田軍，拓守廷

①同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092；②中國大洋發(fā)現(xiàn)計劃辦公室，上海 200092

新十年科學(xué)大洋鉆探
——照亮地球的過去、現(xiàn)在和未來

田軍①②?，拓守廷①②

①同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092；②中國大洋發(fā)現(xiàn)計劃辦公室，上海 200092

新十年國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃(2013—2023)以探索深部了解整個地球系統(tǒng)為目標(biāo)，圍繞氣候與海洋環(huán)境、深部生物圈、地球內(nèi)部與表層連接、災(zāi)害與觀測等四大科學(xué)主題，預(yù)測未來，預(yù)警災(zāi)害，提出了14個前沿科學(xué)問題。繼板塊構(gòu)造學(xué)說掀起地球科學(xué)領(lǐng)域的一場革命之后，科學(xué)大洋鉆探將觸發(fā)地球科學(xué)領(lǐng)域新的革命。

大洋鉆探；地球科學(xué)；海洋變化與氣候；深部生物圈；地球聯(lián)系；活動的地球

1 從均變論到板塊構(gòu)造到科學(xué)大洋鉆探

美國國家科學(xué)院的青銅大門借鑒意大利佛羅倫薩天使之門的風(fēng)格，采用浮雕鑲嵌設(shè)計，雕塑人物選擇了八位科學(xué)巨匠，從上至下依次為亞里士多德、歐幾里得、伽利略、牛頓、萊伊爾、達(dá)爾文、瓦特和巴斯德，代表數(shù)、理、化、天、地、生等學(xué)科，其中萊伊爾是公認(rèn)的“現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)之父”。

萊伊爾1830年正式出版《地質(zhì)學(xué)原理》，將地球科學(xué)上升到科學(xué)理論層面。相比數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和天文學(xué)，地球科學(xué)迄今不足200歲，是一門年輕的學(xué)科?！兜刭|(zhì)學(xué)原理》的精髓可以概括為一句話：“現(xiàn)在是認(rèn)識過去的鑰匙”。萊伊爾倡導(dǎo)均變論，認(rèn)為揭秘地球的歷史不需要依賴《圣經(jīng)》，大氣降水、風(fēng)、河流、潮汐和海洋等自然作用會在漫長的地質(zhì)年代中慢慢地雕琢地球的面貌并改變它的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。這一思想推崇“將今論古”的現(xiàn)實主義原理，對達(dá)爾文創(chuàng)立生物進(jìn)化論也產(chǎn)生了很大的影響。魏格納1910年提出“大陸漂移說”，對均變論的思想提出挑戰(zhàn)。魏格納設(shè)想大約在2億年前，地球表面只有一個統(tǒng)一的聯(lián)合古陸，周圍被泛大洋包圍，之后聯(lián)合古陸逐步分裂成若干大陸，它們各自漂移并最終形成現(xiàn)在的海陸分布形態(tài)，而太平洋是泛大洋的殘余[1]。盡管這一假說難以解釋大陸漂移的動力機(jī)制等問題，卻為后來的板塊構(gòu)造學(xué)說打下了堅實的基礎(chǔ)。二戰(zhàn)后廣泛開展的海底地質(zhì)調(diào)查讓我們對全球的洋底地形有了清晰的認(rèn)識(圖1)：海底下并非一馬平川，而是由大陸架、大陸坡、陸隆、大洋盆地、海山、海溝和大洋中脊等基本地形單元組成。美國地震地質(zhì)學(xué)家迪茨通過綜合分析海底調(diào)查資料于1961年提出“海底擴(kuò)張說”[2]；郝斯于1962年加以深入闡述[3]。“海底擴(kuò)張說”認(rèn)為，大洋巖石圈在洋中脊處裂開，地幔熾熱的玄武巖熔漿從這里涌出，冷卻固結(jié)成新的大洋巖石圈，并把先期形成的洋殼向兩側(cè)對稱地推擠，使得大洋海底不斷擴(kuò)張。瓦因和馬修斯發(fā)現(xiàn)洋中脊兩側(cè)與地形無關(guān)的古地磁極性條帶呈對稱分布[4]，指示洋殼年齡在洋中脊兩側(cè)呈對稱分布，離洋中脊越遠(yuǎn)洋殼年齡越老(圖2)，證實了海底自洋中脊向兩側(cè)擴(kuò)張。不久后的深海鉆探也證明最古老的洋殼只有2億年，大洋中脊處最年輕，兩側(cè)年齡呈對稱分布，愈遠(yuǎn)愈老。

圖1 全球海底地形圖(圖片來自《國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃2013—2023科學(xué)計劃書》)[5]

圖2 全球洋殼年齡圖(海洋中的顏色代表年齡，單位為百萬年。圖片來自http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/ocean_age，圖片數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[6])

在對大量海洋觀測資料積累的基礎(chǔ)上，1967年至1968年，劍橋大學(xué)的麥肯齊和派克[7]、哥倫比亞大學(xué)拉蒙特觀測所的勒皮雄[8]和普林斯頓大學(xué)的摩根[9]等相繼提出板塊構(gòu)造學(xué)說，將海底擴(kuò)張學(xué)說擴(kuò)展到整個巖石圈，全面論述了巖石圈的運(yùn)動和演化規(guī)律。板塊構(gòu)造學(xué)說認(rèn)為剛性的巖石圈分裂成許多巨大的塊體，如太平洋板塊、亞歐板塊、非洲板塊、美洲板塊、印度洋板塊(包括大洋洲)和南極洲板塊，它們馱在軟流圈上做水平運(yùn)動，致使相鄰板塊互相作用，而板塊邊緣則是地殼活動的強(qiáng)烈地帶。板塊構(gòu)造以恢弘的氣勢建立全球?qū)W說，用和諧的框架將大量雜散的發(fā)現(xiàn)組織成一個協(xié)調(diào)完整的體系，幾乎包羅了地球科學(xué)的各個分支，如巖石學(xué)、礦床學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、資源與環(huán)境等，是地球科學(xué)發(fā)展史上一次劃時代的革命。

自此，在大洋深處通過大洋鉆探和海底觀測研究地球科學(xué)成為科學(xué)界的共識和愿望。和二戰(zhàn)結(jié)束后物理學(xué)家提出的原子加速器、登月等宏大科學(xué)計劃相比，地球科學(xué)家提出的鉆穿地殼和地幔之間的莫霍面，了解地殼和地幔結(jié)構(gòu)特征的“莫霍面鉆探計劃”毫不遜色。大洋鉆探好比一架從大洋深部伸向地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡，由于洋殼很薄，從洋底穿透地殼進(jìn)入地幔比從陸地鉆進(jìn)要容易得多。1961年，美國啟動“莫霍面鉆探計劃”，在東太平洋穿過3 558 m深的海水從洋底往下最深鉆進(jìn)183 m，美國總統(tǒng)肯尼迪專門致電祝賀，稱此舉是科學(xué)史上劃時代的里程碑。雖然由于技術(shù)和高昂的費(fèi)用等問題，美國國會投票否決了對該計劃的撥款預(yù)算，但“莫霍面鉆探計劃”證明了實施深海鉆探，獲取洋底的沉積層和基巖樣品在技術(shù)上是可行的。美國沒有終止在大洋進(jìn)行科學(xué)鉆探的計劃，改為在洋底打數(shù)量眾多而進(jìn)尺淺的鉆井，認(rèn)為這樣不但現(xiàn)實可行而且意義更大。比如可藉此檢驗20世紀(jì)60年代剛產(chǎn)生的海底擴(kuò)張假說?？茖W(xué)大洋鉆探給地球科學(xué)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)，其深遠(yuǎn)的影響一直延續(xù)至今。在驗證了板塊構(gòu)造學(xué)說，創(chuàng)立了古海洋學(xué)，驗證和發(fā)展了地表氣候變化的米蘭科維奇假說之后，地球科學(xué)正朝著研究深部生物圈，探索生命的起源，研究天然氣水合物等新的替代能源和揭秘地震、海嘯等災(zāi)害機(jī)理的方向前進(jìn)，地球科學(xué)正在醞釀一場新的革命，其影響將遠(yuǎn)超板塊構(gòu)造學(xué)說。

2 科學(xué)大洋鉆探的發(fā)展階段和成就

2.1 科學(xué)大洋鉆探的主要階段

科學(xué)大洋鉆探是當(dāng)今利用海底深部鉆探和觀測研究地球科學(xué)的最重要的途徑，它不僅從海底深處采集深海軟泥和巖石樣品，而且開發(fā)利用多種先進(jìn)的深海探測和取樣技術(shù)，如進(jìn)行海底井下觀測的封井技術(shù)(CORK)、深海微生物原位取樣和培養(yǎng)技術(shù)等，其難度堪與衛(wèi)星、飛船上天等航天技術(shù)相媲美。40多年的科學(xué)大洋鉆探和研究始終是地球科學(xué)發(fā)展的前沿陣地。自1966年以來，科學(xué)大洋鉆探分成四個階段(表1)。

表1 科學(xué)大洋鉆探的四大階段

1966年，美國“地球深部采樣聯(lián)合海洋研究所”(JOIDES)成立，由美國國家自然科學(xué)基金委員會出資，委托加州大學(xué)的斯克里普斯(Scripps)海洋研究所創(chuàng)辦“深海鉆探計劃”(Deep Sea Drilling Program, DSDP)，由“格羅碼?挑戰(zhàn)者號”實施鉆探。1968年8月11日，120 m長的“格羅碼?挑戰(zhàn)者號”深海鉆探船首航墨西哥灣，地球科學(xué)史上最大規(guī)模的國際合作計劃就此揭開序幕。到1983年DSDP結(jié)束時，“格羅碼?挑戰(zhàn)者號”共完成96個航次，航程逾60萬km，在624個站位鉆井1 092口，取芯累計長達(dá)98 km(圖3)。

1985年1月，“大洋鉆探計劃”(ODP)正式開始執(zhí)行，由“喬迪斯?決心號”(圖4)接替退役的“格羅瑪?挑戰(zhàn)者號”實施鉆探。從北極大洋到南極威德爾海，ODP覆蓋了整個世界大洋。到2003年9月，“喬迪斯?決心號”共完成111個航次，在669個站位鉆井1 797口，取芯累計長達(dá)222 km(圖3)。

2003年10月1日，“綜合大洋鉆探計劃”(IODP)正式啟動，由日本的“地球號”、美國的“決心號”和歐盟的“特定任務(wù)平臺”聯(lián)合實施(圖4)。該計劃以“地球系統(tǒng)科學(xué)”思想為指導(dǎo)，計劃打穿大洋殼，揭示地震機(jī)理，查明深部生物圈和天然氣水合物，理解極端氣候和快速氣候變化的過程[10]。日本的“地球號”鉆探船是該階段最大的亮點。自2007年9月開始，“地球號”正式實施IODP科學(xué)鉆探，在菲律賓海北部開展南海海槽發(fā)震帶試驗計劃的鉆探。在整個IODP階段，“地球號”主要圍繞南海海槽發(fā)震帶展開鉆探，在地震的形成機(jī)制研究上取得了豐碩的成果。歐洲聯(lián)合體在IODP階段共組織實施了4個航次。第一個航次即2004年的北冰洋古氣候航次(IODP 302)，是IODP迄今為止最成功的航次，在探討極端氣候變化機(jī)制上取得了令人矚目的研究成果；此外，2005年在太平洋塔希提島海域?qū)嵤┑?10航次，2009年在美國新澤西岸外實施的313航次和2010年在澳大利亞大堡礁實施的325航次在全球海平面變化研究上也取得了重要的進(jìn)展。與ODP相比，IODP的科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)能力都有質(zhì)的提高。在學(xué)術(shù)上，北冰洋首次深海鉆探發(fā)現(xiàn)5 000萬年前的北極淡水湖和生油沉積，海底下深處微生物的研究揭示“深部生物圈”，以及開始對俯沖帶鉆探準(zhǔn)備進(jìn)入海底以下6 000 m破譯發(fā)震機(jī)理等，都代表了深海研究的最前沿；在技術(shù)上，日本“地球號”立管鉆探船凝聚了一批深海新技術(shù)，觀測海底地下水(“海底下的海洋”)的封井技術(shù)“CORK”取得進(jìn)一步發(fā)展，在天然氣水合物和“深部生物圈”的技術(shù)方面，也都有重要的創(chuàng)新。由于經(jīng)濟(jì)原因，十年的IODP結(jié)束時遺留下大量的建議書無法實施，學(xué)術(shù)界對科學(xué)大洋鉆探的新階段充滿期盼。

圖3 科學(xué)大洋鉆探全球站位圖(截至2015年3月)(綠點為DSDP階段，藍(lán)點為ODP階段，紅點為IODP階段。圖片來自http:// iodp.tamu.edu/scienceops/maps.html)

圖4 從左至右為美國的“喬迪斯·決心號”、歐盟的“特定任務(wù)平臺”和日本的“地球號”[10]

2.2 科學(xué)大洋鉆探的主要成就

科學(xué)大洋鉆探的主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在解決了以下一些重大的科學(xué)問題[5,10]：

(1) 檢驗和確證了板塊構(gòu)造理論，引起20世紀(jì)晚期地球科學(xué)的革命；

(2) 獲得了埋在巨厚海洋沉積物之下的第一塊未受擾動的火山洋殼樣品，揭示了洋殼建造過程的復(fù)雜性；

(3) 發(fā)現(xiàn)了地中海海底之下大范圍埋藏的鹽層，證實地中海曾經(jīng)歷數(shù)次干涸；

(4) 通過古地磁記錄、放射性測年和海洋微體化石等手段建立了高精度的地質(zhì)時間標(biāo)尺；

(5) 揭示了2億年的海洋沉積歷史，重建了重大變化和適宜期高分辨率地球演化史和生命史；

(6) 證明了地球的氣候變化受地球軌道參數(shù)的控制；

(7) 利用深海沉積物和珊瑚樣品重建了1億年以來的全球海平面變化歷史，揭示了冰蓋的快速融化過程，證明海平面的升高是全球性的現(xiàn)象；

(8) 實現(xiàn)了大火成巖省的淺層取樣，盡管巖漿的大范圍噴發(fā)可能對地球的氣候造成災(zāi)難性的影響，但同時也是我們了解地球深部過程的窗口；

(9) 使我們對大陸的打開、分裂、裂解以及隨之伴生的巖漿作用的認(rèn)識產(chǎn)生了革命性的改變；

(10) 科學(xué)大洋鉆探的科學(xué)家和工程師建立了第一個海底井下觀測系統(tǒng)，獲得了用于探測遠(yuǎn)程環(huán)境和過程的長期樣品和數(shù)據(jù)記錄；

(11) 對俯沖板塊在匯聚板塊邊緣循環(huán)利用何種物質(zhì)進(jìn)行了初步評估；

(12) 查明了爆發(fā)地球上最大規(guī)模的地震和海嘯的活動板塊邊界處斷層帶的特征以及相關(guān)的構(gòu)造活動過程；

(13) 發(fā)現(xiàn)從大洋中脊到深海海溝的海底下均存在大規(guī)模的流體活動；

(14) 發(fā)現(xiàn)在海底下1 600 m深的沉積物中，甚至在洋殼和火山殼里，存在以前不為人知的生物圈。

3 照亮地球的過去、現(xiàn)在與未來

2009年9月，“綜合大洋鉆探計劃”執(zhí)行管理機(jī)構(gòu)在德國不來梅大學(xué)組織召開新世紀(jì)的科學(xué)大洋鉆探計劃(簡稱INVEST會議，The IODP New Ventures in Exploring Scienti fi c Targets)會議，來自21個國家的近600名科學(xué)家參加了會議。INVEST會議回顧和總結(jié)了IODP執(zhí)行情況和科學(xué)成就，討論了2013年后IODP的科學(xué)目標(biāo)、組織形式、資金來源和技術(shù)手段等。會后成立科學(xué)計劃書編寫委員會，負(fù)責(zé)起草新十年(2013—2023年)IODP科學(xué)計劃書，該書于2011年6月正式發(fā)布。這本共84頁的新科學(xué)計劃書為新的科學(xué)大洋鉆探確定了4個方面的科學(xué)主題和14個科學(xué)挑戰(zhàn)[5]。

科學(xué)主題一、氣候與海洋變化，解讀過去、預(yù)示未來

挑戰(zhàn)1：地球氣候系統(tǒng)對大氣CO2濃度增高如何響應(yīng)？

由于大氣CO2濃度的上升，近幾十年來北半球高緯地區(qū)的變暖正在加速，造成北冰洋夏季海冰面積大量減少，格陵蘭和西南極的極地冰蓋損失加速。這些變化的發(fā)生速率比原先的預(yù)期更快，說明地球系統(tǒng)中某些部分比現(xiàn)有氣候模型所指示的更為敏感，也更活躍。突破氣候閾值的可能性是存在的，特別是在冰雪反照率反饋最強(qiáng)的高緯地區(qū)。要理解氣候發(fā)生快速變化的風(fēng)險，就必須從長遠(yuǎn)的角度來看地球?qū)Υ髿鉁厥覛怏w增高的響應(yīng)。通過深海鉆探將大氣的CO2地質(zhì)記錄擴(kuò)展到人類器測和僅有的最近幾個冰期旋回的冰芯記錄之前，甚至擴(kuò)展到那些大氣CO2濃度與現(xiàn)代水平相當(dāng)，以及遠(yuǎn)高于現(xiàn)代值而與幾十年后的預(yù)期值相當(dāng)?shù)母b遠(yuǎn)的時代(圖5)，使我們能夠：①改進(jìn)對全球氣候系統(tǒng)的敏感性估計；②確定溫室氣體濃度升高時冰蓋和海冰的損失量；③理解在高CO2濃度的情況下，熱帶溫度、上升流以及厄爾尼諾的變動；④確定關(guān)鍵的物理和化學(xué)過程，改進(jìn)氣候系統(tǒng)模型。

圖5500 萬年來(a)全球冰量及(b)大氣CO2濃度記錄[5]

挑戰(zhàn)2：冰蓋和海平面對氣候變暖作何反應(yīng)？

人類器測的最早海平面記錄只到150年前，這一時期全球平均海平面上升僅0.2 m左右，較預(yù)測的未來上升幅度要小得多。相比之下，海平面變化的地質(zhì)記錄包含了海平面在更大范圍變化的全面信息，從完全無冰且海平面比現(xiàn)代高出數(shù)十米的氣候暖期，到冰蓋覆蓋北美和歐洲的大部分且許多陸架和陸橋出露的大冰期。這些記錄可以通過大洋鉆探獲取。通過科學(xué)大洋鉆探，可以減少我們理解過去海平面變化幅度和速率的不確定性。

挑戰(zhàn)3：降水分布由什么控制？比如季風(fēng)和厄爾尼諾的降水分布是受什么控制的？

由于實驗室工作人員的待遇跟授課教師的待遇差別很大，沒有得到同教學(xué)科研人員同等的待遇，導(dǎo)致很多實驗室管理人員數(shù)量不足，并且存在散漫管理的現(xiàn)象，所以，民辦高校要通過多種渠道提高實驗室管理人員的工作熱情。

熱帶東太平洋的變暖事件，即所謂的厄爾尼諾事件，使得地球上某些地區(qū)洪水肆虐，而另外一些地區(qū)干旱。這些事件體現(xiàn)了水資源的脆弱性，容易受到海洋溫度微小變化的影響，同時也突顯了探尋全球水循環(huán)控制因素的迫切社會需求。在亞洲和非洲，有40億人口依靠季風(fēng)降雨生活，了解溫室氣體濃度增加和全球變暖對降雨分布的控制機(jī)制顯得尤為重要。

首先，通過在大陸邊緣鉆探，獲得同時包含大陸和海洋信息的連續(xù)的、精確定年的記錄，對于提供詳細(xì)的陸地降水模型和植被變化的信息具有很大的潛力。其次，通過大洋鉆探重建過去表層海水溫度的梯度，這些經(jīng)向和緯向的溫度模型是決定氣旋的形成和強(qiáng)化以及氣候帶的大小和位置的主要因素。第三，大洋鉆探將調(diào)查平均氣候模態(tài)、太陽輻射和溫室氣體濃度有所不同的不同時間段內(nèi)的區(qū)域氣候變化特征。這樣，從一個大的動態(tài)范圍內(nèi)，獲得不同氣候條件和氣候強(qiáng)迫的資料，認(rèn)識水文變化的機(jī)制，為預(yù)測未來水循環(huán)的可能變化提供寶貴的見解。最后，大洋鉆探還將探索構(gòu)造-氣候的相互作用在地球系統(tǒng)演化中所扮演的角色。

挑戰(zhàn)4：大洋化學(xué)成分發(fā)生變動后，是如何恢復(fù)的？

人類活動導(dǎo)致化石燃料中的碳及肥料大量進(jìn)入大氣和海洋，造成很容易觀測的環(huán)境化學(xué)擾動。大洋對CO2的吸收導(dǎo)致表層海水的“酸化”，這將威脅許多具有重要經(jīng)濟(jì)價值的海洋生態(tài)系統(tǒng)(例如珊瑚礁和海岸上升流區(qū))。要中和地質(zhì)上瞬時輸入海洋碳系統(tǒng)的CO2可能需要若干萬年的時間，但在短期內(nèi)，大洋酸化對海洋生物是一場毀滅性的打擊。河流向海洋輸送的氮通量增加會引起水體富營養(yǎng)化和氧含量缺失，進(jìn)而形成缺氧帶而威脅魚類和甲殼類的生存，直至摧毀漁業(yè)。海洋生物對這些化學(xué)擾動的響應(yīng)也可以影響大氣溫室氣體濃度和氣候變化。盡管器測數(shù)據(jù)和實時觀測可以描述海洋化學(xué)及與之相聯(lián)系的生態(tài)系統(tǒng)的短期瞬態(tài)特征，但只有通過大洋鉆探獲取深海沉積的長巖芯，才能最終理解這些地球系統(tǒng)的長期行為，尤其在那些比現(xiàn)代更暖的地質(zhì)歷史時期，比如白堊紀(jì)或始新世大暖期。

科學(xué)主題二、生物圈前沿，深部生命、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境作用

挑戰(zhàn)5：海底群落的起源、組成及全球意義是什么？

對深部生物圈(圖6)的起源和演化、微生物生長的機(jī)理，以及深海環(huán)境的改變?nèi)绾斡绊懳⑸锏目偭康葐栴}的理解，既可以使我們對地球古老生命的演化有更為深刻的認(rèn)識，又可以為我們思考太陽系及其他星系可能存在的生命形式提供線索。為了更好地調(diào)查和理解這些極端環(huán)境下生命形式的本質(zhì)，我們需要采集生物化石和活的生物種群，了解它們的代謝活性、生理適應(yīng)性，以及定位深部生物圈在沉積物與巖石演變過程中，對洋殼水文系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)方面的作用?？茖W(xué)大洋鉆探能為以上研究提供一個很好的平臺，也能夠為蓬勃發(fā)展的深海生物圈的國際研究提供幫助，比如深部碳觀測平臺。通過大洋鉆探對海底環(huán)境中微生物的研究，也在整體上提高了對海洋微生物群體的認(rèn)識。例如，對深埋在有氧沉積物中的厭氧微生物和深埋在低溫沉積物中的嗜熱微生物的研究將會提高對微生物生存策略、海洋中微生物群體分布以及群體如何在上覆水柱中聚集等這些問題的理解。大洋鉆探也可用來調(diào)查微生物的生理適應(yīng)性和在相應(yīng)的生物地球化學(xué)過程中生物群落之間的相互作用。通過大洋邊緣海沉積鉆探，有助于幫助我們理解微生物在海洋和陸源碳水化合物儲庫(如煤炭和泥炭)中的作用。通過對活躍的蛇紋石區(qū)域的研究，我們可以調(diào)查海底生命對光合作用的依賴程度。對有機(jī)物豐富的缺氧沉積物(上升流區(qū)域)和有機(jī)物貧瘠的沉積物(中太平洋渦流)的研究，則有助于我們理解礦物氧化和還原的程度，來證明海底生命的存在。最后，科學(xué)的大洋鉆探也為研究宏基因組的快速發(fā)展提供了充分的機(jī)會。

挑戰(zhàn)6：海底深部的生命極限是什么？

圖6 深部生物圈的存在形式。生活在熱液口、泥火山及深海甲烷溢漏區(qū)的微生物可以在沒有太陽能的情況下合成有機(jī)碳。盡管總量的大小還不確定，但是這些化能自養(yǎng)生物在碳循環(huán)及其他循環(huán)上同樣起著重要的作用[5]

目前，我們對生命極限的了解僅限于實驗室中的“記錄保持者”，通過對培養(yǎng)基中某些成分的限制來尋找純培養(yǎng)微生物的生化阻斷點(即生命極限)。大洋鉆探能夠給我們提供海底微生物生存的環(huán)境信息。海底環(huán)境多樣，變化梯度大，具體表現(xiàn)為：鹽度、溫度、多孔性及pH值的變化大，食物(如有機(jī)物、還原性金屬、溶解態(tài)氫等)及氧化物(如氧氣、硫酸鹽、氧化態(tài)金屬等)可利用性廣，還有對海底液體的連通性變化大。通過分析鉆探得到的巖芯樣品可以獲得在不同海底環(huán)境中微生物群落的特征信息。通過對巖芯材料中生命的檢測和定量，我們可以界定地球深部的生命禁區(qū)。在深海鉆探船上可以對獲取的不同環(huán)境中的巖芯進(jìn)行微生物群體的研究，結(jié)合深部原位實驗室進(jìn)行生長實驗，在室內(nèi)實驗室對獲得的細(xì)胞樣品進(jìn)行生物化學(xué)研究，這些都能夠促進(jìn)我們對生命極限的理解。

挑戰(zhàn)7：生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性響應(yīng)環(huán)境變化的靈敏程度如何？

大量的生態(tài)系統(tǒng)研究表明：快速的環(huán)境變化會導(dǎo)致全球重要的生態(tài)系統(tǒng)的突變。生物多樣性歷史(包括物種的起源與滅絕、物種的流動速率以及物種穩(wěn)定)以及生物多樣性和環(huán)境變化之間的關(guān)系只能通過對化石記錄的分析來對其量化與模擬。海洋沉積物保留了上溯到數(shù)千萬年以來分辨率為1～10年的生物與環(huán)境變化記錄。這些沉積記錄對分析氣候突變的速率和振幅以及記錄生態(tài)系統(tǒng)對不同環(huán)境變化的多樣性響應(yīng)尤為重要。深海沉積中保存的海洋化石記錄為研究氣候變化和閾值變動速率造成的全球范圍內(nèi)的種族滅絕與形成速率以及長距離的海洋遷移率提供了可能。在這些觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們可以更好地評估和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對將來的氣候變化響應(yīng)的動態(tài)過程，以及測試包括物種適應(yīng)、形成、遷徙和滅絕基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)問題。

為了提高對人類起源發(fā)展的認(rèn)識，需要圍繞非洲大陸以及在沿著人類遷徙到亞洲、澳洲和南太平洋路線的海洋區(qū)域進(jìn)行鉆探。深海巖芯中的花粉、塵土和其他陸源物質(zhì)提供了源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境變化記錄。為了弄清過去的快速氣候變化事件對人類社會生存的影響，科學(xué)大洋鉆探計劃需要在人類社會發(fā)展中心的附近海域獲取巖芯，比如波斯灣、地中海、南美洲以及東南亞，在全球環(huán)境框架下來研究導(dǎo)致物種進(jìn)化、獨特遠(yuǎn)古種群出現(xiàn)和特定種群滅絕的因素。

科學(xué)主題三、地球聯(lián)系，深部過程及其對地表環(huán)境的影響

挑戰(zhàn)8：地球上地幔的組成、結(jié)構(gòu)和動力學(xué)是什么？

目前的技術(shù)進(jìn)步已能保證在大洋鉆探船上鉆取一個完整的洋殼剖面，確定莫霍面的性質(zhì)，獲得地幔的原位樣品(圖7)。鉆穿洋殼進(jìn)入地幔將穿過莫霍洛維奇不連續(xù)面(“莫霍面”)，它是地震波速突然增大的地方，長期被認(rèn)為是代表由地幔熔融所形成的巖石(地殼)與下伏熔融遷移巖石(剩余地幔)之間的界面。檢驗這一假說并了解地殼內(nèi)精細(xì)的地震分層特征將極大地增強(qiáng)科學(xué)家根據(jù)洋盆內(nèi)鉆井觀測資料外推的能力。鉆探還將對用于量化地幔根本屬性(包括溫度、黏度和流向)的模型提供關(guān)鍵約束。地幔物質(zhì)的獲取能夠使研究者超越地幔熔融的理想模型，并檢驗多重熔融事件和熔融-巖反應(yīng)是如何發(fā)生的。地幔鉆站位的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括具有典型地殼的厚度(5～7 km)和地震結(jié)構(gòu)、明確的地震莫霍面結(jié)構(gòu)、下伏地幔強(qiáng)烈的地震各向異性，以及遠(yuǎn)離板內(nèi)火山活動的影響而地質(zhì)歷史簡單。目前在太平洋確定了三處潛在區(qū)域：夏威夷西北海域、中美洲海岸外和加利福尼亞半島海岸外。

挑戰(zhàn)9：海底擴(kuò)張和地幔熔融如何與洋殼結(jié)構(gòu)相聯(lián)系？

為了了解海底擴(kuò)張、地幔熔融和洋殼結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，需要科學(xué)大洋鉆探獲得巖石和鉆井資料。IODP試圖獲取一個完整的自噴溢熔巖到莫霍面的快速擴(kuò)張洋殼剖面(圖7)。由于快速擴(kuò)張脊處形成的洋殼相對均一，一口深井就能夠推動對過去2億年間覆蓋了地球2/3表面積的諸多地質(zhì)過程的理解。這一取樣計劃將使得研究者能夠定量研究洋殼大部分的總體成分，分析來自地幔的熔融物質(zhì)與海底和近海底獲取的樣品之間的化學(xué)聯(lián)系，并檢驗巖漿加積的各種模型。為了對慢速擴(kuò)張脊的過程、組成和結(jié)構(gòu)有更好的了解，除了完成單個深鉆外，IODP還將鉆探慢-超慢速擴(kuò)張地殼處的“構(gòu)造窗”，了解深地殼和地幔?？茖W(xué)大洋鉆探將確定大陸裂谷作用和形成大火成巖省的熔巖流之間的相互關(guān)系。鉆探也提供了穿透大陸邊緣巨厚沉積物的唯一機(jī)會，這里記錄了從大陸破裂到穩(wěn)態(tài)海底擴(kuò)張的轉(zhuǎn)換過程。

圖7 (a) 東赤道太平洋快速擴(kuò)張的東太平洋海隆東翼，ODP/IODP 1256D鉆孔及其周緣，已知和推測的地層示意圖(鉆孔中已打穿的深度顯示為黑色，灰色部分表示IODP計劃中的洋殼和地幔最上部的鉆探深度)；(b) 深海洋殼侵入巖的正交偏光顯微照片，鮮艷的橄欖石晶體保存了深部地殼及地幔過程的記錄，可用最先進(jìn)的微量元素、同位素和氣體分析來解譯這些過程；(c) 北緯23°大西洋慢速擴(kuò)張洋中脊三維示意圖，顯示拆離斷層如何使地幔橄欖巖出露在海底，在與海水反應(yīng)后橄欖巖蝕變成蛇紋巖(此處顯示的穹狀隆起塊體垂直延伸(由暖色到冷色漸變顯示)超過3 km)[5]

挑戰(zhàn)10：洋殼與海水之間化學(xué)交換的機(jī)制、程度和歷史是什么？

海水的化學(xué)和同位素組成反映了主要受控于河流輸入、巖石圈內(nèi)流體交換和生物循環(huán)等通量間的動態(tài)平衡。這些通量取決于全球地質(zhì)過程，如海底擴(kuò)張、巖石圈冷卻、造山運(yùn)動、氣候變化和生物系統(tǒng)演化等。在海底擴(kuò)張中心高溫?zé)崃鲊娍?“黑煙囪”)的發(fā)現(xiàn)證實了大量海水衍生的流體通過洋殼循環(huán)，在巖石圈和海洋之間轉(zhuǎn)移物質(zhì)和熱量，而在大洋中脊兩翼甚至有更多的低溫流體通過洋殼，它們吸取了1/3的與巖石圈冷卻有關(guān)的熱量。盡管在洋殼熱液蝕變中發(fā)生的單個“流體-巖石”反應(yīng)的性質(zhì)已被大致了解，但化學(xué)交換的規(guī)模和分布仍缺乏量化。最近的研究表明像蛇紋石化等地質(zhì)過程可能影響了海水的化學(xué)性質(zhì)以及地球化學(xué)和生物地球化學(xué)循環(huán)(圖7)。IODP將沿著板塊運(yùn)動的軌跡在不同年齡的洋殼上鉆探一系列鉆孔，不同鉆孔所在位置的洋殼其海底擴(kuò)張速率迥異，構(gòu)造和巖漿樣式也不盡相同。通過分析巖芯和測井記錄，并結(jié)合地質(zhì)年代學(xué)和海底觀測，提供洋殼化學(xué)蝕變的速率、規(guī)模和分布記錄，也可重建巖石圈蝕變過程對海洋化學(xué)的影響記錄。

挑戰(zhàn)11：俯沖帶如何開始形成？揮發(fā)性物質(zhì)如何循環(huán)？陸殼如何形成？

了解俯沖、島弧火山作用以及陸殼形成之間的聯(lián)系需要對活躍的古代沉積、火山和地殼體系實施鉆探。由于伴隨巖漿輸出的晶體物質(zhì)攜帶了巖漿來源的信息，巖漿輸出的時間記錄對鑒別導(dǎo)致總體安山質(zhì)的島弧地殼的深部巖漿過程至關(guān)重要。鉆探獲得的物質(zhì)將揭示來自地幔、沉積物、火成巖，以及俯沖海洋巖石圈的剩余地幔部分對島弧的相對貢獻(xiàn)，并能幫助檢驗陸殼形成的模式。

科學(xué)主題四、活動的地球，人類時間尺度上的過程和災(zāi)害

挑戰(zhàn)12：破壞性地震、滑坡、海嘯發(fā)生的控制機(jī)制是什么？

科學(xué)大洋鉆探已準(zhǔn)備通過直接取樣和活動區(qū)連續(xù)實時的原位監(jiān)測來闡明地震和斷裂過程，特別是捕捉地震周期中某時某地能被觀察到的瞬間變化。例如在接近破裂的斷層帶，或是在沿著最近斷裂過并正在重新累積應(yīng)力的斷層上(圖8)。對地質(zhì)災(zāi)害的了解也闡明了洋底長期構(gòu)造和地球化學(xué)演化過程。例如，地殼地震活動可伴隨發(fā)生大洋巖石圈的水合作用和蛇紋石化，隨后影響俯沖帶的構(gòu)造、地震活動和全球碳循環(huán)。與此類似，支配物質(zhì)通量、地球化學(xué)演化與島弧形成的過程也影響火山噴發(fā)和部分崩塌災(zāi)害。隨著海底觀測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，電纜、浮標(biāo)、衛(wèi)星和其他通信工具的連接為解決和適應(yīng)地球系統(tǒng)突變過程提供了條件?？茖W(xué)大洋鉆探通過提供各種途徑來獲得海底的樣品，測量各項性質(zhì)和監(jiān)測地表下環(huán)境的變化，必將擴(kuò)展我們對于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時間、規(guī)模以及機(jī)理的認(rèn)識。

圖8 地震斷層聽診器。圖中為正在建設(shè)中的日本南海海槽發(fā)震帶試驗觀測臺的一部分。通過測量巖石應(yīng)力、地震活動、孔隙流體壓力、流體成分、溫度等，可以捕捉微小的地震瞬變信息。鉆孔觀測臺獲得的地震和應(yīng)變圖像比基于陸地的遙感觀測甚至是海底觀測都更為清晰，真實可靠地記錄了原位參數(shù)隨時間的變化，有助于揭示地球應(yīng)力場累積和釋放的全過程[5]

挑戰(zhàn)13：支配碳在海底以下儲存和運(yùn)移的因素和過程有哪些？

研究天然氣水合物的分布、潛在利用和可能導(dǎo)致的災(zāi)難對人類以及地球生態(tài)系統(tǒng)都具有深遠(yuǎn)的意義，如我們想在這些領(lǐng)域取得進(jìn)展，必須做到以下幾點：①確定海底以下以各種形式存儲的碳的量；②確定碳從海底帶入和帶出的速率；③確定在大陸邊緣和深海是否有碳被截留。這些研究也將為了解海底以下的水文、物理、生物地球化學(xué)等過程提供基礎(chǔ)信息。全球天然氣水合物儲量驚人，被認(rèn)為超過了所有已探明的陸地?zé)N類資源儲量(包括石油、天然氣和煤)的總和，但同時也帶來了巨大的環(huán)境挑戰(zhàn)。水合物處在一個動態(tài)的狀態(tài)，對壓力、溫度和深部碳流的變化非常敏感。地質(zhì)時期的水合物分解曾導(dǎo)致大量甲烷向海洋和大氣中釋放，這或是快速氣候變化的原因所在。水合物的快速分解也可能引發(fā)大陸邊緣局部和區(qū)域邊坡坍塌。通過科學(xué)鉆探，可以獲取巖芯樣品，確定原位水合物分布，監(jiān)測其形狀和條件隨時間的變化，從而解決水合物系統(tǒng)中的碳輸運(yùn)問題?！疤冀亓簟钡年懙卦圏c研究正在運(yùn)作當(dāng)中，接下來需要評估海底以下的儲碳潛力。廢棄的油氣田、鹵水層和洋殼的各個層位都具備大規(guī)模儲碳的能力，而洋殼的儲碳潛力尤其驚人。通過與國家層面或其他國際計劃合作，科學(xué)大洋鉆探能夠為開展海底以下的“碳截留”試驗提供條件(圖9)，并有助于了解滲透網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，估計固碳(包括礦化和圈閉)的程度和速率，以及評價海底以下微生物群落對長期二氧化碳存儲的影響。

圖9 科學(xué)大洋鉆探使原位監(jiān)測和干擾實驗得以施行，這為在沉積層(a)和火成巖地殼(b)中進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)捕獲和存儲的基礎(chǔ)性研究提供了機(jī)遇。圖(b)展示了多個在鉆探過程中建造的鉆孔觀測站，由于熱液活動的“虹吸”效果，大洋底層的冷水可由觀測站鉆孔滲入可滲透的洋殼(藍(lán)色箭頭)。玄武巖或橄欖巖水-巖反應(yīng)可通過碳酸巖化作用捕獲和“截留”二氧化碳[5]

挑戰(zhàn)14：流體與海底以下構(gòu)造、熱和生物地球化學(xué)過程的聯(lián)系如何？

很多全球過程的本質(zhì)都是流體活動，包括固體地球的熱散失、成礦、人口聚集區(qū)的張力累積和釋放(地震和滑坡)、近岸區(qū)的碳和營養(yǎng)循環(huán)等等。流體活動既供養(yǎng)著深海的生物群系和奇異的海底生物群落，又能造成地震以及地殼的裂隙化和冷卻。它不但控制著巖石圈改造的方式，而且控制著俯沖帶揮發(fā)分的輸入和輸出。水下水文地質(zhì)循環(huán)與陸地地下水系統(tǒng)相連，即在陸地和海洋體系之間存在穿越大陸邊緣的大量流體交換。我們可以通過采集沉積物、巖石和流體樣品，或通過原位觀測(包括在自然或人為誘導(dǎo)的擾動下進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)的時間序列分析)，來弄清楚并量化這些流體-媒介系統(tǒng)及其過程。鉆探是獲取關(guān)鍵樣品和數(shù)據(jù)，整合時空尺度并建立長期海底以下水文體系觀測的唯一可行途徑。

國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃在以下三個區(qū)域面臨鉆探、取芯和測井的挑戰(zhàn)：A區(qū)域，在有限的幾個地方進(jìn)行深入大洋底或大陸邊緣的深部鉆探(2～7 km)；B區(qū)域，在海底進(jìn)行多孔鉆探，進(jìn)尺從淺(約100 m)到中等深度(約2 km)，力爭在500 m或更深的地方取芯率能達(dá)到100%；C區(qū)域，在極端環(huán)境下鉆探，例如淺水(＜100 m)和高緯北極地區(qū)。總的來說，A區(qū)域任務(wù)將由“地球號”完成，B區(qū)域任務(wù)將由“決心號”完成，C區(qū)域任務(wù)將由特定任務(wù)平臺完成，彼此間可能存在一定的任務(wù)重疊，以滿足科學(xué)計劃中不同科學(xué)主題的研究要求。

4 中國面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

新十年國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃的第一個航次IODP349航次由中國科學(xué)家提出科學(xué)鉆探建議書并主導(dǎo)，于2014年2月至5月在南海成功實施鉆探。這是繼1999年ODP184航次之后由中國人主導(dǎo)在南海實施的第二個科學(xué)大洋鉆探航次。IODP349航次在兩個月的時間里完成了5個站位的取芯和2個站位的地球物理測井工作，鉆探深度共4 300 m，其中沉積巖取芯約2 300 m、基底玄武巖取芯約200 m，來自11個國家和地區(qū)的32位科學(xué)家(包括12名中國科學(xué)家)完成了大量的地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理、微生物等多學(xué)科測量和分析工作，成功實現(xiàn)了航次的科學(xué)目標(biāo)，在深入認(rèn)識南海的地質(zhì)演化上邁出了跨越性的一大步。中國已正式加入新十年國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃(2013—2023)，年繳會費(fèi)300萬美元，成為美國“決心號”鉆探平臺的正式成員。中國大洋發(fā)現(xiàn)計劃專家委員會為中國的深海研究制定了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略，從設(shè)計實現(xiàn)更多的自主航次到規(guī)劃采用新技術(shù)建造中國的大洋鉆探船，無不體現(xiàn)了我們要在新一輪的地球科學(xué)研究中貢獻(xiàn)才智的決心。

(2015年4月3日收稿)

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(編輯：沈美芳)

New decadal scientific ocean drilling: Illuminating Earth’s past, present, and future

TIAN Jun①②, TUO Shouting①②
①State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China; ②International Ocean Discovery Program, China Of fi ce, Shanghai 200092, China

The new decadal International Ocean Discovery Program science plan covers a 10-year period of operation and highlights four main themes, encompassing a total of 14 scienti fi c challenges. These themes are climate and ocean change: reading the past, informing the future; biosphere frontiers: deep life, biodiversity, and environmental forcing of ecosystems; Earth connections: deep processes and their impact on Earth’s surface environment; Earth in motion: processes and hazards on human time scales. After the theory of plate tectonics led to an epoch revolution of Earth science, the new decadal scienti fi c ocean drilling has the greatest potentiality to trigger the other one.

ocean drilling, Earth science, ocean change and climate, biosphere frontier, Earth connection, Earth in motion

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.04.001

?通信作者，E-mail：tianjun@#edu.cn