在海洋地質(zhì)學(xué)者眼中，一滴海水可能折射著許多參數(shù)信息，一顆砂礫可能蘊(yùn)含著千萬(wàn)年間的變換。
耕海探洋，時(shí)間在地殼上留下的痕跡盡收眼底，俯仰之間，探索的是海底千百萬(wàn)年來(lái)的默默沉積。
曾志剛、孫衛(wèi)東、萬(wàn)世明、高翔、張國(guó)良、張?chǎng)�、董冬�?hellip;…中科院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)地質(zhì)室）這些中青年一代的探索者們，站在老一輩科學(xué)家的肩膀上，摘下了一個(gè)又一個(gè)海洋地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的桂冠，譜寫(xiě)著海洋地質(zhì)研究的新篇章。
引起國(guó)際學(xué)術(shù)圈“地震”的地震研究
板塊匯聚邊界—俯沖帶是地球上構(gòu)造活躍、礦產(chǎn)資源豐富、地震和火山等自然災(zāi)害頻發(fā)的地帶。國(guó)際上的傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，大地震發(fā)生于“強(qiáng)”斷層。
2014年，海洋所地質(zhì)室研究員高翔通過(guò)對(duì)全球多處俯沖帶斷層強(qiáng)度及最大地震震級(jí)的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，大地震更易發(fā)生在俯沖斷層強(qiáng)度較弱的俯沖帶，首次提出“光滑的板塊俯沖造成弱斷層，相對(duì)于粗糙的板塊俯沖更易引發(fā)大地震”的全新理論。這一顛覆傳統(tǒng)的研究很快引起了國(guó)際學(xué)術(shù)圈的“地震”，《科學(xué)》期刊曾評(píng)價(jià)，“這一結(jié)果可以直接應(yīng)用于地震和海嘯的防災(zāi)減災(zāi)工作。”
2017年，他又提出“大地震與其下方的慢地震在斷層流變特征上是分離的，慢地震的發(fā)生受地幔楔角附近特殊的地質(zhì)條件控制”理論模型�！蹲匀弧穼徃迦嗽u(píng)價(jià)，該研究是全新的理論模型，必將引起眾多俯沖帶研究學(xué)者和斷層機(jī)制研究學(xué)者的極大興趣。
海底板塊俯沖不僅是重要的板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)力之一，也構(gòu)成了地球上大規(guī)模的物質(zhì)循環(huán)（包括碳循環(huán)），其中二氧化碳可能對(duì)巖漿的形成起到關(guān)鍵作用。但由于長(zhǎng)期以來(lái)并未得到研究證實(shí)，因此，深部碳循環(huán)與地幔來(lái)源巖漿之間的關(guān)聯(lián)一直不明。
海洋所研究員張國(guó)良等科研人員在科學(xué)考察中，于南海首次發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽化巖漿，證實(shí)堿性玄武巖可以直接由火成碳酸巖演化而來(lái)。這不僅為揭秘深部碳循環(huán)打開(kāi)了一扇窗，還將推動(dòng)有關(guān)深部碳對(duì)巖漿活動(dòng)、地表環(huán)境的影響等相關(guān)研究。他們關(guān)于揭示南海地幔組成本質(zhì)的成果入選2018年度“中國(guó)十大海洋科學(xué)進(jìn)展”。
在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，地球板塊俯沖樣式隨著地幔溫度降低發(fā)生過(guò)重要的轉(zhuǎn)變。這對(duì)大陸地殼的演化、造山作用的過(guò)程、地幔的熱狀態(tài)變化以及地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)等都有非常深遠(yuǎn)的影響。
海洋所博士后劉鶴，海洋所深海極端環(huán)境與生命過(guò)程研究中心主任、研究員孫衛(wèi)東通過(guò)研究指出，板塊俯沖樣式從地球早期的間歇式俯沖轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)性俯沖會(huì)加快地幔的降溫速率，造成堿性玄武巖在全球范圍大量增加，進(jìn)而通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)手段首次確定地質(zhì)歷史時(shí)期的持續(xù)性板塊俯沖作用開(kāi)始于21億年前。
中國(guó)科學(xué)院院士李曙光曾說(shuō)：“板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)自20世紀(jì)60年代確立以來(lái)，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。但是板塊構(gòu)造的起始時(shí)間與樣式轉(zhuǎn)變時(shí)間等問(wèn)題，至今仍未得到解決。這項(xiàng)研究為板塊構(gòu)造樣式的轉(zhuǎn)變時(shí)間及其對(duì)地幔熱狀態(tài)的影響等問(wèn)題提供了重要證據(jù)。”
同年，劉鶴、孫衛(wèi)東等人根據(jù)海水、蝕變洋殼具有極低的Th/U比值的特點(diǎn)，結(jié)合板塊構(gòu)造理論，首次以全球弧巖漿巖的Th/U的變化限定了地質(zhì)歷史時(shí)期兩次全球性氧化事件的發(fā)生時(shí)間，得到了國(guó)內(nèi)外地學(xué)工作者的高度評(píng)價(jià)。
海洋所地質(zhì)室副主任、研究員董冬冬作為首席科學(xué)家設(shè)計(jì)完成了國(guó)內(nèi)首個(gè)西太平洋雅浦俯沖帶綜合地球物理科考航次，在該區(qū)初步構(gòu)建了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的綜合地球物理觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。首次發(fā)現(xiàn)雅浦弧前區(qū)域發(fā)育大型滑塌體，并通過(guò)俯沖侵蝕研究推斷出產(chǎn)生滑塌的原因。
精進(jìn)探測(cè)技術(shù) 發(fā)展海底熱液地質(zhì)學(xué)
在當(dāng)今海洋科學(xué)研究中，海底熱液地質(zhì)過(guò)程及其資源環(huán)境效應(yīng)是前沿?zé)狳c(diǎn)之一。
有關(guān)它們的形成過(guò)程和流體條件等問(wèn)題長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議，學(xué)界對(duì)熱液流體的深部循環(huán)及其物理、化學(xué)變化的認(rèn)識(shí)不足，更不了解斷裂構(gòu)造、巖漿活動(dòng)、流體—巖石相互作用、沉積物和海水等因素對(duì)海底熱液產(chǎn)物的形成和保存的多重約束，這嚴(yán)重制約了對(duì)海底熱液產(chǎn)物形成機(jī)理及其硫化物資源潛力的認(rèn)知。
針對(duì)海底熱液系統(tǒng)及其成礦控制機(jī)理問(wèn)題，海洋所地質(zhì)室主任、研究員曾志剛及其合作者首次對(duì)全球范圍內(nèi)的海底多金屬硫化物進(jìn)行了系統(tǒng)的Re-Os含量及其同位素組成研究，發(fā)現(xiàn)海底多金屬硫化物中Re和Os主要來(lái)自海水。明確玄武巖為洋中脊硫化物等熱液產(chǎn)物的形成提供了硫和鉛，發(fā)現(xiàn)硫、鉛源以及流體過(guò)程是控制硫化物中硫和鉛同位素組成的關(guān)鍵因素。
針對(duì)熱液地質(zhì)過(guò)程對(duì)海底環(huán)境的影響機(jī)理的問(wèn)題，他們從硫化物、熱液柱、海底生物等多個(gè)角度評(píng)估熱液活動(dòng)的熱—質(zhì)通量及其資源潛力，突破了限制掌握硫化物資源潛力的關(guān)鍵瓶頸。
同時(shí)，還發(fā)展出海底熱液活動(dòng)及其硫化物資源調(diào)查新模式與方法，指導(dǎo)沖繩海槽深海熱液活動(dòng)綜合調(diào)查并開(kāi)拓海底熱液活動(dòng)研究新區(qū)，填補(bǔ)了中國(guó)在弧后盆地?zé)嵋旱刭|(zhì)過(guò)程基礎(chǔ)研究及硫化物資源調(diào)查的空白，推動(dòng)了海底熱液地質(zhì)學(xué)的發(fā)展。
由于深海壓力、溫度、腐蝕性等條件帶來(lái)的困難和挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段對(duì)深海冷泉/熱液噴溢活動(dòng)依然缺少直接、有效的原位探測(cè)方法。
海洋所研究員張?chǎng)蔚热搜邪l(fā)出深海激光拉曼光譜原位定量探測(cè)系統(tǒng)和系列化的拉曼探針，及深海綜合取樣系統(tǒng)，解決了研究深海冷泉、熱液系統(tǒng)原位探測(cè)與精準(zhǔn)取樣難題，為深海冷泉、熱液系統(tǒng)的演化，海底天然氣水合物的快速形成機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題的研究提供了原位數(shù)據(jù)和樣品支持。
基于“科學(xué)”號(hào)科考船在2016年深海熱液航次中，科考隊(duì)員利用深海原位拉曼光譜探針采集的數(shù)據(jù)資料，張?chǎng)�、孫衛(wèi)東等在1400米深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)了噴發(fā)含有超臨界二氧化碳流體的熱液噴口。這是第一次在自然界中發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳。
熱液所特有的化能生物群落具有不依賴陽(yáng)光和嗜熱特性，深海熱液系統(tǒng)被認(rèn)為可能與地球上初始生命產(chǎn)生的環(huán)境類(lèi)似。但熱液流體中缺少氨基酸的關(guān)鍵元素——氮，此次發(fā)現(xiàn)為地球早期從無(wú)機(jī)到有機(jī)的過(guò)程提供了絕佳反應(yīng)介質(zhì)。
基于這項(xiàng)科研成果，他們提出了新的地球生命起源假說(shuō)：地球早期，存在于海洋與大氣交界面的超臨界二氧化碳層富集大量氮?dú)猓⑴c海水和露出海表面的巖石礦物結(jié)合，催化產(chǎn)生有機(jī)物，成為生命源頭。
面向國(guó)際前沿 尋找西太規(guī)律
海洋是古老的，更是神秘的，她的每一道褶皺都暗藏玄機(jī)，每一次變化都可能引發(fā)令人意想不到的蝴蝶效應(yīng)。
海洋所地質(zhì)室副主任、研究員萬(wàn)世明等正是循著冰期二氧化碳的變化痕跡，追溯到了“那只撲閃翅膀的蝴蝶”。
在過(guò)去80萬(wàn)年以來(lái)，二氧化碳在調(diào)控氣候變化中扮演著關(guān)鍵角色。但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，冰期的二氧化碳含量比間冰期低得多，冰碳共同變化的原因成了近20年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。
萬(wàn)世明等人在西太平洋邊緣海的研究揭示，冰期低海平面時(shí)期的低緯陸架硅酸鹽風(fēng)化增強(qiáng)是重要的碳匯，且在全球尺度上可貢獻(xiàn)9%冰期降低的大氣二氧化碳，這是冰期—間冰期碳循環(huán)中不能被忽略的重要機(jī)制。這在國(guó)際上是首次提出冰期低緯陸架沉積物風(fēng)化增強(qiáng)的礦物地球化學(xué)證據(jù)，修正了此前“硅酸鹽風(fēng)化在軌道時(shí)間尺度對(duì)碳循環(huán)影響可忽略”的認(rèn)識(shí)。
近些年，海洋所立足國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)前沿和國(guó)家重大需求，瞄準(zhǔn)西太平洋作為地球系統(tǒng)窗口所擁有的科學(xué)價(jià)值及地域優(yōu)勢(shì)，聚焦海洋地質(zhì)過(guò)程及其資源環(huán)境效應(yīng)這一重大基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)多學(xué)科、跨尺度綜合研究，服務(wù)西太平洋的氣候、環(huán)境、災(zāi)害、資源、國(guó)家安全等重大需求，形成了我國(guó)基于“科學(xué)”號(hào)科考船的完整海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查體系，成功構(gòu)建了淺海和深海，海岸帶、近海與大洋、極地相結(jié)合的全球海洋地質(zhì)研究格局。
如今，海洋所已成長(zhǎng)為國(guó)家海洋地質(zhì)基礎(chǔ)理論和海底資源開(kāi)發(fā)利用及其相關(guān)領(lǐng)域科技創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化的重要基地，海洋地質(zhì)人才培養(yǎng)和學(xué)術(shù)交流的開(kāi)放、共享平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略提供了重要的科學(xué)支撐。
海洋地質(zhì)學(xué)科的研究隊(duì)伍正在不斷壯大，有老一輩科學(xué)家的鋪路，有學(xué)術(shù)骨干的引領(lǐng)，有新鮮血液的加入，相信他們一定能取得更多更好的成績(jī)。