来源：文汇报 发表时间：02/21/2014
汪品先
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……
1 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”。
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。
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。
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。
1982年，著名的华人科学家许靖华写了一本德文书《一条船引起了科学革命》，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。
2 相隔15年，两个航次起航“背景”天壤之别
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。
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。
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”。
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。
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。
3 “行星循环”，地球科学未来发展方向
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”。
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。
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。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%。
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。
4 走向深海，中国要在“三深”上发力
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”。
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。
“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。
“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。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。
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。
（作者系中科院院士、同济大学海洋与地球科学学院教授）