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【墨香溢苑】 “国际大洋发现计划”追求的八个发现
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 “国际大洋发现计划”追求的八个发现

  安利

  自20世纪60年代起,国际地球科学界相继开展了“深海钻探计划”(DSDP,1968—1983)、“大洋钻探计划”(ODP,1983~2003)和“综合大洋钻探计划”(LODP,2003~2013),已在地球科学研究领域取得累累硕果。从2013年开始,多国科学家又开始实施为期10年的“国际大洋发现计划”(同样简称IODP)。现阶段科考的主要方式是用美国“决心”号科学钻探船,钻取深海海底的岩芯和沉积层样品。那么,新一轮的IODP计划将主要寻求在哪些领域获得突破呢?

  1.地球气候系统会对大气二氧化碳浓度升高做出怎样的反应?

  以往的海洋科学钻探研究已证实了过去1亿年地球气候的剧烈变化,所获得的数据能够判断过去的气候及环境状况,这对于人们理解近期气候变化和预测未来气候变化有重要帮助。但是,过去几十年北部高纬度地区的加速变暖导致北极海岸、格陵兰及南极西部地区的夏季海冰覆盖面积大幅减少,其变化速度比气候模型所预测的快得多,这说明现有模型可能低估了极地温度变化,高估了热带温度的变化。二氧化碳浓度和辐射力呈对数函数关系,二氧化碳浓度极小的变化就能引起气温变化,尤其二氧化碳最初的\浓度很小时表现更加强烈。为了更好地揭示地球系统在过去全球变暖时期的变化行为,一个高水平的钻探是必需的,所获得的数据可以重现海洋表层及深海的温度、海洋环流、营养分布、海洋生产力及古二氧化碳水平。

  2.深海生物群落的组成、起源和生物化学机制是什么?

  以往的钻探研究表明,地下生物圈分布范围广、数量大、基因多样性强,而且与陆地生物存在很大不同。深海钻探是了解深海生态系统的唯一方法,通过钻探数据人们能够测定深海微生物群落的基本组成、形成过程和分布范围。深海生物圈中的微生物群体会发生很多化学过程,其中包括硫酸还原作用、硝酸还原作用和碳氢化合物的生成过程.它们在矿物氧化和还原过程中发挥重要作用。

  3.什么限制深海生物的生命?

  探索深海中物理化学条件对生命的限制是海洋科学钻探的前沿领域。潜在的限制因素包括温度、压强、pH值、盐分、养分含量、碳、能量及含氧量等。海洋钻探可以揭示深海环境对生物生存的限制。此外,深海微生物群落中85%的基因序列更是属于未知,人们对其新陈代谢方式还不得而知。

  4.生态系统和人类社会对环境变化的敏感程度如何?

  气候变化、海水表面温度上升、富营养化、缺氧、海水酸化和过度捕捞等都会影响海洋生态系统,这些环境压力在未来几十年内会导致更多的海洋生物灭绝。另外,由气候变化导致的物种迁移及种间的竞争会刺激物种进化,使物种出现新的适应特性。300万年前的上新世温度较现在略高,海平面和大气二氧化碳浓度也略高于现在,如果了解了那时生物对气候变化的反应,就能应用于现时状况。所以科学家需通过海洋钻探更好地量化环境变化对海洋生物圈的影响。

  5.地幔的组成、结构及活动状态是怎样的?

  地幔是地球最大的化学元素储藏库(占地球所有元素的68%),所有的大洋地壳和大部分陆地地壳来源于地幔。因此,了解地幔变化对了解地球的进化十分重要。通过地震监测,人们推断地壳的组成和温度均有差异性,采用阶梯式深海钻探是研究地幔的重要手段。对原始地幔的重组能有效了解地幔的地质及地球化学形成过程。

  6.俯冲带如何产生周期性的不稳定状态及如何生成大陆地壳?

  俯冲带是地球表面物质与地幔物质进行交换的主要地点,这里也是地震、火山常发地区。深海沟断层使海水渗入整个地壳,减少了地幔下部板块的地震速率,导致地幔释放大量的水和化合物,使地幔发生物理及化学性质的变化。地幔含有大量的各种类型的蛇纹岩,蛇纹岩拥有独特流变学特性,它可能控制俯冲带板块地震的产生。

  7.什么机制控制地震、火山的发生?

  地震可能与水合作用和洋壳的蛇纹岩化作用有关系,随之影响陆地构造和俯冲带的地震形成及碳的全球循环。物质流、地球化学的进化和地壳构造对火山喷发及山崩有重大影响。近期的测地学和地震学的数据显示,岩石圈板块边缘的张力滑动范围比以往研究所认为的要大得多。然而,板块滑动机制及板块边缘多种滑动类型出现的原因仍是一项研究空白。

  8.什么特性和过程控制深海碳的储存和流动?

  水合沉积物对深层碳流动压力和温度有很大影响,水合物的分解能够向海洋和大气释放大量甲烷,导致显著的气候变化。海洋是一个巨大的碳的储存库,它的上部与渗透带联系,底部相对较厚与海洋隔离,储存库中不断地进行碳酸化与矿化作用。此外,蛇纹岩化作用及其他形式的洋壳碳酸化作用也为全球碳循环做出重大贡献。
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