综述

国际大洋发现计划IODP367/368/368X航次推动南海国际化海洋科考成果

  • 孙珍 , 1, 2, 3 ,
  • 林间 1, 2, 3 ,
  • 汪品先 4 ,
  • 翦知湣 4 ,
  • 李春峰 5
展开
  • 1.中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所),南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301
  • 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
  • 3.中国-巴基斯坦地球科学研究中心, 巴基斯坦 伊斯兰堡 45320
  • 4.同济大学海洋与地球科学学院, 上海 200092
  • 5.浙江大学海洋科学系, 浙江 舟山 316021

孙珍(1971—), 女, 辽宁省大石桥市人, 研究员, 博士生导师, 研究方向为海洋地质构造与模拟。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2020-05-25

  要求修回日期: 2020-06-24

  网络出版日期: 2020-12-03

基金资助

广东省自然科学基金团队项目(2017A030312002)

卢嘉锡国际团队项目(GJTD-2018-13)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0104)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0205)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(2019BT02H594)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。

International collaboration of ocean exploration in the South China Sea enhanced by International Ocean Discovery Program Expeditions 367/368/368x

  • SUN Zhen , 1, 2, 3 ,
  • LIN Jian 1, 2, 3 ,
  • WANG Pinxian 4 ,
  • JIAN Zhimin 4 ,
  • LI ChunFeng 5
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  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology (South China Sea Institute of Oceanology), Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 3. China-Pakistan Joint Research Center on Earth Sciences, Islamabad 45320, Pakistan
  • 4. State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
  • 5. Department of Marine Sciences, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China
SUN Zhen. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2020-05-25

  Request revised date: 2020-06-24

  Online published: 2020-12-03

Supported by

Guangdong NSF research team project(2017A030312002)

K.C. Wong Education Foundation(GJTD-2018-13)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0104)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0205)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(2019BT02H594)

Copyright

Copyright reserved © 2020.

摘要

在科技部的支持下, 中国在1998年加入国际大洋钻探计划(International Ocean Drilling Program, IODP), 迄今为止已组织了4+1个航次的大洋钻探。通过IODP-CPP (complimentary proposal project)项目, 我国科学家主导完成了349、367/368/368X多个钻探航次, 实现了对南海张裂—破裂—扩张发育历史的钻探和取样, 对南海生命史的研究起到了重要的约束作用。本文系统总结了367/368/368X航次在南海北部洋陆过渡带钻探取得的最新成果, 证实南海北部陆缘不同于伊比利亚型陆缘, 具有陆洋转换迅速的特点, 洋陆过渡带地壳内有一定程度的同张裂岩浆侵入和底侵。钻探航次在科学上取得了巨大的成功, 钻探结果提升了对陆洋转换过程和机制的认识。航次期间, 广泛而深入的国际交流与合作极大提升了中国科学家对钻探平台管理、国际大团队合作管理以及人才培养和科普互动等各方面的认识, 加快了中国海洋科考国际化的步伐。

本文引用格式

孙珍 , 林间 , 汪品先 , 翦知湣 , 李春峰 . 国际大洋发现计划IODP367/368/368X航次推动南海国际化海洋科考成果[J]. 热带海洋学报, 2020 , 39(6) : 18 -29 . DOI: 10.11978/YG2020002

Abstract

With the support of the Ministry of Science and Technology, China joined the International Ocean Drilling Program (IODP) in 1998. IODP-China has so far led the organization of 4+1 expeditions. Through the complimentary proposal project (CPP), Chinese scientists led the drilling expeditions of 349/367/368/368x to investigate the full history of rifting- breakup-spreading of the South China Sea (SCS) basin. In this paper, we summarize the latest achievements of IODP Expeditions 367/368/368x, which revealed surprising evidence for abundant magma intrusion and underplating at the distal northern margin of the SCS as well as rapid continent-ocean transition. Extensive in-depth exchanges and cooperation with the international scientific community have greatly enhanced the operation of ocean drilling platforms, management of the IODP organization, scientific and technical staff training, and public outreach. These experiences will further enhance international cooperation of China's oceanographic research.

*感谢中国海洋石油总公司深圳分公司提供的反射地震数据, 感谢IODP提供的钻探数据。
国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, IODP, 2013—2023)及其前身综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program, IODP, 2003—2013)、大洋钻探计划(Ocean Drilling Program, ODP, 1985—2003)和深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project, DSDP, 1968—1983)是20世纪至今地球科学领域规模最大、历时最久的大型国际合作研究计划, 也是引领当代国际深海探索的科技平台。所取得的科学成果验证了板块构造理论, 揭示了气候演变的规律, 建立了两个不同端元的大陆边缘, 带来了地球科学各领域的重大突破。目前IODP已经发展到北美、西欧、亚洲、南美和大洋洲总共23个成员国, 包括美国、日本、欧洲16国以及加拿大、中国、巴西、印度、韩国、澳大利亚和新西兰等, 年度预算接近1.5亿美元。2013年10月启动的“国际大洋发现计划”不再单纯以钻探为限制, 更加强调科学新意, 突出社会需求, 以探索深部, 了解整个地球系统为目标, 以预测未来为己任, 展示了海洋科学、乃至地球科学最前沿的探索前景。2020年4月, 在多轮成员国反复研讨的基础上, IODP制定了《2050年科学框架: 科学大洋钻探探索地球》的白皮书征求意见稿, 2020年9月正式发布。新的指南包含星球宜居性及生命起源、构造板块的海洋生命周期、地球气候工厂、地球系统的反馈、地球历史上的转折点、全球能量和物质循环、影响社会的自然灾害等7个大的战略目标, 以及真实的未来气候变化、探测地球内部、评价地震和海啸灾害、诊断地球健康状况、探索生命及其起源等5个旗舰项目(http://www.iodp.org/scientific-publications/)。

1 航次建议书的组织提交和国际评审

1.1 航次建议书的组织和国际评审

在科技部的支持下, 我国于1998年加入ODP,通过国际评估, 在1999年获得了在南海首次实施大洋钻探的机会。通过由我国科学家汪品先院士设计、主持并担任研究主力的ODP第184航次(图1), 建立了南海自渐新世以来的高分辨率古气候记录(Wang et al, 2000), 使我国进入深海科学研究的国际前沿, 开启了南海深部钻探的历史。2004年, 我国加入综合大洋钻探计划(IODP), 年付会费100万美元。2013年10月, 经习近平、李克强等国家领导人批示, 我国加入国际大洋发现计划(IODP), 并大幅度提高资助强度, 年付会费300万美元。2014年2—4月, 由李春峰教授等牵头提交了IODP 735- CPP建议书(南海扩张过程及其对晚中生代以来东南亚构造、气候和深部地幔过程的启示)(Li et al, 2013)通过国际评估, 在南海执行IODP349航次(Li et al, 2015), 揭示了南海海盆后半生的扩张历史。
图1 南海主要构造特征与ODP/IODP站位分布情况

底图基于中国地质调查局广州海洋地质调查局编制出版的南海晕渲地形图, 编审号为ISBN 978-7-5485-1256-1, JS(2015)02-107, 底图无修改。其中左图中的红框显示的是右侧图的范围, 图中黑色实线为多道地震剖面的位置, 地震剖面在图3中展示; 磁异常条带据Briais等 (1993)

Fig. 1 The main structural framework of the South China Sea and the distribution of ODP/IODP drill sites.

The red square in the left panel is the area displayed in the right panel. The black lines in the right panel indicate the sections of the seismic profiles displayed in Fig. 3. Magnetic anomaly lineations are after Briais et al (1993)

2013年开始, 由孙珍、Hans Christian Larsen、汪品先、林间和李春峰等五位科学家组成了陆缘张裂钻探建议书的领导小组, 牵头提交了878-CPP建议书, 主题为“检验大陆裂解期间岩石圈的减薄过程: 在南海张裂陆缘钻探”, 其科学目标为揭示南海前半生由陆地变为海洋的张裂历史。经过三年六次论证、修改(表1), 建议书在2016年获得通过, 批准为IODP 367和368两个航次(Sun et al, 2016)。其间, 科学与站位评估委员会(Science and Site Survey Evaluation Panel, SEP)的国际成员, 反复从科学意义和站位选取的科学实现方面, 不断锤炼建议书; 之后主要来自于各大石油公司的环境保护与安全委员会(Environment Protection and Safety Panel, EPSP)国际专家组, 对建议书每个站位的钻探安全性进行了详细的考察和建议, 终于形成了具有实际操作意义的钻探方案。
表1 IODP 878号建议书评审历史

Tab. 1 Review history of IODP878 proposal

时间 建议书提交情况 评审情况
2013年10月 提交初始建议书838-pre 2013年11月, 科学与站位评估委员会(SEP)评审, 鼓励提交完整建议
2014年4月 提交完整建议书838-full 2014年5月, 科学与站位评估委员会(SEP)评审, 并建议修改
2014年10月 提交修改后建议书838-full2 2014年11月, SEP评审, 建议书被拒绝, 并鼓励修改后重新提交
2015年4月 通过与中海油合作, 补充采集新地震资料, 提交修改后建议书, 重新编号878-CPP 2015年5月, SEP通过评审, 并建议提交环境保护与安全委员会(EPSP)进行站位安全和环境保护评估
2015年9月 提交航次计划和站位建议至EPSP EPSP通过部分站位评估, 但建议需补充更多备选站位后再次评估
2016年3月 增加备选站位设计, 再次提交全部站位资料至EPSP 2016年7月, EPSP对878-CPP建议书和站位资料进行再次评估, 通过钻探建议和方案, 送JRSF, 正式进入航次安排;
2016年10月 确定为IODP367/368航次, 执行时间2017年2—6月

1.2 航次建议书的科学假设

IODP367/368/368X航次的建议书是基于国际上近40年的大陆边缘研究进展提出的。根据地震探测和大洋钻探, 科学家建立了大陆岩石圈伸展破裂的两个端元模型: 富岩浆型和贫岩浆型。二者的主要区别是破裂前后是否有大量的岩浆喷发、向上侵入和沿Moho面岩浆底侵。根据早期地球物理探测, 南海北部陆缘表现出与伊伯利亚-纽芬兰陆缘相似的强烈减薄特征(任建业 等, 2015; Sun et al, 2016), 但其形成条件(岩石圈温度、拉张速率、地幔富集程度等)与前者截然不同。因此, 南海陆缘为认识非火山型张裂陆缘的板块破裂提供了极佳的钻探机会。如果南海北部洋陆边界也发现蛇纹岩地幔, 说明伊伯利亚地幔剥露型陆缘并非慢速—超慢速扩张的特殊结果, 而是岩石圈伸展过程中水分的带入导致, 是非火山型陆缘发展的必然过程。如果没发现蛇纹岩或者发现其他特征(如下地壳剥露), 钻探结果也将为认识复杂非火山型陆缘破裂方式提供十分重要的资料。
为了检验南海北部陆缘张裂到底适用哪种模式, 亦或有新的模式存在, 航次建议在有很好地震成像控制的洋陆过渡带附近150~200km宽的区域进行钻探, 设计了至少4个主要深井, 包括: 前3个站位将决定洋陆过渡带上不同地壳单元的属性, 以检验岩石圈破裂方式, 并用于约束裂后地壳沉降历史; 第4个站位主要钻探陆缘盆地的沉积层序, 用以约束南海整个新生代陆海变迁的演化历史, 揭示张裂—破裂事件界面的年龄、伸展速率、沉降历史等(Sun et al, 2016)。

2 航次人才队伍组建国际化和科普常态化

2.1 航次科学家和科普的国际团队组建

为了组建两个航次的队伍, 来自14个国家和地区的成员国推荐了200多名科学家, 经过精心挑选, 遴选出65位科学家参加了航次, 完成构造、岩性物理、沉积、古生物、古地磁、岩石、地球化学、孔隙水、生物标志物等多种不同的科学任务。两个航次共设4位共同首席科学家(IODP 367, 中国科学院南海海洋研究所孙珍研究员和美国加州理工学院Joann Stock教授; IODP 368航次, 同济大学海洋与地球科学学院翦知湣教授和丹麦地质学会Hans Christian Larsen教授)。两个航次上还有多位来自欧美等国家的华裔科学家或留学生上船工作, 华人科学家占船上科学家总数的50%左右。
此外, 两个航次共有3位中方记者上船, IODP办公室则组织首席科学家和航次主管, 通过全球招募和视频面试, 确定了两位国际科普专员, 全程对航次进展、航次生活进行报道, 并积极开展船岸互动科普活动。

2.2 航次执行情况

2017年2月8日—6月11日, 南海第三、第四次大洋钻探IODP 367-368航次在南海北部实施。然而, 由于决心号在航次后期出现技术故障, U1503站位在368航次仅完成了近1000米沉积物钻探。后续IODP增加了一个补充航次368X, 保证了建议书钻探设计任务的圆满成功(Sun et al, 2018a; Jian et al, 2018a; Childress et al, 2020)。IODP 367-368航次在远端带盆地、洋陆过渡带、早期洋壳和成熟期洋壳区精心选取站位, 并开展针对基底的钻探, 多为超深水区域的深井, 其中在早期洋盆和成熟期洋盆上的U1500井及U1503井在深度上分别位列全球前八和前五深井, 使得航次充满了技术挑战。也正因为难度大, 在钻探超过1000m并安装了991.5m的套管后, U1503井遭遇升降塔技术故障, 无法完成针对成熟期洋盆基底钻探。但航次及时调整目标, 开展洋陆过渡带其他站位的基底钻探, 最终在U1504站获取特殊的绿片岩糜棱岩, 并完成在外缘隆起上针对高分辨率沉积与古环境气候记录的U1505井, 更好地约束了早中新世重大构造变革界面。因此, 经过5个月的科学钻探, 367/368/368X航次共完成7个站位(图2)17个钻孔的取芯和5个站位的地球物理测井工作, 工作水深2800~3900m, 钻探总长度超过9650.1m, 其中实际沉积岩取芯约2490m、基底玄武岩取芯约180m、绿片岩取芯约20m。在U1503站获得的最大井深为1710.1m, 是“决心号”钻探历史上排名第5的深井(表2)。
图2 南海IODP367、368、368X航次全部钻探站位的柱状图(Sun et al, 2018a; Jian et al, 2018a)

Fig. 2 The stratigraphic column of all drill sites of IODP expeditions 367, 368, and 368X (Sun et al, 2018a; Jian et al, 2018a)

表2 IODP 367/368/368X航次各站位钻探结果信息表

Tab. 2 Coring information at all the drill sites of IODP 367/368/368X

钻孔 经度 纬度 水深/m 进尺/m 取芯/m 取芯率/% 位置及科学目标
U1499A 115°51'35"E 18°24'34"N 3760.2 659.2 417.05 63.27 洋陆过渡带, 检验下地壳或地幔剥露
U1499B 115°51'36"E 18°24'34"N 3758.1 1081.8 150.64 35.3
U1500A 116°13'11"E 18°18'17"N 3801.7 854.6 93.55 28.37 早期洋壳, 检验是否下地壳或地幔剥露
U1500B 116°13'12"E 18°18'16"N 3801.6 1529 278.79 40.82
U1501C 115°45'57"E 18°53'06"N 2845.81 461.9 444.77 96.29 远端带, 揭示完整张破裂层序
U1501D 115°45'56"E 18°53'06"N 2845.82 644.3 78.77 37.37
U1502A 116°13'50"E 18°27'52"N 3763.72 758.2 176.81 46.14 洋陆过渡带, 检验是否有下地壳或地幔剥露
U1502B 116°13'50"E 18°27'53"N 3763.58 920.8 131.57 68.14
U1503A 116°18'51"E 18°8'38"N 3867.71 1710.1 175.73 10.29 成熟洋盆, 检验洋盆发育时间和成分
U1504A 116°14'32"E 18°50'55"N 2816.57 165.5 52.93 31.98 外缘隆起, 检验基底组成
U1504B 116°14'36"E 18°50'49"N 2842.97 200 21.48 19.21
U1505C 115°51'33"E 18°55'03"N 2917.37 480.2 480.15 99.99 远端带盆地, 检验渐新世以来环境变化
U1505D 115°51'33"E 18°55'03"N 2917 184.5 191.43 103.76
合计 9650.1 2693.67

3 科学发现

3.1 各钻孔主要发现

图2表2展示了航次全部站位的地层柱状信息。图3展示了站位所在多道地震剖面的反射特征。U1501和U1505站位出于远端带的南侧斜坡上, 这里裂前、同张裂和裂后的地层发育齐全, 且厚度较小, 有利于钻穿全部层序, 以约束张破裂演化历史; U1505取芯率较高, 为开展晚始新世以来的气候环境演变提供了连续的沉积记录; U1504位于外缘隆起上, 由于抬升较高, 上覆沉积较薄, 该站位较好的揭示了外缘隆起的基底岩石组成; 在预计获取到洋陆过渡带基底的U1502, U1500站位则全部获取了玄武岩。具体取得的发现如下。
图3 穿过及投影了全部站位的地震剖面解释图

测线位置见图1; 图中带P的井位为对应井位在测线上的投影, C11r和C10r为磁异常条带, 对应的年龄分别为30—31和~29Ma; 绿色点线为多道地震剖面上追踪的Moho反射界面; 红色点线为上/下地壳分界面(upper/lower crust boundary, ULB); 红色箭头指示存在人字形反射的区域, 推测为岩浆侵入作用

Fig. 3 Seismic profiles across or projected with all the drill sites.

The locations of the profiles are shown in the right panel of Fig. 1. Site name ending with P means projected site. C11r and C10r are magnetic lineations and correspond to 31-30 Ma and 29 Ma, respectively. The dotted green line is the Moho recognized on Multi-Channel seismic profile, while the dotted red line is the upper/lower crust boundary (ULB). The red arrows indicate the pull-up reflections, suggesting magmatic intrusion

1) U1499站位(Sun et al, 2018b)。根据地震剖面解释(图3), 该站位于陆缘减薄带最南端, 为洋陆过渡带的一个穹隆状隆起上, 向南通过低角度拆离断层与新生代洋壳分隔。该站位共钻进A、B两个孔, A孔取芯至650m, B孔从641m开始取芯, 直至海底以下1081.8m, 用时22.1d, 取芯率达52%, 并成功完成钻井底部655m至1020m的测井数据, 获取宝贵的速度、密度、自然伽马、电阻率等数据和图像。其中, 在海底以下约933m处钻遇地震声学基底, 为局部大陆破裂的不整合面, 年龄约26—28Ma; 之下为砾石层, 推测为大陆破裂前沉积。由于砾石层固结较差, 钻头在钻遇基底岩石前, 井壁发生垮塌, 钻井结束。该钻井为揭示洋陆边界上各历史时期的构造和沉积历史研究提供了宝贵的岩芯与测井数据。此外, 中中新世—渐新世钻遇约200 m厚的红层, 部分表现出富含钙质超微化石、与锰铁结核伴生的特点。上述特征极大地挑战了历史上对大洋红层的认识, 有望揭示大洋红层的发育机理。
2) U1500站位(Stock et al, 2018)。该站位位于早期洋盆中部, 地震剖面上表现为Moho反射不清楚(图3), 横切面上可见沉积基底以下发育有眼球状构造, 内部有多个强弱反射。钻探进行了31d, 完成了A和B两个钻孔, 其中A孔钻深850m, B孔从846米取芯至海底以下1529m, 其中玄武岩钻进深度131m, 总取芯1012.8m, 取芯率为37%, 玄武岩取芯率达70%以上。该站位开展了海底以下842到1133m的测井, 获取了密度、速度、自然伽马等数据, 但井下地震(VSI)未获取到有效信号。钻探揭示, 该站位沉积主体为中—晚中新世地层, 早中新世地层较薄, 晚渐新世地层则更薄, 不足100m。玄武岩喷发表现出早期岩浆量较少的枕状喷发, 后期则表现出快速喷发特征。其中, 早中新世—渐新世地层中也钻遇红层, 但相对较薄。该站位首次钻遇了南海海盆扩张早期的玄武岩, 为全球陆洋转变过程研究提供了宝贵的岩石资料。
3) U1501站位(Larsen et al, 2018a)。该站位位于南海北部陆缘盆地的南端, 伴随拆离断层的旋转, 裂陷期地层明显向南翘倾, 因此通过较少的钻探深度获得了全部陆海变迁的地震层序(图3)。钻探进行了9.4天, 主要开展C和D两个孔的钻探和连续取芯, 其中C孔钻深461.9m, D孔从434m钻至海底以下644.3m, 取芯率达78%。该站位开展了测井, 由于井孔坍塌, 最终获取海底以下约270m至海底的测井, 获取了密度、电阻率、磁化率和孔隙度等数据。钻取的岩芯首次获得了南海新生代以来的全部沉积层序、部分前新生代层序及主要张破裂时间界面及其年龄, 其丰富的沉积和古生物信息为后续开展陆海变迁研究提供了重要依据。
4) U1502站位(Larsen et al, 2018b)。该站位于南海北部陆缘向洋盆过渡的最北端(图3), 推测为张破裂转换过程中的局部岩浆作用。钻探进行了19.3d, 完成了A和B两个钻孔, 其中A孔钻深758m, B孔下探至920.8m, 其中蚀变玄武岩钻进深度约170m。总取芯308m, 取芯率为53%, 蚀变玄武岩取芯率接近70%。钻后开展了测井, 其中P波速度、密度等获取了海底以下750~860m的测井数据, 并在井壁中开展了声波时差测井, 获得了6个有效地震数据, 较好地约束了沉积地层的时深关系。玄武岩大部分发生了较严重的蚀变, 且观察到热液改造的迹象, 但在钻孔底部钻遇较新鲜的玄武岩, 可用于开展定年、岩石学和地球化学的研究工作, 用于约束南海最早的扩张年龄和早期岩浆特征。
5) U1503站位(Larsen et al, 2018c; Childress et al, 2020)。该站位位于U1500站位以南, 推测为稳定扩张洋盆的起始区域(图3)。钻探历经368和368X两个航次。368航次完成了995.1m的沉积层钻探和套管安装, 368X航次继续完成该站位的钻探和取芯。沉积基底在海底以下1597.84m钻遇, 之下为玄武岩。玄武岩喷发表现出早期岩浆量较多的厚层状快速喷发特征, 后期则表现出岩浆较少的枕状喷发特征。沉积岩总钻探深度602.74m; 采集到岩芯128.01m, 取芯率为21%; 玄武岩钻探了112.26m, 钻获岩芯47.91m, 取样率为43%。U1503井总钻探深度为1710.1m, 为ODP/IODP历史上第五深的钻井。
6) U1504站位(Larsen et al, 2018d)。该站位于U1501和U1505站位以南, 虽位于海底地形高地上, 但从地震反射特征来看, 其基底岩石与洋陆过渡带的基底岩石一致(图3), 推测南海北部陆缘横向的快速差异导致COT宽度不一致。为了提高取芯率, 该站位在相距200m的位置各钻取A和B两个孔, 但由于基底岩石较为破碎, 每个钻孔深入基底不久即发生垮塌和卡钻, 因此A、B两孔都不超过200m深。其中A孔钻深165.5m, 沉积物厚约136m, 钻孔B总深度200m, 沉积物厚约117m。钻探结果揭示在始新世富含大型底栖有孔虫和礁相灰岩碎屑的薄层沉积之下为绿片岩相变质岩基底, 随着钻探的深入, 变质程度表现为上深下浅。
7) U1505站位(Jian et al, 2018b)。该站距离U1501站位较近, 在后者东北侧大约8km左右。主要科学目标是高分辨率沉积和古环境研究。钻井主要取芯A和B两个钻孔, 其中C孔最长, 共480.2m, 取芯率达到100%, 并在400m左右深度钻遇明显的上下第三系分界面; D孔为补取上部沉积记录, 长度为184.5m。测井获得了海底以下80到300m左右深度的密度和磁化率数据。

3.2 初步科学成果

IODP 367/368/368X航次首次获得了南海新生代陆海变迁的全部沉积纪录,并在U1500、U1501、U1502、U1504分别钻遇了不同类型的基底岩石, 包括大约45m厚的前新生代(很可能是中生代)沉积岩、前新生代基性—超基性变质岩、破裂最早期蚀变玄武岩、早期洋盆新鲜玄武岩, 为研究陆地向海洋演变并提出新的陆缘破裂类型提供了第一手的岩石学和地球化学证据(图4)。
图4 南海北部陆缘从洋陆过渡带到洋盆钻遇的基底岩石

Fig. 4 The basement rocks encountered at the drill sites from COT to the ocean

已取得的主要科学成果如下。
1) 发现南海大陆岩石圈破裂模式和大西洋典型火山和非火山型模式不同。
钻探结果显示, 虽然南海和北大西洋伊伯利亚—纽芬兰边缘都被划为“非火山型”陆缘, 但南海陆缘裂谷期就有强烈的岩浆作用(Sun et al, 2019), 而且在原来推测可能存在深部圈层剥露的区域(如U1500站位)也获得了扩张脊型玄武岩(Mid-Ocean Ridge Basalt, MORB), 陆洋转换迅速(Larsen et al, 2018e)。根据化石揭示的水深变化特点, 南海大陆边缘在始新世时已进入张裂期, 在渐新世时现今洋盆边缘的区域已处于深水环境(Jian et al, 2019)。陆缘拖网结果表明, 南海北部陆缘, 尤其是洋陆过渡带在22—24Ma前后有较多岩浆活动, 地球化学特征表现出明显的洋岛特征(Huang et al, 2013; Yu et al, 2018), 岩浆量表现出由贫到富的特征(Sun et al, 2019)。针对南海的构造和岩浆表现, 科学家们提出了两种观点: (1)南海属于中等岩浆型陆缘(Clift et al, 2001; Larsen et al, 2018e; Ding et al, 2020), 由于拉张速度为中速, 因此其岩浆量相对偏大, 从而不同于伊比利亚陆缘, 因此不能再归入贫岩浆型; (2)南海属于板缘型陆缘(Wang et al, 2019; Sun et al, 2019), 此种观点主要是认为南海陆缘不同于板内裂解, 由于距离古俯冲带较近(图5, Sun et al, 2019), 其裂前及裂陷过程中都受到了俯冲带的物质输入, 系统不再封闭, 因此应是与板内裂解并列的类型, 称之为“板缘型”陆缘裂解。通过三维数值模拟, Lin等 (2019)提出, 太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块先后对华南及南海的环形俯冲作用, 对南海下部地幔流动和上涌起到了重要作用, 可能促进了包括海南地幔柱的形成(林间等, 2019)。
图5 南海陆缘减薄破裂中岩浆活动受俯冲作用影响模式图

Sun等(2019)Shi等(2012)修改. a. 晚中生代, 在南海张裂前, 华南陆缘为主动大陆边缘, 在约60—50Ma前后经历了扩张脊的俯冲(Seton et al, 2015), 扩张脊俯冲和断离可能造成南海北部大规模火成岩活动及地表抬升; b. 新生代早期, 南海进入陆缘张裂阶段, 根据南海北部弧火山岩停止活动时间在~50Ma(Li et al, 2018)以及南部陆缘与婆罗洲北缘出现增生楔的年代约45Ma(Madon et al, 2013)推测, 此时俯冲板片已开始向南俯冲, 并反向拖曳驱动南海北侧陆缘张裂直至破裂; c. 板片断落扰动的富集地幔柱到达地表, 产生新一期岩浆喷发和地表抬升

Fig. 5 Schematic diagram showing that magmatism of the South China Sea during rifting and spreading might be affected strongly by subduction (modified slightly after Sun et al, 2019; Shi et al, 2012).

a) During late Mesozoic, the South China Sea is under subduction. Around 60-50 Ma, the ridge subducted toward Eurasia (Seton et al, 2015). The ridge subduction and slab break-away for the front block may have caused large amount of magmatism and ground uplift. b) During early Cenozoic, the South China Sea transformed into extensional margin. According to the cessation of volcanic magmatism in the northern margin around 50 Ma (Li et al, 2018), and accretionary wedge development between the southern margin and the northern Borneo at about 45 Ma (Madon et al, 2013), the slab had started to subduct toward south and caused rifting or even spreading. c) The fertile mantle stimulated by the slab break-off arrive at the seafloor and caused another stage of magmatism and ground uplift

未来的研究重点将是陆洋转变过程中的岩浆演化过程。从U1500和U1502站位钻遇的玄武岩产出状态来看, 扩张初期, 岩浆聚集较缓慢, 岩浆量较少, 直至几个百万年以后才开始进入岩浆量较充足的扩张期, 岩浆的地球化学成分上也有较明显的演化, 深入研究将会为揭示贫岩浆型陆缘陆洋转变过程中岩浆和流体的演化研究提供更多约束, 为岩石圈破裂过程和破裂机制研究提出了新的挑战。
2) 有望打破学界四十年来的观点, 重新认识南海的成因, 导致东亚和西太演变历史的重新认识。
南海的成因一直有争议。Tapponnier等(1982)提出印度板块和欧亚板块碰撞, 将印支半岛向南东“挤出”, 顺时针旋转拉分导致了南海的形成, 因此他们认为驱动力在西边; Holloway等(1982)Taylor等(1983)孙珍等(2006)认为, 婆罗洲以北有个古南海, 其向南俯冲产生的拖曳力导致华南陆缘被动伸展“拉出”了南海海盆, 因此驱动力在南边; Karig(1971)郭令智等(1983)都曾提出, 太平洋俯冲后撤是南海打开的动力, 因此驱动力也可能存在于东边。367/368/368X三次大洋钻探在U1502站位发现了距今40Ma的深水有孔虫和玄武岩(Larsen et al, 2018b), 说明南海在破裂之前已经有深水裂谷发育和岩浆作用, 与西菲律宾海北部的年龄相近(Yamazaki et al, 2010)。考虑到南海海盆扩张东早西晚, 结合最新的地震层析成像结果(Wu et al, 2016), Huang等(2019)提出东亚海与华南之间的斜滑俯冲后撤应该是南海打开的驱动力。
由于东亚海和古南海都已下沉至地幔转换带及以下(Wu et al, 2016), 因此, 短时间内很难判断哪个板块是直接驱动, 但更多钻探样品的地球化学分析, 以及未来可能在花东海盆开展的钻探(Zhong et al, 2019), 都将有助于推动南海成因的新认识。
3) 第一次获得南海从陆地转变为深海的沉积证据, 建立起南海新生代至晚中生代以来完整的地层序列。
3个航次在7个站位获取了大量的连续沉积纪录, 且都一致性地记录到了晚始新世—渐新世的大陆破裂造成的长期不整合面, 虽然U1504站位沉积地层较薄, 同样揭示了类似的破裂不整合事件。这些沉积地层都含有丰富的化石, 包括有孔虫、钙质超微化石、介形虫、硅藻等, 其中U1501站晚始新世的浮游有孔虫和钙质超微化石标志种、以及U1502站位蚀变玄武岩裂隙中晚始新世胶结质底栖有孔虫的发现尤其具有重要地层意义(Larsen et al, 2018a; Jian et al, 2019)。U1504站位钻遇的绿片糜棱岩, 具有较强的韧性流变线理, 其占绝对优势的伸展型流变构造和中-低温代表性矿物, 指示绿片糜棱岩来源于约5~10km的地壳深度, 推测拉伸过程中沿着拆离断层剥露于地表(Sun et al, 2020)。由于绿片糜棱岩磁性很弱, 且从反射特征来看, 其代表了洋陆过渡带区域主体的地壳成分, 因此推测南海北部陆缘洋陆边界附近的磁静区可能由地壳成分为绿片岩或更高级的变质岩构成。
过去南海定年主要依赖于古地磁条带识别和石油公司钻井, 但洋陆边界因为地壳发生了强烈减薄, 从而表现出与陆缘难对比的局面。新的钻探补足了数据, 为建立南海陆缘从陆到海的演变提供了最重要的证据。船上科学家已经通过微体古生物、古地磁倒转等方法大致确定了南海海盆演化的年龄与地层序列, 进一步的工作将为研究新生代南海的气候与环境变迁提供重要依据。
4) 发现早中新世至中中新世的大洋红层和晚中新世的大量浊流沉积, 揭示南海演变过程中强烈构造运动的深海沉积响应。
南海有多个站位的基底(玄武岩、蚀变玄武岩或者砾岩)之上, 发现有早中新世至中中新世的红褐色粘土沉积(Sun et al, 2018a; Stock et al, 2018; Larsen et al, 2018b, c)。IODP 349航次在U1431、U1433和U1434井玄武岩之上也都钻遇中中新世的大洋红层(Li et al, 2015), 而IODP 367/368/368X航次不仅在玄武岩之上钻遇红层, 还在洋陆过渡带U1499站位的砾岩之上钻遇红层, 且U1499、U1500、U1502站位的红层都表现出与各种不同粒级、不同成分物质的混合, 包括富钙砂岩、钙质化石层、黑色结核、硅质砾石等, 且常出现红层与绿色成岩作用互层的特点, 揭示了沉积环境的特殊现象, 有可能属于板缘型海盆早期发育过程的特征。深海红层消失后, 晚中新世南海深海盆出现大量浊流形成的砂层, 说明晚中新世南海深海海盆环境动荡。
通过3个航次、5个月的初步研究与总结, IODP 367-368航次在建立新的大陆破裂模式、南海成因的新机制、南海40Ma甚至更早以来的气候与环境变化、深海红层和浊流沉积发育机制等多个领域取得重大进展。

5 航次的意义

1) 使南海成为全球研究程度最高的边缘海之一, 成为国际海洋科学的天然实验室。
南海具有先天的优越条件, 三次大洋钻探(4+1个航次)取得深海研究重大进展。ODP184航次成功地揭示了南海三千万年以来的气候环境演变, 发现低纬区水汽交换驱动的水循环和碳循环周期性, 提出了气候演变低纬驱动的新观点(汪品先, 2006)。IODP 349航次首次实现对南海深海盆大洋玄武岩的钻探和取芯, 澄清了有关南海海盆扩张历史的争论(Li et al, 2014), 发现了火成碳酸盐(Zhang et al, 2017)、深海红层和大规模深海浊流沉积, 为确定南海海盆的扩张时代与期次提供了完整研究材料, 为认识南海深海沉积环境变迁奠定了基础。
IODP 367/368/368X航次针对南海前半生的演化和陆海变迁这一岩石圈尺度的科学问题, 为大陆破裂过程提供了直接的证据。这是继1999年国际大洋钻探ODP第184航次、2014年IODP第349航次后我国在国际大洋钻探领域做出的重大贡献。南海的4+1次大洋钻探成功钻取了中生代以来南海深海盆演化历史的岩芯记录, 从海盆张裂、海底扩张, 到气候环境、生物和沉积演变, 均取得了一系列的国际性的突破进展, 使南海成为全球边缘海研究的典范。
2) 使我国进入深海研究的国际前沿。
IODP349和IODP367/368航次是由我国科技部与美国基金委共同出资支持的3个CPP航次, 这使得南海的钻探等待周期大大缩短, 在全球研究经费紧张的情况下, 中国政府的主动投入, 不仅给中国科学家们创造了难得的学习机会, 同时为国际的很多科学家提供了重要的科研平台。通过增加投入, 我国正在鼓励科学家走上国际科研平台参与科学研究。
南海大洋钻探获取了来自几千米深海的沉积和结晶地壳岩芯, 为大洋构造地质学、岩石学、古生物学和深海沉积学等学科的研究提供了宝贵的第一手资料, 使我国的深海研究从地球物理等领域拓展到岩石学、地球化学和沉积学领域, 沉积学也从陆地到近岸再发展到深海, 逐渐覆盖了深海地球科学的各主要领域(翦知湣, 2018)。
3) 航次执行期间的船岸互动活动证明海洋科考的科普需常态化。
航次执行期间, 两个航次都面向全世界的群众发起了科普连线, 总计超过200场船岸互动。国内有上百所中小学和大学生及其家长伴随连线, 接触钻探现场, 科学家的介绍、船上生动的工作和生活画面, 极大地影响并吸引着公众对海洋钻探和海洋研究的兴趣, 国内外媒体对两个航次的报道也是前所未有的丰富, 从而使两个航次的科学和进展变得家喻户晓。这为吸引未来海洋人才、培育未来接班人、吸引海洋研究的资本和技术投入都产生了重要的影响, 推动了全国对海洋知识和海洋研究的认知热潮。因此, 将海洋科普常态化将有助于提升人民的科学认知、提升海洋科考的社会影响力和促进学科交流。

6 结论

在科技部的支持下, 基于国际大洋发现计划的平台, 我国科学家与国际力量密切合作成功完成了349与367/368/368X几个钻探航次的目标, 实现了为验证南海张裂—破裂—扩张发育历史等科学问题的钻探和取样, 对南海生命史的研究起到了重要的约束作用。洋陆过渡带到早期洋盆的钻探和地震探测结果表明, 南海北部陆缘不同于伊比利亚典型非火山型陆缘, 未发现地幔直接剥露, 陆洋转换迅速, 洋陆过渡洋地壳内有较多同张裂岩浆侵入和底侵, 扩张期岩浆表现出较强的早期俯冲作用影响, 更新人们对陆洋转换过程和机制的认识。钻探航次不仅在科学上取得了巨大的成功, 而且促进了我国科学家对建议书撰写、提交、国际评审、国际科学团队组建、管理, 国际样品分配采集、人才队伍国际化等一系列环节的学习, 上船科学家更是充分学习了钻探相关技术、钻探平台管理、实验室管理和国际大团队合作管理, 以及人才培养和科普互动等各方面的知识, 这些经验加快了中国海洋科考的国际化步伐。国际大洋钻探半个多世纪的宝贵经验说明, 大团队国际合作, 无论在国际知识和智慧的借鉴、国际平台、技术和经费投入的共享, 还是在软性的平台管理、人才培训、社会效益提升以及民众关注度等方面, 对于正渐入国际前沿的中国来说, 都是极具借鉴作用的。
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