正當全國上下歡度春節(jié)之際，有一批海洋科學家卻比誰都忙：國際大洋鉆探船載著10多位中國科學家，開始進行南海的第二次大洋鉆探。他們蛇年小年夜就從香港起航，馬年大年初一到井位，年初二開鉆。
海洋的科考航次很多，但此次南海二次鉆探引起了全國的廣泛關注。這一回的鉆探為什么如此重要？這話要從40多年前說起……
一、驗證“板塊學說”，大洋鉆探引地球科學革命
大洋鉆探1968年始于美國，但傳到中國已是上世紀70年代末。隨著“文革”結束，中國學術界開始與世界接觸，并聽說有“板塊學說”這一新名詞。原來，地球表層分成多個板塊在運動，它們張開了形成海洋，碰撞了出現(xiàn)山脈。而證明這一板塊學說的正是大洋鉆探—用船上的鉆機向深海底下打井，取上巖芯測定年齡，結果發(fā)現(xiàn)了大洋中間的海底地殼年齡最新，向兩邊越來越老，這就是板塊運動的“海底擴張”。
大洋鉆探難度極大—在4000米深海打鉆，從船上將鉆具送到海底鉆孔，相當于從4000米高空的飛機上向地面投籃。但是，地面的籃框是亮的，海底卻一片漆黑。再向下鉆進海底1000米，那根5000米長的鉆桿長度就相當于5條上海南京路步行街。再說，深海不能拋錨，鉆探船要穩(wěn)定在同一鉆孔上方連續(xù)作業(yè)，才能把鉆成的完整巖芯從海底取上。
因此，大洋鉆探是國際海洋高科技的結晶，也是幾十年來地球科學新發(fā)現(xiàn)的源頭。繼美國之后，法、英、日等發(fā)達國家紛紛加入大洋鉆探而形成了國際計劃，到現(xiàn)在歷經(jīng)40多年、盛況不衰。到幾年前，它已經(jīng)發(fā)展為20多個國家參加、年預算接近2億美金的巨型國際合作。大洋鉆探受重視的根本原因，是人類對深水海底以下幾乎一無所知，因此大洋鉆探不僅能夠證明板塊學說，還是各種重大科學發(fā)現(xiàn)的源泉。
深海沉積是千萬年來海洋變遷的歷史檔案，大洋鉆探把埋沒在海底的“史書”取了上來，發(fā)現(xiàn)了出人意料的史前奇聞。比如，在地中海底發(fā)現(xiàn)了大量鹽層，說明600萬年前一度干枯成了曬鹽場；北冰洋曾經(jīng)是個暖溫帶的淡水湖，5000萬年前飄滿了浮萍滿江紅；大洋鉆探還證明了6500萬年前恐龍滅絕的原因，確實是小行星撞擊了地球。
大洋鉆探還有直接應用價值的發(fā)現(xiàn)，主要在于資源和防災方面。比如，大洋鉆探揭示了深海形成金屬礦的“熱液”，和蘊藏“可燃冰”的“冷泉”區(qū)；發(fā)現(xiàn)了生活在海底巖石里的微生物群—“深部生物圈”，這里是地球上微生物最大的儲庫，它們可以享有遠超“萬歲”的高壽；在地震海嘯的多發(fā)帶，大洋鉆探可為災害尋找原因、提供預警。大洋鉆探成了地球科學中規(guī)模最大、歷時最久、成績也最為顯著的國際合作計劃。
1982年，著名的華人科學家許靖華寫了一本德文書《一條船引起了科學革命》，譯成多國文字，中文叫“地學革命風云錄”，說的就是這條大洋鉆探船的故事。
二、相隔15年，兩個航次起航“背景”天壤之別
深海領域的探索長期以來是發(fā)達國家的“專利”，大洋鉆探也素來是“富國俱樂部”。現(xiàn)在情況又有變化，“金磚四國”已有三個國家參加，其中，中國比印度和巴西早參加10多年。但是，中國參加大洋鉆探，也有過曲折的經(jīng)歷。
大洋鉆探計劃經(jīng)歷了四個階段：最初叫“深海鉆探”（DSDP，1968-1983），后來叫“大洋鉆探”（ODP,1985-2003）和“綜合大洋鉆探”（IODP,2003-2013）,現(xiàn)在開始的是“大洋發(fā)現(xiàn)計劃”（2013-2023），英文還是IODP。
在ODP開始的1985年，我國學術界組織了“大洋鉆探委員會”爭取加入。但是加入是要交美金的，在嚴重缺乏外匯的80年代，每年幾十萬美金的成員費簡直是天文數(shù)字。一直等到1996年，國務院批準參加國際大洋鉆探，1997年才正式加入。幸運的是我們提出的南海大洋鉆探建議書，在當年全球各國建議書的評價中以第一名的優(yōu)勢脫穎而出，1999年春就實施了南海的ODP184航次，在中國科學家提議、設計和主持下，實現(xiàn)了中國海域首次的深?？茖W鉆探。
不過，南海首次大洋鉆探并非一帆風順。按計劃，第一口井應當打在南沙海域的深水區(qū)，南沙在英文里也叫“危險海底（Dangerous Grounds）”，意指暗礁林立、航行艱險。
記得就在大洋鉆探進入南海之前，我們還遇上了海盜事件。當時，美國船長向全體宣布：鉆探船直奔東沙海區(qū)，放棄南沙井位。后來是在我們嚴正交涉、堅持原定計劃，并得到我國主管部門有力支持、告知“中國海軍將關注你們航次”的情況下，南沙鉆井終于實施。開鉆時候按照美國船長的命令，船上升起了中國國旗。迄今為止，這是南沙唯一的深海井，也是ODP184航次里科學成果最多的一站。
15年前的首次南海大洋鉆探采集了5000米的深海巖芯，取得了西太平洋區(qū)最佳的長期沉積記錄，發(fā)現(xiàn)了氣候演變長周期等多種創(chuàng)新成果，使我國一舉進入國際深海研究的前沿。然而，與現(xiàn)在正在進行的南海第二次大洋鉆探IODP349航次相比，兩者之間真可以說有天壤之別。
15年前，中國是以“參與成員”身份加入大洋鉆探計劃，每年交50萬美金；現(xiàn)在我們是每年交300萬美金的“全額成員”，而且為349航次提供600萬美金資助，使之安排為新十年IODP的首個航次。當年作為“參與成員”，我們只能每個航次有一位科學家上船，南海的184航次爭取到3個名額，加上我作為首席科學家，中國大陸總共只有4人參加。15年后的第二次南海大洋鉆探，我國上船科學家有13人，再加上海外華人科學家，幾乎占船上科學家總數(shù)的一半。此外，這一次鉆探的目標任務也更加遠大，堪稱是啃“硬骨頭”。
這里說兩個簡單的數(shù)字：15年前是在水深兩三千米的地方打鉆，而這次水深都在4000米左右；上次我們打鉆的井最深進尺850米，而且只打海底軟性的沉積巖，而這次最大的井深將近2000米，還要鉆探硬巖石—海洋巖石圈的火成巖。
大洋鉆探為我國地球科學注入了新鮮活力。南海首次大洋鉆探以來，我國初步形成了一支深?；A研究的隊伍，迄今有全國18個單位43人參加了深海鉆探的航次，數(shù)百人參加研究，培養(yǎng)了22名博士、54名碩士。ODP184航次還大大推進了南海的深海資源勘探。1999年以來，油氣勘探和深海探測的地震測線都從大洋鉆探井穿過，客觀上為南海深水油氣勘探提供了寶貴的科學背景。
展望將在今年3月底結束的IODP349航次，我想，科學家們必定會有更多發(fā)現(xiàn)，一定會把我國的深海研究進一步推向國際前沿。
三、“行星循環(huán)”，地球科學未來發(fā)展方向
作為一項國際合作，大洋鉆探計劃能夠歷經(jīng)四、五十年而不衰，動力從哪里來？關鍵在于它節(jié)節(jié)攀升、不斷更新的科學目標。大洋鉆探四大階段，每進一個階段制定一份新的科學計劃，最近為2013-2023年新制定的IODP科學計劃叫“照亮地球”，其中最“亮”的內(nèi)容是“地球連接”，或者叫“行星循環(huán)”。
人類生活在地球表面，但是生態(tài)環(huán)境變化的原因并不都出自地球表面。隨著科技發(fā)展，上世紀60年代，人類終于能克服地心引力進入太空，又發(fā)明了遙感技術從空中觀測地球；到80年代，出于對溫室效應的憂慮，又開展了“全球變化”的研究，“上窮碧落下黃泉”地尋找二氧化碳排放后的下落。但是，從土壤到大氣，從陸地到海洋，所有這些都還是在地球表層。近年來，越來越多的證據(jù)都在說明，地球內(nèi)部的過程對于表層有著重大的影響。到至今為止，人類對這些影響還缺乏認知。
決定人類生態(tài)環(huán)境的兩大因素是水循環(huán)和碳循環(huán)，科學家成天在地球表面研究它們，殊不知，更多的水和碳是在地球內(nèi)部?？扇祟悺叭氲亍钡哪芰?，遠遠不如“上天”。地球半徑6300多公里，地殼的厚度只占幾十公里，而人類最深的鉆井只打穿了12公里。地球的大部分屬于地殼下面的地幔，它占地球體積的84%，地幔里的水和碳要比地球表面多許多倍。地球表面97%的水在大洋里，而地幔里的水至少相當于1.5到5.5個大洋。
再來說地球上的碳。雖然目前對地球內(nèi)部碳總量的估價十分懸殊，相差至少二十倍，但是怎么說都比地球表層的碳儲量要高出幾個數(shù)量級。當然，地球內(nèi)部的水和碳的賦存狀態(tài)與地球表層不同：地幔里的水鎖在礦物的晶格里，在高溫蓋壓下的碳也是面目全非。比如，地幔里居然有個金剛石富集層，可惜人類沒有本事進去開采。然而，地球內(nèi)部的水和碳，是在和表層不斷交換著的。通?；鹕奖l(fā)噴出的氣體，60%是水汽，10%-40%是二氧化碳，但更大量的交換發(fā)生在海底。海底是漏的，大量的水和碳酸鹽隨著板塊從深海底俯沖到地幔深處，又有大量的水和碳從地球深處冒出海底。海底的“二氧化碳湖”，“可燃冰”里的甲烷，和“深部生物圈”里的有機物，至少一部分的碳來自地球內(nèi)部。但是這種交換并不平衡，從表層流進地球內(nèi)部的水多、流出來的少，有人推測六億年來地球表面的水流失了6%-10%。
將地球表面和地球內(nèi)部結合起來研究水循環(huán)和碳循環(huán)，這就是“行星循環(huán)”，也就是新十年大洋鉆探的科學亮點。說到底，直接探測地球內(nèi)部的唯一辦法還只有打鉆，而深海海底正是最貼近地球內(nèi)部的地方。
當然，探索地球表層和內(nèi)部的關系遠不限于水循環(huán)和碳循環(huán)。比如地球表面的海盆張裂、山脈隆起，這類構造運動的推動力就在地球內(nèi)部，就在地幔物質(zhì)的對流。今天的亞洲和西太平洋之間，夾著一串從白令海到南海的邊緣海，其成因就在地球內(nèi)部：1.5億年來估計有3萬公里長的板塊，沿著西太平洋邊緣俯沖下去，形成了“板塊的墳場”，隨同帶進來的水使得這里的地幔運動格外活躍，以致上方的地殼張裂，形成了一系列的邊緣海?？梢?，“行星循環(huán)”能為地球表面的許多現(xiàn)象提供鑰匙，這也正是南海349航次科學目標的重點所在。
四、走向深海，中國要在“三深”上發(fā)力
自從國際大洋鉆探計劃建立以來，擔任核心領導角色的一直是美國，也只有美國有大洋鉆探船，先是“格洛瑪·挑戰(zhàn)者”號，1985年期改用“JOIDES決心號”。到了90年代，日本科技界上書首相建議建造自己的大洋鉆探船，稱日本將“因擁有此種設備而得到在發(fā)展新興科學中起領導作用的機會”，向美國叫板。
2002年，日本“地球號”下水，這條5.7萬噸的大洋鉆探船比美國“決心號”大5倍，而且可以用泥漿鉆探，2012年創(chuàng)造了鉆進海底7740米的世界紀錄。前幾年，國際大洋鉆探計劃出現(xiàn)了美、日共同領導的局面，后來為節(jié)省開支，連辦公室也搬到了東京。但是去年美國又突然宣布分家：日、美兩條船在“大洋鉆探”總計劃下分頭經(jīng)營，現(xiàn)在我們和二十多國參加的是美國的部分，來南海鉆探的也是美國的“決心號”船。
深海探索有多種手段，曾經(jīng)被比喻為深潛、深網(wǎng)和深鉆的“三深”。
說到深潛器，最有名的是美國的“阿爾文號”，30多年前發(fā)現(xiàn)過深海熱液和熱液生物群。如今我國有了自己的載人深潛器“蛟龍?zhí)枴币约岸嗯_不載人的“水下機器人”，還有更多臺正在建造之中。
“深網(wǎng)”是指鋪設海底的觀測網(wǎng)。在這一領域，美國、加拿大、日本都已有重大建樹，“深網(wǎng)”就相當于建在深海底的實驗室和氣象站。近年來，我國也已動手建造，并把它列入“十二五”的大科學工程。
“深鉆”指的就是大洋鉆探。無論從資源投入到科學效果來說，都是“三深”的“重中之重”。深海鉆探船好比深海探索的“航母”，從“行星循環(huán)”的高度展望深海研究，在今后的年代里，“航母”的作用將更加顯著。但是，目前的兩艘鉆探船并不足以完成新設立的科學目標。
美國“決心號”造于1978年，雖然曾兩度翻新、現(xiàn)在也處于極佳的狀態(tài)，但畢竟已是“夕陽”晚年，早晚有退休的一日。日本“地球號”先進、但是太大，每天花銷50萬美金，當年啟航時曾號稱要去“打穿地殼”，現(xiàn)在看來技術并不成熟，至少近10年的IODP內(nèi)難以實現(xiàn)。歐洲沒有自己的大洋鉆探船，一度設計了“北極之光”破冰鉆探船，但因為缺乏經(jīng)費而胎死腹中。可見，2023年新IODP十年計劃結束之時，國際大洋鉆探計劃將面臨缺乏“航母”的困境。而且真要打穿地殼，實現(xiàn)“行星循環(huán)”的科學目標，還需要更加先進的大洋鉆探船。
目前，北歐發(fā)展的新技術為走出困境帶來了一道曙光：采用新技術將泥漿泵放在海底，從而出現(xiàn)一種“美國船的大小、日本船的功能，比現(xiàn)有兩艘船都更為先進”的新一代大洋鉆探船。但綜合總體情況看，美、日、歐三方都不可能承擔這項任務。不久前，我國的大洋鉆探專家委員會提出了我國建造新型大洋鉆探船的目標，設想的正是建造新一代的鉆探船。如果中國能夠下定決心，通過科技與產(chǎn)業(yè)相結合、獨立自主和國際合作相結合的道路，建造自己的大洋鉆探船，我們就將能問鼎世界深海研究的頂層，向建設海洋強國跨進一大步。但鉆探船是要靠人來操作和使用的，為此我國現(xiàn)在就要加緊建設自己的深海科技隊伍，以迎接未來的重任。
我國海洋意識的覺醒和深海研究的起步比許多國家都晚，深?？萍寂c國際前沿的差距也比許多領域都大，只有采用非常規(guī)的對策，才能早日實現(xiàn)建設海洋科技強國的理想。其中，大洋鉆探作為深海探索的前沿陣地，正是我們可能的突破口。當前，中國的海洋事業(yè)，正在經(jīng)歷著鄭和下西洋六百年來的最佳時機。如果能抓住機遇、在深?？萍忌蠈崿F(xiàn)突破，必將能為華夏振興作出全方位的歷史貢獻。
（作者系中科院院士、同濟大學海洋與地球科學學院教授）
