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大洋钻探：钻到海底之下，揭开地球的秘密

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文：汪品先 院士（同济大学）

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原文发于《文汇报》2014年2月21日 12版

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        正当全国上下欢度春节之际，有一批海洋科学家却比谁都忙：国际大洋钻探船载着10多位中国科学家，开始进行南海的第二次大洋钻探。他们蛇年小年夜就从香港起航，马年大年初一到井位，年初二开钻。 

　　海洋的科考航次很多，但此次南海二次钻探引起了全国的广泛关注。这一回的钻探为什么如此重要？这话要从40多年前说起…… 

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　　验证“板块学说”，大洋钻探引地球科学革命

　　大洋钻探1968年始于美国，但传到中国已是上世纪70年代末。随着“文革”结束，中国学术界开始与世界接触，并听说有“板块学说”这一新名词。原来，地球表层分成多个板块在运动，它们张开了形成海洋，碰撞了出现山脉。而证明这一板块学说的正是大洋钻探——用船上的钻机向深海底下打井，取上岩芯测定年龄，结果发现了大洋中间的海底地壳年龄最新，向两边越来越老，这就是板块运动的“海底扩张”。 

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　　大洋钻探难度极大——在4000米深海打钻，从船上将钻具送到海底钻孔，相当于从4000米高空的飞机上向地面投篮。但是，地面的篮框是亮的，海底却一片漆黑。再向下钻进海底1000米，那根5000米长的钻杆长度就相当于5条上海南京路步行街。再说，深海不能抛锚，钻探船要稳定在同一钻孔上方连续作业，才能把钻成的完整岩芯从海底取上。 

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　　因此，大洋钻探是国际海洋高科技的结晶，也是几十年来地球科学新发现的源头。继美国之后，法、英、日等发达国家纷纷加入大洋钻探而形成了国际计划，到现在历经40多年、盛况不衰。到几年前，它已经发展为20多个国家参加、年预算接近2亿美金的巨型国际合作。大洋钻探受重视的根本原因，是人类对深水海底以下几乎一无所知，因此大洋钻探不仅能够证明板块学说，还是各种重大科学发现的源泉。 

　　深海沉积是千万年来海洋变迁的历史档案，大洋钻探把埋没在海底的“史书”取了上来，发现了出人意料的史前奇闻。比如，在地中海底发现了大量盐层，说明600万年前一度干枯成了晒盐场；北冰洋曾经是个暖温带的淡水湖，5000万年前飘满了浮萍满江红；大洋钻探还证明了6500万年前恐龙灭绝的原因，确实是小行星撞击了地球。 

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　　大洋钻探还有直接应用价值的发现，主要在于资源和防灾方面。比如，大洋钻探揭示了深海形成金属矿的“热液”，和蕴藏“可燃冰”的“冷泉”区；发现了生活在海底岩石里的微生物群——“深部生物圈”，这里是地球上微生物最大的储库，它们可以享有远超“万岁”的高寿；在地震海啸的多发带，大洋钻探可为灾害寻找原因、提供预警。大洋钻探成了地球科学中规模最大、历时最久、成绩也最为显著的国际合作计划。 

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　　1982年，著名的华人科学家许靖华写了一本德文书《一条船革了地球科学的命》，译成多国文字，中文叫“地学革命风云录”，说的就是这条大洋钻探船的故事。 

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1999年2月汪院士在国际大洋钻探船“决心号”上

　　相隔15年，两个航次起航“背景”天壤之别 

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　　深海领域的探索长期以来是发达国家的“专利”，大洋钻探也素来是“富国俱乐部”。现在情况又有变化，“金砖四国”已有三个国家参加，其中，中国比印度和巴西早参加10多年。但是，中国参加大洋钻探，也有过曲折的经历。 

　　大洋钻探计划经历了四个阶段：最初叫“深海钻探”（DSDP，1968-1983），后来叫“大洋钻探”（ODP,1985-2003）和“综合大洋钻探”（IODP,2003-2013）,现在开始的是“大洋发现计划”（2013-2023），英文还是IODP。 

　　在ODP开始的1985年，我国学术界组织了“大洋钻探委员会”争取加入。但是加入是要交美金的，在严重缺乏外汇的80年代，每年几十万美金的成员费简直是天文数字。一直等到1996年，国务院批准参加国际大洋钻探，1997年才正式加入。幸运的是我们提出的南海大洋钻探建议书，在当年全球各国建议书的评价中以第一名的优势脱颖而出，1999年春就实施了南海的ODP184航次，在中国科学家提议、设计和主持下，实现了中国海域首次的深海科学钻探。 

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（编者注：汪院士即为该建议书的作者，毫无争议成为该航次首席科学家，这也是首次由中国人担任大洋钻探计划航次的首席科学家）

　　不过，南海首次大洋钻探并非一帆风顺。按计划，第一口井应当打在南沙海域的深水区，南沙在英文里也叫“危险海底（Dangerous Grounds）”，意指暗礁林立、航行艰险。 

　　记得就在大洋钻探进入南海之前，我们还遇上了海盗事件。当时，美国船长向全体宣布：钻探船直奔东沙海区，放弃南沙井位。后来是在我们严正交涉、坚持原定计划，并得到我国主管部门有力支持、告知“中国海军将关注你们航次”的情况下，南沙钻井终于实施。开钻时候按照美国船长的命令，船上升起了中国国旗。迄今为止，这是南沙唯一的深海井，也是ODP184航次里科学成果最多的一站。 

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　　15年前的首次南海大洋钻探采集了5000米的深海岩芯，取得了西太平洋区最佳的长期沉积记录，发现了气候演变长周期等多种创新成果，使我国一举进入国际深海研究的前沿。然而，与现在正在进行的南海第二次大洋钻探IODP349航次相比，两者之间真可以说有天壤之别。 

　　15年前，中国是以“参与成员”身份加入大洋钻探计划，每年交50万美金；现在我们是每年交300万美金的“全额成员”，而且为349航次提供600万美金资助，使之安排为新十年IODP的首个航次。当年作为“参与成员”，我们只能每个航次有一位科学家上船，南海的184航次争取到3个名额，加上我作为首席科学家，中国大陆总共只有4人参加。15年后的第二次南海大洋钻探，我国上船科学家有13人，再加上海外华人科学家，几乎占船上科学家总数的一半。此外，这一次钻探的目标任务也更加远大，堪称是啃“硬骨头”。 

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　　这里说两个简单的数字：15年前是在水深两三千米的地方打钻，而这次水深都在4000米左右；上次我们打钻的井最深进尺850米，而且只打海底软性的沉积岩，而这次最大的井深将近2000米，还要钻探硬岩石——海洋岩石圈的火成岩。 

　　大洋钻探为我国地球科学注入了新鲜活力。南海首次大洋钻探以来，我国初步形成了一支深海基础研究的队伍，迄今有全国18个单位43人参加了深海钻探的航次，数百人参加研究，培养了22名博士、54名硕士。ODP184航次还大大推进了南海的深海资源勘探。1999年以来，油气勘探和深海探测的地震测线都从大洋钻探井穿过，客观上为南海深水油气勘探提供了宝贵的科学背景。 

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　　展望将在今年3月底结束的IODP349航次，我想，科学家们必定会有更多发现，一定会把我国的深海研究进一步推向国际前沿。 

“决心号”钻探船与“地球号”钻探船

　　“行星循环”，地球科学未来发展方向

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　　作为一项国际合作，大洋钻探计划能够历经四、五十年而不衰，动力从哪里来？关键在于它节节攀升、不断更新的科学目标。大洋钻探四大阶段，每进一个阶段制定一份新的科学计划，最近为2013-2023年新制定的IODP科学计划叫“照亮地球”，其中最“亮”的内容是“地球连接”，或者叫“行星循环”。 

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　　人类生活在地球表面，但是生态环境变化的原因并不都出自地球表面。随着科技发展，上世纪60年代，人类终于能克服地心引力进入太空，又发明了遥感技术从空中观测地球；到80年代，出于对温室效应的忧虑，又开展了“全球变化”的研究，“上穷碧落下黄泉”地寻找二氧化碳排放后的下落。但是，从土壤到大气，从陆地到海洋，所有这些都还是在地球表层。近年来，越来越多的证据都在说明，地球内部的过程对于表层有着重大的影响。到至今为止，人类对这些影响还缺乏认知。 

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　　决定人类生态环境的两大因素是水循环和碳循环，科学家成天在地球表面研究它们，殊不知，更多的水和碳是在地球内部。可人类“入地”的能力，远远不如“上天”。地球半径6300多公里，地壳的厚度只占几十公里，而人类最深的钻井只打穿了12公里。地球的大部分属于地壳下面的地幔，它占地球体积的84%，地幔里的水和碳要比地球表面多许多倍。地球表面97%的水在大洋里，而地幔里的水至少相当于1.5到5.5个大洋。 

　　再来说地球上的碳。虽然目前对地球内部碳总量的估价十分悬殊，相差至少二十倍，但是怎么说都比地球表层的碳储量要高出几个数量级。当然，地球内部的水和碳的赋存状态与地球表层不同：地幔里的水锁在矿物的晶格里，在高温盖压下的碳也是面目全非。比如，地幔里居然有个金刚石富集层，可惜人类没有本事进去开采（唉~要是能挖出来该多好！！）。然而，地球内部的水和碳，是在和表层不断交换着的。通常火山爆发喷出的气体，60%是水汽，10%-40%是二氧化碳，但更大量的交换发生在海底。海底是漏的，大量的水和碳酸盐随着板块从深海底俯冲到地幔深处，又有大量的水和碳从地球深处冒出海底。海底的“二氧化碳湖”，“可燃冰”里的甲烷，和“深部生物圈”里的有机物，至少一部分的碳来自地球内部。但是这种交换并不平衡，从表层流进地球内部的水多、流出来的少，有人推测六亿年来地球表面的水流失了6%-10%。 

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燃烧的天然气水合物（可燃冰）

　　将地球表面和地球内部结合起来研究水循环和碳循环，这就是“行星循环”，也就是新十年大洋钻探的科学亮点。说到底，直接探测地球内部的唯一办法还只有打钻，而深海海底正是最贴近地球内部的地方。 

　　当然，探索地球表层和内部的关系远不限于水循环和碳循环。比如地球表面的海盆张裂、山脉隆起，这类构造运动的推动力就在地球内部，就在地幔物质的对流。今天的亚洲和西太平洋之间，夹着一串从白令海到南海的边缘海，其成因就在地球内部：1.5亿年来估计有3万公里长的板块，沿着西太平洋边缘俯冲下去，形成了“板块的坟场”，随同带进来的水使得这里的地幔运动格外活跃，以致上方的地壳张裂，形成了一系列的边缘海。可见，“行星循环”能为地球表面的许多现象提供钥匙，这也正是南海349航次科学目标的重点所在。 

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　　走向深海，中国要在“三深”上发力 

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　　自从国际大洋钻探计划建立以来，担任核心领导角色的一直是美国，也只有美国有大洋钻探船，先是“格洛玛·挑战者”号，1985年期改用“JOIDES决心号”。到了90年代，日本科技界上书首相建议建造自己的大洋钻探船，称日本将“因拥有此种设备而得到在发展新兴科学中起领导作用的机会”，向美国叫板。 

　　2002年，日本“地球号”下水，这条5.7万吨的大洋钻探船比美国“决心号”大5倍，而且可以用泥浆钻探，2012年创造了钻进海底7740米的世界纪录。前几年，国际大洋钻探计划出现了美、日共同领导的局面，后来为节省开支，连办公室也搬到了东京。但是去年美国又突然宣布分家：日、美两条船在“大洋钻探”总计划下分头经营，现在我们和二十多国参加的是美国的部分，来南海钻探的也是美国的“决心号”船。 

　　深海探索有多种手段，曾经被比喻为深潜、深网和深钻的“三深”。 

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　　说到深潜器，最有名的是美国的“阿尔文号”，30多年前发现过深海热液和热液生物群。如今我国有了自己的载人深潜器“蛟龙号”以及多台不载人的“水下机器人”，还有更多台正在建造之中。 

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　　“深网”是指铺设海底的观测网。在这一领域，美国、加拿大、日本都已有重大建树，“深网”就相当于建在深海底的实验室和气象站。近年来，我国也已动手建造，并把它列入“十二五”的大科学工程。 

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　　“深钻”指的就是大洋钻探。无论从资源投入到科学效果来说，都是“三深”的“重中之重”。深海钻探船好比深海探索的“航母”，从“行星循环”的高度展望深海研究，在今后的年代里，“航母”的作用将更加显著。但是，目前的两艘钻探船并不足以完成新设立的科学目标。 

　　美国“决心号”造于1978年，虽然曾两度翻新、现在也处于极佳的状态，但毕竟已是“夕阳”晚年，早晚有退休的一日。日本“地球号”先进、但是太大，每天花销50万美金，当年启航时曾号称要去“打穿地壳”，现在看来技术并不成熟，至少近10年的IODP内难以实现（编者注：现已重新拿上台面列入计划）。欧洲没有自己的大洋钻探船，一度设计了“北极之光”破冰钻探船，但因为缺乏经费而胎死腹中。可见，2023年新IODP十年计划结束之时，国际大洋钻探计划将面临缺乏“航母”的困境。而且真要打穿地壳，实现“行星循环”的科学目标，还需要更加先进的大洋钻探船。 

　　目前，北欧发展的新技术为走出困境带来了一道曙光：采用新技术将泥浆泵放在海底，从而出现一种“美国船的大小、日本船的功能，比现有两艘船都更为先进”的新一代大洋钻探船。但综合总体情况看，美、日、欧三方都不可能承担这项任务。不久前，我国的大洋钻探专家委员会提出了我国建造新型大洋钻探船的目标，设想的正是建造新一代的钻探船。如果中国能够下定决心，通过科技与产业相结合、独立自主和国际合作相结合的道路，建造自己的大洋钻探船，我们就将能问鼎世界深海研究的顶层，向建设海洋强国跨进一大步。但钻探船是要靠人来操作和使用的，为此我国现在就要加紧建设自己的深海科技队伍，以迎接未来的重任。 

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　　我国海洋意识的觉醒和深海研究的起步比许多国家都晚，深海科技与国际前沿的差距也比许多领域都大，只有采用非常规的对策，才能早日实现建设海洋科技强国的理想。其中，大洋钻探作为深海探索的前沿阵地，正是我们可能的突破口。当前，中国的海洋事业，正在经历着郑和下西洋六百年来的最佳时机。如果能抓住机遇、在深海科技上实现突破，必将能为华夏振兴作出全方位的历史贡献。 

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（作者系中科院院士、同济大学海洋与地球科学学院教授、中国南海古海洋研究第一人 汪品先）

小编注

国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program，IODP）是地球科学界规模最大、历时最久、成绩最宏伟的国际合作的大洋钻探计划。大量地学界的重要发现和证明均是由该系列计划得到，如海底扩张和板块构造理论的验证等。

其发展历经了1968~1983年的深海钻探计划（DSDP）,1985~2003年的大洋钻探计划（ODP）和2003~2013的综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）。

新的IODP即国际大洋发现计划是于2013年启动，预计至2023年结束。文中所提到的是IODP349航次——新十年国际大洋发现计划的首个航次，于2014年1月至2014年3月实施。十年间仅有的三个位于中国南海的航次中的第一个，也是最为重要的一个。

目前距离IODP349航次实施已经过去了两年，船上科学家对航次样品拥有一年的优先研究权，而后样品岩芯向全世界科学家开放申请（前提是您有足够好的研究计划）。IODP349航次的岩芯存放在日本高知大学的高知岩芯中心（KCC）；此外还有另外两个区域性岩芯库分别为美国德克萨斯农工大学海湾岩芯库（GCR）和德国不莱梅大学的不莱梅岩芯库（BCR）。

IODP349航次的中国科学家包括：

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李春峰（同济/浙大丨中方首席科学家）、林间（伍兹霍尔/南海所丨美方首席科学家）、丁巍伟（海洋二所丨构造地质学）、孙珍（南海所丨构造地质学）、张传伦（同济丨有机地球化学）、陈毅凤（广州地化所丨无机地球化学）、黄小龙（广州地化所丨无机地球化学）、刘青松（地质所丨古地磁学）、赵西西（UCSC/同济丨古地磁学）、刘志飞（同济丨沉积学）、张帆（伍兹霍尔/南海所丨物理性质/测井）、张国梁（海洋所丨岩石学）、钟广法（同济丨岩芯-测井地震集成）、刘传联（同济丨古生物学/超微化石）、苏新（北京地大丨古生物学/超微化石）、李前裕（同济丨古生物学/有孔虫）

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