汪品先：大洋钻探与中国的海洋地质

一、中国大洋钻探20年
1999年4月13日，“决心号”大洋钻探船在完成首个南海航次后，停靠九龙尖沙咀，在刚刚回归祖国的香港举行了隆重的靠港仪式，到现在正好20周年。这是中国海洋地质科学具有标志性意义的大事，60天的大洋钻探ODP(Ocean Drilling Program）184航次，是我国岸外海域首次的深海钻探，当第一口井3月3日在南沙开钻时，美国船长还下令升起了中国国旗。为了出席4月13～14日的结航仪式，我国地学界的精英汇聚香港，参观钻探船、听取新成果。其实我国大洋钻探的纪念活动，已经进行了好几个月。国际大洋钻探从1968年开始，中国又在1988年加入，因此2018年是大洋钻探国际50年、中国20年的双重喜庆。2018年11月8日，中国大洋钻探20年学术研讨会在北京隆重举行，事后“科学通报”刊载了会议专栏；12月4日，又在上海举行了大洋钻探50年报告会暨专著《大洋钻探50年》一书的首发仪式，月底“文汇报”还为此发出了专版。这是一场全球性的纪念活动，美国、欧洲都为此举办了学术讨论会，美国“海洋学（0ceanography）”学报出版专刊，回顾大洋钻探50年的科学进展。
然而，中国参加大洋钻探走过的20年，道路并不平坦。“大洋钻探”或者“深海钻探”的名词，是在“文革”之后与“板块学说”一道，通过傅承义、尹赞勋、李春昱等老前辈的翻译，和许靖华等海外华人科学家的讲述，方才传进中国的。对于长期处在封闭条件下的我国科学家来说，当时这类高技术、新学说，就如“天方夜谭”那样的遥远，没有人敢和中国联系起来。然而随着研究的推进，中国参与这新一代科学研究的愿望逐步增强，等到1985年新一轮国际大洋钻探计划（ODP）开始时，我国成立了以刘东生、罗钰如为首的大洋钻探科学委员会，努力促进我国加入该项国际计划。但是参加国际大洋钻探计划是要缴费的，当时至少要每3年缴50万美金，才能成为大洋钻探的“参与成员国”。可是20世纪80年代的中国外汇奇缺，50万美金在当时无异于天文数字，科学家的愿望并没有实现的可能。
3 H: `# Q5 M1 P4 n7 E机会出现在十多年之后。在改革开放取得进展的背景下，我国参与国际科学活动的能力加强。1985年，院士和专家群落再度向国务院领导建议参加国际大洋钻探，在中国科学院地学部主任涂光炽、徐冠华和基金委副主任孙枢的努力奔波下，终于获得批准。1988年中国以第一个参与成员国的身份参加国际大洋钻探计划，获得了每个航次都能派人上船的机会。但是，派出个别科学家上船参加航次，对于全国海洋界的影响相当有限；只有在中国岸外实施大洋钻探，才能产生影响学科发展的效果。所以在获准参加大洋钻探之前，我国学术界已经开始递交航次建议书。幸运的是我国科学家提出的钻探建议书“东亚季风演变在南海的记录”，在1987年8月大洋钻探学术委员会的全球评比中以第一名胜出，获得尽快实施的机会，这就是上面所说的ODP184航次。这样，中国海的第一个大洋钻探航次，是由中国科学家为主提议，由中国科学家担任首席科学家主持实施，航次的成功极大地鼓舞了我国科学界对于大洋钻探的热情。
2013年，当国际大洋钻探又一次进入其新阶段，开始为期10年的“国际大洋发现计划（IODP）”时，中国已经作为全额成员参加，年缴美金300万。与此同时，主持航次计划执行的美国，却由于经费上的困难而推出了一项新政策：凡是提议国能够支付补充经费支持航次的，科学审查通过的建议书可以优先安排，这就是所谓的“互补性项目建议”（CPP)。我国抓住了这种机遇，在最近4年时间里实现了IDOP 348、367、368三个航次，其中2014年的348航次主攻深海盆的玄武岩基底，2017年的367/368航次主攻南海北缘大洋和大陆地壳过渡带，探索裂谷作用及其向海底扩张的转变，因此主要都是在三、四千米水深下钻探基底的深钻，技术难度很高。其中水深和进尺最大的一口井，两个航次的钻探均因技术事故而失败。于是在2018年，“决心号”钻探船再度进入南海执行IDOP 368X航次，终于完成了这口水深3867.7m、进尺1587.8m的IDOP u1503号深井，取得了可能是南海海底扩张最初的玄武岩，成为大洋钻探历史上最深的钻井之一（图1，表1）。
1988年春的南海大洋钻探，标志着中国在20世纪落幕之前，进入了深海地质的大门；最近5年南海连续的大洋钻探，又使南海成为大洋钻探投入工作量最大的边缘海，其结果改变了我国海洋地质的发展轨迹。以大洋壳为基底的深海盆，与以大陆壳为基底的陆地和陆架，在地质科学里属于不同的两大部分。尤其是边缘海的大洋壳基底，由于有厚层沉积覆盖很难钻探。南海深海基底的现在的钻探程度，在世界边缘海的行列中已经进入最前列。尤其是这些钻探航次，都是由我国科学家为主提出建议，由我国科学家担任首席科学家主持下完成的，从而大为提高了我国在南海深海研究中的国际地位。
二、海洋地质的深海之路
9 k+ W. B" W2 q$ G3 d* X0 V& E6 P二次世界大战之后迅速发展的深海探索技术，为深海的海洋地质创造了条件，1968年大洋钻探的起步可以看作是开始的标志。我国地学界的前辈，早在1958年就提出了“上天，入地，下海”的号召，为地球科学开拓空间指出了方向，其中大洋钻探是下到深海再入地，虽然在中国还要等40年后方才实现，却是对这句口号最好的响应。20年的大洋钻探，成功地促进了我国海洋地质科学人才的培养和科学的发展。
大洋钻探的航次好比海上学校，科学家们朝夕相处、同舟共济，一起处理岩芯样品、切磋科学问题，这种交流的紧密程度在陆地上很少见。1988年以来，我国至少有34个单位的130位科学家上船，其中有大量的学术骨干，包括13位杰出青年和8位优秀青年基金获得者，有的还参加了不止一个航次。
" z, |- S6 T4 R5 {0 r( k' V! Z此外，参加大洋钻探各种学术评审组织的活动，也为我国科学家熟悉国际学术运作规范提供了条件，到去年为止至少有128人次。至于以大洋钻探为题写作的研究生论文，我国早在1980年已经开始，产生了很好的国际影响；在我国参加大洋钻探之后其数量急剧增加，到去年为止已经有124位以上。
与此相应，我国大洋钻探的研究项目也大幅度增加，据不完全统计，中国科学家共发表478篇ODP/IODP论文成果，其中285篇用英文发表。应该承认这个数目并不大。我国ODP/IODP论文的国际成果至今为数不多，并没有跟上投入的增加幅度。2013年开始的新十年国际大洋钻探计划里，我国的参与程度大为提高。2013～2017年间，我国为国际大洋钻探提供每年的成员费和“互补性项目（CPP）”费累计达三千多万美元，同期我国有84位科学家上船参加航次工作，高达“决心号”上船科学家总数的15％，其规模仅次于美国，但是我们的国际论文数目远在欧美之下。落后的主要原因在于我们还是新手，无论研究队伍的人数、或者研究的积累和经验均嫌不足。但从另一方面看，我国在南海深海研究的科学突破，正处在集成、总结阶段，很大部分成果尚未进入国际视野。
其实近年来以南海为核心的深海研究，为我国的海洋地质注入了新鲜血液。经过5年来的大洋钻探，在国家基金委的重大研究计划“南海深部过程演变”（2011～2018）框架下，我国海洋地质界取得了有相当国际影响的成果，中央海盆碳酸盐质岩浆的发现，便是一例。大洋钻探的一系列意外发现，都启发我们重新考虑南海的演化史。与其他基础研究的学科不同，地球科学带有与生俱来的区域性。两百年前在欧洲产生的地质学，和半世纪前从欧美起步的深海地质研究，都带有严重的欧洲和北大西洋的印记，由这里产生的地质演化模型尽管还缺乏充分证明，却已经被世界各地奉为典范而广泛引用。
& f2 R* L1 A8 w7 B3 I一个鲜明的实例就是南海的演化产生，多年来被认为属于“非火山型被动边缘盆地”，沿用大西洋的模式来解释南海的深海地震剖面。但是2017年的两次大洋钻探否定了原先的假说，深海岩芯证明南海不是个“小大西洋”，因此关于南海成因的原有假设也都要重新考虑。现今的世界大洋，地质构造最不清楚的就是西太平洋。这里是两亿年来的板块俯冲带，长期带入地幔的水分使得岩石圈格外薄弱，结果产生了全球3/4的边缘海盆地，南海就是其中之一。
前人为南海提出过多种成因假说，主张印度碰撞将印支半岛挤出的“逃逸说”，认为南海张开的原因在西边（图2A）；主张古南海板块向婆罗洲俯冲，从而将南海拉开的“俯冲说”认为原因在南边（图2B）。然而IODP 348航次已经证明南海的海底扩张由东向西推进，而当初形成的南海东部洋壳已经俯冲在菲律宾之下，现在看来南海张开的原因在于东边，是大洋板块的斜向俯冲使得南海沿着走滑断层张裂（图2C；黄奇瑜提供）。据目前研究，沿着俯冲带形成的西太平洋边缘海组成了一个系统，相互间有着错综复杂的成因联系，而南海很可能会成为一个突破口，从中将会揭示出不同于大西洋模式的海盆演化新机制。
( {& a, A4 \$ w; g. mA.印支半岛逃逸说，主张原因在西边；B.古南海俯冲说，主张原因在南边；C.走滑断层说，主张原因在东边
! i% u; y2 b& w( j9 y图2　南海的成因假说
同样的道理，南海的大洋钻探建立了西太平洋晚新生代最好的深海沉积剖面，但是20年来的分析研究，却发现“公认”的古气候模型不见得都能适用。古气候研究最为成熟的是轨道尺度上变化，通常认为近两、三百万年来气候变化的源头都在北半球的高纬区，北极冰盖的消长通过北大西洋深层水和“大洋传送带”驱动着全球的气候演变。但是，南海大洋钻探记录的新发现，无论是氧同位素岁差周期的特色和碳同位素的长周期都不能用传统认识来解释。南海的启发向我们指出，低纬过程在气候变化中起着重要的驱动作用。当今地球表层系统的海气对流，存在着两大不稳定区：北大西洋形成的深层水造成向下的不稳定，西太平洋暖池区水汽的强对流造成向上的不稳定。由于太阳辐射量主要集中在低纬而不是高纬区，因此暖池区是气候变化的“引擎”，北大西洋是全球气候变化的“开关”（图3），两者都不可偏废。气候过程的关键在水的三相转换，但是长期以来古气候研究集中在高纬区固态冰和液态水的转化上，忽视了低纬区水汽和水之间气态和液态的转化，其实低纬气态/液态的能量转换，是高纬固态/液态转换的7倍。所以我们在古气候/古海洋学的研究上，同样不能照抄现成模式，同样面临着要从本地区特色出发，重新判断通用的“普遍规律”的问题。
8 F/ V& t5 Q( H4 C) U3 p0 J当前的中国，正在成为国际海洋地质界的新生力量，学术上摆在面前有两种前景：一种是依然紧跟国际学术界现有观点之后，力求保持发表论文数量的继续增加；另一种是注意到地球科学区域性的特色，力争在紧跟的同时，探索新观点和新方向。然而提出新观点、新方向并不容易，上面举出的两个实例都要求方法上有所创新：研究西太平洋的岩石圈演变，要求探索俯冲隐没的板片，追索地幔深处的过程；研究低纬区的水文循环，要求揭示液态水和气态水的相互转换，开辟古气候研究的新途径。这就是中国地球科学从“发展中国家”原料输出型，向“发达国家”深加工型的转变。能否实现科学的转型，将会决定中国地球科学未来的发展，也是当代我国地球科学界的历史任务。
. _3 I! ?. [: q4 f' ~三、未来大洋钻探的展望
当海内外共同庆祝大洋钻探50周年的时候，一个自然会产生的问题是：这项“知命之年”的国际合作，还能延续多久？确实，如此“高寿”的国际项目相当罕见。然而随着时间的推移，人类对于大洋钻探的科学需求有增无减，因为社会发展肯定要加强向地球深处的探索，而这种探索又必然要求国际合作。
. _0 G2 }# }2 q- V" b" X6 M2 K" {最近各国在50年庆祝之余，立即转为讨论“2023年后大洋钻探科学目标”，原因正在于此。大洋钻探的具体组织形式和国际中心都可以移动，但是深入大洋深处探索地球内部的既定目标始终不变。作为一项大型的国际合作计划，大洋钻探对于国际经济平衡和政治形势十分敏感。20世纪80年代日本凭着经济实力，出来挑战美国在大洋钻探里的国际领导权，20世纪初期日本建造的第二代大洋钻探船“地球号”投入使用，连国际大洋钻探的总部也移到了东京，但是这番“迁都”之举延续不久，2013年后又迁回华盛顿，实际上又回到美国一家引领的局面。
  \) x5 e) ~" R5 f! u, ]当前随着我国经济的腾飞和建设海洋强国战略的推行，推进国际大洋钻探的历史责任正在向我国转移。2013年开始的新十年大洋钻探，就是从我国支持下的南海348航次开始，2014年1月在我国香港隆重举行了国际首航仪式，象征着中国在新十年IODP中地位的上升。就拿2017年来说，6月在上海举行TODP 367/368航次结航仪式和“南海大洋钻探”国际论坛，8月又在上海举办国际大洋钻探“全球季风”研讨会，11个航次的首席科学家聚首一堂，探讨季风作为低纬过程在气候变化中的作用；紧接着在上海举行的“国际大洋钻探论坛”上，中国代表提出了加强投入，和美、日、欧共同挑起大洋钻探核心的担子的建议，同时还提议主办“2023年后大洋钻探科学计划”的国际讨论会，得到国际学术界的支持。
1 s! v; V3 f# L* S* K9 Y9 U+ q中国决定进入大洋钻探核心圈，这并不是新闻。早在2014年我国大洋钻探专家委员会就拟订了“三步走”的战略目标：第一步，在南海再继续实现2～3次钻探航次，这在2017年已经顺利实现；第二步，仿效欧洲，争取成为大洋钻探又一个“平台提供者”；第三步，建造中国自己的大洋钻探船，成为国际大洋钻探船的第三代。当前正在走的就是第二步，争取成为美、日、欧之外的第四个大洋钻探“平台提供者”。具体说，我们一方面准备在南海南部的巽他陆架，由我国出船执行大洋钻探航次；另一方面由我国发起主办国际大会，为2023年后大洋钻探科学计划的制定进行科学准备。随着第二步的成功，中国将和美、日、欧三家并列，成为国际大洋钻探计划的四大支柱，同时也为实现第三步、建立新一代的国际大洋钻探船做好准备。
所有这些举措的实施，都要求我国的海洋界进一步提高学术水准和运作能力，争取在深海科学和技术上实现跨越式发展。当前海洋界对于大洋钻探存在着一种误会，以为只要投入经费、增添硬件，就可以获得国际大洋钻探的引领地位，甚至以为我国已经“国际领先”，毋需国际合作照样可以进行大洋钻探。这种观点，反映了我国深海研究起步不久，对于大洋钻探科学上面临的挑战和技术上遇到的难度都缺乏估计。
大洋钻探50年的成功，依靠的是科学和技术的先进性；而先进性的保证来自国际的竞争体系。每十年的科学计划，都是许多次国际会议反复讨论，最后形成的版本；每一次的钻探航次，都是在数十、上百份科学家建议书里筛选，最后择优执行。一个国家可以快速增加经费投入，却难以突然提升本国科学界的学术水平，其中的一种反映就是在全球大洋钻探建议书里所占的比例。据2017年的统计，全球正在审议中的大洋钻探航次建议书，总共有1088位建议人，其中欧美有774人，占80％，而中国只有11人，只占总数的1％（图4）。航次来自建议书，科学家通过建议书提出有待钻探验证的新思想；而一个缺乏新思想的国家，又如何能在国际科学合作中起核心作用？我国大洋钻探建议书少的原因是多方面的，评价系统、熟悉程度都是原因，但是根本的原因还是在于科学层面。
  |6 C0 O3 s" J' T5 S$ g. s# [2 ^8 [我国提议在2020年主办“2023年后大洋钻探科学计划”的国际讨论会，就是提高我国科学界在该领域科学水平的一种“倒逼”措施。大洋钻探一般每十年更新一次，制定新的科学计划，为此都会举行一次盛大的科学大会，为大约4年后的新十年科学计划展开全球研讨。比如1987年在日本东京、1988
年在加拿大温哥华举行的两次大会，讨论了2003～2013年大洋钻探的科学计划，于2001年出版；2008年在德国不来梅举行的大会，有21个国家近600人参加，讨论2013～2023的科学计划，于2011年出版。在举办大会的同时，主办国也理所当然地加强了自身在大洋钻探中的发言权。我国如果在2020年主办国际大会，目的是制定2023年或2024年开始的新十年科学计划，将为我国海洋界提供大显身手的平台。为此，我国必须有充分的科学准备，能够为大洋钻探的新研究领域提供白皮书，能够在新计划制定中提出自己的观点，而不单是为会议提供场地和后勤服务。
8 b% E* z- Y  T! t. k# u! l. o改革开放40年来，我国科学界对于撰写国际论文已经不再陌生，但是对于国际层面的科学战略研究还缺乏经验，因为一般都是欧美学者定了基调、我们学习紧跟而已。明年的研讨会将是中国海洋科学界的一次考试，看我们能不能交出合格的答卷。关键在于一方面要“吃透”国际行情，深入了解大洋钻探的进一步发展的难点和突破口，另一方面要发挥地球科学地域性的特色，提出自己的新认识。在这里，我国的科学界不妨摆脱习惯的成见，放眼科技的未来，大胆提出自己的新思路。经过50年的发展，大洋钻探初期那种可以“一钻定天下”的站位已经越来越少，单靠钻探一种手段就能解决科学问题的时代也正在消逝，而与深网观测、深潜探索相结合的“三深”技术，正在成为未来大洋钻探的新形式。欧洲几年前提出的新方向“深海与海底科学前沿”（简称DS3F），就非常值得我们研究。从科学层面讲，抓住南海等海域的特色，完全可以产生新观点、新假说，上述西太平洋边缘海系统的构造演化，和低纬过程在气候演变中的作用，都是有可能提出新观点的领域。再从管理层面讲，大洋钻探原来只是发达国家的“富人俱乐部”，但是许多科学问题的关键海域却在发展中国家的专属经济区内。如何改变大洋钻探国际合作的组织形式，使更多发展中国家也能进入深海研究的领域，也是中国进入大洋钻探核心圈以后必将面临的问题。
; ^6 ?; `# R7 {9 V9 ?* j; ]% G总之，中国的深海科学处在时所未见的黄金时代，出现了前人所不敢想像的历史机遇，大洋钻探就是其中的一个国际舞台。“江山代有才人出”，我们殷切期望着新一代的学子，会有人走上扎实的学术道路，在国际舞台上一显身手。
文章来源：《海洋地质与第四纪地质》
- K  C; a; U' |: t作者：汪品先，中国科学院院士，主要从事海洋地质与深海研究