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2 i: c% P; _& M5 V2 z 关注中科院地质地球所，探索地球的奥秘 $ y: @$ @: |% l, i' G' `
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z5 W% J4 H3 s9 e4 V 自1912年德国科学家魏格纳第一次提出“大陆漂移学说”之后，直至20世纪60年代，虽然众多学者试图从海底磁异常条带等多方面论证板块构造的正确性，但是仍然缺乏一锤定音的坚实证据！正是在这个地学范式发展性命攸关的时候，以哈里·哈蒙德·赫斯等为首的地球科学学家们，在美国科研资金的支持下，开始展开地学革命中最重要的验证环节——大洋深海钻探！直至今日，大洋钻探计划依旧成为探索地球奥秘的冲锋者！笔者接下来将带大家重温当年岁月。
* f! |4 A# C6 G8 X! z7 G 深海钻探计划奠基者 ' J( }& x. f. ?7 K# a# e- F" s
哈里·哈蒙德·赫斯（Harry Hammond Hess）在第二次世界大战时，带领一艘船以回声测深的方式来收集资料，并试图还原海底情况。通过分析他发现部分海底山有平顶的情况。 4 Q* [5 U/ X# ~( E
3 g9 j f4 x! I3 L+ g （讲座中的Hess） " M1 G+ z' A5 Q, I! l$ K4 E6 K& O! n
4 E! U6 W) V4 Z0 M" X （Bear Seamount 为海底平顶山） + o( q8 X3 o4 T% q# l. O; o* o% |' f
普林斯顿大学的地质大楼的英文名字为“Guyot Hall”（以十九世纪地理学家阿诺德·亨利·居约（Arnold Henry Guyot）命名）。由于此大楼的顶部亦为平顶，赫斯便因其相似性而取海底平顶山的英文名字为“Guyot”。赫斯假设海底平顶山曾经为火山岛，顶部因为波浪作用而磨平，而现在已经在深海中了。但对于其真实成因，却苦于无法直接取样验证。 6 P: G& a$ |9 |6 V& c
二战结束后，赫斯在美国自然科学基金会就职期间，努力为地质学申请项目，深海钻探计划就是经过赫斯长期努力和斡旋之下才得以实施的。作为地球科学中最成功的实践之一——地球深部取样联合海洋研究所（JOIDES）主持的深海钻探计划（DSDP）的发起人哈里·哈蒙德·赫斯在板块构造革命中居功至伟。
- C2 {* _, e- }) S 格罗玛·挑战者号
0 i3 E* @; r% S( i. R# g ——深海钻探计划执行者
3 h0 d9 a, O( |( r$ @ 深海钻探计划的前身是美国自然科学基金委员会支持过的更大的钻探计划——莫霍孔钻探计划，该计划在执行过程中由于经费开支巨大、收获未达到预期而最终搁浅，但是“莫霍孔”计划中积累起来的深海钻探技术，却为后来的深海钻探计划铺平了技术道路。格罗玛·挑战者号深海钻探船吸收了这些发展出来的崭新钻探技术，成为钻探计划中最为重要的一环！ + K. H0 W+ p& n% }
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0 o u* g5 \- T- j, E; B （格罗玛·挑战者号深海钻探船） # T! i0 m G2 ^) b1 c8 S
“格罗玛·挑战者号（Glomar Challenger）”是美国一艘用于科学研究的深海钻探船，是环球海洋钻探公司（Global Marine Inc）专门为深海钻探计划设计建造的一艘性能先进的钻探船。而命名为“挑战者号”则是为了向19世纪英国著名的科学考察船“挑战者号”（HMS Challenger）致敬！“格罗玛·挑战者号”于1968年3月23日下水，船体长121米，宽19米，深8米，中部竖立有43.3米高的钻塔，塔顶高出海面61米。格罗玛·挑战者号装备了先进的动力定位系统，能够不用抛锚就能使船只稳定保持在钻孔附近。 ( D2 z& ^5 \! i6 f& l' C4 E
借助动力定位装置， 钻探船“格罗玛· 挑战者”号能自动的定位在一个以水深3 % 为直径的小范围内（例如，水深2000m时，能定位在直径60m的一个小范围内），船的推进器能根据海底声纳装置传来的信号自动调节船的位置。钻头磨毁后，将钻具取出，换上新钻头，借助返孔装置的帮助，钻具就能回到原来的钻孔。
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2 Y/ }( e. G& N* C4 [& R* c5 }* a （深海钻探工作原理图）
' c1 Q% n# @/ ?8 \5 B; U/ z “挑战者号”设计最大工作水深6096米，设计最大钻探深度7615米，船上常备有总长达7000米的钻杆。 0 c D2 }; N9 ^5 ?$ ~7 |
1 [% @ K; I+ f （整齐码放的钻杆，总长7000m） " \* ~9 _+ |& x' f$ W- l
船上的钻工都是身强力壮的大汉。他们在钻塔下面工作，像芭蕾舞演员一样动作准确。而工具助手则要操作各种机械装置。其中鲍丈升降机是最为标志性的重型机械，能从深海里吊起长达7000m 的钻具。下图中钻工们正在将鲍文升降机连接到钻塔上。 * |* q" f3 y0 w( `
% r) r/ V. D" D# ]# `& s* n& B6 [ （鲍文升降机图） , G- O) B, @. s# {# T7 o' r4 j
钻探之后的取样工作也十分繁琐，要将一个长达9.3m的取心管装入钻铤内，钻头向下钻进，沉积物顺势进入管中。取样时，司钻首选需要拧开了顶部的钻具，此时岩心管已经夹在井口，他们必须打开取心钢索末端的钩子，才能将岩心管从钻具中取出来。 : {0 r5 C/ a" F
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（取样工作现场图）
7 Q. F) z5 k- d5 ^: b+ s 1970年12月25日在加勒比海的委内瑞拉海盆中“格罗玛·挑战者号”首次在水深3662米时使用了重返钻孔装置，使得在同一钻探点多次更换钻头重新钻进成为可能，极大提高了深海钻探的钻进能力。 5 q/ |. K H3 c7 `. Z- J. T
在1968年至1983年的15年间，“格罗玛·挑战者号”完成了96个钻探航次，总里程超过60×104公里，在624个钻位上钻探了1092个深海钻孔，采集深海岩心总长超过97公里，采集范围覆盖了除北冰洋之外的全球各大洋。1983年11月，“格罗玛·挑战者号”退役并被拆解。由它的姊妹“乔迪斯·决心号”做为后续的深海钻探船。
# z" R# S% n: P( g7 ^+ } 在“格罗玛·挑战者号”近百次的航程中，经历了许许多多的危险与艰难，但是正是在这一次次艰辛的航次中，在地质学家与钻孔工人们的通力合作下，终于揭开了板块构造运动的神秘面纱！ : A2 H( U! U7 c- n$ L
石破天惊的证据 - ]- l0 b; B; W2 N0 J
——海底扩张的证实
1 ~9 K: W$ U& @9 A! X 自1968年开始深海钻探计划，前两次航次由于种种因素，并未获得有意义的数据，在此前提下，第三航次受命进行地学史上最重要的一次科学实验。
! j7 @/ k8 {- a9 y7 Y 此航次钻探位置位于南大西洋，在已探明的大洋中脊两侧按照测量好的位置进行钻探取样，并且通过古生物等多种手段精确测定地层年代。 & n) V9 E$ r8 }' j. S: }
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7 N) Y7 Y: |1 K7 q; {4 Y2 n （大西洋及其洋中脊位置图） ( a0 L% _7 o* i, E2 I3 D
按照海底扩张理论的假设，由于初生洋壳不断向洋中脊两侧扩张，离洋中脊越远，对应的洋壳年龄越老。而该航次获得的钻孔数据，完美地验证了南大西洋海底扩张的理论，这不仅是海底扩张理论中的一大步，更是石破天惊一般地撼动了占据地质学主流地位的“固定论” ' V+ M! W! L1 T7 ]! H6 t
% a V% v9 O2 j- A; M （南大西洋第三次航次钻空位置图） : I }1 R* B, N1 {+ m
. i& }5 a Q1 p& b( x6 a( k- d （钻孔对应的地层年龄图）
- C7 B4 L$ z0 \0 p( T2 \ X ` 在这次惊世大发现之后，“格罗玛·挑战者”号继续着它的航次。在1968年至1983年的15年间，“格罗玛·挑战者号”在624个钻位上钻探了1092个深海钻孔，采集深海岩心总长超过97公里，采集范围覆盖了除北冰洋之外的全球各大洋。1983年11月8日，“格罗玛·挑战者”号完成任务，回到阿拉巴马的莫别尔港，随着此次深海勘探航的正式结束也意味着“格罗玛·挑战者号”钻探船即将退役。 h- j! n3 |2 D
钻探计划的发展与变迁 & `( f: K! E2 f' E' j
Phase1
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0 ^1 `# [7 Z( s n+ U DSDP深海钻探计划
( Y l) J8 Q* U) @; y" ]% ]9 l 1968年—1983年，深海钻探计划（Deep Sea Drilling Program，DSDP）最重要的成果就是验证了海底扩张学说和板块构造学说。此外还还根据海底钻探所取得岩心，重建了大西洋的海底扩张历史。随着“格罗玛·挑战者”号的退役，DSDP也宣告结束。
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9 K9 q1 Q9 A0 a' k% Y5 b, f （海洋地壳的年龄。最年轻的地壳（红色），是沿扩张中心）
+ L$ S9 Y5 h$ ?+ p" N6 j* M) H ODP大洋钻探计划
0 M' }1 q) ~- k! L2 A6 h G0 w* A 在深海钻探计划结束后，随着新一代钻探船“乔迪斯·决心号”（JOIDES Resolution）的建成，深海钻探计划的继任者，大洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP）项目正式开始运作。从1985年到2003年间，大洋钻探计划共实施了111个航次的调查，行程355781海里，足迹遍布全球各大洋，取得了令人瞩目的成果。 1 C7 b5 d* T0 P; r: w: J6 l6 P
Phase2
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$ R5 `3 l- W% z- \8 r8 |: U （执行ODP计划的乔迪斯·决心号JOIDES Resolution）
2 |4 j! V7 ?- [+ ~0 V Phase3
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IODP 综合大洋钻探计划 6 v( h' q& B4 ]) c; r
综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）是一项致力于推进对地球的科学了解，进行海底环境监测和采样的国际地球科学合作计划。科学家通过多种平台，打穿大洋壳，探索深部生物圈、环境变化、地球动力学、地震机理、天然气水合物、极端气候变化的过程等。 q- c* [" h; v" `
该计划由美国和日本牵头，欧洲作为联合体加入，中国和韩国分别于2004年和2006年加入。该计划于2013年结束。 2 a7 F) r: c% J% m' C0 U6 B; ~
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（IODP计划中的另一钻探船—地球号，由日本主导建造） : j/ K- ?; q- ]- Z! N
国际海洋探勘计划 8 L' t- [; N6 S! v! C/ m
International Ocean Discovery Program ' L- {0 z" ^3 \
在综合海洋钻探计划（IODP）结束之后，新的10年计划——国际海洋探勘计划，也在2013年底展开。新一轮IODP主要任务在科学计划中阐述为：照亮地球的过去，现在和未来。这个科学计划涵盖了10年的运作周期，由一系列科学探测项目组成，分为四个主题：气候和海洋变化，生物圈边界，地球圈层联系和地球运动。 3 u B' [/ w* }6 A }& ^$ V
Phase4
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% W. @% U$ `+ B' a9 m( y0 Q （新的IODP钻探计划表 红色表示已完成，黄色表示计划进行）
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自从1968年起航，全球大洋钻探便从未停下脚步，从美国独家支持，慢慢演变到全球地质学家都参与其中，我们对脚下的地球的了解，正在慢慢深化中！ 8 n$ x" q. d" A* w7 C
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（部分图片引自许靖华先生《地学革命风云录》与维基百科）
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美术编辑：赵亚楠 $ ^' y2 @1 J6 h& w5 F; Z5 q
校对：黄志伟
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公众号：中科院地质地球所
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