorial Current, SEMC: South East Madagascar Current, NEMC: North East Madagascar Current, EACC: East Africa Coastal Current[1] |
3 成功航次的必备条件
通过IODP 361自批准到航次完成(即除岩心提取和基础参数获得的准备与船上工作外, 后续研究交流工作将持续4~5年, 包括岩心XRF扫描、分样、分析、交流、成果发表和总结等)过程, 得到如下几点体会与收获。
3.1 多学科组合、经验丰富、技术性强、以中青年科学家为主的研究团队是最基本的核心
一项研究工作, 核心构成是高质量、高素质、高效率的研究人员。本航次研究团队共有29人, 外加1名随船科普教师[2]。科学家包括美国(10人)、德国(4人)、英国(2)、中国(2人, 批准3人参加, 但1位因故未能登船参加)、日本(3人)、法国(2人)、荷兰(1人)、挪威(1人)、澳大利亚(1人)、新西兰(1人)、巴西(1人)、印度(1人)。这些人员根据个人经验与船上工作需要被分为:岩性地层学组(Lithostratigraphy)— 岩心描述组(Core description group)8人、微体古生物(Micropaleontology)— 古生物组(Palaeontology)6人、地层对比组(Stratigraphic correlation)2人、地球化学组(Geochemistry)5人(有机地球化学2人、无机地球化学3人)、物理参数组(Physical Properties)4人、古地磁组(Paleomagnetism)2人。上船适应2天后, 每组人员被分为2班, 每班值班(工作)12小时, 首席科学家和项目主管也按照分工进行12小时值班。按规定在值班期间不能回休息室以保证其他人员的休息时间与自由空间。航次期间, 除微体古生物— 古生物组和地球化学组具有大量较独立的鉴定和分析工作外, 其他组对所有岩心要进行测量、描述和对比, 并及时确定地层时代(微体古生物和古地磁组)。因此, 要完成航次的研究任务, 不但需要很好的身体素质和心理素质, 更需要很好的精神准备和耐力。另外, 非英语国家参加者的英语水平和研究经历等都十分重要, 英语水平的高低、交流经验与技巧决定着个人工作的顺利程度和最终的收获, 虽然其后研究工作的机会对于参加航次的科学家是公平、均等的, 但最终获得研究的机会、研究样品及其重要性则体现了个人能力。这不仅是个人的事情, 也是所代表国家的机会。
3.2 组织严密、配合默契、任劳任怨的岩心钻取技术队伍是计划实施的关键
虽然“ 决心号” 钻探船是由海洋石油钻探船经过高科技改装、增加现代化实验仪器而来, 具有高精度自行定位和钻探钻进补偿系统, 但面对高纬地区变化极端的天气状况和海流, 还会影响到岩心提取的质量。对于这些问题, 钻探组人员的技术经验和合作努力就显得十分重要, 因为一旦首席科学家决定, 无论何种天气, 钻探组均要执行。“ 决心号” 的钻探组主要人员来自美国、马来西亚和菲律宾, 部分技术人员自“ 决心号” 诞生就在船上工作。在工作中, 所有人均需按照既定的时间表开展各项工作。
3.3 技术全面、专业负责的技术团队是项目顺利实施的保证
IODP 361航次技术保障团队共有25人, 均来自美国, 其中有在“ 决心号” 上长期工作的技术人员, 也有还是研究生的青年人。他们不但要负责岩心的切割、记录, 还要保证实验室所有仪器、电脑和相关设备的维护和正常运转, 也要负责实验室的卫生和消耗品的清查与补充。当钻探组将岩心从钻管中取出, 严阵以待的技术人员立即就位并依次操作, 取样(core catch)、切割、运进实验室、激光标记、上架升温。技术人员分工明确, 重复检查岩心登记、记录、扫描和测量数据上传的情况, 一旦发现问题, 立即进行检查验证, 一旦有遗漏和不确定, 立刻进行改正或重测, 并对所有过程、发现问题和处理情况进行完整记录。配合的科学家在测量分析过程中随时检查, 整个工作过程和测量结果可达到100%的准确。实验室消耗用品随时检查并得到补充, 标签打印机、3D照相系统和磁化率扫描电脑操作系统问题较多, 但随时可以得到技术人员和其他科学家的帮助; 技术人员在非工作间隙会对电脑系统进行反复测试, 工作中一旦出现故障, 会得到及时排除; 所有技术人员均会根据分工, 认真打扫实验室卫生, 保证整个航次中实验室的整洁。这些氛围与程序的形成来自于严格的规章制度、个人素质和职业精神, 保障了航次各项实验测试工作的顺利进行。
3.4 忠于职守、高度负责、准时准确的航行及后勤队伍是项目成功执行的保障
“ 决心号” 航次中船长及领航组、机电组对于航次任务的完成至关重要。船长负责航行的安全及准时抵达目的地。在本航次中, 由于未能提前获得在莫桑比克海域工作的许可且获得许可后船长并未看到黑纸白字的文件, 船长曾一度停止航行, 要求获得美国驻莫桑比克大使的确认函。反映了船长认真负责的态度与遵守国际航行规则的职业操守。在航行过程中, 可以随时看到航行的方向、准确的路线及抵达目的地的时间。与此同时, 在整个航行及工作过程中, 未发生任何级别的电力和机电系统问题, 这有赖于完善的后勤保障系统和严格、严密的组织保障。
为了保证所有人员认真、全力以赴地干好本职工作, 船上配备船舱卫生及饮食服务, 这些工作由15人承担。膳食组负责船上130余人的饮食, 每日从凌晨5点至7点、11点至13点、17点至19点、23点至次日1点为用餐时间, 除此以外, 还要为西方人准备10点和15点的茶歇。除膳食外, 2人负责宿舍卫生甚至床铺的整理和衣物清洗, 为了保证其他人员的休息, 卫生打扫和床铺整理必须在交接班前后半小时内完成。所有在船人员可以将任何需要洗涤的衣物包装放在房间外, 后勤人员可以保证每个人在下一个班次时收到整齐的浆洗过的物品。“ 决心号” 配备医务人员, 除早上6点至晚上9点的值班服务外, 随时可获得急救包或直接电话联系医生。本航次中1名科学家因急性阑尾炎需要送医院接受治疗, 船长和首席科学家在听取了随船医生的建议后, 立即调转航行方向, 送病人到距海岸60 km的国际水域, 有国际救援直升飞机转接病人到陆地医院接受医治。每周一次的针对突发事故的安全演练(drill), 在应对海盗来袭、沉船、高纬海域弃船逃生、火灾、逃生船和救生衣使用、警报信号的辨识、逃生安全常识等方面均一丝不苟。这是遇到突发事件时可以做到最大限度降低损失与安全风险的基础与保障。
另外, 由于本航次始终在国际海域进行, 通讯虽然有很大限制, 但也不失其保障系统的完善和及时, 通讯系统何时维护、太阳活动何时会影响到通讯等均会有及时、准确的通知。
4 结 语
IODP 361航次已经结束, 但后续更多、更重要、更持久的研究工作即将开始, 航次中高效率、大数据、管理完善的工作系统, 组织细、职责清、认真负责的程序, 技术精、工具全、交叉检验的步骤, 设备稳、维护勤、检排结合的过程给我们留下了深刻的印象。通过该航次的工作和努力, 本人获得了U1477站岩心比较独立的研究机会。该站位于南部非洲莫桑比克东侧水深429 m的大陆架, 共获得U1477A, U1477B和U1477C 3个钻孔, 深度分别为180.9 m, 174.1 m和119 m的岩心, 根据船上研究结果, 岩心底部最老年龄距今约16万年, 最近的有孔虫稳定同位素结果也证明了船上工作结果的可靠性。现有数据显示该点地层具有1 m/ka以上的沉积速率, 可以提供年际分辨率的气候重建, 为探讨晚更新世以来非洲季风演化过程及南北半球气候变化同步/异步性、MIS5气候稳定/不稳定性、MIS4-MIS3人类走出非洲、神秘MIS3气候变化过程、晚更新世海平面和阿加勒斯洋流变化及其气候响应等一系列全球性问题提供珍贵的地质样品。在中国IODP办公室的帮助和IODP规则的前提下, 将最大限度地获取研究所需样品(已争取到获取半个岩心2/3的连续岩心, 包括由于取样或岩心提取过程间断部分的其他岩心对应部分), 开展详细的研究分析, 争取得到高质量的研究成果。虽然我国海洋及海陆关联研究还处在起步阶段, 但只要坚持不懈的努力, 充分发挥自身的优点, 虚心学习他人的成熟经验, 就可以站在一个很高的起点上前进, 在不久的将来, 中国也会成为一个海洋研究和涉足广阔海域的大国。
致 谢:感谢汪品先院士的关心与支持, 田军、拓守廷博士给予大力支持并审阅本文, 在本航次考察中得到国家海洋局第二海洋研究所韩喜彬博士诸多帮助, 在此一并致谢。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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