新十年科学大洋钻探照亮地球的过去、现在和未来

1 从均变论到板块构造到科学大洋钻探
美国国家科学院的青铜大门借鉴意大利佛 罗伦萨天使之门的风格，采用浮雕镶嵌设计，雕 塑人物选择了八位科学巨匠，从上至下依次为亚 里士多德、欧几里得、伽利略、牛顿、莱伊尔、 达尔文、瓦特和巴斯德，代表数、理、化、天、 地、生等学科，其中莱伊尔是公认的“现代地质 学之父”。 莱伊尔 1830 年正式出版《地质学原理》， 将地球科学上升到科学理论层面。相比数学、 物理学、化学和天文学，地球科学迄今不足200 岁，是一门年轻的学科。《地质学原理》的精 髓可以概括为一句话： “ 现在是认识过去的钥 匙”。莱伊尔倡导均变论，认为揭秘地球的历史 不需要依赖《圣经》，大气降水、风、河流、潮 汐和海洋等自然作用会在漫长的地质年代中慢慢 地雕琢地球的面貌并改变它的内在结构。这一思 想推崇“将今论古”的现实主义原理，对达尔文 创立生物进化论也产生了很大的影响。魏格纳 1910年提出“大陆漂移说”，对均变论的思想提 出挑战。魏格纳设想大约在2亿年前，地球表面 只有一个统一的联合古陆，周围被泛大洋包围，
†通信作者，E-mail：tianjun@tongji.edu.cn
之后联合古陆逐步分裂成若干大陆，它们各自漂 移并最终形成现在的海陆分布形态，而太平洋是 泛大洋的残余[1]。尽管这一假说难以解释大陆漂 移的动力机制等问题，却为后来的板块构造学 说打下了坚实的基础。二战后广泛开展的海底 地质调查让我们对全球的洋底地形有了清晰的 认识 ( 图 1) ：海底下并非一马平川，而是由大陆 架、大陆坡、陆隆、大洋盆地、海山、海沟和大 洋中脊等基本地形单元组成。美国地震地质学 家迪茨通过综合分析海底调查资料于 1961 年提 出“海底扩张说”[2]；郝斯于1962年加以深入阐 述[3]。“海底扩张说”认为，大洋岩石圈在洋中 脊处裂开，地幔炽热的玄武岩熔浆从这里涌出， 冷却固结成新的大洋岩石圈，并把先期形成的洋 壳向两侧对称地推挤，使得大洋海底不断扩张。 瓦因和马修斯发现洋中脊两侧与地形无关的古地 磁极性条带呈对称分布[4]，指示洋壳年龄在洋中 脊两侧呈对称分布，离洋中脊越远洋壳年龄越老 ( 图 2) ，证实了海底自洋中脊向两侧扩张。不久 后的深海钻探也证明最古老的洋壳只有2亿年， 大洋中脊处最年轻，两侧年龄呈对称分布，愈远 愈老。
多种先进的深海探测和取样技术，如进行海底井 下观测的封井技术(CORK)、深海微生物原位取 样和培养技术等，其难度堪与卫星、飞船上天等 航天技术相媲美。40多年的科学大洋钻探和研究 始终是地球科学发展的前沿阵地。自 1966 年以 来，科学大洋钻探分成四个阶段(表1)。
表1 科学大洋钻探的四大阶段 年份 名称 钻探船 美国“挑战者号” 19661983 深海钻探计划DSDP 19852003 大洋钻探计划ODP
域实施的310航次，2009年在美国新泽西岸外实 施的313航次和2010年在澳大利亚大堡礁实施的 325航次在全球海平面变化研究上也取得了重要 的进展。与 ODP 相比， IODP 的科学目标和技术 能力都有质的提高。在学术上，北冰洋首次深 海钻探发现5 000万年前的北极淡水湖和生油沉 积，海底下深处微生物的研究揭示 “ 深部生物 圈”，以及开始对俯冲带钻探准备进入海底以下 6 000 m破译发震机理等，都代表了深海研究的 最前沿；在技术上，日本“地球号”立管钻探船
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图1 全球海底地形图(图片来自《国际大洋发现计划2013—2023科学计划书》)[5]
图2 全球洋壳年龄图(海洋中的颜色代表年龄，单位为百万年。图片来自http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/ocean_age，图片数据 来自文献[6])
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■特约专稿
凝聚了一批深海新技术，观测海底地下水 ( “ 海 底下的海洋 ” ) 的封井技术 “ CORK ” 取得进一 步发展，在天然气水合物和“深部生物圈”的技 术方面，也都有重要的创新。由于经济原因， 十年的 IODP 结束时遗留下大量的建议书无法实 施，学术界对科学大洋钻探的新阶段充满期盼。 2.2 科学大洋钻探的主要成就 科学大洋钻探的主要贡献体现在解决了以 下一些重大的科学问题[5,10]： (1) 检验和确证了板块构造理论，引起20世 纪晚期地球科学的革命； (2) 获得了埋在巨厚海洋沉积物之下的第一 块未受扰动的火山洋壳样品，揭示了洋壳建造过 程的复杂性； (3) 发现了地中海海底之下大范围埋藏的盐 层，证实地中海曾经历数次干涸； (4) 通过古地磁记录、放射性测年和海洋微 体化石等手段建立了高精度的地质时间标尺； (5) 揭示了2亿年的海洋沉积历史，重建了重 大变化和适宜期高分辨率地球演化史和生命史； (6) 证明了地球的气候变化受地球轨道参数 的控制； (7) 利用深海沉积物和珊瑚样品重建了1亿年 以来的全球海平面变化历史，揭示了冰盖的快速 融化过程，证明海平面的升高是全球性的现象； (8) 实现了大火成岩省的浅层取样，尽管岩 浆的大范围喷发可能对地球的气候造成灾难性的 影响，但同时也是我们了解地球深部过程的窗 口； (9) 使我们对大陆的打开、分裂、裂解以及 随之伴生的岩浆作用的认识产生了革命性的改 变； (10) 科学大洋钻探的科学家和工程师建立了 第一个海底井下观测系统，获得了用于探测远程 环境和过程的长期样品和数据记录； (11) 对俯冲板块在汇聚板块边缘循环利用何 种物质进行了初步评估； (12) 查明了爆发地球上最大规模的地震和海 啸的活动板块边界处断层带的特征以及相关的构
在对大量海洋观测资料积累的基础上， 1967年至1968年，剑桥大学的麦肯齐和派克[7]、 哥伦比亚大学拉蒙特观测所的勒皮雄[8]和普林斯 顿大学的摩根[9]等相继提出板块构造学说，将海 底扩张学说扩展到整个岩石圈，全面论述了岩石
圈的运动和演化规律。板块构造学说认为刚性的 岩石圈分裂成许多巨大的块体，如太平洋板块、 亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块 (包括大洋洲)和南极洲板块，它们驮在软流圈上 做水平运动，致使相邻板块互相作用，而板块边
美国“决心号” 美 国“决心号”、 20032013 综合大洋钻探计划IODP 日本“地球号”和 20132023 国际大洋发现计划IODP 欧 洲 “ 特 定 任 务 平 台”
1966年，美国“地球深部采样联合海洋 研究所 ” (JOIDES) 成立，由美国国家自然科 学基金委员会出资，委托加州大学的斯克里 普斯(Scripps)海洋研究所创办“深海钻探计 划”(Deep Sea Drilling Program, DSDP)，由“格 罗码 • 挑战者号 ” 实施钻探。 1968 年 8 月 11 日， 120 m 长的 “ 格罗码 • 挑战者号 ” 深海钻探船首 航墨西哥湾，地球科学史上最大规模的国际合 作计划就此揭开序幕。到1983年DSDP结束时， “ 格罗码 •挑战者号 ” 共完成 96 个航次，航程逾 60 万 km ，在 624 个站位钻井 1 092 口，取芯累计 长达98 km(图3)。 1985年1月， “大洋钻探计划”(ODP)正式开 始执行，由 “ 乔迪斯 • 决心号 ” ( 图４ ) 接替退役 的 “ 格罗玛 •挑战者号 ” 实施钻探。从北极大洋 到南极威德尔海， ODP 覆盖了整个世界大洋。 到 2003 年 9 月， “ 乔迪斯 •决心号 ” 共完成 111 个 航次，在669个站位钻井1 797口，取芯累计长达 222 km(图3)。 2003 年 10 月 1 日， “ 综合大洋钻探计划 ” (IODP)正式启动，由日本的“地球号”、美国的 “ 决心号 ” 和欧盟的 “ 特定任务平台 ” 联合实 施 ( 图 4) 。该计划以 “ 地球系统科学 ” 思想为指 导，计划打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部 生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速 气候变化的过程[10]。日本的“地球号”钻探船是
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doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2015.04.001
■特约专稿
新十年科学大洋钻探——照亮地球的过去、现在和未来
田军①②†，拓守廷①②
①同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；②中国大洋发现计划办公室，上海 200092
摘要 新十年国际大洋发现计划(2013—2023)以探索深部了解整个地球系统为目标，围绕气候与海洋环境、深部生物圈、 地球内部与表层连接、灾害与观测等四大科学主题，预测未来，预警灾害，提出了14个前沿科学问题。继板块构造学说掀 起地球科学领域的一场革命之后，科学大洋钻探将触发地球科学领域新的革命。 关键词 大洋钻探；地球科学；海洋变化与气候；深部生物圈；地球联系；活动的地球
图3 科学大洋钻探全球站位图(截至2015年3月)(绿点为DSDP阶段，蓝点为ODP阶段，红点为IODP阶段。图片来自http:// iodp.tamu.edu/scienceops/maps.html)
图4 从左至右为美国的“乔迪斯·决心号”、欧盟的“特定任务平台”和日本的“地球号”[10]
该阶段最大的亮点。自2007年9月开始，“地球 号 ” 正式实施 IODP 科学钻探，在菲律宾海北部 开展南海海槽发震带试验计划的钻探。在整个 IODP阶段， “地球号”主要围绕南海海槽发震带 展开钻探，在地震的形成机制研究上取得了丰硕 的成果。欧洲联合体在 IODP 阶段共组织实施了 4个航次。第一个航次即2004年的北冰洋古气候 航次 (IODP 302) ，是 IODP 迄今为止最成功的航 次，在探讨极端气候变化机制上取得了令人瞩目 的研究成果；此外，2005年在太平洋塔希提岛海
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■特约专稿
缘则是地壳活动的强烈地带。板块构造以恢弘的 气势建立全球学说，用和谐的框架将大量杂散的 发现组织成一个协调完整的体系，几乎包罗了地 球科学的各个分支，如岩石学、矿床学、构造地 质学、资源与环境等，是地球科学发展史上一次 划时代的革命。 自此，在大洋深处通过大洋钻探和海底观 测研究地球科学成为科学界的共识和愿望。和二 战结束后物理学家提出的原子加速器、登月等宏 大科学计划相比，地球科学家提出的钻穿地壳和 地幔之间的莫霍面，了解地壳和地幔结构特征的 “ 莫霍面钻探计划 ” 毫不逊色。大洋钻探好比 一架从大洋深部伸向地球内部的望远镜，由于 洋壳很薄，从洋底穿透地壳进入地幔比从陆地钻 进要容易得多。1961年，美国启动“莫霍面钻探 计划”，在东太平洋穿过3 558 m深的海水从洋 底往下最深钻进183 m，美国总统肯尼迪专门致 电祝贺，称此举是科学史上划时代的里程碑。虽 然由于技术和高昂的费用等问题，美国国ຫໍສະໝຸດ Baidu投票 否决了对该计划的拨款预算，但“莫霍面钻探计 划”证明了实施深海钻探，获取洋底的沉积层和 基岩样品在技术上是可行的。美国没有终止在大 洋进行科学钻探的计划，改为在洋底打数量众多 而进尺浅的钻井，认为这样不但现实可行而且意 义更大。比如可藉此检验20世纪60年代刚产生的 海底扩张假说。科学大洋钻探给地球科学的发展 带来了新的契机，其深远的影响一直延续至今。 在验证了板块构造学说，创立了古海洋学，验证 和发展了地表气候变化的米兰科维奇假说之后， 地球科学正朝着研究深部生物圈，探索生命的起 源，研究天然气水合物等新的替代能源和揭秘地 震、海啸等灾害机理的方向前进，地球科学正在 酝酿一场新的革命，其影响将远超板块构造学 说。
2 科学大洋钻探的发展阶段和成就
2.1 科学大洋钻探的主要阶段 科学大洋钻探是当今利用海底深部钻探和 观测研究地球科学的最重要的途径，它不仅从海 底深处采集深海软泥和岩石样品，而且开发利用
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