海底地质样本 -海底地质构造图

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作者：王中波，梅西，杨金玉，胡刚

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（中国地质调查局青岛海洋地质研究所）

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——2018年1月1日，习近平总书记在新年贺词中宣布“首次海域可燃冰试采成功”震惊世界。

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——针对美国挑起的贸易战，中国政府警告“奉劝美方不要低估中方维护自身发展权益的能力，勿谓言之不预”，或祭出重量级反击武器—限制稀土出口，其实，中国稀土不仅在江西赣州等地成矿，在我国海底也有大量赋存。

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——地质学家早就发现，2万年前的中国海东部陆架上没有海水，有的是蜿蜒伸展的河流和广袤的平原，当时的海岸线后退到距离现在岸线500多公里之外的大陆架边缘。

对于大家来说，这些新闻，或耳熟能详，或耳目一新，但其中提到的资源和相关研究发现都有一个共同背景，就是均来自于我国的海洋地质调查和研究成果，且都与海底沉积物有密不可分的关系。

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话说海洋地质调查获取的沉积物样品如何变成地质学家手中准确定位水合物赋存层位、圈闭海底矿产资源、解码桑海沧田变迁的利器呢？相信很多人都为此迷惑，又怎么能通过海里的沉积物就能读取里面蕴含的地质秘密呢？这就离不开海洋地质样品的处理与分析，它是海洋地质研究中最基础，也最为重要的一个过程。

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海底沉积物采集

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海洋地质样品是通过海上地质调查获取的，一般包括表层沉积物样品、柱状沉积物样品和钻孔沉积物样品。前二者是利用自由落体原理，通过箱式取样器/蚌式取样器和重力柱取样器自身重力砸到海底获取样品，而后者是通过钻探海底地层获取不同深度沉积物。

沉积物样品获取之后，根据不同的研究目的，选择不同的保存方式和容器，像海洋生物研究需要原位取样，要立即开展相关观察和研究。而通常海洋地质调查开展的地质和无机地球化学研究，一般采用常温保存，但拟开展有机地球化学测试的样品需要低温保存，天然气水合物样品需要保压保温保存。表层沉积物样品一般使用塑料样品袋密封保存，重力柱状样品则直接将重力取样钻杆中套管取出两端密封，钻探取芯获得的不同地层样品，按照回次顺序利用液压将之从钻杆中推到样品管两端密封保存。

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柱状样品 % @/ p* h, i1 W4 J& o

样品从船上转运至样品库后，就要开始样品处理流程了。由于表层沉积物样品不用剖样，其他处理流程与岩心样品基本一致，因此本文以岩心样品为例进行相关介绍。处理岩心是最重要的地质观察和研究过程，是整个研究工作的基础，包括剖样、地质编录、取样及封存等几个步骤，具体流程如图所示。

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1. 剖样

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英国Geotek岩心切割机切割的岩心样品

剖样就是将保存岩心的PVC管上下切开，同时把岩心切开，一分为二。对一半岩心进行标注，作为备份样品保存；对另一半岩心进行样品处理和分样。早期普遍采用手工切割，利用手持电锯把岩心切开。但是由于切割的深度和平直性较差，影响岩心的观察和取样。近年来海洋地质调查普遍使用岩心切割机（Core Splitter）进行机械切割，可以有效减少对岩心的扰动和污染。

通常，对沉积物岩心进行素描和描述开始前，会根据需要进行岩心扫描，采用岩心扫描仪（Core Scanner）开展物理扫描和X射线荧光光谱分析（XRF）扫描，分别获取沉积岩心在不同深度的密度、导电率、含水率，以及常量和微量元素的含量。

2. 样品观察、拍照和描述 

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这个阶段工作是从待处理的一半岩心的表面修平开始的。修平岩心是一项必要的，然而易被忽视的步骤。切割出来的岩心由于自然断面或切面影响，有时难以全面细致地展现沉积结构、沉积构造和沉积物颜色的变化，就需要使用专门的刮刀将岩心表面进行修平，使岩心的真实面目露出来。岩心修平之后开展拍照和岩心描述工作。这个过程中需要注意岩心的标尺对准、岩心回次和深度的记录。此外，核对实际岩心与野外钻探记录信息是岩心观察前非常重要的一环，包括重新丈量岩心长度、核对回次记录、真假岩心辨别和剔除。

（Tips：真岩心和假岩心，真岩心是指地质钻探中获取的目标地层的沉积物岩心样品，可以真实反映其沉积特征；假岩心，顾名思义，不是目标地层的沉积物，或是钻孔提取的时候上部地层沉积物崩落混入岩心管，或是钻探时泥浆灌入岩心管，会对目标地层研究形成误导。）

对岩心拍照的目的是保留岩心最原始的图片，因为岩心会伴随时间发生固结、张裂和氧化等物理和化学反应。拍照的时候，需要注意记录岩心的回次、深度等，此外相机相关参数设定的统一也非常重要，如焦距、感光度、光圈等。目前，越来越多的岩心拍照采用岩心扫描设备（Core scanner）进行，能更好地降低环境和相机参数变化影响而如实记录岩心的形态。

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东海钻孔SHD-1孔沉积物岩心照片（1:100万上海东幅海洋区域地质调查项目供图）

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岩心描述主要包括岩心沉积物的颜色（典型陆相沉积物通常呈亮色，如黄色等；而海相沉积物一般为暗色，如灰色等）、粒序变化（沉积物颗粒向上变粗逆粒序或变细正粒序等）、沉积构造（沉积层之间的交互关系）以及生物遗迹和古生物化石识别等，要使用专门设计的岩心记录表，以方便对所有回次岩心进行对比和统计。在描述中要正确地使用地质术语，以便同行地质学家通过描述就可以了解岩心的沉积特征。由于素描是一个对岩心细致观察的过程，因此一般是先进行地质素描，然后文字描述。

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（Tips：沉积构造是指沉积层内由于沉积物的成分、结构或颜色的变化而形成的宏观沉积特征。或言之，沉积构造是用来描述沉积物各组成部分的分布与排列，是识别沉积作用与过程、古环境的重要标志之一。如压扁层理，是砂泥沉积物中常见的一种沉积构造，根据砂和泥形态进一步细分为透镜状层理和脉状层理，其反映沉积形成于水流强度间歇性变化的动力环境，通常多见于潮汐沉积中。）

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黄海QC2孔第40层岩心的素描图及其沉积环境判断（杨子赓，2008）

岩心描述过程是综合应用现代沉积学、海洋地质学及第四纪地质学知识观察、认识地质体并进行科学判断的过程。

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首先是沉积物颜色描述。主观的沉积物颜色描述会受到环境、不同观察者感受等影响，随意性较大，因此需要使用标准色卡进行对比描述，从而形成相对客观的结果，常用的标准色卡为中国科学院南京土壤研究所制定的《中国标准土壤色卡》。

然后是沉积物的岩性描述，包括沉积物定名及其横向和纵向变化，如沉积薄层的韵律性、互层和夹层，以及相互之间的接触关系等。期间，还要对沉积物颗粒组分和结构进行观察和描述，如颗粒大小、分选性、大颗粒表面形态特征，以及是否存在生物壳体和有机质碎屑等。

表1  碎屑沉积物颗粒标准圆度分级

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随后需要进行沉积构造描述，包括层理构造、层面构造和变形构造等，这对沉积环境和沉积相划分至关重要。此外，生物成因构造也是沉积构造的一种，如生物遗迹、虫孔构造等。

海洋岩心沉积物的沉积构造（据Wang et al., 2013修改） 9 F+ X' M4 L9 P: A0 L& J

最后是沉积间断面的识别。沉积间断面普遍存在沉积地层中，是地层划分的重要依据。地质过程中，沉积连续是相对，而沉积间断则是绝对的，尤其海洋沉积中，由于海平面的波动、沉积物供应的变化等，在沉积过程经常发生沉积物侵蚀或缺失，造成沉积不连续，由此形成纵向地层的沉积环境突变。比如，在2万年前，中国的东海海平面后下降现在海平面以下120-140米左右，也就是说，陆地向东延伸了500多公里，原来是海底的地方变成陆地，河流在这里流淌，将原来的沉积物进行冲刷搬运，形成了河流沉积。在纵向地层上就由海洋沉积物变为河流沉积物，二者之间会形成一个明显的侵蚀面或不整合面，即沉积间断面。

岩心沉积物中生物壳体和沉积间断（标本和原位照片，1:100万上海东幅海洋区域地质调查）

3. 岩芯沉积物取样 

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取样，顾名思义，就是把岩心沉积物根据研究需要进行样品分配、取出并包装。分配样品，即确定取样位置，一般坚持“目的明确，统筹兼顾，位置可靠，数量适度”的原则。根据岩心回次、深度，在拟样品采取的位置进行标识。

首先进行古地磁和放射性碳同位素测年（碳14测年）样品的采取，这个很重要，通过这些样品测试，可以得知沉积物形成的时间，即沉积物年龄。然后根据沉积物的组成和层理情况，进行沉积物粒度（沉积物组成颗粒大小）、地球化学（沉积物的元素组成）、微体古生物（死亡的微小海洋生物的壳体，如有孔虫，因其壳体具有很多房室间隔像众多小孔而得名，需要显微镜鉴定）、碎屑矿物（沉积物里的矿物颗粒，需要显微镜鉴定，钻石也是其中一种，即金刚石）和黏土矿物（黏土粒级的矿物组成）等样品采取，选取这些样品是为了解沉积物的组成和成因。最后将上述样品分别送至各实验室进行相关测试，就等着实验室人员完成样品测试提交测试报告了。这样就完成了整个样品的处理和分析，后面的工作就需要地质学家的开展综合研究，查清沉积物从哪里来，经历了什么地质作用，形成了什么矿产，知道了这些就解开海洋里面的诸多秘密。

（Tips：古地磁，又称自然剩磁，是指地质年代的地磁场。众所周知，地球磁场有南极和北极，但科学家发现，在不同地质时期，磁场方向会发生倒转，而不同地质时代的岩石和沉积物常有一定的磁性，指示其生成时期的磁极方向。因此，测试不同地层沉积物古地磁数据，可以判断沉积形成的时间。根据古地磁极性年表，可以识别5百万年以来的地层。）

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（又一个Tpis：碳同位素测年：研究发现，宇宙射线产生的中子与大气中的氮核发生核反应，形成天然碳14，其在短时间内被氧化为二氧化碳，并扩散到地球大气层，与正常二氧化碳充分混合，通过光合作用和呼吸作用，进入生物圈，并与海水中二氧化碳进行交换，进入水圈。生物通过新陈代谢使得有机体内碳14的浓度与大气保持平衡，但死亡后停止交换，随时间衰减。因此根据地层中生物样品内的碳14含量，可以推算出生物死亡的时间，进而确定沉积发生的时间，根据碳14衰变时间，其测量范围为距今300年到5万年，测量精度为1-2%。海洋沉积研究中，通常选取沉积物中的有孔虫壳体和碳屑进行碳14年龄测试。）

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主要参考文献

主要参考文献：[1] Liu J X, Liu Q S, Zhang X H, et al., 2016. Magnetostratigraphy of a long Quaternary sediment core in the South Yellow Sea. Quaternary Science Reviews, 144: 1-15.[2]  蓝先洪，温珍河，李日辉，等，2014. 海底地质取样的技术标准. 海洋地质前沿，30（2）：50-55.[3]  杨子赓，2007. 岩心编录、描述和取样（课件）. + H: I/ R. f4 m7 w' w

作者简介：

王中波，男，理学博士，青岛海洋地质研究所正高级工程师，主要从事海洋地质、第四纪地质研究和海洋区域地质调查工作。

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邮箱地址：wangzhongbo@mail.cgs.gov.cn

通信地址：山东青岛市南区福州南路62号青岛海洋地质研究所

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联系电话：0532-85730038

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