“多国科学家将联手打穿壳幔边界”，这有什么意义？ 第1页

偶有关注，不定期更新

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

背景介绍：

首先，这项计划叫做“The nature of the lower crust and Moho at slower spreading ridges”，简称SloMo，即慢速扩张洋脊的下地壳和莫霍面性质，致力于在人类历史上首次钻穿壳幔边界。（地球圈层结构以及莫霍面等知识相信知乎有很多大神不止一次科普过了，本人比较懒，就懒得传送门了，还麻烦自己动手），本次航次为International Ocean Discovery Program (以下简称IODP)360航次，也是SloMo的第一阶段的第一次钻探工作（这个项目分好几次进行，最终才能打穿壳幔边界，所以这次没戏）。

值得说明的是严格意义上参加这次大洋钻探的是十三个国家，新闻报道都是十二国着实让人费解（美国、英国、中国、日本、韩国、波兰、法国、印度、澳大利亚、德国、荷兰、意大利、巴西，我没数错吧(⊙﹏⊙)b，或许哪个国家的小伙伴没上船？），其中我国科学家是中科院地质所的刘传周研究员和同济大学的马强博士（周怀阳教授因为种种原因遗憾缺席），二人分别是做地幔岩和变质岩的。

IODP最早的渊源可以追溯到上世纪50年代末美国人“异想天开”的大洋钻探，最先就是想直接打到地幔。没记错的话应该是大名鼎鼎的Hess领衔主演，最初的计划就是直接钻到地幔获得地幔物质，也就是传说中的Mohole计划（传送门Project Mohole）。然而各种原因（主要是经费及技术）没有成行。

六十年代老美正式开始了DSDP（深海钻探计划），为板块构造的最终建立立下了汗马功劳。也正是大洋钻探，让无数地球科学家开始皈依板块构造大法。DSDP应该是上世纪八十年代结束了，后来延续就有了ODP（大洋钻探计划），再到现在的IODP（国际大洋钻探计划），美国人的“游戏”变成了世界科学家的“狂欢”。你要是看过许靖华先生的科普读物《地学革命风云录》就更能体会这其中的意义。

迄今为止，这一计划已经历了四个阶段。即深海钻探计划（DSDP，1968-1983）、大洋钻探计划（ODP，1985-2003）、综合大洋钻探计划（IODP，2003-2013）和国际大洋发现计划（IODP，2013-2023）。

目前正在执行的“国际大洋发现计划”共有25个成员国、三个执行平台。即美国的“乔迪斯·决心号”、日本的“地球”号和欧洲提供的“特定任务平台”。

（上面两段转自科学网 钻到海底“窥探”地球：大洋钻探有多牛-新闻-科学网 ，文中也提到了一些大洋钻探的情况）

简单的说IODP就是一年到头到各个大洋(海)里打钻的！

最近他们在南海打钻：（我国科学家主导第三次南海大洋钻探-新闻-科学网

南海大洋钻探：追踪“母亲海”的前世今生-新闻-科学网 ）

说起来我国直到上世纪末才参与到这项伟大的计划之中，汪品先院士是我国的第一个首席，IODP中国总部设在同济。

附：

IODP官网：IODP

IODP中国官网：中国大洋发现计划

SloMo官网：TITLE OF PAGE GOES HERE

有兴趣的可以持续跟进，最新进展他们都会更新在这上面。想进一步了解建议跟踪这些船上科学家的最新论文，不过应该得等一两年吧。

图1 船和钻探装备以及一些照片（据IODP官网）, 钻探船（日本的“地球号”）

图2 钻探工艺

说回正事

前面已经降到，IODP每年在各大洋里有许多个航次，打N多的钻，每次主要目的各不相同，主要围绕地质，海洋，资源，生物等方面展开。

这次火的有点突然，因为说的“打穿壳幔边界”，听起来就很有新闻点。

但是，前面说到本次只是SloMo计划的第一阶段，并不能钻到壳幔边界！

本次目的：
最主要的目的很直接，就是想毫无保留的探究慢速扩张大洋下地壳以及壳幔过渡带（详细内容见下文）。

这可是地球科学家一直以来的梦想，半个多世纪以来的积淀终于要见到曙光了。

用这次航次科学家的话来说就是“人们对头顶的天空充满好奇，对脚踩的大地却知之甚少，研究手段也十分有限。打穿洋壳，进入莫霍面，是我们长久以来的梦想 （Henry Dick, 这次航次的首席, Henry J B Dick - Google 学术搜索引用）”.

大概就是：俺は海贼王になる男だ!

图3 蒙奇. D. 路飞

首先，根据大洋中脊的扩张速度差异，地质学家将其划分为快速，中速，慢速，超慢速四种类型。

全球洋中脊扩张速率的图（R. Dietmar Muller et al., 2008, G3），可以看见慢速扩张的洋占了半壁江山，而本次打钻的地方就在西南印度洋中脊（SWIR），正是典型的慢速扩展洋脊。
图4 全球洋中脊扩张速率的图

具体位置如下，本次钻孔就是红色那个点（那个淡绿色被很多横纹（TF, 转换断层）切的就是洋脊），本次钻孔编号为U1473A

图5 IODP-SWIR 钻孔分布

实际上这么些年，大家对这个地方已经开展了许多工作了。在此之前这个地方已经进行了多次大洋钻探了，甚至在本次钻孔附近至少已经有735B钻孔（ODP118和176航次）以及1105A钻孔（ODP179航次）。

下图是几个钻孔的位置关系（带海水深度等高线）。

图6 钻孔分布

为什么选这里？

其实没那么复杂，因为他们就是要研究慢速扩张洋脊的性质，恰好这个地方比较经典，加之前期工作可能算是慢速洋中脊里最最充分的，熟人好下手嘛。

标准的洋壳结构（中-快速扩张的大洋，下图左剖面），可以类比经典的“彭罗斯ophiolite剖面”Ophiolite - Wikipedia，从下到上依次是地幔橄榄岩（绿色部分，主要是由方辉橄榄岩, 少量二辉橄榄岩, 纯橄岩和辉石岩组成），超基性-基性堆晶岩（橄长岩，纯橄岩，异剥橄榄岩，堆晶辉长岩，典型的壳幔过渡带和下地壳堆晶岩，岩浆房结晶的产物），均质辉长岩，席状岩墙（玄武岩+辉绿岩为主），基性火山岩（玄武岩/枕状玄武岩, 玄武安山岩等），当然还有上部覆盖的远洋沉积（硅质岩等）。

所以，中-快速扩张的大洋其洋壳厚度一般都在在 5~7 km ，想要直接钻到地幔就现在的技术来说~相当困难。但是，好在由于扩张的速率不一致，洋壳厚度也不均一。

在慢速扩张的洋中脊，洋壳被各种构造过程搞没了，局部地幔都赤果果的出露于洋底！

西南印度洋中脊就是这种情况（图8 左3）。

为什么洋壳厚度会这么不均一呢？

经典理论认为：洋中脊是新生洋壳的地方。在大洋中脊下方，软流圈（asthenospheric mantle, 图7橙色）减压上涌时发生部分熔融，产生的熔体抽取后形成洋壳（crust, 图7灰色），而残留的橄榄岩则形成大洋岩石圈地幔（lithospheric mantle, 图7淡黄绿色）。

图7 大洋扩张模型

但是！

慢速-超慢速扩张的大洋中脊情况下，扩张过程中从地幔上来的岩浆不足或者缺失岩浆房，形成不了厚的层次分明的地壳（洋壳薄）。洋中脊轴部发育巨大的中央裂谷系，加之伸展过程导致的拆离断层（detachment fault，图10），形成现今看到的格局（图8左3，图9, 10）。地幔熔融程度低，大洋橄榄岩亏损程度低，自然熔出来的可能更是一些富集的组分（可能E-MORB）。

这也就是为什么这里的洋壳很薄，钻孔的位置往下搞个1500m就到地幔了。

再说-----洋中脊本身就是世界上最大的“火山链”和最活跃的"地震带"之一。

全球各大洋中脊无时无刻不在喷涌地幔岩浆，伴随着海底扩张和各种构造作用。因此，洋中脊也对应伸展的构造背景。

你打不打钻地幔都在往外冒岩浆。

软流圈部分熔融的产物就是玄武质岩浆，一旦喷出，则迅速冷凝。最常见的是在形成枕状玄武岩Mid-ocean ridge - Wikipedia，可以在这里看动图。

地幔岩浆对人类的影响基本为零。

图10 各种扩张速率下洋壳的剖面

（从左往右速度逐渐降低，和前面表里分类对应；Henry Dick et al., 2006）：

图11 根据大洋钻探结果建立的慢速扩张洋中脊模型（Julian Pearce, 2003; JOIDES Journal）

他们要干什么事？或者说干了有什么意义？

（ 1 ）研究慢速扩张洋脊情况下大洋下地壳的岩石结构；

（ 2 ）熔体在下地壳是怎么运移和穿过下地壳乃至喷出的（岩浆的运移过程）；

（ 3 ）多少地幔并入了地壳辉长岩中（或者说多少地幔被地震波数据误解成地壳了）；

（ 4 ）下地壳对于 MORB 物质组成的限制；

（ 5 ）非对称扩张情况下应力分布；

（ 6 ）海底磁异常特征；

（ 7 ）浅部地幔和深部地壳在全球碳循环中扮演何种角色；

（ 8 ）深部地壳和蚀变的地幔中是否存在微生物；

简单解释一下就是：

（1）他们想弄清楚这种情况下的大洋岩石圈结构。地质学家总喜欢建model，但是实际情况远远没有那么简单。前面讲到经典的洋壳结构，但是实际上是什么样的打个钻自见分晓；

（2）,（4）从地幔来的岩浆是怎么通过下部地壳运移到上部并且喷出地表的，这一过程中和下部地壳之间发生了什么过程，最终形成的岩石（通常说的mid-oceanic ridge basalt（MORB））物质组成和化学成分与传统认识的有什么不一样；

（3）地球物理的地球内部界面划分是根据波速的突变而定。传统认为的壳-幔边界，大致纵波从地壳的7.1km/s突变到8.0km/s（感谢赵田田提醒）。然而，慢速-超慢速扩张洋脊附近，由于大洋拆离断层及大洋核杂岩的发育，地幔橄榄岩（大洋岩石圈部分）发生伸展，剥露，顶部发生强烈的蚀变（主要是蛇纹石化，即橄榄岩变成蛇纹岩; 图12中serpentine部分），导致刚性程度降低，地震波通过这段时并不会发生明显的波速突变，实际的突变面改成下部未蚀变的橄榄岩顶面了（或者说蚀变的前缘）。这也就导致岩石学壳幔界面和地球物理壳幔界面的差异。当然，这只是个解释，打钻可以进一步证实；

（5）前面讲慢速扩张过程多少有提到，主要是拆离断层，中央裂谷系的作用，导致洋中脊扩张的不对称（图11）；

（6）海底磁异常条带（Seafloor magnetic stripes reconsidered）在慢速扩张情况下的展布。

（7）深部碳循环。主要涉及到被剥露到浅部的地幔橄榄岩蛇纹石化过程和洋底蚀变作用。蛇纹石化过程中，富Ca的流体交代的岩石可能是隐藏的巨大碳储库；

（8）最近些年大洋中脊的微生物调查很热。海底热液，丰富的矿物以及生态系统之间的联系，甚至生命的起源.....再者，就是在地壳深部是否存在微生物？存在怎样的生态系统？（建议以ocean ridge microorganism等关键词搜索，文章一堆）

Ecology and biogeography of megafauna and macrofauna at the first known deep-sea hydrothermal vents on the ultraslow-spreading Southwest Indian Ridge 感兴趣的可以看看这篇文章的生物。就是那里的生物，注意比例尺（um~mm级别）。

总的来说，我们要认识世界，上天下地，星辰and大海。比起上天，下地我们还做的远远不够。老早我们就把地球分成壳-幔-核，但是到现在我们的直接研究对象都仅仅是地壳和少部分地幔，有什么理由停下脚步呢？

下图是该地区的地壳剖面，最顶部可以看到是实际上不存在的（拆离+侵蚀），所以seafloor并没有标在最上面。

本次只是完成了SolMo的Lef-1，三部曲完成了三分之一，还有两次钻探工作才能最终达到地幔（mantle peridotite）。值得注意的是这么厚的蛇纹石岩层（serpentine），可见该处受拆离断层控制的蚀变程度之深（Moho在serpentine之下，但岩石学上讲的Moho实则是serpentine之上）。

最后，是大多数蛇绿岩或者大洋岩石圈研究者最关注的问题。目前世界各地发现的蛇绿岩大都不具备典型的彭罗斯结构（快速扩张洋壳结构（图10左1）），反倒和慢速扩张洋脊结构很像。将今论古，或许研究慢速-超慢速扩张洋脊必然能给我们更多的信息。

“近年来，拆离断层模型逐渐被用来解释蛇绿岩的成因。对于慢速、超慢速洋脊的研究进展，已经成为蛇绿岩研究新的驱动力，”刘传周说，“在这次决心号的大洋钻探中，如果能在超慢速扩张的西南印度洋中脊，成功钻取1300米的深孔，获取较为完整的深部洋壳样品，不仅有助于我们理解洋脊超慢速扩张时的洋壳形成方式，同时也有助于我们研究蛇绿岩的多样性问题，深入解剖地球上的造山过程，具有重要科学意义。”

实际上，现在已经报道了好几处蛇绿岩可能属于这种情况（比如Chenaillet Ophiolite in the France-Italian Alps和Canadian Appalachian and Albanian Dinaride ophiolite），以后估计会更多，当然这大都都只是一种解释而已，有的证据比较充分，有的则不然，详细的运动学-大比例尺野外地质填图工作或许可以搞起。

打钻什么意外？

最大的意外大概就是钻杆掉海里了吧，动不动就上千万没了。

打穿之后呢？当然也不会发生火山喷发，怪兽，地狱之声。

打到地幔，然后这里的地幔具体说叫做岩石圈地幔，是比地壳坚硬的多得多的岩石，而不是岩浆！所以电火花打装满水的套套是脱离实际的，这个其实连针扎苹果皮都算不上。

另外这里伸展应力的作用，正断层导致的应力释放和热液导致的蚀变是的这里相对的低压。不存在部分熔融的可能性，也不存在超高压喷出岩石的可能性。

其实，全球各处大洋中脊的无时无刻不再喷发着从地幔深处（上百公里以上）来的岩浆，然后呢? 对我们并没有什么影响......

岩浆来自地幔，不是说地幔就全是岩浆，地幔除了440~660km深度的过渡带是比较塑性外，其他地方比地壳坚硬得多。而且过渡带的塑性也还是固态的。

比起这个，我觉得担心下环太平洋俯冲带的火山喷发对各处岛国的影响比较切合实际（下图; Stern, 2002）。但这和大洋中脊的岩浆过程一样，不是人类可以控制的，也不受目前人类活动的影响。

本次初步进展：累积钻入789.7m，取芯469.4m。

可以去上面这些社交网站找他们互动。

最后简要介绍下蛇绿岩（ophiolite）和大洋核杂岩（oceanic core complex）：

蛇绿岩：

古大洋岩石圈残片。以前存在的古大洋消亡之后残留在造山带的大洋岩石圈岩石组合，也就是前面讲到的这些洋壳+岩石圈地幔的橄榄岩（具体岩石组合前面有讲）。在大洋关闭以及陆-陆碰撞过程中部分被构造作用带到地表保存了下来。最著名的比如特提斯洋（古-中-新），最后闭合形成的整条带上无数的蛇绿岩。

全球蛇绿岩的分布

感兴趣的可以看下Yildirim Dilek and Harald Furnes, 2011-GSA的这篇文章. 非常系统的介绍了蛇绿，或者他14年在element又写了篇精简的review （Ophiolites and Their Origins）。

蛇绿岩不是一种岩石的名字，而是一套岩石组合，所以也叫蛇绿岩套，当然现在大家不喜欢带套。

大多数蛇绿岩都是分散的构造块体（这个地方一坨辉长岩，那个地方一坨橄榄岩那样）或者混杂带内的岩片，要想恢复结构并不容易。况且大多数蛇绿岩可能是俯冲成因的，而不是典型的大洋中脊。

现在研究蛇绿岩最重要的目的就是研究古大洋的演化，恢复古板块格局。

比如我们的青藏高原，有金沙江、龙木错-双湖、班公湖-怒江、雅鲁藏布江缝合带，是板块拼合的证据，自然也出露了很多蛇绿岩，代表了消失的古-中-新特提斯洋残余，是研究东特提斯洋构造演化及印度-欧亚板块聚合的绝佳场所；

再比如我们的天山、内蒙广大地区，出露的代表古亚洲洋的蛇绿岩一直是研究的热点，当然这些地方的超高压变质作用及碰撞-后碰撞岩浆过程也是热门话题；

再比如有争议的江南造山带新元古的蛇绿岩；

中国蛇绿岩的分布和时代（Robinson & Zhou，2008）

强烈蛇纹石化橄榄岩（显微镜下, 正交偏光）

堆晶岩（Dilek, 2014）

辉长岩

辉绿岩墙

海底的枕状玄武岩

红色的硅质岩（上半部分）和玄武质角砾岩（下半部分）

慢速扩张洋脊与大洋核杂岩（ OCC ）：

如前文所诉，大洋中脊扩张速率<50mm每年的称为慢速扩张，一般像西南印度洋中脊这里，扩张速率只有10~20mm每年。

由于扩张及岩浆活动地壳生长的不匹配，往往发育多条正断层，初期可能以连续正断为主（半地堑类似），后面持续的伸展-拆离，发育成为巨无霸拆离断层，角度变缓，将上盘物质拆离到很远的位置，下盘（一般为地幔橄榄岩）直接出露。

这种与现今大陆拆离断层和核杂岩类似的结构因此被称为大洋核杂岩。

"Chapman model"; Maffione et al., 2013

Boschi et al., 2006, G3

至于大陆的变质核杂岩是什么东西，可以参考Davis和郑亚东老师早期的一些文章，国内这些年林伟、刘俊来等老师也坐过一些这方面的东西吧。

想看可以去怀柔，往北走到密云那边就是国内最早厘定的拆离断层和变质核杂岩，没记错应该叫云蒙山拆离断层吧。