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  • 大洋钻探系列之三IODP 342航次是干什么的?(下)

作者:xiaokcehui2023-11-23 5:56分类:

上文简要地介绍IODP342航次的总体情况,本文以航次1个钻孔(U1403)为例,更为详细地系统展示大洋钻探航次的工作和成果。

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站位叠加多波束影像的成果图见下图,从图中的颜色效果可以看出,此多波束的成果不是用CARIS做的因为CARIS做的会比这个漂亮得多。

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1、背景和目标

U1403 号站点是 J 异常海脊上水深最新的孔,此孔有2个目标,一是获取古近纪碳酸盐补偿深度(CCD),二是声学均匀层下富层理沉积层的年龄和岩性。

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2、取样过程

U1403孔的统计信息(Hole U1403A summary)如下:

纬度Latitude: 39°56.5997′N

经度Longitude: 51°48.1998′W

水深Water depth (meters below sea level,mbsl): 4944.3

开孔时间Date started: 1708 h, 11 June 2012

终孔时间Date finished: 1240 h, 14 June 2012

钻孔时间Time on hole (days): 2.8

钻井平台至海底深度Seafloor depth DRF(drilling depth below rig floor) (m): 4955.7

海底深度计算方法Seafloor depth est. method: APC-calculated (apc,advanced piston corer,先进活塞取样器)depth

钻进平台至海面Rig floor to sea level (m): 11.4

钻探深度Penetration depth DSF(Drilling depth below sea floor,钻探深度) (m): 253.3

钻探长度Cored interval (m): 253.3

取芯长度Recovered length (m): 231.82

取芯率Recovery (%): 92

取芯数Total cores (number): 29

活塞取芯APC cores (number): 17

加长取芯管XCB (extended core barrel,加长取芯管) cores (number): 12

钻探系统Drilling system: 117⁄16 inch APC/XCB bit with 136.00 m BHA(bottom-hole ass embly,井底钻具组合)

目标Objective: Core from seafloor to ~ 50 m DSF

结果Result: Target reached; objectives achieved

考察船从 U1402 号地点出发,以平均 12.6 公里的速度航行了 946 海里,然后抵达 U1403 号地点,这是纽芬兰古近纪沉积漂移项目的第一个地点。在途中,船时提前了半小时,使船只进入了纽芬兰的时区。U1403站的原计划是打三个钻孔,深度约为 250 米,但科学界最终决定用两个钻孔完成作业,即打至 253.3 米深度的 U1403A 号钻孔和打至 265.1 米深度的 U1403B 号钻孔,还决定对 U1403B 孔进行测井,但是,测井尝试失败了,因为工具被卡住,部分工具断裂。试图恢复工具的努力也以失败告终。

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2012 年 6 月 11 日 17 时 08 分(世界协调时-2.5 小时),考察船在 U1403 站稳住,钻杆已准备就绪并钻至海底。根据 PDR(precision depth recorder) 计算,该地点的深度为 4957.7 mbsl,经过一番考虑后,选择 4952 m DRF 作为第一枚岩芯的取样深度。U1403A 号钻孔于 6 月 12 日 10 时 20 分开钻。泥线岩芯采集了 5.85 米的沉积物,海底深度确定为 DRF 4955.7 米(4944.3 mbsl)。然而,根据 U1403B 号钻孔的海底深度以及在 U1403B 号钻孔中发现的相关特征,后来怀疑这一水深浅了约 4 米。活塞取样回收了 342-U1403A-1H 至 17H 号岩心,在该处约 148 米 DSF 处遇到了硬层。活塞取芯时使用了非磁性岩芯筒,并使用 FlexIt 工具对所有活塞岩芯进行了定向。XCB 从岩心 18X 到 29X 一直布放到最终深度 253.3 米(DSF)。6 月 14 日 12 时 40 分清理了海底,U1403A 号钻孔结束。U1403A 孔 253.3 米取心区间的岩心回收率为 231.82 米(回收率 91%)。

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泥线岩芯(mudline core)的采集方法是:用钻头标记海底,将钻头提升到离海底小于 9.5 米(活塞取芯管长9.5m)的位置,然后取HPCS (hydraulic piston coring system)岩心。水深通过使用 ROV 上的压力传感器估算,或通过从泥浆线测量值减去钻井平台到海平面的距离来计算。

3、结论

结论全文见文后,已经翻译成中文,便于读者们阅读。

自己能看懂的结论总结如下:

(1)从更新世到白垩纪晚期的五个岩层单元(下图中的II、III、IV、Va)中发现了多种类型的深海浮游沉积物。岩芯的整体恢复和状况良好,包括 K/Pg 边界大灭绝事件、晚始新世切萨皮克湾撞击以及始新世高热 ETM2(早始新世极热事件2) 和 PETM (古新世—始新世极热事件)的记录。在 K/Pg 边界(白垩纪-古近纪灭绝事件)有一个薄的、分级的绿色球粒层,被解释为来自奇克苏吕布撞击事件的碎屑。下伏沉积物主要由带颜色的化石白垩组成,深度约为 CSF-A 262 米。

(2)除了厚约 2 米的全新世-始新世沉积层外,U1403 号地点上部约 46 米的沉积柱没有年代(下图中的待定段)。U1403 号地点的古地磁结果显示,在 342-U1403A-6H-1 和 16H-1 段(约 46-140 米 CFS-A)之间,以及 342-U1403B-6H-5 和 16H-5 段(约 41-137 米 CFS-A)之间,存在一系列连续的正向和反向磁带。这一磁性地层与地磁时间尺度上的C16n.1r至C22n很好地相关,表明我们采集到了一个连续的始新世早期至晚期断面(35.892-49.344 Ma)。U1403 号地点的磁地层学还表明,342-U1403A-6H-2(80-120 厘米)和 342-U1403B-6H-5(50-90 厘米)处的独特灰蓝色区间沉积于纪元 C16n.1n(35.706-35.892 Ma)。因此,该地层区间的特征是出现了八面体长石和 NGR 的巨大峰值,标志着切萨皮克湾撞击事件。

(3)6 月 16 日 22:00 取芯结束后,用 30 桶高粘度泥浆将钻孔清扫干净,然后将钻杆从钻孔中拉至 78.43 米深度(DSF),使用三重组合(triple combo)和地层微型扫描仪(FMS)-声波测井工具串进行测井。两次布放测井仪器的尝试均告失败,仪器被牢牢卡在井筒内,仪器串从钻头伸出约 17 米。在工具工作了几个小时仍无进展后,钢丝绳被切断,油管被绊倒在地面上。当工具到达钻井平台时,发现三组合工具串已经分离,工具串底部约 17 米的工具不见了,其中包括密度和孔隙度工具。

为了找到并找回丢失的工具,计划进行一次视频和声纳勘测。在部署过程中,由于洋流强劲,摄像机在管道周围晃动、振动和旋转。21 时 45 分,当钻头距离海底约 30 米时,水下摄像机和 Mesotech 声纳的信号丢失。管道被绊回钻井平台地面,摄像机框架放在钻头顶部。我们怀疑支撑摄像系统的同轴电缆发生了故障,当摄像电缆到达钻井平台地面时,我们的怀疑得到了证实。

照相系统的维修需要 1-2 天时间,重新部署可能会出现同样的问题。此外,失去这艘船唯一可用的重返系统也会对今后的作业造成损害。决定不再在该地点部署摄像系统意味着我们无法找到丢失的测井仪器或 U1403B 号钻孔。6 月 19 日 14 时 15 分,钻孔底板被固定,U1403 号站点和 U1403B 号钻孔结束。


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U1403站点结论全文:

U1403 号站点在更新世至白垩纪晚期(坎帕年)的五个岩石地层单元中发现了多种类型的深海浮游沉积物。岩芯的整体恢复和状况良好,包括 K/Pg 边界大灭绝事件、晚始新世切萨皮克湾撞击以及始新世高热 ETM2 和 PETM 的记录。古新世的大部分地区碳酸盐含量较低,但硅质微化石相对丰富。这一记录与当地 CCD 以下的古深度一致,并锚定了 342 考察队深度横断面的最深水域。初步研究结果表明,CCD 会偶发加深,这可能是碳酸盐补偿 "过冲 "的证据,碳酸盐补偿 "过冲 "会增加深海的碳酸盐沉积,这是对瞬时全球变暖和海洋酸化事件的预测反应。

U1403 号地点的井下岩层包括有孔虫砂质粘土;无化石粘土;红色、棕色和黑色的白垩岩;含放射虫的粘土;含泥化石和放射虫的粘土;泥化石软泥;以及白垩。最上层沉积物包括带有锰结核的有孔虫砂,其上覆盖着无化石粘土和带有泥化石和放射虫的粘土层。在 150 米 CSF-A 以下的放射虫粘土、海泥和白垩层之间有白垩层。通常情况下,这些白垩层的复原情况较差。在 K/Pg 边界有一个薄的、分级的绿色球粒层,被解释为来自奇克苏吕布撞击事件的碎屑。下伏沉积物主要由带颜色的化石白垩组成,深度约为 CSF-A 262 米。

在 U1403 号遗址,我们发掘了全新世-始新世-钟乳期沉积物序列。第四纪钙质化石和浮游有孔虫出现在最上层 2 米的剖面中,但从 2 米到 70 米 CSF-A 的沉积物中没有年龄诊断化石。钙质化石和放射虫表明,CSF-A 约 70 米至 220 米为中始新世(44.5Ma)和下始新世至 K/Pg 边界序列。放射虫集合体种类繁多,在中新世和下新世保存完好,为 70 至 119 米 CSF-A 之间提供了唯一的年龄对照。初步的生物地层分析表明,下始新世和中上古新世可能存在小的断裂。PETM 和 ETM2 高热事件的化石序列均已回收,其中包括 "游离 "钙质化石群。从生物地层学角度看,K/Pg 边界断面似乎是完整的。

在K/Pg边界撞击喷出岩床之下有一个高多样性的最上元古代钙质化石群,在该岩床之上有一个多样性极低的大灭绝后的钙质化石群。大成纪最低层的集合体主要是钙质甲藻和少量白垩纪钙质化石的幸存物种,其后是上孔的浮游动物恢复和多样化记录。U1403B 号钻孔在约 262 米 CSF-A 厚的上坎盘纪沉积物中见底,这些沉积物主要由有孔虫白垩化石组成。在大部分演替中,浮游有孔虫都不存在或保存很差,只有在最下丹期和最上马斯特里赫特期有一段保存完好的有孔虫组合。整个古新世至白垩世都有以钙质类群为特征的底栖有孔虫组合。

U1403 号地点的古地磁结果显示,在 342-U1403A-6H-1 和 16H-1 段(约 46-140 米 CFS-A)之间,以及 342-U1403B-6H-5 和 16H-5 段(约 41-137 米 CFS-A)之间,存在一系列连续的正向和反向磁带。这一磁性地层与地磁时间尺度上的C16n.1r至C22n很好地相关,表明我们采集到了一个连续的始新世早期至晚期断面(35.892-49.344 Ma)。U1403 号地点的磁地层学还表明,342-U1403A-6H-2(80-120 厘米)和 342-U1403B-6H-5(50-90 厘米)处的独特灰蓝色区间沉积于纪元 C16n.1n(35.706-35.892 Ma)。因此,该地层区间的特征是出现了八面体长石和 NGR 的巨大峰值,标志着切萨皮克湾撞击事件。

为 U1403A 和 U1403B 号钻孔制作了部分拼接的综合深度记录。由于两个钻孔的表观海底深度不一致,无法可靠地对齐泥线。在 U1403A 和 U1403B 两个钻孔之间,从海底以下约 20 米到 150 米的岩心综合深度(CCSF),实现了综合拼接记录。在 150 米 CCSF 以下,即两个钻孔都遇到了白垩系地层的地方,构建了 ETM2、PETM、K/Pg 边界和上马斯特里赫特的浮动复合剖面。

年龄-深度关系主要基于 U1403A 号钻孔中放射虫和钙质化石的生物地层基准以及 U1403A 和 U1403B 号钻孔的古地磁数据组合。除了厚约 2 米的全新世-始新世沉积层外,U1403 号地点上部约 46 米的沉积柱没有年代。342-U1403A-6H 号岩心中的年代 C16n.1n(35.706-35.892Ma)的磁地层学鉴定(以及 U1403B 号钻孔中同一区间的发现)代表了 U1403 号地点一系列有年代的古新世地层中的第一个。我们的相关研究表明,从 ~40 Ma 到 50 Ma 的平均粘土堆积速率为 ~1 cm/k.y.,从 ~35 Ma 到 40 Ma 的平均粘土堆积速率减小到 ~0.2 cm/k.y.。平均线性沉积速率为 ~0.6 cm/k.y.,相对稳定,直至 ~148 m CSF-A。在 148 至 149 米 CSF-A 之间,由一系列白垩系地层记录了从 50.5 至 53.7 Ma 的 ~3 m.y. 间隔。下始新世至 PETM 顺序以平均约 1.4 cm/k.y 的线性沉积速率累积。紧接 PETM 的下层是一个高度浓缩的富含白垩岩的区间,在 182 至 189 m CSF-A 之间至少有一个间断,对应于约 56-62 Ma。在跨越 K/Pg 边界(约 62-69 Ma)的区间内,平均线性沉积速率为约 0.8 cm/k.y.。

出于安全监控的目的,对顶空气体进行了分析,结果发现甲烷浓度较低,随着深度的增加,甲烷浓度逐渐上升到 17 ppmv。未检测到其他高碳氢气体。U1403A 号钻孔上部 34 米处的 TOC 含量很低,介于 0.14 至 0.46 wt%之间,但 CSF-A 区段 27 至 31 米的 TOC 含量介于 1.4 至 1.7 wt%之间。342-U1403A-1H 至 13H 号岩心的碳酸盐含量在 0.04 至 0.80 wt%之间。在岩心 13H 的底部(~137 m CSF-A),碳酸盐含量增加到 60 wt%,并在~2 至 40 wt%之间波动,直至回收序列的底部。

在以粘土为主的现场特定岩性地层单元 I 至 IV 中,颗粒密度值通常较低(约 1.5 克/立方厘米),然后上升至 1.6 克/立方厘米,在单元 V 中逐渐上升至 1.8 克/立方厘米,直至现场最深的回收序列。在第三单元富含放射虫的沉积物中,孔隙度值普遍较高(80%),而在第五单元富含碳酸盐的部分,孔隙度值则有所下降(约 60%)。在 150 米 CSF-A 以下,磁感应强度在约 20 个仪器单位到超过 120 个仪器单位之间大幅波动。磁感应强度的这些大振幅上升与一些重大事件有关,如 ETM2、PETM、K/Pg 边界和 Campanian/Maastrichtian 边界。在 U1403 号地点的古新世沉积物中还发现了另一个大振幅磁感应强度峰值。P波速度在CSF-A上部150米的井下逐渐增加到1550米/秒,在第五单元顶部的白垩系中上升到1600米/秒,在回收剖面底部继续增加到约1650米/秒。NGR 测量值在 110 m CSF-A 之前平均为 30 cps,在第六单元的化石粘土中降至 20 cps,然后在第五单元的碳酸盐沉积物中出现高频波动。

6 月 16 日 22:00 取芯结束后,用 30 桶高粘度泥浆将钻孔清扫干净,然后将钻杆从钻孔中拉至 78.43 米深度(DSF),使用三重组合(triple combo)和地层微型扫描仪(FMS)-声波测井工具串进行测井。两次布放测井仪器的尝试均告失败,仪器被牢牢卡在井筒内,仪器串从钻头伸出约 17 米。在工具工作了几个小时仍无进展后,钢丝绳被切断,油管被绊倒在地面上。当工具到达钻井平台时,发现三组合工具串已经分离,工具串底部约 17 米的工具不见了,其中包括密度和孔隙度工具。

为了找到并找回丢失的工具,计划进行一次视频和声纳勘测。在部署过程中,由于洋流强劲,摄像机在管道周围晃动、振动和旋转。21 时 45 分,当钻头距离海底约 30 米时,水下摄像机和 Mesotech 声纳的信号丢失。管道被绊回钻井平台地面,摄像机框架放在钻头顶部。我们怀疑支撑摄像系统的同轴电缆发生了故障,当摄像电缆到达钻井平台地面时,我们的怀疑得到了证实。

照相系统的维修需要 1-2 天时间,重新部署可能会出现同样的问题。此外,失去这艘船唯一可用的重返系统也会对今后的作业造成损害。决定不再在该地点部署摄像系统意味着我们无法找到丢失的测井仪器或 U1403B 号钻孔。6 月 19 日 14 时 15 分,钻孔底板被固定,U1403 号站点和 U1403B 号钻孔结束。



参考文献

Integrated Ocean Drilling Program Expedition 342 Preliminary Report

http://publications.iodp.org/proceedings/331/102/102_.htm

Depth Scale Terminology for IODP

全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究

https://www.researchgate.net/publication/335100210_Expedition_374_methods

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