地球科学进展, 2021, 36(6): 643-662 DOI:

IODP研究

国际大洋钻探科学数据的现状、特征及其汇编的科学意义

马鹏飞,1, 刘志飞1, 拓守廷1,2, 蒋璟鑫3, 许艺炜3, 胡修棉3

1.同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 200092

2.国际大洋发现计划中国办公室,上海 200092

3.南京大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210023

Present Status Characteristics and Compilation Significance for the Data of Scientific Ocean Drilling

MA Pengfei,1, LIU Zhifei1, TUO Shouting1,2, JIANG Jingxin3, XU Yiwei3, HU Xiumian3

1.State Key Laboratory of Marine Geology,Tongji University,Shanghai 200092,China

2.International Ocean Discovery Program,China-Office,Shanghai 200092,China

3.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China

收稿日期: 2021-03-17   修回日期: 2021-04-28   网络出版日期: 2021-07-22

基金资助: 国家自然科学基金指南引导类原创探索计划项目“沉积物知识图谱及其知识演化研究”.  42050102
国家自然科学基金青年科学基金项目“南海北部渐新世洋陆过渡带构造演化的沉积响应研究”.  41806053

Received: 2021-03-17   Revised: 2021-04-28   Online: 2021-07-22

作者简介 About authors

马鹏飞(1990-),男,山东潍坊人,副研究员,主要从事沉积学研究.E-mail:pma@tongji.edu.cn

MAPengfei(1990-),male,WeifangCity,ShandongProvince,Associateprofessor.Researchareasincludesedimentology.E-mail:pma@tongji.edu.cn

马鹏飞,刘志飞

拓守廷,等.国际大洋钻探科学数据的现状、特征及其汇编的科学意义[J].地球科学进展,2021,36(6):643-662DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.064MAPengfei,LIUZhifei,TUOShouting,etal.Presentstatus,characteristics,andcompilationsignificanceforthedataofScientificOceanDrilling[J].AdvancesinEarthScience,2021,36(6):643-662DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.064

摘要

国际大洋钻探50余年来已执行297个航次,累计采集长度超过4×105 m的岩芯,同时获取大量观测数据。然而,这些岩芯样品测试和观测数据却以多源、异构的形式散布在不同文献和数据库中,无法做到广泛共享和高效利用。通过系统调研国际大洋钻探各阶段的航次报告、数据库以及学术论著等资料,理清了数据分布、数据载体及数据类型等现状。认为大洋钻探科学数据包括船上数据和航次后数据两大部分,共在表、图、文中包含了钻井取芯、岩石地层特征、沉积学、矿物学、古生物学、地层学、地球化学、构造地质学和地球物理学等15类近200项数据类型。研究发现国际大洋钻探现有数据体系具有层次清晰、时空属性明确、来源简单又复杂、存储格式多样、类型一致又多样等特征,是地球科学领域典型的科学大数据。开展国际大洋钻探科学数据的汇编除可实现数据快速获取外,也具有重要的科学意义,不仅有潜力解决海洋生物演化、全球物质循环、古海洋与古气候、深海矿产资源评价等方面的重大科学问题,还能为推动地球科学研究范式的变革做出积极贡献。最后,就国际大洋钻探科学数据统一格式和汇编建库这一关键步骤提出了具体建议。

关键词: 国际大洋钻探 ; 岩芯 ; 测井 ; 科学数据 ; 大数据

Abstract

Since the 1960s, 297 expeditions carried out by Scientific Ocean Drilling have recovered more than 4×105 meters of cores and collected a large amount of data. However, the data based on core sample testing and direct observation are scattered in different documents and databases in a heterogeneous format, which hinders the extensive sharing and effective use of them. Through systematic investigation of the official reports, databases, and academic papers of the four stages of Scientific Ocean Drilling, we show the present status of these scientific data including their sources, storage media, and specific types. The data of Scientific Ocean Drilling mainly consist of shipboard and post-expedition results. Nearly 200 data types classified into 15 categories including coring summary, lithostratigraphy, sedimentology and mineralogy, paleontology, stratigraphy, geochemistry, structural geology, geophysics, etc. are recorded in tables, figures, and texts. We find that these scientific data are hierarchically organized and have specific spatial-temporal properties; their sources are both straightforward and complex with different storage formats; and data types of different sites are not only consistent but also diverse. The data of Scientific Ocean Drilling are typical scientific big data in the field of earth sciences. Meanwhile, it is believed that the compilation of the Scientific Ocean Drilling Data would be of significance for fast data acquisition and future studies. This step not only has the potential to solve major scientific problems in the field of Earth science such as long-term biological evolution, global material circulation, paleoclimate and paleoceanography, and deep-sea mineral resource evaluation, but may contribute to the transformation of scientific research paradigm as well. Meanwhile, a proposal for data format unification and data compilation is also presented here.

Keywords: Scientific Ocean Drilling ; Cores ; Logging ; Scientific data ; Big data

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本文引用格式

马鹏飞, 刘志飞, 拓守廷, 蒋璟鑫, 许艺炜, 胡修棉. 国际大洋钻探科学数据的现状、特征及其汇编的科学意义. 地球科学进展[J], 2021, 36(6): 643-662 DOI:

MA Pengfei, LIU Zhifei, TUO Shouting, JIANG Jingxin, XU Yiwei, HU Xiumian. Present Status Characteristics and Compilation Significance for the Data of Scientific Ocean Drilling. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(6): 643-662 DOI:

1 引 言

国际大洋钻探是地球科学领域迄今为止历时最长、成效最显著的国际科学合作计划。从20世纪60年代末美国独家运营,到70~80年代苏联、英国、法国、德国和日本等国家逐步加入,再到目前全球23个成员国共同参与,国际大洋钻探已经走过了50余年,其运行模式也从美国运营的“格罗玛•挑战者号”(Glomar Challenger,简称“挑战者号”)和后来的“乔迪斯•决心号”(JOIDES Resolution,简称“决心号”)独自承担钻探任务,发展到了美国“决心号”、日本“地球号”(Chikyu)和欧洲“特定任务平台”(Mission-Specific Platforms,MSP)三方联合运作的局面(表1)。国际大洋钻探可分为深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project,DSDP,1968—1983年)、大洋钻探计划(Ocean Drilling Program,ODP,1985—2003年)、综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program,IODP,2003—2013年)和国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program,IODP,2013—2023年)等4个阶段(表1)。

表1   国际大洋钻探4个阶段的工作量总结

Table 1  Expedition statistics for the four stages of Scientific Ocean Drilling

钻探参数

DSDP

1968—1983年

Leg1~Leg96

ODP

1985—2003年

Leg100~Leg210

IODP

2003—2013年

Expedition 301~Expedition 348

IODP

2013—2023年

Expedition 349~Expedition 385

钻探平台挑战者号决心号决心号地球号特定任务平台决心号地球号特定任务平台
航次总数/个96111351452943
站位总数/个6246691453767130613

总体

钻进深度/m

325 548438 63189 23143 9666 34311 37426 7143 345

尝试

取芯长度/m

170 043321 48269 5578 4405 56777 1931 1582 842

成功

取芯长度/m

97 056222 70457 2894 8644 13157 0871 0852 541
总取芯率/%5769825874747089
总取芯数/个19 11935 7728 4911 0242 6739 990204871

最大

钻孔深度/m

1 741

(Leg 47B,

Hole 398D)

2 111

(Leg 148,

Hole 504B)

1 928

(Exp 317,

Hole U1352C)

3 059

(Exp 348,

Hole C0002P)

755

(Exp 313,

Hole M0029A)

1 806

(Exp 350,

Hole U1437E)

1 180

(Exp 370,

Hole C0023A)

1 335

(Exp 364,

Hole M0077A)

最大

钻探水深/m

7 044,

(Leg 60,

Hole 461A)

5 980

Leg 129,

(Hole 802A)

5 707.5

(Exp 329,

Hole U1365 C)

6 897

(Exp 343,

Hole C0019D)

1 288

(Exp 302,

Hole M0004A)

4 858

(Exp 371,

Hole 1511A,B)

4 775.5

(Exp 370,

Hole C0023A)

1 568

(Exp 357,

Hole M0075A,B)

总航行距离/km695 670658 906234 998--161 104--

注:“-”表示无数据.

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目前,国际科学界也已共同讨论制定了面向2050大洋钻探科学框架,用以指导2023年后的钻探和海底研究。值得关注的是,加入国际大洋钻探20多年来,中国发挥的作用不断提升,已在南海成功主持了4个半航次的钻探,极大地提高了我国在南海深海研究中的国际地位,壮大了深海科学研究队伍1。随着我国天然气水合物钻采船(大洋钻探船)建造完成,2023年后中国将成为新的平台提供者,有望跻身国际大洋钻探的核心层12。这就要求我国更多的科研人员了解大洋钻探、投身大洋钻探研究、提出更多的关键科学问题和钻探计划,而已有大洋钻探科学数据的分析和应用将在这一过程中发挥重要作用。

截至2021年初,国际大洋钻探已在世界各大洋完成297个航次、累计钻穿厚度近1×106 m的沉积物和基岩、采集长度超过4×105 m的岩芯,同时获取大量观测数据(表1)。利用岩芯样品测试和观测数据,科研人员实现了一系列科学突破,如验证海底扩张和板块构造、重建关键地质历史时期古气候、证实洋壳结构、发现深部生物圈等3~5。然而,这些数据往往散布在不同文献和数据库中,其格式和载体也并不统一,导致在较大空间范围和较长时间尺度上对比或使用时较为不便,阻碍了科学数据的广泛共享和综合利用;除此之外,梳理前期大洋钻探的研究数据和结果,评估科学数据现状,也可以为我国大洋钻探平台数据采集和管理提供借鉴。目前为止,已有少量工作评述了大洋钻探科学数据资源现状6,但仅涉及了一部分船上数据及少量航次后数据,未对数据来源和类型等进行全方位评估。鉴于此,本文系统调研国际大洋钻探不同阶段科学数据的分布、载体及类型,为科研人员获取和使用这些数据提供直接参考,在此基础上剖析大洋钻探科学数据特征和现有数据库存在的问题,探讨了综合汇编国际大洋钻探数据的科学意义并提出了数据汇编建议。

2 国际大洋钻探科学数据体系

国际大洋钻探的4个阶段执行了不同数量的航次(表1),在DSDP和ODP阶段称为Leg,而在2个IODP阶段则称为Expedition,各个阶段航次均连续编号,每个航次对应1个特定科学主题,如IODP Expedition 349的研究主题为“South China Sea Tectonics”。为实现某一航次的研究目标,钻探平台可能钻取1个或多个站位(Site),而每个站位又由1个或多个钻孔(Hole)构成,这是由于单个钻孔往往无法完成目标站位的完整取芯任务(图1)。从IODP阶段开始,国际大洋钻探由分别属于美国、日本和欧洲联合体的3个平台联合运作,利用“决心号”、“地球号”和MSP完成的站位及钻孔编号前分别添加字母U、C、M以示区分,如IODP Expedition 349 Site U1433、IODP Expedition 315 Site C0001和IODP Expedition 310 Site M0015。

图1

图1   国际大洋钻探站位、钻孔、岩芯、岩芯段、样品命名规则

Fig. 1   IODP conventions for naming site hole core section and sample


大洋钻探最重要的目的是获取岩芯以开展后续科学研究。因此,钻探平台会在每个钻孔连续取芯,尽可能获取完整沉积序列;然而,受到区域工程地质情况以及取芯技术等条件的限制,实际取芯长度往往小于进尺深度,即部分层位在钻探过程中没有完成取芯,导致取芯率不足100%(图1)。岩芯从海底升到钻探平台后,科研人员根据取芯顺序对岩芯从上到下进行编号(图1)。每根完整岩芯长度约为9.5 m,为了存储和后续采样的便利会将岩芯切割成长度不超过1.5 m的岩芯段。由于取芯过程是从海底表层向深部钻进,每一次取芯都对应特定深度范围;尽管国际大洋钻探各阶段发展了不同深度术语和测量规范,但这些标准之间大多可以互相转换7。总之,钻井和取芯完成之后,钻孔、岩芯和岩芯切割成的岩芯段都具有明确深度属性。这样,沿岩芯段采集的样品、利用样品开展测试分析得到的数据,以及沿钻孔采集的原位观测数据(主要是测井数据)也同样具有了深度数值;再加上钻孔固有的水深和经纬度参数,每一个岩芯样品测试和钻孔观测数据点在现代三维空间尺度上就有了固定空间属性(图1),这是国际大洋钻探科学数据体系的基本特征之一。另一方面,不论沉积物还是火成岩都有其沉积或形成时代,特别是对于沉积地层,可以使用多种年代学方法获取大量年代控制点,建立高分辨率年代地层格架,将钻井取芯的深度标尺转换为时间标尺,赋予每个样品和数据点时代属性(图2)。

图2

图2   船上数据(a)与增加航次后研究的完整数据(b)关系示意图

Fig. 2   Schematic diagram of the relationship between a shipboard data and b complete data with post-expedition studies


由数据点到岩芯段和岩芯,再到钻孔和站位,最后到航次就构成了某一特定航次的完整科学数据体系。因此,国际大洋钻探现有科学数据体系可以认为是297个航次的数据集合。这些数据可以划分为两大类:船上数据和航次后数据。船上数据指钻探平台在执行航次过程中获取的钻井、测井以及岩芯测试分析等数据,该类数据主要记录在航次报告中。航次后数据指航次执行后,研究人员基于各自兴趣利用钻探样品开展工作并获取的数据,一部分在钻探航次的后续研究报告中,但多以论文和章节的形式发表在学术论著中。整体上,每个站位的船上数据都可以建立1个具有时空属性的数据集,而后续航次后研究则是对该数据集的优化和扩充,主要体现在年代格架优化、数据类型增多和部分数据采样分辨率增大(图2)。事实上,航次开展之前还有一些站位调查数据,但不同航次的站位调查数据类型和格式差异较大,且无法直接映射到以钻孔为基本单元的数据体系中,而且大量站位调查数据并未对外公开。因此,本项工作未对站位调查数据进行详细分析。

3 国际大洋钻探不同阶段的科学数据分布及载体

3.1 船上数据

国际大洋钻探各阶段钻探平台(表1)均配备了当时先进的样品分析实验室和设备,航次执行过程中船上科学家可以根据标准测试分析流程对岩芯样品直接开展一定测试分析工作并对测试和观测数据进行初步研究,针对航次及各个站位设计时的研究目标形成初步认识。该部分数据会以航次报告的形式发表(表2)。需要注意的是,从DSDP到IODP,不同阶段航次报告的形式有所差异(表2图3)。报告中一些不适合以表格形式直接展示的例行性、大批量测试的岩芯数据会收录在不同钻探平台的船上数据库中。对于所有DSDP和ODP航次及由美国平台完成的IODP航次,其例行性测试的岩芯数据均来自“决心号”科学执行机构(JOIDES Resolution Science Operator,JRSO)数据库(Laboratory Information Management System,LIMS;http//web.iodp.tamu.edu/OVERVIEW);而对于IODP阶段由日本和欧洲联合体平台执行的航次,其例行性测试的岩芯数据则分别由海洋地球勘探与工程研究所(Institute for Marine-Earth Exploration and Engineering,MarE3)、欧洲大洋钻探研究联盟科学执行机构(ECORD Science Operator,ESO)存储于日本数据库系统(Japanese Database System,J-CORES;http://sio7.jamstec.go.jp/)和PANGAEA(http://iodp.pangaea.de/)数据库。相比岩芯分析,只有部分站位开展了测井工作,这些测井数据则统一存储在哥伦比亚大学的测井(Logging, http://mlp.ldeo.columbia.edu/logdb/scientific_ocean_drilling/)数据库中8表3)。因此,3个岩芯数据库和1个测井数据库严格意义上讲只是船上数据报告的附录部分(图4)。

表2   国际大洋钻探4个阶段的数据分布

Table 2  Data sources for the four stages of Scientific Ocean Drilling

数据类型DSDPODPIODP
船上数据站位报告初步报告

初步报告

航次报告

测井总结
初始报告
航次后数据特殊研究/岸上实验室研究科学结果航次研究结果
论文论文论文

注:DSDP阶段的站位报告和特殊研究是初始报告的两大部分,IODP阶段的航次报告和航次研究结果是报告集的两大部分.

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图3

图3   国际大洋钻探船上数据和航次后数据分布

Fig. 3   Data resources for shipboard and post-expedition studies of Scientific Ocean Drilling


表3   国际大洋钻探数据存储位置及数据载体总结

Table 3  Summary table for locations and storage media of Scientific Ocean Drilling data

阶段数据类型数量/篇网站数据载体备注
http://sio7.jamstec.go.jp/csv、txt表格岩芯测试数据,J-CORES数据库
csv、txt表格岩芯测试数据,LIMS数据库
jpg图像彩色岩芯照片,J-CORES数据库
http://iodp.pangaea.de/csv、txt表格岩芯测试数据,PANGAEA数据库
csv、txt表格岩芯测试数据,LIMS数据库
jpg图像彩色岩芯照片,PANGAEA数据库
http://mlp.ldeo.columbia.edu/logdb/scientific_ocean_drilling/csv、txt表格测井,Logging数据库
航次研究结果264http://publications.iodp.org/pdf文字描述数据,可复制
pdf表格测试数据,可复制
csv、txt表格测试数据,与pdf表格一致
jpg, pdf图像化石、镜下照片等
论文n

http://iodp.americangeosciences.org/vufind/

http://apps.webofknowledge.com/

https://scholar.google.com/ 等

pdf表格
csv、txt表格
pdf、jpg图像

注:n代表未精确统计数量.

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图4

图4   国际大洋钻探数据来源

Fig. 4   Data resources of Scientific Ocean Drilling


DSDP阶段船上数据报告称为站位报告,是初始报告的一部分,以1个或多个站位内容组成章节,共有576篇(表23图3),每篇站位报告均为单独的pdf文件,主要以文字、表格和图像的形式展示了船上研究结果(表3)。目前,官方只提供了报告扫描件,所有测试数据表均集成在文档中,并没有可编辑数据文件,一些图件也缺乏原始测试数据支撑;LIMS数据库仅收录了钻井取芯数据和岩芯照片(表3)。除此之外,测井数据可从Logging数据库中下载(表3)。

在ODP阶段,每个航次固定发布2种涉及船上数据的报告(表23图3)。第一种称为初步报告,共117篇(表2,3;图3),该报告在船上工作结束后1~2个月后提交,是对船上工作获取数据和结果进行的初步介绍,仅有少量原始数据以文字、表格和图像的形式在报告的pdf文档中展示;第二种称为初始报告,共652篇(表2,3;图3),是船上工作结束约1年后提交的报告,为详细的航次总结、站位报告等,完整涵盖了船上研究的所有数据。与DSDP航次的站位报告相比,ODP航次的初始报告除了文档中的描述、表格和图像外,还在对应网页链接里提供了可下载、编辑的数据表格和可下载的图件,其他所有例行性测试的岩芯数据也都集成在LIMS数据库中(表3)。除以上2种报告外,实施测井的航次还有1个单独的测井总结,共51篇(表2,3;图3),主要介绍测井施工情况和数据类型等;而测井数据和图件则在Logging数据库及初始报告中展示(表3)。因此,初始报告、LIMS数据库和Logging数据库是ODP航次船上数据的主要来源。

  

阶段数据类型数量/篇网站数据载体备注
DSDP站位报告576http://www.deepseadrilling.org/i_reports.htmpdf文字描述数据,可复制
pdf表格测试数据,可复制
pdf图像测试结果、黑白岩芯照片等
http://web.iodp.tamu.edu/OVERVIEWcsv、txt表格钻井取芯,LIMS数据库
jpg图像彩色岩芯照片,LIMS数据库
http://mlp.ldeo.columbia.edu/logdb/scientific_ocean_drilling/csv、txt表格测井,Logging数据库
特殊研究/岸上实验室研究3 041http://www.deepseadrilling.org/i_reports.htmpdf文字描述数据,可复制
pdf表格测试数据,可复制
pdf图像化石、镜下照片等
论文n

http://iodp.americangeosciences.org/vufind/

http://apps.webofknowledge.com/

https://scholar.google.com/等

pdf表格
csv、txt表格
pdf、jpg图像
ODP初步报告117http://www-odp.tamu.edu/publications/PRELREP.HTMLpdf文字描述数据,可复制
pdf表格少量取芯数据,可复制
pdf图像岩芯照片、少量测试结果等
测井总结51http://mlp.ldeo.columbia.edu/BRG/ODP/ODP/LEG_SUMM/leg_sum.htmlpdf文字测井描述,可复制
txt表格测井总结
初始报告652http://www-odp.tamu.edu/publications/IR.HTMLpdf文字描述数据,可复制
pdf表格测试数据,可复制
csv、txt表格测试数据,与pdf表格一致
jpg图像岩芯、薄片等
pdf图像岩芯照片及可复制文字描述
http://web.iodp.tamu.edu/OVERVIEWcsv、txt表格岩芯测试数据,LIMS数据库
jpg图像彩色岩芯照片,LIMS数据库
http://mlp.ldeo.columbia.edu/logdb/scientific_ocean_drilling/csv、txt表格测井,Logging数据库
科学结果2 988http://www-odp.tamu.edu/publications/SR.HTMLpdf文字描述数据,可复制
pdf表格测试数据,可复制
csv、txt表格测试数据,与pdf表格一致
jpg, pdf图像化石、镜下照片等
论文n

http://iodp.americangeosciences.org/vufind/

http://apps.webofknowledge.com/

https://scholar.google.com/等

pdf表格
csv、txt表格
pdf、jpg图像
IODP初步报告88http://publications.iodp.org/pdf文字描述数据,可复制
pdf表格少量钻井取芯数据,可复制
pdf图像岩芯照片、少量测试结果等
航次报告328http://publications.iodp.org/pdf文字描述数据,可复制
pdf表格测试数据,可复制
csv、txt表格测试数据,与pdf表格一致
jpg图像岩芯、薄片等
pdf图像岩芯照片及可复制文字描述
http://web.iodp.tamu.edu/OVERVIEWcsv表格部分站位岩芯描述,LIMS数据库
csv、txt表格岩芯测试数据,LIMS数据库
jpg图像彩色岩芯照片,LIMS数据库

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2个IODP阶段虽然由3个平台各自承担航次任务,但各平台实验室配置、实验流程等基本一致,完成航次后发布的船上数据报告名称也相同,包括初步报告和报告集中的航次报告(表23图3)。截至目前,初步报告共88篇(图3),该报告为航次结束后船上工作情况介绍和结果简介,有少量数据,但主要以图件形式展示,与ODP阶段的初步报告类似(表3)。IODP航次的航次报告已出版328篇,全方位总结了船上工作获取的结果,包括详细描述、表格和图件等,除了文档中表格以外,报告还提供了可编辑表格的下载链接(表3)。测井数据和大批量、例行性测试的岩芯数据分别可以从Logging数据库和3个平台的岩芯数据库中下载(表3)。日本和欧洲平台执行的IODP航次较少(表1),因此J-CORES和PANGAEA数据库目前尚未设计数据检索系统,所有数据均按航次和站位存储在相应目录下,可从其官方网站直接进入某一航次界面下载。相比之下,LIMS数据库可以按照航次、站位、岩芯和岩芯段等检索某一类特定数据。另外,3个岩芯数据库中也收录了部分航次格式化的岩芯描述数据(表3)。

3.2 航次后数据

3.2.1 官方报告

国际大洋钻探各阶段都会以官方报告的形式发表部分航次后研究数据,这些研究主要由参与航次的科学家完成。由于各航次研究目的和船上科学家各自研究兴趣不同,报告中航次后研究的侧重点也有所差异,但基本都是船上数据的延伸。其中,在DSDP阶段称为特殊研究或岸上实验室研究,也是其初始报告的一部分,共有3 041篇(表23图3);ODP阶段称为科学结果,共有2 988篇(表2,3;图3);而在2个IODP阶段则是报告集的航次研究结果部分,目前已经发表264篇(表2,3;图3)。DSDP、ODP阶段与2个IODP阶段报告中航次后研究数量的巨大差异主要是由于前者要求参与航次的科学家必须发表航次后研究报告,而后者执行时已不再对此做强制性要求。

航次后研究报告和船上研究报告几乎在同一时期发表,其数据载体类型也与同时期船上数据载体类似(表3)。在DSDP阶段仅有文档中的文字、表格和图件,缺少可直接编辑的原始研究数据;而从ODP阶段开始,除报告文档以外,航次后研究报告页面提供了可下载的原始数据(表3)。需要注意的是,国际大洋钻探的4个数据库(LIMS、J-CORES、PANGAEA和Logging)并未收录官方报告的航次后研究数据(表34图4)。

表4   国际大洋钻探典型站位科学数据类型统计

Table 4  Data types of the four representative sites of Scientific Ocean Drilling

DSDP 530ODP 1049IODP
M0027C0002U1433
船上 数据官方 报告钻井取芯 统计钻孔经纬度910钻孔经纬度1024钻孔经纬度6465钻孔经纬度85~90钻孔经纬度10126
钻孔水深910钻孔水深1024钻孔水深6465钻孔水深85~90钻孔水深10126
岩芯编号910岩芯编号1024岩芯编号6465岩芯编号858688~90岩芯编号10126
取芯深度910取芯深度1024取芯深度6465取芯深度858688~90取芯深度10126
进尺长度910进尺长度1024进尺长度6465进尺长度858688~90进尺长度10126
取芯长度910取芯长度1024取芯长度6465取芯长度858688~90取芯长度10126
取芯率910取芯率1024取芯率6465取芯率858688~90取芯率10126
岩芯段数量9岩芯段数量1024岩芯段数量6465岩芯段数量858688~90岩芯段数量10126
岩石地层 分层沉积物分层9沉积物分层24沉积物分层6465沉积物分层8588~90沉积物分层10126
玄武岩分层9深度范围24深度范围6465深度范围8588~90玄武岩分层10126
深度范围9年龄范围24年龄范围6465年龄范围8588~90深度范围10126
年龄范围9岩性总结24岩性总结6465岩性总结8588~90年龄范围10126
岩性总结9---岩性总结10126
沉积物 宏观描述照片910照片10照片6465照片858688~90照片10126
岩性9岩性24岩性6465岩性858688~90岩性10126
矿物组成9矿物组成1024矿物组成6465矿物组成858688~90矿物组成10126
颜色9颜色24颜色6465颜色858688~90颜色10126
粒径9层厚24粒径6465成岩作用858688~90成岩作用10126
层厚9顶底接触24分选6465层厚8889粒径10126
顶底接触9沉积构造24圆度6465顶底接触85868889分选10126
沉积构造9生物扰动24层厚6465沉积构造85868889圆度10126
生物扰动9-顶底接触6465生物扰动85868889层厚10126
--沉积构造6465-顶底接触10126
--生物扰动6465-沉积构造10126
----生物扰动10126
沉积物 薄片--照片65照片868890照片10126
--岩性6465岩性8890岩性10126
--矿物组成6465粒度组分8890粒度组分10126
---成因组分8890成因组分10126
---矿物组成8890矿物组成10126
----圆度10126
沉积物 涂片岩性9岩性1024照片65照片858688~90照片10126
粒度组分9粒度组分1024岩性6465岩性8588~90岩性10126
成因组分9矿物组成1024粒度组分6465粒度组分8588~90粒度组分10126
矿物组成9--成因组分8588~90成因组分10126
---矿物组成8588~90矿物组成10126
---圆度8588~90圆度10126

玄武岩

宏观描述

照片9---照片10126
岩性9---岩性10126
矿物组成9---矿物组成10126
接触特征9---接触特征10126
结构9---结构10126
基质特征9---基质特征10126
气孔特征9---气孔特征10126
蚀变特征9---蚀变特征10126
玄武岩 薄片----照片10126
----岩性10126
----粒度特征10126
----结构10126
----矿物组成10126
----矿物特征10126
----气孔特征10126
----蚀变特征10126
生物 地层学类型:钙质超微化石;有孔虫放射虫;硅藻9类型:钙质超微化石;有孔虫;放射虫1024类型:钙质超微化石、有孔虫、沟边藻、孢粉6465类型:钙质超微化石、浮游有孔虫、放射虫858688~90类型:钙质超微化石;浮游有孔虫;放射虫126
保存状况9保存状况1024保存状况6465保存状况858688~90保存状况10126
数量9数量1024数量6465数量858688~90数量10126
种属9种属1024种属6465种属858688~90种属10126
化石带9化石带1024化石带6465化石带858688~90化石带10126
生物地层事件9生物地层事件1024生物地层事件6465生物地层事件8588~90生物地层事件126
年龄点9年龄点1024年龄点6465年龄点8588~90年龄点126
--环境意义6465--
构造 地质学脉体填充物特征9--构造类型858688~90构造类型10126
---破裂产状858688~90断层岩类型10126
---脉体特征858688~90碎裂变形特征10126
---脉体填充物特征88~90裂隙特征10126
---剪切带特征858688~90脉体特征10126
---地层产状858688~90脉体填充物特征10126
地球化学碳酸钙9孔隙水主微量元素1024孔隙水主微量 元素6465孔隙水主微量元素及 同位素85868889孔隙水主微量元素10126
有机碳9岩芯顶空气组成1024碳酸钙6465岩芯顶空气组成858688~90岩芯顶空气组成10126
有机氮9碳酸钙1024有机碳6465碳酸钙858688~90碳酸钙10126
热解参数9有机碳1024有机硫6465有机碳858688~90有机碳10126
蛋白石9有机氮1024Sr同位素6465有机氮858688~90有机氮10126
-有机硫1024-有机硫85868889热解参数10126
-热解参数1024-沉积物主量元素8688~90玄武岩主微量元素10126
---甲烷C同位素868889-
微生物学---污染测试89污染测试位置126
---细胞数量85-
古地磁学自然剩磁9自然剩磁1024自然剩磁6465自然剩磁858688~90自然剩磁10126
退磁结果9退磁结果1024退磁结果6465退磁结果858688~90退磁结果10126
磁性地层学9磁性地层学1024磁性地层学6465磁性地层学858688~90磁性地层学126
岩芯物性P波速度9颜色反射率1024颜色反射率6465颜色反射率858688~90颜色反射率10126
抗剪强度9伽马密度1024伽马密度6465-伽马密度10126
抗压强度9磁化率1024磁化率6465磁化率88~90磁化率10126
含水率9自然伽马1024自然伽马6465自然伽马88~90自然伽马10126
密度9热导率1024热导率6465热导率85868889热导率10126
声速9P波速度1024P波速度6465P波速度85868890P波速度10126
声阻抗9抗剪强度1024抗剪强度6465抗剪强度8586抗剪强度10126
-含水率1024含水率6465含水率858688~90抗压强度10126
-密度1024密度6465密度85868890含水率10126
-电阻率1024电阻率6465电阻率8890密度10126
--数字扫描6465电导率85~89-
---渗透率89-
测井井径89-自然伽马864井径8858688~90井径8126
自然伽马89-电阻率864自然伽马885~90自然伽马8126
密度89-电导率864光电88586光电8126
电阻率89-声波864密度8858688~90密度8126
中子89-声波成像864电阻率885~90电阻率8126
感应电导率89--电导率885~90微电阻扫描8126
声波89--声波8858688~90声波8126
井下温度89--井下温度85井下温度8126
热流89--P波速度885868890热流8126
---孔隙度88586-
---介电常数88689-
钻孔原位 观测---钻孔压力86-
---孔隙压力86-
---温度86-
---涡振记录86-
航次后数据官方报告古生物学有孔虫种属9有孔虫种属25-浮游有孔虫种属92放射虫丰度127
钙质超微化石种属9--钙质超微化石种属92浮游有孔虫丰度127
硅藻种属9----
----
孢粉种属9
地层学磁性地层学9磁性地层学25---
沉积学、 矿物学粒度9火山灰沉积特征25粒度66粒度91-
沉积相9沉积物全岩矿物25-黏土矿物91-93-
黏土矿物9--岩屑岩性92-
黄铁矿特征9----
玄武岩矿物学9----
无机地球 化学沉积物主微量元素9沉积物主微量元素25沉积物主微量 元素66孔隙水碘含量、 碘同位素91-
玄武岩主微量元素9孔隙水Sr同位素25-孔隙水硼同位素92-
孔隙水主微量元素9----
生物壳体C、O同位素9----
有机地球 化学烃类气体9磷组分25---
饱和烃特征9----
脂肪烃特征9----
芳香烃特征9----
烯烃特征9----
干酪根特征9----
有机碳同位素9----
岩芯物性---P波、S波速度91-
---固结测试结果91-
---磁化率91-
---孔隙度92-
---渗透率93-
构造地 质学---岩芯变形构造和 脉体统计93-
期刊论文古生物学钙质超微化石种属11底栖有孔虫种属26~29孢粉种属67~70放射虫种属94孢粉组合128129
-浮游有孔虫种属29~36底栖有孔虫种属7172-真菌组合130
-钙质超微化石种属2937~39沟鞭藻种属70--
-介形虫种属4041---
-深海动物群演化42---
地层学--层序地层学71~75-磁性地层学131
--磁性地层学76--
沉积学、 矿物学黏土矿物12沉积物粒度2943全岩矿物含量7778砂岩骨架矿物9596黏土矿物132
-沉积相44沉积相7172747579~84重矿物9596玄武岩全岩矿物133
-铁组分45沉积物粒度80黏土矿物97~100-
-含铁矿物45~47-石英OH缺陷特征101-
-全岩矿物48~50---
-黏土矿物4551---
无机地球 化学玄武岩主微量元素13C同位素4852有孔虫壳体C同位素68单矿物元素组成9597C、O、Sr同位素134
沉积物主微量元素1415Si同位素53碳酸盐组分C、O 同位素7778伊利石K-Ar 同位素97沉积物全岩主微量 元素132
碳酸钙含量15全岩C、O同位素5455Sr同位素73孔隙水Cl含量102沉积物Sr-Nd同位素132
Nd同位素1617有孔虫壳体C、O 同位素3254~56孔隙水的C、H、O、S同位素78孔隙水气体C 同位素103玄武岩全岩主微量 元素133135
Os同位素18有孔虫壳体Sr 同位素5758--玄武岩Sr-Nd-Pb-Hf 同位素135
-主微量元素4348~50--玄武岩斜长石元素含量133
----玄武岩全岩Mg同位素136
有机地球 化学有机质含量、组分151920有机质含量、组分5259~61有机质含量、组分68镜质体反射率104-
热解参数1520生物标志化物525960有机C同位素6878甲烷H同位素105-
生物标志化合物1520有机C同位素435960甲烷C同位素78--
C同位素15正构烷烃C同位素61热解参数68--
N同位素21古温标62---
磷组分22----
鱼牙含量22----
岩芯物性和地球 物理磁组构23沉积物磁性特征63气体渗透率79磁性特征106107磁性特征137
---非弹性恢复量108109洋壳磁异常138
---固结测试结果110-
---抗压强度111-
---孔隙度112~114-
---热导率115-
---力学特征116117-
---水合物饱和度114-
---岩石强度118119-
---应力特征120~124-
构造地质学---岩芯裂隙统计125岩芯裂隙统计139
微生物学----细菌群落结构140

注:“-”表示无数据.

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3.2.2 学术论文

学术期刊发表的研究论文是航次后数据的主要来源。由于全球研究人员都可以申请大洋钻探样品开展研究,目前已有大量成果发表,其数量是动态增多的,目前尚无法准确统计(表23图3)。国际大洋钻探不同航次都有相关链接,统计了部分引用航次结果或基于航次样品开展研究的学术论文,这些论文也都收录到了国际大洋钻探文献数据库(Scientific Ocean Drilling Bibliographic Database,SODBD)中。SODBD可以根据航次和站位等关键词进行检索,但其收录的航次后研究论文并不完整;另外,这些文章也不一定含有新的航次后研究数据,部分论文只是对前期成果的引用。因此,在利用SODBD收集航次后数据时,需要首先确定哪些论文包含了目标站位的研究数据。与官方报告相比,学术论文主要以测试数据为主,并以表格和图件的形式展示,较少涉及基础性描述信息(表34)。除一些发表年代较早的文献外,大部分学术论文都提供了完整的测试分析结果。

4 国际大洋钻探不同阶段的科学数据类型

由于航次科学主题和钻探层位不同,每个国际大洋钻探航次的具体科学数据类型、特别是航次后研究数据类型也有所差异(表4)。在此,我们以DSDP、ODP、IODP阶段5个典型站位(DSDP Site 530、ODP Site 1049、IODP Site M0027、IODP Site C0002和IODP Site U1433)为例,详细剖析国际大洋钻探的具体科学数据类型9~140

上述5个站位的地理位置、主要科学目标和钻探层位等均具有代表性。530站位是1980年DSDP 75航次在南大西洋完成的站位,主要目标是利用早白垩世—更新世的沉积物研究中生代大洋缺氧事件和南大西洋大洋环流演化9;1049站位是ODP 171B航次站位之一,位于北大西洋,该站位岩芯时代为早白垩世—始新世,主要为了检验古新世大洋存在暖盐型底层水假说,并研究白垩纪—古新世古磁极位置、白垩纪/古新世界线、古新世/始新世界线24;M0027站位是由“特定任务平台”完成的IODP 313航次站位,位于北大西洋北美陆架之上,主要目标是研究始新世—中新世的海平面变化幅度、速率和机制以及层序地层相模式64;C0002站位位于西太平洋日本南海海槽,由“地球号”在多个IODP航次(314、315、326、332、338、348和358)开展钻探和观测任务,共完成了17个钻孔,涵盖了从渐新世以来的沉积地层,主要为了钻探震源深度的板块边界断裂带,研究活动板块边界系统的断层力学性质8587~90;U1433站位位于我国南海西南次海盆,是“决心号”执行的IODP 349航次站位,钻取了基底玄武岩和中新世以来的沉积物,主要目标是研究南海西南次海盆扩张模式及历史126

统计结果显示,5个站位船上研究共包括15个数据大类(表4),基本涵盖了钻探平台实验室可产生的科学数据。总体来看,各站位均有钻井取芯、岩石地层分层、沉积物宏观描述、沉积物涂片、生物地层学、地球化学、古地磁学和岩芯物性等七大类数据(表4);另外,3个IODP站位(M0027、C0002和U1433)均有沉积物薄片描述数据,钻取玄武岩的站位则有岩石宏观描述信息(530和U1433)和薄片观察数据(U1433),2个研究区域构造演化的站位(C0002和U1433)也报导了构造地质学数据、部分站位还开展了微生物相关研究(C0002和U1433)和钻孔原位观测(C0002),5个站位中除1049以外均有测井数据(表4)。从详细的数据类型来看,一部分数据大类中具体数据类型完全一致,如钻井取芯统计均包含了钻孔经纬度、钻孔水深、岩芯编号、取芯深度、进尺长度、取芯长度、取芯率和岩芯段数量等9246485~90126,古地磁学研究均包含了自然剩磁、退磁结果和磁性地层学等数据910246485~90126;大部分数据大类的具体类型基本一致,如沉积物宏观描述中均含有岩芯照片、岩性、矿物组成、颜色、层厚、顶底接触关系、沉积构造和生物扰动等9246485~90126,一些站位还有更加详细的沉积物特征描述,如粒径、分选和圆度等126表4)。

相比船上数据,各站位官方报告中航次后研究数据的具体类型差异较大(表4),主要原因在于不同航次站位主要科学目标和钻探结果不同,如研究人员利用DSDP 530站位钻取的富有机质沉积物开展了大量有机地球化学研究9,而IODP C0002为研究发震带地层的力学性质进行了多种岩芯物性研究91~93。不过整体来看,这些数据基本可以归类到古生物学、地层学、沉积学和矿物学、无机地球化学、有机地球化学、构造地质学和岩芯物性等(表4)。

从统计结果看,学术论文中航次后研究数据类型可归纳到古生物学、地层学、沉积学和矿物学、无机地球化学、有机地球化学、岩芯物性和地球物理学、构造地质学和微生物学等八大类(表4)。然而,同样由于各站位设计时的科学目标和钻探取芯结果的差异,科研人员可申请的样品、开展的研究工作及产生的科学数据也不一致(表4),如钻取了玄武岩基底的DSDP 530站位和IODP U1433站位有一批玄武岩地球化学数据发表13133135136,钻取了大洋红层的ODP 1049站位的航次后研究则包含了铁组分、含铁矿物等数据45~50。总之,不论是官方报告还是期刊论文,这5个代表性站位的15个数据大类可能具有一定代表性,但其包含的近200项具体数据类型肯定无法涵盖国际大洋钻探的所有航次后研究。

5 国际大洋钻探科学数据特征总结

从数据体系结构、数据分布、数据载体及数据类型来看,国际大洋钻探科学数据具有以下5个特征:

(1)数据体系层次清晰。所有描述信息、岩芯测试数据以及观测数据都包括在航次—站位—钻孔—岩芯—岩芯段—采样位置这一体系内。

(2)数据点时空属性明确。每一个数据点不仅在三维空间上有明确定位,而且有地质年代属性。

(3)数据来源既简单又复杂。船上数据主要来源于1 812篇官方报告和4个数据库,而航次后数据的来源除了6 293篇报告外还有大量散布在不同出版物发表的学术论文中,难以完整统计。

(4)数据存储格式多样。虽然不同阶段航次数据存储形式有所差异,但目前均散布在文档、表格和图件等数据载体中,尚未实现整合。

(5)数据类型既一致又多样。既有针对所有岩芯的大批量、例行性测试数据(船上数据),又有从解决具体问题出发而产生的特殊研究数据(航次后数据)。

总之,在地球科学研究领域,国际大洋钻探科学数据是国际科学群体利用标准采样流程和多种测试手段,大量、高速、多样化产出的数据,同时具有价值性和真实性两个特点,是典型的科学大数据。

6 国际大洋钻探科学数据汇编的科学意义及建议

国际大洋钻探数据体量庞大、过于分散,尚未实现整合。尽管大洋钻探运营平台和个别研究团体在数据汇编方面做了一定尝试,但现有数据库仅包含部分未统一格式的船上数据(如LIMS、J-CORES、PANGAEA和Logging)或集中于某一类数据(如Neptune数据库整合了部分站位微体古生物学数据141),难以直接服务于那些基于多站位、多类型数据开展的大空间范围、长时间尺度科学研究。进行深度汇编,实现不同来源、不同载体数据的统一格式、统一存储和快速调用是促进数据广泛共享、综合利用和进一步发挥其价值的必然途径。因此,国际大洋钻探数据汇编最直接的意义就是使数据获取、科学研究更加便捷和高效。

其次,国际大洋钻探科学数据的汇编可直接服务于具体科学研究。前人在整理部分数据类型后开展的研究已经在特定领域取得了突破性的成果142~146,如海洋生物演化方面,Peters等142利用大西洋73个国际大洋钻探站位汇编了中侏罗世以来的沉积物宏地层数据,并与浮游有孔虫数据进行了对比,发现浮游有孔虫长时间尺度的生物多样性和灭绝速度与沉积物之间具有协同演化的趋势,均受到构造和气候控制。全球物质循环方面,Davies等143系统汇编了国际大洋钻探在大西洋110个站位、太平洋170个站位和印度洋54个站位的岩石地层和年代学数据,并计算了各大洋的沉积堆积速率,发现大洋沉积物质堆积的速率在全球同步波动,可以直接反映大陆风化强度变化。古海洋与古气候方面,Westerhold等144利用大西洋和太平洋14个站位的底栖有孔虫碳、氧同位素数据合成了新生代以来的高分辨率碳、氧同位素曲线,据此将古气候条件划分为热、暖、冷、冰4种类型,并认为极地冰量在新生代气候演化过程中起着关键作用;Miller等145汇编了横跨太平洋的7个国际大洋钻探站位的底栖有孔虫氧同位素和Mg/Ca值数据,并重建了新生代以来海平面变化历史,发现持续较高的大气二氧化碳含量导致了高海平面,而米兰科维奇旋回则主导了海平面的波动。深海矿产资源评价方面,Kato等146利用位于太平洋的51个国际大洋钻探站位和27个重力取样站位样品的稀土和铱元素数据绘制了太平洋稀土、铱元素空间分布图,发现这些元素分布与洋中脊热液活动密切相关。上述几个方面的成果均是基于部分站位、特定数据汇总后研究取得,是国际大洋钻探大数据利用的初步尝试,而绝大部分国际大洋钻探数据尚未进行汇编,也未开展全球范围、长时间尺度分析。因此,与传统主要利用单一或几个站位测试数据解决区域性问题相比,未来国际大洋钻探数据的汇编有望解决地学领域更多普适性科学问题。

另外,深时地球科学领域目前的研究模式主要是科学问题驱动,即通过测试分析样品、产生并分析数据,得出因果性结论;而基于对已有数据汇编和挖掘开展的数据驱动型研究在深时地球科学领域尚未被广泛采用,这一情况在很大程度上是由于数据在集成和共享等方面存在较大难度。以沉积物和玄武岩数据为主的国际大洋钻探科学数据体系是相对规范、完整且成熟的数据单元,实现国际大洋钻探科学数据的汇编将有利于地学大数据研究的开展,为进一步推动地球科学研究范式的变革做出贡献。

基于国际大洋钻探科学数据的现状和特征,我们建议分阶段汇编数据(图4),并逐步建立包含全部现有数据的开放数据库。首先,可以从船上数据入手,将1 812篇官方报告和4个数据库中的数据,按照详细数据类型归纳整理(表4),建立数据库的基本框架。这一步最为关键,主要涉及数据的收集(不同数据载体)、提取(有时空属性的数据点)、整理(不同类数据点分类入库)。预期初步建立不仅可以通过空间范围、更重要的是可以通过地质时代进行分类检索的数据库(如可以检索西太平洋地区渐新世沉积物的全岩矿物组成);其次,收录6 293篇官方报告中的航次后研究数据,主要是对数据类型、数据量的补充和对年代地层格架的优化;最后,收集学术论文中的航次后研究数据,该部分数据是动态增多的,目前也无法准确定义其来源和边界,其具体数据类型也更加多样。可能需要根据前两个步骤中建立的知识体系和知识图谱、借助机器学习等手段从相关文献数据库中批量获取。

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