作者:黄永建 来源:科学时报 发布时间:2010-9-14 9:58:29
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《自然》报道我国大陆科学钻探和古气候研究


 
编者按:9月8日,Nature杂志第467期以《恐龙时代的旅行》为题,大幅报道了白垩纪松辽盆地科学钻探与温室气候研究的最新进展。中国科学家的研究工作是这一报道的主体。这充分说明了我国大陆科学钻探和古气候研究受到全球高度关注,也说明了中国地质学研究在国际科学研究的地位正进一步提高。以下是全文译文。
 
在中国开展的一项万米深钻项目将为我们最好地展现白垩纪时期的精彩。
 
展台上摆放的圆柱状岩心并不太多。它们大都1米多长,直径10公分,主要由暗灰绿色油页岩和砂岩组成。但是,中国地质大学(北京)地质学家王成善说,这些“不是普通的岩石”。
 
这些岩石取自中国东北地区松辽盆地2000多米深的地方,可能含有地球历史上最特殊并且最动态的时期之一——白垩纪的信息。
 
始于1.45亿年前的白垩纪,是恐龙的全盛时期。同时那也是极端气候时期,全球温度甚至超过了对2100年的所谓温室气候条件下最令人惊恐的预测,并且海平面比今天高250米,海洋覆盖了现今陆地的1/3。白垩纪也是发生重大地质事件和生物快速演变的时期,伴随频繁的火山喷发、主要造山带的形成以及大洋缺氧事件。这一时期也是以一种非常宏大的场景结束,也就是发生在6500万年前扫平了恐龙的全球性灾难事件,也被称作白垩纪—古近纪(K/Pg)生物集群绝灭事件。
 
地球科学家对于白垩纪的了解主要来自取自大洋海底不完整的沉积岩心。但是取自松辽盆地油田中的岩心——最终可能会深达10公里——将会提供迄今为止最深、最完整的陆地上的沉积记录,同时也提供了一个绝佳的机会了解究竟是什么驱动了这一时期的极端气候。
 
作为项目首席科学家,同时也是2010年7月初在北京召开的“松辽盆地科学钻探学术研讨会”的主席,王成善说:“它们是打开地球历史上这一精彩时期秘密的钥匙。”研究人员迄今得到的岩心总长达到2500米,为研究白垩纪气候及温度的大规模波动、大气二氧化碳含量与湖平面变化提供了新的视野。研究团队希望可以继续开展盆地深部将近7500米的钻探工作,将获取的记录追溯到白垩纪之前。
 
更多细节
 
松辽盆地特有的地质背景为研究人员提供了极其精细的记录。松辽盆地深10公里,面积26万平方千米,它是地壳拉分作用形成的裂谷盆地,与地质历史上大陆运动具有同样的驱动力。在近1亿年的时间里,主要在白垩纪时期,大量河流在这里汇集成一系列巨大的湖泊。
 
在这些湖泊的沉积物中,有可能捕获连续不间断的气候和环境变化记录。“大多数湖泊的寿命是非常短暂的。”美国莫斯科市爱达荷大学(University of Idaho)古气候学家Judith Parrish说,“像松辽盆地这样大而且长期存在的湖泊是非常罕见的。”事实上,这样的地质记录是“白垩纪时期的百科全书”,美国加利福尼亚州斯坦福大学的沉积地质学家Stephan Graham说:“在地球上其他任何地方,你都找不到和这里一样的东西。”
 
松辽盆地孕育了大庆油田,中国最大的油田。中国地质学家已经在这个盆地中钻探了超过5万口井,揭示了这一地区的完整景观。但是以往的钻探工作几乎不取岩心,因为取心是一种花费更高的工作,不过这些钻探能够帮助研究人员选择取心钻探的最佳位置,即岩层没有因滑动分离或者发生褶皱而改变地质记录。
 
从2006年钻探工程开始,黑龙江省大庆油田有限公司为钻探取出2500米岩心提供了1000万元人民币的经费,中国国家科技部和其他研究机构也为钻探和测试分析提供了经费支持。在早期钻探工作和研究成果的基础上,盆地的深部钻探工作于2009年获得了国际大陆科学钻探计划(ICDP)的批准。岩心的1/3部分用透明材料塑封起来,以保证其原有的形态和结构不受破坏。
 
发生重大波动的时期
 
初步研究揭示了白垩纪中晚期的陆地环境,是对海底岩心记录的有益的补充。“这似乎是一个发生了重大波动的时期,发生了很多变化。”王成善说。研究团队通过分析甲壳类壳体化石中的氧和碳同位素并作为古温度和大气二氧化碳含量的替代性指标,发现大气二氧化碳含量在晚白垩世300万年中加倍然后又减半(研究团队正在将这些结果整合以公开发表)。同样的技术表明在10个百万年的时间内温度下降了7℃,可能发生在白垩纪“超级温室气候”时期,那时的温度实际上比今天要高。
 
湖平面似乎也有明显的波动:研究人员发现在一些岩心中有古土壤发育的迹象,这表明盆地内可能发生了几次完全的干化。如果这被证明是正确的,这可以用来重建这些干旱气候时期的气候变化机制,Parrish说。
 
研究人员希望重建这样的场景,通过对沉积物成分的进一步分析确定气候波动的原因。他们也希望通过锶等元素的同位素确定沉积物的来源以及水进入盆地的流向。三角洲沉积物在松辽盆地中的含量很可能与现代尼罗河的含量一样大,因此汇入这个湖泊中的河流可能流经几百甚至几千公里,带来的沉积物可能蕴含了很远地区地质与生态事件的信息。
 
松辽盆地的岩心也许能够解释一个长期的科学争论:在白垩纪超级温室气候时期,那么热的环境中,是否有可能有今天南极一半大小的冰盖存在。例如对岩心建立的更精细的温度记录或将解答是否可能存在更短暂的气候寒冷期,又例如科研团队已经发现的7℃的降温。
 
同时岩心可以回答一些关于白垩纪—古近纪生物集群绝灭事件迫切需要回答的问题,很多学者认为这次生物绝灭事件由小行星或者彗星撞击到墨西哥尤卡坦半岛Chicxulub地区及撞击之后的气候变化造成的。大多数证实这一理论的样品取自海洋沉积物。松辽盆地的陆地记录可以揭示在远离陨石撞击坑的地区,小行星的撞击是如何影响陆地生命的。“松辽盆地的沉积物岩心将会帮助我们建立这些极端事件的完整画面。”松辽项目的另一位主要研究人、维也纳国家自然历史博物馆馆长Christian Koeberl说。
 
回答这些问题的关键,是对岩心精确定年。这将有助于松辽盆地沉积物与海洋沉积记录的对比。“没有精确的时间框架,其他任何可能从岩心中提取出的信息的价值都会被大大削减。”美国威斯康星大学地质年代学家Bradley Singer说。
 
为了对岩心进行定年,中国科学院地质与地球物理研究所的邓成龙和他的同事们对岩心每半米进行取样,测试了近4400块样品的磁性矿物颗粒的磁性方位。每块岩石中的富铁颗粒指示了岩石形成时期的地球磁场方向。磁场的极性每几十万年就会跳动一次,这些转变都记录在岩石中。
 
磁性日历
 
邓成龙和他的团队建立了松辽盆地岩心的一个初步的磁性地层序列,他们可以据此与全球古地磁记录对比。但是为了获得更精确的对比,研究人员需要寻找岩心中的火山沉积物层——其中富含U和其他元素的同位素——可以通过放射性衰变知道它们的年龄。他们已经发现了一些厘米级厚的火山灰层足够用来进行这种年龄测试,同时希望可以发现更多。
 
其他尚未发表的结果也指示了白垩纪—古近纪界线的可能位置。中国地质大学(北京)古生物学家万晓樵通过孢子、花粉、浮游植物和介形虫化石确定的界线位置比原来低大约100米。研究人员正在试着找出是什么原因导致估计的位置不同,并且把界线确定在2~3米内,从而可以通过精细的地球化学分析寻找微量元素(如铱),是在陨石中富集并且随陨石撞击散布到全球。
 
钻探的第二步,即获取另外的7500米岩心,取决于下一步的经费支持。ICDP将会提供120万美元的经费,而王成善希望可以从中国政府获取对钻探实施的另外2亿元人民币的经费支持。大庆油田副总经理、地质学家冯志强希望钻探项目可以更深入了解盆地地质结构和沉积过程,“这些知识将会大大帮助我们更加有效地寻找新资源。”他说。
 
王成善对于科学成果更加兴奋。他拿起一块岩石,眼睛立刻闪出光亮,并在手里掂量着岩石的重量,“这不是结束,”他说,“这是一次激动人心的科学探索的开始。”
 
(源于2010年Nature杂志第467期,第150~151页。黄永建/译)
 
王成善 2006年获得北京市优秀教师称号,中国地质大学地球科学与资源学院教授,教龄25年。
 
2006年6月14日,中国地质大学申请的“白垩纪重大地质事件与温室气候变化”项目正式通过“973”计划评审,科研经费为2600万元,王成善为该项目的首席科学家。
 
其主要研究方向为沉积学与大地构造学,重点研究地域为青藏高原。20多年来,他坚持在条件恶劣的青藏高原进行地质科学考察和研究,在青藏高原基础地质与含油气盆地分析和矿产资源研究等方面取得了较为系统的创造性成果和明显的经济效益。获部级科技成果一等奖1项,二等奖6项,三等奖4项,四等奖1项,国内外公开发表论文190余篇,多次主持全国性、国际性学术会议并应邀发言。2003年,获中国地质学界最高奖项——李四光奖。
 
《科学时报》 (2010-9-14 A2 要闻)
 
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