海洋鑽探的昔日與未來
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海洋鑽探的昔日與未來 一年十三班 第五組 黃炳淇、陳靜怡、林佳儒、黃珠容. 基礎地科期末分組報告. 內太空的探索 - 海洋科學鑽探.

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基礎地科期末分組報告

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海洋鑽探的昔日與未來 一年十三班 第五組 黃炳淇、陳靜怡、林佳儒、黃珠容

基礎地科期末分組報告


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內太空的探索-海洋科學鑽探

  • 科學家鑽探地層的第一次嘗試宏偉的莫荷爾探索計劃,是在本世紀六十年代開始付諸實行的。而這一工程使用一艘具有特殊裝備的船隻-兒格羅麥挑戰者號, 它可以不用錨而靠聲波導向系統以及電控制的推進器保持精確的鑽探位置。科學家從這一穩定可靠的工作平台把鑽探用管放入深海下四理處, 鑽取洋底沉積物的精髓以及基岩的岩蕊。 專家對中洋脊兩邊海床沉積物年齡的比較研究, 初步證明洋底的增闢使大陸在地球上漂移。

    1985年至1998年ODP鑽探航次的位置圖。


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▲海洋鑽探計劃第187航次在東南印度洋的鑽探區域。中間東西向的粗實線是東南印度洋脊,兩側細線是等年代線,南北向的虛線則是破裂帶。圖中呈V字形的灰色及粗黑實線標示兩條可能的同位素邊界

  • 「海洋科學鑽探計畫」被公認為是世界上最成功的國際地球科學研究計畫。從1968年開始的「深海鑽探計畫」(Deep Sea Drilling Project, 簡稱DSDP),到1983年接續的「海洋鑽探計畫」,這個利用一艘大型鑽井船在世界各海域鑽取,以及分析海床岩心標本的科學鑽探研究計畫,可以找到大洋形成之後,地球變遷所遺留下的連續記錄,例如微體古生物的分布、氧同位素的變化、磁化率的改變以及岩石的礦物化學成分等等,這些資料對於古氣候、古海洋環境、海洋地殼的形成乃至板塊運動的重建等,都扮演著舉足輕重的角色,同時也影響我們對地球未來環境的認知,比如說天文軌道力(astronomical force)會實際影響地球的日照,進而影響地球的氣候,這種長時間尺度的變化(2萬年以上),只能透過岩心資料獲得。


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海洋科學鑽探的成果

(一)協助建立一億五千萬年的詳細地質年代表

(二)古海洋學的興起

(三)改變地球環境的突發事件

(四)海洋地殼的本質

(五)熱點與地函岩漿噴發

(六)水對地質作用的影響

(七)氣水包合物及深海生物圈


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(一)協助建立一億五千萬年的詳細地質年代表

由於海洋鑽探獲取了世界各大洋中保存完整的深海沈積物標本,使古生物學家得以建立起過去一億五千萬年來,詳細且完整的生物地層紀錄;古地磁學者也藉此獲得這段期間詳細的地球磁場反轉紀錄。另外由於在地質年代的解析度方面也大幅提高,從深海沈積物岩心所提供的資料,已可分辨出一、二十萬年的地層紀錄,對研究過去地球環境的改變提供了更明確的掌控。


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(二)古海洋學的興起

深海的沈積物保存了沈積時海洋溫度的訊息。而藉由氧同位素的分析研究,古海洋學家建立起全球海洋溫度的變化模型,推算地球冰河期與間冰期的年代,以及探討影響氣候的因素等。海洋鑽探岩心標本同時也清楚顯示了,地球在軌道上運行時所發生的進動現象(二萬三千年一個週期),亦會形成一個全球氣候冷暖變化的小循環


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(三)改變地球環境的突發事件

海洋鑽探研究中最吸引社會大眾注意的,大概就是白堊紀末期隕石撞擊地球所造成的生物大滅絕事件,以及地中海曾經是乾涸沙漠的地質變遷史。其中「海洋鑽探計畫」在美國佛羅里達州東北的海域,鑽取到六千五百萬年前一顆巨大隕石撞擊到墨西哥育卡坦半島,造成當時地球上包括恐龍及其他許多生物在內的滅亡事件之最完整紀錄。在地中海鑽探到夾在兩層深海沈積物中的一層鹽岩。由於鹽層通常是在乾涸的海床上產生的,因而這也就顯示了地中海在六百萬年前曾經快速乾涸過。


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(四)海洋地殼的本質

海洋地殼火成岩體的特性及成岩作用,也是海洋鑽探的研究重點。所鑽取到的岩心標本包括枕狀及脈狀玄武岩,而未鑽取到海洋地殼最下層的輝長岩。不過令人驚訝的是:在井下量測這些玄武岩層的震波傳遞速度時,卻有部分表現出接近一般認為是輝長岩傳遞震波的速度值。由於在某些地殼受到構造作用而錯動過的海域鑽探時,曾經鑽取到輝長岩,甚至鑽取到屬於上部地函岩石的超基性橄欖岩。


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(五)熱點與地函岩漿噴發

海洋鑽探成功證實了許多海底的線型山脊與島鏈是由地函中的熱點噴發所形成的。鑽探的結果還發現,地函的熱點岩漿噴發活動在白堊紀時異常活躍,同時期的海床擴張速率也比現在快,地球的磁場更反常地維持了三千五百萬年沒有反轉(地球磁場通常每十幾萬年到幾十萬年會反轉一次)。


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(六)水對地質作用的影響

在中洋脊的鑽探上,觀察到熱液循環產生的大規模硫化物成礦作用;而在隱沒帶沈積岩體上的鑽探,則證實了隱沒過程中沈積物及海洋地殼的脫水作用,以及水對斷層活動有重要影響。近年來海洋鑽探計畫更展開了對隱沒板塊邊界的地震是如何發生的研究,希望藉由觀察斷層中水的化學成分及水中所含黏土礦物性質的改變,來瞭解斷層從無震狀態發展到孕震狀態的過程。


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(七)氣水包合物及深海生物圈

「氣水包合物」(gas hydrate)又稱「瓦斯水合物」或「甲烷水合物」(因為氣體成分中大部分是甲烷)(圖三),是海床沈積物中所含的天然氣,在低溫、高壓的狀態下,與水分子包合在一起形成的一種固態物質。「海洋鑽探計畫」第一六四航次就成功的在美國東岸的布萊克海脊(Blake Ridge)鑽取到並證實該處的海床沈積物中含有大量的氣水包合物,


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pp:

全長143公尺,排水約一萬七千噸,有八層船艙鑽井塔高相當於12層樓高,可連結長達近一萬公尺的鑽管,在水深8,000公尺的海上鑽入海洋地殼1,000公尺。它主要用來進行全球海域的鑽探研究,採取高品質、長度數百至數千公尺的海床岩心標本,對地殼構造、環境變遷、和地球資源進行研究,十多年來已採集到總長度超過150公里的岩心,提供一百萬個以上的分析標本給二千名以上參與鑽探研究航次的各國科學家。

海洋鑽探技術的發展

  • 早期深海鑽探常碰到的另一個問題是,鑽入的海床深度端視鑽頭的磨損程度而定 ;而為了能在井位上鑽探到相當的深度,工程師又發展出一種「重入井孔」的技術此外,為了有效提升鑽井的效率,;各式持久、耐磨的新鑽頭及岩心標本採集技術(包括連續一面鑽探、一面採

    集岩心標本的技術)也不斷被發展出來。「果敢號」鑽井船現在就能在各種海床底質的情況下,取到良好的岩心標本。其他技術上的改進還包括:在鑽井平台頂部裝置起伏平衡器、水壓式活塞岩心採集器 、保溫壓岩心標本收集器

    ,此外井測的技術也不斷推陳出新。除了靜態的岩心採樣及井測之外,海洋鑽探也開始進行海底的動態觀測研究。


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海洋鑽探的未來發展

  • 海洋鑽探計劃即將在2003年告一段落,接下來將由「整合性海洋鑽探計劃 (Integrated ODP, IODP) 」和日本主導的「21世紀海洋鑽探(OD21)」接手,除了建造更先進的鑽探船之外,也將採取多型式鑽探模式,利用功能各異、裝備新穎的鑽探船,針對以往無法接觸的未知領域進行探索,尤其是深部生物圈、瓦斯水合物(gas hydrate)、大陸張裂及大型火成岩區、海洋岩石圈的生成與演化、隱沒帶的地震作用以及海底長期觀測儀器的佈放等,都將成為21世紀鑽探研究的主軸,將使得人類對生命的肇始、新能源的開採和全球變遷系統有全新的見解。對台灣的地球科學家而言,在下一階段「整合海洋鑽探計畫」的研究重點中,孕震帶的構造研究與氣水包合物的鑽探研究,都和台灣有直接的關係─集集地震後,台灣的孕震構造,已經成為全世界從事相關研究科學家的研究重點。


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海洋鑽探的過去、現在、未來

昔日 現在

海底鑽探始祖 21世紀

簡稱:PSDP ODP OD21

(Deep sea Drilling Program) (Ocean Drilling Program ) (Ocean Drilling 21st Century )

年代:1968~1983 1983~2003 2003~

使用:鑽井船 鑽井船 含升降器探作系統的

新型鑽井船

主導國:美國 美國 日本

發現:1.證實海底擴張 1.甲烷水合物 1.了解全球變遷

2.地球板塊構造2.地下生物圈 2.解釋地震源起

理論 3.地震震源帶的研究 3.尋找生命起源的途徑

4.鑽測尚未探測的地函

部分


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