郭 靜， 曾芝瑞， 郭 震， 程斯宇， 張傳倫

（南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055）

0 引 言

豐富和有效的野外實(shí)踐是培養(yǎng)地球科學(xué)相關(guān)研究人才的必備實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)習(xí)基地和實(shí)習(xí)課程體系建設(shè)是野外實(shí)習(xí)課程得以開展的主要基礎(chǔ)和依托，也是教學(xué)體系建設(shè)的重要組成部分［1］。海洋科學(xué)是地球科學(xué)的重要組成，由于洋流造成海洋復(fù)雜多變的環(huán)境條件，加上傳統(tǒng)的海上實(shí)習(xí)運(yùn)行成本高昂，因此國(guó)內(nèi)目前還缺乏系統(tǒng)、規(guī)范和綜合，并且既能體現(xiàn)海洋與地球科學(xué)特色，又能滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求的野外實(shí)踐基地。

熱泉分為海底熱泉和陸地?zé)崛獌煞N，大多分布在地殼運(yùn)動(dòng)活躍的板塊交界處。云南騰沖火山區(qū)地處印度板塊和歐亞板塊相撞交接的地方，由于兩個(gè)板塊碰撞隆升，使騰沖成為世界罕見且典型的地?zé)峄鹕讲⒋鎱^(qū)。騰沖火山地?zé)釁^(qū)是我國(guó)大陸最年輕的活火山區(qū)之一，也是研究巖漿活動(dòng)與地殼應(yīng)力相互作用的理想?yún)^(qū)域［2］。在騰沖地?zé)釒?nèi)的諸多地?zé)釁^(qū)中，熱海地?zé)釁^(qū)水熱活動(dòng)最集中、最強(qiáng)烈、類型最齊全，是一個(gè)典型的地?zé)岽?。其富硅高溫（?5 ℃）氯堿型（Na-HCO3-Cl）熱泉分布廣泛，露于新近系花崗質(zhì)砂礫巖分布區(qū)，具有生物地球化學(xué)研究的豐富資源。陸地?zé)崛且粋€(gè)現(xiàn)存與地球早期環(huán)境非常相似的生態(tài)系統(tǒng)，其pH、溫度和水化學(xué)類型等條件呈現(xiàn)極端化和多樣化，具有活躍的生物地球化學(xué)過程，因此孕育獨(dú)特且豐富的極端微生物資源。加強(qiáng)陸地?zé)崛鷳B(tài)系統(tǒng)研究，對(duì)揭示地圈與生物圈協(xié)同演化的奧秘、認(rèn)識(shí)生命與環(huán)境互相作用規(guī)律及探究地球生命過程演化具有重要意義，對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)研究也具有重大科學(xué)研究?jī)r(jià)值［3-5］。

我校海洋科學(xué)與工程系的老師從2002 年開始就對(duì)騰沖熱海開展了大量野外調(diào)查和科學(xué)研究［6-13］，發(fā)現(xiàn)騰沖熱海地?zé)崽镌诘匦蔚孛?、?gòu)造結(jié)構(gòu)及熱泉形成的地質(zhì)條件和過程特色明顯，且熱泉分布格局典型多樣化，具有開展地學(xué)野外教學(xué)資源教學(xué)實(shí)習(xí)的綜合潛質(zhì)。為此，將圍繞騰沖熱海景區(qū)的地學(xué)野外教學(xué)資源和實(shí)習(xí)基地建設(shè)展開探討，為建立地球綜合人才培養(yǎng)方案提供參考。

1 極端環(huán)境生命過程教學(xué)資源分析

1.1 騰沖熱海區(qū)域簡(jiǎn)介

云南騰沖位于我國(guó)云南的西南部，青藏高原東南緣［見圖1（a）］。騰沖擁有豐富的火山資源和地?zé)豳Y源，其中包括60 余處地?zé)峄顒?dòng)區(qū)和80 余處溫泉群。其中熱海地?zé)釁^(qū)位于整個(gè)騰沖火山溫泉帶的核心區(qū)，面積約9 km2，是騰沖地?zé)釁^(qū)唯一證實(shí)存在巖漿熱源的地?zé)釁^(qū)，也是騰沖熱力最猛、外部顯示也最為奇妙的地?zé)釁^(qū)。熱海地?zé)釁^(qū)主要存在出露新近系、元古宇和第四系地層；還可見白堊紀(jì)侵入的中、晚更新世噴發(fā)的中－基性火山巖和花崗巖［見圖1（b）］。熱海區(qū)內(nèi)斷裂密布且構(gòu)造非常發(fā)育，主體構(gòu)造為南北向斷裂，其次為近東西向、北東向的斷裂［見圖1（c）］。在南北向與東西向斷裂交叉的地方，地?zé)峄顒?dòng)尤為明顯，多為沸泉，廣泛分布各種噴氣孔、噴氣地面和泉華等。在熱海到處都可以看到熱泉在呼呼噴涌，當(dāng)?shù)卣畬?duì)熱海的熱泉資源進(jìn)行了多年的開發(fā)，建立了國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)——騰沖熱海景區(qū)［14］。景區(qū)內(nèi)熱海熱泉種類繁多且齊全、情景之壯觀實(shí)屬少見，并且安全措施完善，為開展地學(xué)野外實(shí)習(xí)提供了良好的平臺(tái)。

圖1 地球科學(xué)野外實(shí)習(xí)基地基本情況

1.2 獨(dú)特的地質(zhì)、地震構(gòu)造

騰沖火山地?zé)釁^(qū)中豐富而獨(dú)特的地?zé)豳Y源形成的主要原因是地殼活動(dòng)。該區(qū)域位于印度板塊和歐亞板塊碰撞帶的東側(cè)，兩大板塊之間頻繁的地殼活動(dòng)所引發(fā)的巖漿活動(dòng)與斷裂構(gòu)造發(fā)育，是活躍的地?zé)峄顒?dòng)的基礎(chǔ)［16］。這些地殼活動(dòng)及多次的火山噴發(fā)活動(dòng)造成花崗質(zhì)、玄武質(zhì)巖漿大規(guī)模侵入［17-18］。熱海地?zé)崽飵r層分布極具特色，由表到里依次為：全新世沖積層、中更新世玄武巖、早更新世山巖、上新世礫巖、白堊紀(jì)花崗巖，元古代片麻巖及混合巖［19］和燕山期花崗巖，其中燕山期花崗巖的年齡達(dá)到了68.8Ma。燕山期花崗巖和元古代變質(zhì)巖組成了熱海地?zé)嵯到y(tǒng)的含水層，而蓋層主要由強(qiáng)烈變質(zhì)的砂礫巖構(gòu)成［16，19］。熱海溫泉以南北向背斜脊部的縱向斷裂為主，東西向橫斷主要分布在澡塘河附近，如澡塘河斷裂。區(qū)域內(nèi)兩組近南北及東西向斷裂帶是形成大規(guī)模水熱活動(dòng)強(qiáng)烈的熱泉重要原因。在熱海區(qū)內(nèi)，可見各種不同規(guī)模的構(gòu)造行跡剖面，如具有巖石破碎、裂隙特征的斷裂、斷裂破碎帶、導(dǎo)熱、導(dǎo)水?dāng)嗔押蜕称聰嗔训?。這些豐富而且典型的巖石和地質(zhì)構(gòu)造，為開展地質(zhì)實(shí)習(xí)提供了絕佳條件。印度板塊向東深俯沖導(dǎo)致巖漿上涌在騰沖境內(nèi)形成了火山群，并且火山區(qū)巖漿處于活躍狀態(tài)，區(qū)域內(nèi)最近一次火山噴發(fā)發(fā)生在400 年前。確定火山區(qū)深部結(jié)構(gòu)是理解該火山地質(zhì)過程及演化的重要條件。由于騰沖火山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震活動(dòng)頻繁，也是研究巖漿活動(dòng)與地殼應(yīng)力相互作用的理想?yún)^(qū)域，一直受到地震學(xué)家的廣泛關(guān)注［2，20-23］。騰沖的斷裂帶、火山噴發(fā)等地殼活動(dòng)及巖層入侵產(chǎn)生熱流都能為開展地質(zhì)學(xué)、地球物理、海底地震教學(xué)及地球演化教學(xué)提供豐富的素材。

1.3 全面多樣的熱液地球化學(xué)系統(tǒng)

熱海是典型的巖漿熱源，也是大陸唯一的大型強(qiáng)酸性熱泉水熱區(qū)［19，24］。熱泉的水體環(huán)境有別于普通的水體，水溫高，酸堿度、鹽離子濃度也異于尋常。如表1 所示，熱海熱泉的pH 范圍跨度大（2 ～10）、溫度范圍廣（47.2 ～91.2 ℃）、水化學(xué)成分復(fù)雜，含有硫化物、亞硝酸鹽、硝酸鹽、亞鐵離子等礦物質(zhì)［25］。熱海堿性熱泉總?cè)芙夤腆w含量高、高硅、高氯，屬于Na-Cl-HCO3型。并且熱海酸性熱泉是蒸汽上升與淺層冷水混合后出露到地表形成的，熱泉周圍硫單質(zhì)沉積發(fā)育，伴有被熱水蝕變的黏土礦物，水化學(xué)類型屬于HS04型［26］。

表1 熱海熱泉基本信息和地球化學(xué)參數(shù)

熱海地?zé)狍w驗(yàn)區(qū)的熱泉口雖然都處于同一個(gè)區(qū)域［見圖2（a）］，但是它們的溫度、pH、電導(dǎo)率及水化學(xué)參數(shù)卻差異巨大。該區(qū)域溫度變化范圍從47 ～78 ℃，pH范圍在2 ～5 之間，電導(dǎo)率也在800 ～4 000 μS／cm之間變化，相鄰熱泉之間硫化物、亞硝酸鹽及亞鐵離子濃度相差可達(dá)數(shù)十倍。理化參數(shù)的巨大差異暗示著地?zé)狍w驗(yàn)區(qū)地?zé)岘h(huán)境的不均勻性，其形成過程和地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)肯定會(huì)有所差異。在懷胎井、鼓鳴泉、珍珠泉溫度都達(dá)到了90 ℃以上，其中又以珍珠泉［見圖2（b）］溫度最高，為94.2 ℃。就硫化物含量而言，不同熱泉噴口間的差距可達(dá)幾百倍，懷胎井、鼓鳴泉、姐妹泉含量較高。值得注意的是這幾個(gè)熱泉采樣點(diǎn)從地理上看相距較近，根據(jù)其在硫化物等離子濃度及溫度上的相似性，判斷其水體來(lái)源相同或相似。因此，熱海一方面是研究地?zé)崴泄⑸榛?、硫化物等元素的地球化學(xué)成因和形態(tài)分布的理想場(chǎng)地［27-30］。另一方面，結(jié)合熱海特殊的地質(zhì)構(gòu)造背景與其典型的地球化學(xué)參數(shù)，是開展地球科學(xué)野外實(shí)習(xí)的理想對(duì)象。

圖2 部分采樣熱泉點(diǎn)

1.4 豐富寶貴的極端微生物資源

騰沖熱海的熱泉是一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室，它的空間分布廣、溫度跨度大和地球化學(xué)梯度寬，蘊(yùn)含著豐富且獨(dú)特的極端微生物資源，不同熱泉的微生物物種差異非常明顯。但相較于美國(guó)的黃石公園，該區(qū)域一直未成為世界熱泉和極端環(huán)境微生物研究的熱點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)記載，北京大學(xué)和云南大學(xué)最早在20 世紀(jì)80 年代中后期報(bào)道了騰沖熱泉中嗜熱微生物［9］，并且得到了國(guó)內(nèi)第一株高溫菌，且獲得了第一個(gè)微生物全基因組測(cè)序。之后，云南大學(xué)加強(qiáng)了對(duì)該熱泉中細(xì)菌群落分離研究的報(bào)道，先后分離獲得了多個(gè)微生物新物種［10-12］。近些年來(lái)，由于分子生物學(xué)、16S rRNA 基因擴(kuò)增子測(cè)序和純培養(yǎng)等技術(shù)的日趨成熟，熱海熱泉中細(xì)菌、古菌、真菌以及病毒等的研究有一定的進(jìn)展［6，9-11，26，31］。主要分析了熱泉水體和泉底沉積物中的極端微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的差異，或是分析特殊功能微生物基因。但與國(guó)際一流水平相比，極端微生物多樣性，生物地理模式以及與地球化學(xué)特性之間的關(guān)系等國(guó)家基礎(chǔ)研究的重大科學(xué)問題還缺乏深入研究。因此，對(duì)利用該區(qū)域開展極端環(huán)境生命過程研究，不僅符合國(guó)家的基礎(chǔ)研究需求，而且能夠有助于發(fā)掘更多極端微生物新類群及功能微生物資源，是培養(yǎng)多學(xué)科交叉的海洋地球科學(xué)人才的理想基地。

2 實(shí)習(xí)基地建設(shè)探討

2.1 突出區(qū)域特色，建設(shè)多學(xué)科交叉的實(shí)習(xí)基地

海洋科學(xué)是多學(xué)科交叉學(xué)科，然而現(xiàn)有的海洋學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容缺乏多專業(yè)交叉融合。在野外實(shí)踐教學(xué)中這些問題表現(xiàn)得更加明顯，海洋地質(zhì)方向和海洋生物方向的學(xué)生對(duì)彼此領(lǐng)域的知識(shí)缺乏了解、技能儲(chǔ)備不足。為此，我校海洋系教學(xué)團(tuán)隊(duì)在探討實(shí)習(xí)基地建設(shè)方案的過程中，更加注重于基地綜合野外實(shí)踐功能。

我校海洋系依托騰沖熱海地理優(yōu)勢(shì)，確定以綜合性地球科學(xué)實(shí)習(xí)功能和創(chuàng)新性研究功能為核心，實(shí)現(xiàn)火山地震活動(dòng)性觀測(cè)、地質(zhì)地貌調(diào)查、地球化學(xué)參數(shù)測(cè)定和極端微生物多樣性調(diào)查4 個(gè)實(shí)踐功能為目標(biāo)來(lái)實(shí)施建設(shè)任務(wù)。火山地震活動(dòng)性觀測(cè)將分析固定和流動(dòng)地震臺(tái)站記錄的地震波形數(shù)據(jù)；地質(zhì)地貌以遴選采樣位點(diǎn)、添置各類地質(zhì)考察設(shè)備為主；地球化學(xué)參數(shù)測(cè)定主要為建設(shè)熱海干濕實(shí)驗(yàn)室，添置地球化學(xué)參數(shù)測(cè)定設(shè)備為主；極端環(huán)境微生物多樣性調(diào)查主要以野外采集熱泉水樣和沉積物樣品，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物的分離、培養(yǎng)、分類鑒定。讓整個(gè)基地的實(shí)習(xí)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，實(shí)現(xiàn)海洋地球物理、海洋地質(zhì)、海洋化學(xué)和海洋生物等多個(gè)學(xué)科覆蓋，成為一個(gè)海洋科學(xué)和地球科學(xué)綜合實(shí)踐需求的野外實(shí)踐基地。

2.2 融合科研與教學(xué)，培養(yǎng)綜合型人才

為強(qiáng)化訓(xùn)練和提高學(xué)生野外綜合調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)操作能力，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)地球生物化學(xué)環(huán)境及相關(guān)學(xué)科現(xiàn)象與規(guī)律的認(rèn)識(shí)，需搭建實(shí)踐基地平臺(tái)和開展野外實(shí)踐項(xiàng)目。我校海洋系老師在實(shí)習(xí)內(nèi)容提出了一個(gè)重要的科學(xué)問題，即在板塊構(gòu)造理論框架下，匯聚板塊邊緣的構(gòu)造活動(dòng)與微生物生命過程研究相偶聯(lián)，以期更好地促進(jìn)固體地球科學(xué)與生命科學(xué)在整個(gè)地球動(dòng)力系統(tǒng)下的深度交叉融合，從而深入探討構(gòu)造活動(dòng)從宏觀到微觀尺度上與微生物活動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系和協(xié)同機(jī)制［32］。把與地質(zhì)活動(dòng)相關(guān)的極端環(huán)境微生物引入到海洋系本科實(shí)習(xí)，從熱泉微生物地理分布、地質(zhì)構(gòu)造、火山地震和微生物資源開發(fā)與利用等角度，開展多尺度多研究手段的深入研究，挖掘更多的極端微生物資源，從微觀到宏觀、野外到室內(nèi)多方面結(jié)合，豐富教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容。一方面得到了地球生物化學(xué)參數(shù)和大量微生物多樣性資料，另一方面，鼓勵(lì)學(xué)生圍繞有價(jià)值有意義的前沿?zé)狳c(diǎn)課題和項(xiàng)目進(jìn)行深入的研究，有助于闡明深部地質(zhì)活動(dòng)對(duì)生物圈影響的過程及機(jī)制。

實(shí)習(xí)分為兩個(gè)部分，一部分為野外實(shí)踐，另一部分為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。在野外實(shí)踐期間，學(xué)生對(duì)熱海區(qū)域地質(zhì)地貌和地震勘測(cè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，測(cè)定水化學(xué)參數(shù)，采集并保存熱泉水樣和沉積物樣品（見圖3）。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)野外采集的樣品系統(tǒng)地開展熱泉微生物資源的分離與培養(yǎng)研究實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)分離和純化熱泉微生物，研究熱泉微生物適應(yīng)極端環(huán)境的機(jī)制，探索極端微生物資源的利用潛力，提高極端微生物領(lǐng)域的研究水平，這十分符合國(guó)家基礎(chǔ)科研的重大科學(xué)方向。實(shí)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生可以根據(jù)野外實(shí)踐所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象、問題和獲得的數(shù)據(jù)，申報(bào)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目。同時(shí)，積極獎(jiǎng)勵(lì)有學(xué)術(shù)成果產(chǎn)出的學(xué)生，不斷提升學(xué)生參與和完成科研項(xiàng)目的積極性。

圖3 騰沖熱海野外樣品采集測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)

2.3 開展校地合作發(fā)揮熱海景區(qū)科普和教學(xué)功能

熱海地?zé)豳Y源具有豐富且穩(wěn)定、水溫高和礦物質(zhì)含量豐富等特質(zhì)，然而對(duì)該區(qū)域的開發(fā)還僅限在旅游觀光和洗浴療養(yǎng)。因此，與景區(qū)開展校地合作，科學(xué)開發(fā)、合理利用熱泉資源，突出區(qū)域特色，豐富溫泉旅游資源是一項(xiàng)合作共贏的工作。

騰沖熱海景區(qū)水熱活動(dòng)強(qiáng)烈，形成了很寬的水熱蝕變帶，顯示風(fēng)格多變的水熱現(xiàn)象，另有豐富和奇特的溫泉地表熱顯示，是溫泉科普教育的理想場(chǎng)地，也有極佳的觀賞性，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生定期對(duì)熱泉水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定和研究，可以確保溫泉資源合理開發(fā)和利用，發(fā)揮溫泉資源優(yōu)勢(shì)。以科研數(shù)據(jù)為支撐的方式開發(fā)溫泉，一方面使得生態(tài)得以保護(hù)，另一方面讓旅游管理部門為科學(xué)利用溫泉提供科學(xué)依據(jù)。

圍繞熱海得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)，開展巖漿活動(dòng)與地殼應(yīng)力相互作用、熱田堿水文地球化學(xué)和極端微生物資源的研究，將實(shí)踐教學(xué)與大眾科普并舉，將有效提升景區(qū)旅游的文化內(nèi)涵，形成具有自身特色的溫泉旅游產(chǎn)品。因此，在地學(xué)野外實(shí)習(xí)基地建設(shè)中需要與熱海景區(qū)的深入建設(shè)緊密結(jié)合，發(fā)揮景區(qū)熱泉旅游文化和天然地?zé)豳Y源的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)特色突出的教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容，圍繞熱海景區(qū)校地合作深入建設(shè)，是教學(xué)實(shí)習(xí)基地建設(shè)的有效途徑。

3 結(jié) 語(yǔ)

騰沖熱海擁有復(fù)雜多樣的熱泉，集火山、地?zé)?、地震一體的地球生物化學(xué)系統(tǒng)，是開展海洋地球科學(xué)的天然實(shí)驗(yàn)室，具備開展地學(xué)野外實(shí)習(xí)的基本條件。本實(shí)習(xí)基地建設(shè)后續(xù)工作將突出熱海海洋地球科學(xué)實(shí)踐教學(xué)和科普特色；繼續(xù)深入挖掘地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、地球化學(xué)、極端微生物學(xué)教學(xué)資源；充分開展校地合作，整合區(qū)域高校和學(xué)科力量建設(shè)綜合實(shí)踐基地；有效實(shí)現(xiàn)熱海景區(qū)多層次建設(shè)和區(qū)域特色人才培養(yǎng)的雙贏。