孙珍
对于海洋地质学家来说，最高兴的事情莫过于自己的想法/观点被证实，但这样的机会并不多，一方面是因为我们研究的东西多数都在很深的海底和地下，另一方面就是即使有些想法可以证实，代价也十分昂贵。海底钻探提供了绝佳的证实机会，但若想获得这样的机会，需要拿出关羽归汉的决心和气概，用前沿的观点和过硬的数据冲过国际大洋钻探组织（IODP）的重重审核，过五关斩六将，将申请书变为钻探执行方案。南海的年龄，是个被研究了30年，争吵了30年的课题，终于在2014年1月29日，迎来了国际大洋发现计划（IODP）的“决心号”钻探船，乘风破浪开赴南海中央海盆，执行代号为349号的钻探航次，对南海的洋壳进行为期两个月、3个站位的钻探和取样。为了推动这个计划，同济大学的李春峰教授奋斗了5年多，终于梦想成真。
根据国际惯例，这个航次虽然是由我国科技部资助70%钻探费用的首个CPP （ Complementary Project Proposal）项目，但航次却是国际航次，来自10个国家和地区的31名科学家（图1）将在船上联手工作2个月，共同完成航次所涉及的各项任务：构造，沉积，古生物地层，岩芯地球物理，古地磁，火成岩，地球化学，孔隙水，微体生物学，等等。钻探的科学目标是：首次钻取南海形成时期的深海玄武岩样本，研究南海深部构造演化，确定南海海底扩张的准确年龄，揭示南海扩张历史中的重大地质构造事件以及对南海的海洋、沉积、微生物演化过程的影响。中国科学院南海海洋研究所特聘研究员、美国伍兹霍尔海洋研究所林间教授与同济大学李春峰教授共同担任此国际科学钻探航次的首席科学家。
①参加349航次的全部科学家、记者和测井人员
②林间老师，我和张帆在一起讨论研究红层
为了了解钻探的科学和技术过程，顺利推进我正在负责的南海张裂过程的建议书，我主动申请作为构造学家，上船学习和工作。以前都是在地球物理资料里分析南海，在实验室里模拟南海，这一次是通过几个钻孔看南海。我们南海所还上船了一名博士生：张帆，她负责岩芯的地球物理属性测量，我们两个和林间老师一起组成了船上学习小组（图2） ，经常一起钻研岩芯和钻探的各种科学技术问题。第一次上船，学习这么多新鲜而又令人兴奋的内容，漫长的65天船上时光竟成了这辈子最美妙的一段记忆。
我们每个上船的人都有一个关于南海的模型，我也是。上船以前，本以为钻探南海的洋壳是件容易事，一钻下去，年龄性质都解决了，没想到IODP349航次让我着实被震撼了，下面我通过几个小故事来讲讲这些奇妙的震撼：
（1）南海的海底沉积竟然大部分都是浊积岩
作为构造学者，我的工作是进行站位岩芯的构造属性描述，包括断层、岩脉、构造变形的几何参数测量和构造解释。这些方面的工作，只有在成岩的环境里，才比较容易被观察到。然而到达固结成岩地层之前，首先要通过900多米的松散沉积地层。中央海盆3G站位的沉积物，从未被很好的揭示，因此这次钻探方案里设计为全取芯。第一桶岩芯是在半夜上来的，这可兴奋坏了我们这些值夜班的人，因为我们是第一批看见南海洋底沉积物的人啊！岩芯上来后，我们立刻加入沉积学队伍，帮忙进行岩芯扫描和磁化率测量。不时地向沉积学专家请教沉积物类型、沉积环境和沉积物成分、来源等。
③一段浊流沉积柱样，下面白色的为颗粒较粗的生物沙，向上变细为粉砂和泥
有趣的是，南海自上而下都是浊流沉积，浊流是发生在海底的泥石流，谁也想不到，4200多米的海底，不是沉积软泥，竟是一套套由粗到细的浊流颗粒序列沉积。刘志飞老师说：“这说明4000多米的海底，在不停地发生着‘海底风暴’。”为什么在南海这么深的海底，会有如此多的“海底风暴”？从事沉积学多年的刘志飞老师认为，这是因为站位附近海山林立，地形陡峭，容易诱发被喻为“海底风暴”的浊流事件；其他几位沉积方面的老师则说，南海周围有多个大河（珠江，红河，湄公河，巴兰河）和大的构造带（东侧的南海-菲律宾俯冲带，南侧的沙巴造山带，西侧的红河走滑带，以及西北侧的印-藏碰撞带），它们距离南海都不远，变化的季风不停地将沉积带入深海，形成一期又一期的浊流沉积。
这也许是边缘海的一个特点？因为被大陆和构造带包围着，沉积物要比太平洋这些大洋充足很多，因此在深深的海底，依旧可见来自大陆的粗粒沉积，构成一套又一套颗粒从粗到细排列的浊流沉积（图3） 。
（2）南海洋壳的年龄怎么定？
按照申请书计划，中央海盆需要钻到100米厚的玄武岩，以保证取到新鲜的玄武岩样品，进行定年。第一个玄武岩芯据说钻了8个小时，上来后先是冷却了几个小时，然后被送上了样品切割台，先贴标签，标注顺序和顶底，然后将会被送去切割成两半。一半用于描述研究和科研取样，叫做working half。另一半则将被永久保存，称为archive half。看着这些从海底来的岩石黑黑的，躺在实验桌上，带着褐色的斑点，有的还带着像外壳似的褐色外衣，我们充满了好奇：“是海底喷发形成的枕状玄武岩么？”柱状的外形，让我这个半外行只能问做岩石学的人，地化所的黄小龙老师和美国Oregon大学的Anthony Kopper教授都摇了摇头，说结晶得这么好，已接近下地壳的辉长岩了，可以勉强说是玄武岩，却不能说是枕状玄武岩。已经打了近30米了，都是这种类似侵入特征的岩石，始终没看到海底喷发特征的枕状玄武岩。岩石学家说：“可能是枕状玄武岩很脆，打起来容易碎。”正当我们为了玄武岩是否为扩张成因的玄武岩头疼的时候，没想到另一个发现更加让我们吃惊：玄武岩打到60米时，样本内突然夹杂了一段泥岩。按照经验，一旦到达基底应该为连续的玄武岩，不会出现沉积物，这段沉积物的发现让原本就令人焦虑的状况变得令人摸不着头脑。泥岩夹层有3～4米厚，依旧是黑褐色颜色，跟第一段玄武岩上的泥岩很像，只是里面多了很多大大小小的泥岩和玄武岩角砾。沉积学家用显微镜观察了很久以后，把这两段黑褐色的沉积叫做“红层”，说全球的大洋玄武岩之上基本上都有红层。红层过后，取上来的岩芯又是风化程度很大的玄武岩。
经过初步的地球化学分析，岩石学家们宣布，这两套玄武岩都是扩张成因的玄武岩，于是科学家们又陷入了大讨论，因为根据反射地震剖面，像这样互层的特征还应向下延伸一段。那问题就来了，为什么扩张成因的玄武岩会有沉积夹层？这意味着洋壳的形成是由多期喷发形成的，还是由于相邻区域喷发的岩浆叠加？如果真的是多期喷发，哪一个玄武岩年龄可以算做此处洋壳的年龄？曾经以为一钻打到玄武岩，定了年就知道了，没想到现在又碰上了新的难题。地化所的黄奇瑜老师说的对：“钻探结果常常是很惊艳的！”我们希望通过钻探解决问题，如今它在回答之前却先狡猾地提出了一个新的问题。
（3）玄武岩里竟然发现了化石
为了增加钻探航次的影响力，让科学真正影响和启发更多人，我们上船的科学家以各种不同的方式参与了科普与信息互动，包括邀请东方卫视记者上船做随船报道，以及船上的科学家给岸上的科学家、中小学生做视频科普交流，介绍船上的工作、设施、发现，接受对方的提问，其中还给幼儿园做过一次互动科普。加上这个航次是在南海，中国的“母亲海”（引自林间老师被英国《自然》 （ Nature）杂志采访时的用语）进行，因此全国铺天盖地的都是各种互动和报道。我们在船上也可以通过蜗牛一样的网速阅读一些。记得一天早上，我们笑着读一篇来自某媒体的报道，上面说船上的科学家正在钻探，希望在玄武岩里找到化石，以确定扩张的年龄。我们笑是因为觉得，玄武岩是火成岩，由500～600摄氏度的岩浆喷发形成的，就算有化石也烧成灰了，哪里去找？可没想到在西南海盆的钻探，玄武岩里真的找到了化石！
④南海中央海盆U1431站位两套玄武岩之间的红层夹层
⑤沾在1433站位玄武岩上的白绿色沉积岩（见黄色标签38上头的白色沉积）
事情是这样的，每个岩芯上来，大家都会跑到岩芯桌上先欣赏一番，心中有数以后才会回去干自己的工作。特别是玄武岩上来的时候，因为间隔久，大家都有足够的时间慢悠悠地欣赏。西南次海盆的第一根玄武岩芯摆上桌的时候，大家又开始围着观察、评价。不知是谁第一个注意到，玄武岩的弧前外壳上竟然沾着一小块白绿色的沉积岩（图5） ，那是跟玄武岩和红层之上颜色一样的沉积岩。古生物学家们一下子来了精神，申请取了一小块样本，去显微镜下观察，结果里面竟然有好多有孔虫化石！这可太重要了，因为靠近玄武岩时沉积层中的化石突然消失了，费了九牛二虎之力，Ivan才在大洋红层中找到了一颗破碎的放射虫化石，把年龄大致锁定为小于19Ma，考虑到它在扩张脊以南接近40千米的位置，推测扩张处脊最老应该是17Ma左右（假设半扩张速率是2cm/年）。但因为化石太破太少，大家都不太有信心，微体古生物学家们正在努力寻找更多的化石。这时候，新沉积和新化石的发现无疑是个额外的奖励。
经过反复鉴别，古生物学家确定，玄武岩夹缝里的这一小块泥岩里主要含有早中新-渐新世的有孔虫化石，年龄为19～23.1 Ma，看上去比玄武岩上覆红层年龄老，那么洋壳年龄＜19Ma的估计基本是可信的。这让为西南次海盆年龄到底是多少吵了一辈子架的很多人都开始放下心来。其实情绪波动最大的就是Anne，她是第一个给出接近这个年龄的人。我倒是一点不担心，因为周围的盆地我都做过一圈了，知道这里的年龄不会漂移太大，基本上也就是17Ma左右。但是能在玄武岩里找到化石，这个当时想起来觉得滑稽，现在回想起来觉得合理的事着实地教育了我，没有充分思考可行性就太早地下结论，甚至否定某些假设是非常危险的，它让我们失去很多机会，把可能当成了不可能，从而停止了自己探索的脚步。所以我们应该记住教训，多探索，避免过早下结论。
（4）红层是烤出来的么？
中央海盆和西南海盆的玄武岩洋壳之上都打到了红层，且颜色是渐变的，由靠近玄武岩的深红褐色向上逐渐变浅至黄色再向上变至正常沉积的颜色。这让对沉积不甚了解的我们产生了一连串的问题：第一个问题就是，红层是怎么形成的？是被玄武岩烤出来的么？就像虾蟹遇热会变红一样，沉积层是否也是如此，贴近高温的岩浆，里面的铁矿物迅速演化而变红？而且离玄武岩越近，烤得越厉害，颜色越深？望着古地磁学家进行样品高温退磁后的柱样，我们这些外行更加坚信，高温烘烤很可能是红层产生的根本原因。因为高温烘烤的柱样就是要比中低温的红很多。但沉积学家的答复，让我们十分意外。刘志飞老师说：“大洋红层在大部分洋壳上都有发现，主要成分为纯黏土，沉积速率很低，大概1000年沉积不足1厘米，因此沉积物有充分的时间被氧化，也就是说，红层不是被烤红的，而是被海水在低温下氧化红的。”
虽然不相信沉积学家说的，但我们也拿不出其他证据，只好敦促沉积学家接着研究，尤其是鉴定一下红层中是否有指示高温的矿物， 自己也拼命地看岩芯，反复推敲，希望找到硬证据，将红层的成因给敲定。直到在玄武岩里发现沉积岩，在红层里找到黄铁矿，我才被氧化说征服。试想一下，那块掉入玄武岩的沉积岩，就贴在玄武岩外壳上，因为两者年龄接近，沉积岩肯定未固结，且沉积岩比洋壳略老，说明贴在玄武岩上的时候应该是喷发时刻掉落玄武岩夹缝里的，从岩块已固结且与玄武岩牢牢焊接在一起的情况来看，沉积岩块经历了高温烘烤是不可避免的，可是沉积岩依旧是绿白相间的颜色，丝毫不见红色。由此可见光有热烘烤是不行的，最重要的还是氧气和氧化作用。
⑥西南次海盆1433站位浅色（弱氧化）红层中的自形黄铁矿（刻度53之上绿色椭圆里黄白色颗粒状物质）
再仔细观察，我们发现在西南次海盆钻样的红层里还可以找到低温环境下形成的自形黄铁矿，黄铁矿周围一圈仍是绿色，根据黄铁矿的形成范围和形态来看，很像是生物活动的结果（图6）。这说明，没有高温，也不需高温，氧气是让原本绿色的沉积物变红的重要控制因素。
小岩芯里有大学问，难怪国家会投入这么多经费去钻取实物样品，并且邀请科学家们亲自上船。其实船上的研究设备并不先进，很多高精的工作都要带回岸上实验室才能完成，但第一手观测确实是任何实验都无法代替的。上了船，打了钻，看到了实实在在的岩芯，并且不同领域的科学家聚在一起，为了同一个问题，从不同角度观察、举证和辩论，事实才会越来越清楚，离真相才会越来越近。这让每一个人都收获颇丰，终于再次懂得百闻不如一见的道理，见到了、思考了、困惑了、讨论了、顿悟了，这就是船上工作的几个步子。
⑦我在船上通过互联网跟北大附中的学生们做科普互动
（5）科普交流不仅教育了孩子，也教育了我们自己
为了做个称职的上船科学家，也为了体验科普的乐趣，我跟北大附中说好帮他们做一次海上-岸上互动。于是先花了2天时间给孩子们做了一个PPT，用很多动画告诉他们我们为什么要研究南海，用什么和怎么研究南海，再介绍了成为科学家需要积累的知识，希望他们能明白自己学的每一点小知识将来都能派上大用场。做的过程中才发现，科普不是一件简单的事，怎么能让十几岁的孩子明白科学家们在干什么，既要深入浅出，又要有趣，这的确很挑战人。而实时互动（图7）则对讲话速度、讲话内容、实物展示方式都有更加高的要求。来自中科院地质地球物理研究所的刘青松研究员很有自己的一套，他是唯一一个给幼儿园小朋友做科普，且能做得生动有趣的人。他说，很多孩子不明白为什么要学习这些知识，尤其是当老师讲得比较死板的时候，孩子们会因为不知所以而不屑一顾。他的互动理念我很喜欢，让孩子们觉得有趣，用船上好玩、好吃和快乐的气氛感染他们、吸引他们。结果，整个幼儿园的小朋友都沸腾了，要求他回去以后再给幼儿园其他班也搞一次科普课。
科学家空闲下来的时间里，技术主管Steve安排科学家们分为四个组，在不同的时间里轮流参观全船，包括驾驶舱、动力定位装置、各种钻探设备和管子、钻探现场、正在做的套管设备、钻探工具室（参观各种钻头、core capture、 logging设备）、轮机室和发动机房，最后还参观了泥浆混合池，钻探管上下的月池（moon pool），感觉实在是太酷了，我的相机都拍没电了。参观了共约3个小时，看着发声轰响，浑身冒着热量，但仍然不停工作的发动机，真感觉太神奇了！可以想见，工业时代刚刚到来时，每天都有新的机器问世，人们是何等的热血沸腾！这次参观也着实让人既兴奋又感慨，有很多对机器的感想，更多的是对管理和操作的感想。决心号钻探船上，思想是十分开放的，Steve用极其详细的介绍和指引，让我们了解船的每一个细节，感觉如果发生突然情况，每个船上的人，包括我们这些科学家都可以在关键时刻，找到某个关键部件，关闭指定设备，阻止灾难的发生，这就是开放的好处。而且，毫无保留的交流，让每个人都有一种被信任的自豪感！
“training”这个词，对我来说，是上船以来给我印象最深的一个词，我们学习做钻样分析（图8） ，学习了解船上所有部件如何运作，甚至学习如何造一艘经济耐用的钻探船！ “What you need is only training！ （你所需要的不过是训练而已）”这是船上技术人员常对我们说的一句话。刚上船时，我们不会比一个学生更强，或者说我们自己就是学生。但船上的每一个人员都很熟悉船上的很多流程和技术细节，我们可以随时问，而他们也都事无巨细，知无不言，还特意拿来实物给我们演示，感觉十分受教。如果每一个老师都可以如此知之若深，并不停地给自己的学生training，早晚有一天他们个个都会是很棒的人。所以我们不要担心自己不懂，努力去学，到处都是学问。在新事物面前我们都是学生，学好了，才可以training别人。而作为老师，如果学生不懂，或者不爱学习，我们是不是要想想：哪里出了问题？
⑧技术人员对我们进行如何测定岩芯地球物理性质等各方面进行培训
关于349航次的航海日志发表在joyocean论坛上，链接地址为：http:// www.joyocean.org/bbs/viewthread.php？tid=3698&extra=page%3D1&page=1。此论坛上还有很多关于349航次的报道和视频新闻链接，欢迎大家访问。
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