新十年科学大洋钻探——照亮地球的过去、现在和未来

田军，拓守廷

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

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

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。

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

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，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。

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])

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，美国国会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

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。

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]

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造活动过程；

(13) 发现从大洋中脊到深海海沟的海底下均存在大规模的流体活动；

(14) 发现在海底下1 600 m深的沉积物中，甚至在洋壳和火山壳里，存在以前不为人知的生物圈。

3 照亮地球的过去、现在与未来

2009年9月，“综合大洋钻探计划”执行管理机构在德国不来梅大学组织召开新世纪的科学大洋钻探计划(简称INVEST会议，The IODP New Ventures in Exploring Scienti fi c Targets)会议，来自21个国家的近600名科学家参加了会议。INVEST会议回顾和总结了IODP执行情况和科学成就，讨论了2013年后IODP的科学目标、组织形式、资金来源和技术手段等。会后成立科学计划书编写委员会，负责起草新十年(2013—2023年)IODP科学计划书，该书于2011年6月正式发布。这本共84页的新科学计划书为新的科学大洋钻探确定了4个方面的科学主题和14个科学挑战[5]。

科学主题一、气候与海洋变化，解读过去、预示未来

挑战1：地球气候系统对大气CO2浓度增高如何响应？

由于大气CO2浓度的上升，近几十年来北半球高纬地区的变暖正在加速，造成北冰洋夏季海冰面积大量减少，格陵兰和西南极的极地冰盖损失加速。这些变化的发生速率比原先的预期更快，说明地球系统中某些部分比现有气候模型所指示的更为敏感，也更活跃。突破气候阈值的可能性是存在的，特别是在冰雪反照率反馈最强的高纬地区。要理解气候发生快速变化的风险，就必须从长远的角度来看地球对大气温室气体增高的响应。通过深海钻探将大气的CO2地质记录扩展到人类器测和仅有的最近几个冰期旋回的冰芯记录之前，甚至扩展到那些大气CO2浓度与现代水平相当，以及远高于现代值而与几十年后的预期值相当的更遥远的时代(图5)，使我们能够：①改进对全球气候系统的敏感性估计；②确定温室气体浓度升高时冰盖和海冰的损失量；③理解在高CO2浓度的情况下，热带温度、上升流以及厄尔尼诺的变动；④确定关键的物理和化学过程，改进气候系统模型。

图5500 万年来(a)全球冰量及(b)大气CO2浓度记录[5]

挑战2：冰盖和海平面对气候变暖作何反应？

人类器测的最早海平面记录只到150年前，这一时期全球平均海平面上升仅0.2 m左右，较预测的未来上升幅度要小得多。相比之下，海平面变化的地质记录包含了海平面在更大范围变化的全面信息，从完全无冰且海平面比现代高出数十米的气候暖期，到冰盖覆盖北美和欧洲的大部分且许多陆架和陆桥出露的大冰期。这些记录可以通过大洋钻探获取。通过科学大洋钻探，可以减少我们理解过去海平面变化幅度和速率的不确定性。

挑战3：降水分布由什么控制？比如季风和厄尔尼诺的降水分布是受什么控制的？

由于实验室工作人员的待遇跟授课教师的待遇差别很大，没有得到同教学科研人员同等的待遇，导致很多实验室管理人员数量不足，并且存在散漫管理的现象，所以，民办高校要通过多种渠道提高实验室管理人员的工作热情。

热带东太平洋的变暖事件，即所谓的厄尔尼诺事件，使得地球上某些地区洪水肆虐，而另外一些地区干旱。这些事件体现了水资源的脆弱性，容易受到海洋温度微小变化的影响，同时也突显了探寻全球水循环控制因素的迫切社会需求。在亚洲和非洲，有40亿人口依靠季风降雨生活，了解温室气体浓度增加和全球变暖对降雨分布的控制机制显得尤为重要。

首先，通过在大陆边缘钻探，获得同时包含大陆和海洋信息的连续的、精确定年的记录，对于提供详细的陆地降水模型和植被变化的信息具有很大的潜力。其次，通过大洋钻探重建过去表层海水温度的梯度，这些经向和纬向的温度模型是决定气旋的形成和强化以及气候带的大小和位置的主要因素。第三，大洋钻探将调查平均气候模态、太阳辐射和温室气体浓度有所不同的不同时间段内的区域气候变化特征。这样，从一个大的动态范围内，获得不同气候条件和气候强迫的资料，认识水文变化的机制，为预测未来水循环的可能变化提供宝贵的见解。最后，大洋钻探还将探索构造-气候的相互作用在地球系统演化中所扮演的角色。

挑战4：大洋化学成分发生变动后，是如何恢复的？

人类活动导致化石燃料中的碳及肥料大量进入大气和海洋，造成很容易观测的环境化学扰动。大洋对CO2的吸收导致表层海水的“酸化”，这将威胁许多具有重要经济价值的海洋生态系统(例如珊瑚礁和海岸上升流区)。要中和地质上瞬时输入海洋碳系统的CO2可能需要若干万年的时间，但在短期内，大洋酸化对海洋生物是一场毁灭性的打击。河流向海洋输送的氮通量增加会引起水体富营养化和氧含量缺失，进而形成缺氧带而威胁鱼类和甲壳类的生存，直至摧毁渔业。海洋生物对这些化学扰动的响应也可以影响大气温室气体浓度和气候变化。尽管器测数据和实时观测可以描述海洋化学及与之相联系的生态系统的短期瞬态特征，但只有通过大洋钻探获取深海沉积的长岩芯，才能最终理解这些地球系统的长期行为，尤其在那些比现代更暖的地质历史时期，比如白垩纪或始新世大暖期。

科学主题二、生物圈前沿，深部生命、生物多样性和生态系统的环境作用

挑战5：海底群落的起源、组成及全球意义是什么？

对深部生物圈(图6)的起源和演化、微生物生长的机理，以及深海环境的改变如何影响微生物的总量等问题的理解，既可以使我们对地球古老生命的演化有更为深刻的认识，又可以为我们思考太阳系及其他星系可能存在的生命形式提供线索。为了更好地调查和理解这些极端环境下生命形式的本质，我们需要采集生物化石和活的生物种群，了解它们的代谢活性、生理适应性，以及定位深部生物圈在沉积物与岩石演变过程中，对洋壳水文系统和生物地球化学循环方面的作用。科学大洋钻探能为以上研究提供一个很好的平台，也能够为蓬勃发展的深海生物圈的国际研究提供帮助，比如深部碳观测平台。通过大洋钻探对海底环境中微生物的研究，也在整体上提高了对海洋微生物群体的认识。例如，对深埋在有氧沉积物中的厌氧微生物和深埋在低温沉积物中的嗜热微生物的研究将会提高对微生物生存策略、海洋中微生物群体分布以及群体如何在上覆水柱中聚集等这些问题的理解。大洋钻探也可用来调查微生物的生理适应性和在相应的生物地球化学过程中生物群落之间的相互作用。通过大洋边缘海沉积钻探，有助于帮助我们理解微生物在海洋和陆源碳水化合物储库(如煤炭和泥炭)中的作用。通过对活跃的蛇纹石区域的研究，我们可以调查海底生命对光合作用的依赖程度。对有机物丰富的缺氧沉积物(上升流区域)和有机物贫瘠的沉积物(中太平洋涡流)的研究，则有助于我们理解矿物氧化和还原的程度，来证明海底生命的存在。最后，科学的大洋钻探也为研究宏基因组的快速发展提供了充分的机会。

挑战6：海底深部的生命极限是什么？

图6 深部生物圈的存在形式。生活在热液口、泥火山及深海甲烷溢漏区的微生物可以在没有太阳能的情况下合成有机碳。尽管总量的大小还不确定，但是这些化能自养生物在碳循环及其他循环上同样起着重要的作用[5]

目前，我们对生命极限的了解仅限于实验室中的“记录保持者”，通过对培养基中某些成分的限制来寻找纯培养微生物的生化阻断点(即生命极限)。大洋钻探能够给我们提供海底微生物生存的环境信息。海底环境多样，变化梯度大，具体表现为：盐度、温度、多孔性及pH值的变化大，食物(如有机物、还原性金属、溶解态氢等)及氧化物(如氧气、硫酸盐、氧化态金属等)可利用性广，还有对海底液体的连通性变化大。通过分析钻探得到的岩芯样品可以获得在不同海底环境中微生物群落的特征信息。通过对岩芯材料中生命的检测和定量，我们可以界定地球深部的生命禁区。在深海钻探船上可以对获取的不同环境中的岩芯进行微生物群体的研究，结合深部原位实验室进行生长实验，在室内实验室对获得的细胞样品进行生物化学研究，这些都能够促进我们对生命极限的理解。

挑战7：生态系统和生物多样性响应环境变化的灵敏程度如何？

大量的生态系统研究表明：快速的环境变化会导致全球重要的生态系统的突变。生物多样性历史(包括物种的起源与灭绝、物种的流动速率以及物种稳定)以及生物多样性和环境变化之间的关系只能通过对化石记录的分析来对其量化与模拟。海洋沉积物保留了上溯到数千万年以来分辨率为1～10年的生物与环境变化记录。这些沉积记录对分析气候突变的速率和振幅以及记录生态系统对不同环境变化的多样性响应尤为重要。深海沉积中保存的海洋化石记录为研究气候变化和阈值变动速率造成的全球范围内的种族灭绝与形成速率以及长距离的海洋迁移率提供了可能。在这些观测结果的基础上，我们可以更好地评估和预测生态系统对将来的气候变化响应的动态过程，以及测试包括物种适应、形成、迁徙和灭绝基础生态学问题。

为了提高对人类起源发展的认识，需要围绕非洲大陆以及在沿着人类迁徙到亚洲、澳洲和南太平洋路线的海洋区域进行钻探。深海岩芯中的花粉、尘土和其他陆源物质提供了源区的生态系统和环境变化记录。为了弄清过去的快速气候变化事件对人类社会生存的影响，科学大洋钻探计划需要在人类社会发展中心的附近海域获取岩芯，比如波斯湾、地中海、南美洲以及东南亚，在全球环境框架下来研究导致物种进化、独特远古种群出现和特定种群灭绝的因素。

科学主题三、地球联系，深部过程及其对地表环境的影响

挑战8：地球上地幔的组成、结构和动力学是什么？

目前的技术进步已能保证在大洋钻探船上钻取一个完整的洋壳剖面，确定莫霍面的性质，获得地幔的原位样品(图7)。钻穿洋壳进入地幔将穿过莫霍洛维奇不连续面(“莫霍面”)，它是地震波速突然增大的地方，长期被认为是代表由地幔熔融所形成的岩石(地壳)与下伏熔融迁移岩石(剩余地幔)之间的界面。检验这一假说并了解地壳内精细的地震分层特征将极大地增强科学家根据洋盆内钻井观测资料外推的能力。钻探还将对用于量化地幔根本属性(包括温度、黏度和流向)的模型提供关键约束。地幔物质的获取能够使研究者超越地幔熔融的理想模型，并检验多重熔融事件和熔融-岩反应是如何发生的。地幔钻站位的选择标准包括具有典型地壳的厚度(5～7 km)和地震结构、明确的地震莫霍面结构、下伏地幔强烈的地震各向异性，以及远离板内火山活动的影响而地质历史简单。目前在太平洋确定了三处潜在区域：夏威夷西北海域、中美洲海岸外和加利福尼亚半岛海岸外。

挑战9：海底扩张和地幔熔融如何与洋壳结构相联系？

为了了解海底扩张、地幔熔融和洋壳结构之间的联系，需要科学大洋钻探获得岩石和钻井资料。IODP试图获取一个完整的自喷溢熔岩到莫霍面的快速扩张洋壳剖面(图7)。由于快速扩张脊处形成的洋壳相对均一，一口深井就能够推动对过去2亿年间覆盖了地球2/3表面积的诸多地质过程的理解。这一取样计划将使得研究者能够定量研究洋壳大部分的总体成分，分析来自地幔的熔融物质与海底和近海底获取的样品之间的化学联系，并检验岩浆加积的各种模型。为了对慢速扩张脊的过程、组成和结构有更好的了解，除了完成单个深钻外，IODP还将钻探慢-超慢速扩张地壳处的“构造窗”，了解深地壳和地幔。科学大洋钻探将确定大陆裂谷作用和形成大火成岩省的熔岩流之间的相互关系。钻探也提供了穿透大陆边缘巨厚沉积物的唯一机会，这里记录了从大陆破裂到稳态海底扩张的转换过程。

图7 (a) 东赤道太平洋快速扩张的东太平洋海隆东翼，ODP/IODP 1256D钻孔及其周缘，已知和推测的地层示意图(钻孔中已打穿的深度显示为黑色，灰色部分表示IODP计划中的洋壳和地幔最上部的钻探深度)；(b) 深海洋壳侵入岩的正交偏光显微照片，鲜艳的橄榄石晶体保存了深部地壳及地幔过程的记录，可用最先进的微量元素、同位素和气体分析来解译这些过程；(c) 北纬23°大西洋慢速扩张洋中脊三维示意图，显示拆离断层如何使地幔橄榄岩出露在海底，在与海水反应后橄榄岩蚀变成蛇纹岩(此处显示的穹状隆起块体垂直延伸(由暖色到冷色渐变显示)超过3 km)[5]

挑战10：洋壳与海水之间化学交换的机制、程度和历史是什么？

海水的化学和同位素组成反映了主要受控于河流输入、岩石圈内流体交换和生物循环等通量间的动态平衡。这些通量取决于全球地质过程，如海底扩张、岩石圈冷却、造山运动、气候变化和生物系统演化等。在海底扩张中心高温热流喷口(“黑烟囱”)的发现证实了大量海水衍生的流体通过洋壳循环，在岩石圈和海洋之间转移物质和热量，而在大洋中脊两翼甚至有更多的低温流体通过洋壳，它们吸取了1/3的与岩石圈冷却有关的热量。尽管在洋壳热液蚀变中发生的单个“流体-岩石”反应的性质已被大致了解，但化学交换的规模和分布仍缺乏量化。最近的研究表明像蛇纹石化等地质过程可能影响了海水的化学性质以及地球化学和生物地球化学循环(图7)。IODP将沿着板块运动的轨迹在不同年龄的洋壳上钻探一系列钻孔，不同钻孔所在位置的洋壳其海底扩张速率迥异，构造和岩浆样式也不尽相同。通过分析岩芯和测井记录，并结合地质年代学和海底观测，提供洋壳化学蚀变的速率、规模和分布记录，也可重建岩石圈蚀变过程对海洋化学的影响记录。

挑战11：俯冲带如何开始形成？挥发性物质如何循环？陆壳如何形成？

了解俯冲、岛弧火山作用以及陆壳形成之间的联系需要对活跃的古代沉积、火山和地壳体系实施钻探。由于伴随岩浆输出的晶体物质携带了岩浆来源的信息，岩浆输出的时间记录对鉴别导致总体安山质的岛弧地壳的深部岩浆过程至关重要。钻探获得的物质将揭示来自地幔、沉积物、火成岩，以及俯冲海洋岩石圈的剩余地幔部分对岛弧的相对贡献，并能帮助检验陆壳形成的模式。

科学主题四、活动的地球，人类时间尺度上的过程和灾害

挑战12：破坏性地震、滑坡、海啸发生的控制机制是什么？

科学大洋钻探已准备通过直接取样和活动区连续实时的原位监测来阐明地震和断裂过程，特别是捕捉地震周期中某时某地能被观察到的瞬间变化。例如在接近破裂的断层带，或是在沿着最近断裂过并正在重新累积应力的断层上(图8)。对地质灾害的了解也阐明了洋底长期构造和地球化学演化过程。例如，地壳地震活动可伴随发生大洋岩石圈的水合作用和蛇纹石化，随后影响俯冲带的构造、地震活动和全球碳循环。与此类似，支配物质通量、地球化学演化与岛弧形成的过程也影响火山喷发和部分崩塌灾害。随着海底观测网络的发展，电缆、浮标、卫星和其他通信工具的连接为解决和适应地球系统突变过程提供了条件。科学大洋钻探通过提供各种途径来获得海底的样品，测量各项性质和监测地表下环境的变化，必将扩展我们对于地质灾害发生的时间、规模以及机理的认识。

图8 地震断层听诊器。图中为正在建设中的日本南海海槽发震带试验观测台的一部分。通过测量岩石应力、地震活动、孔隙流体压力、流体成分、温度等，可以捕捉微小的地震瞬变信息。钻孔观测台获得的地震和应变图像比基于陆地的遥感观测甚至是海底观测都更为清晰，真实可靠地记录了原位参数随时间的变化，有助于揭示地球应力场累积和释放的全过程[5]

挑战13：支配碳在海底以下储存和运移的因素和过程有哪些？

研究天然气水合物的分布、潜在利用和可能导致的灾难对人类以及地球生态系统都具有深远的意义，如我们想在这些领域取得进展，必须做到以下几点：①确定海底以下以各种形式存储的碳的量；②确定碳从海底带入和带出的速率；③确定在大陆边缘和深海是否有碳被截留。这些研究也将为了解海底以下的水文、物理、生物地球化学等过程提供基础信息。全球天然气水合物储量惊人，被认为超过了所有已探明的陆地烃类资源储量(包括石油、天然气和煤)的总和，但同时也带来了巨大的环境挑战。水合物处在一个动态的状态，对压力、温度和深部碳流的变化非常敏感。地质时期的水合物分解曾导致大量甲烷向海洋和大气中释放，这或是快速气候变化的原因所在。水合物的快速分解也可能引发大陆边缘局部和区域边坡坍塌。通过科学钻探，可以获取岩芯样品，确定原位水合物分布，监测其形状和条件随时间的变化，从而解决水合物系统中的碳输运问题。“碳截留”的陆地试点研究正在运作当中，接下来需要评估海底以下的储碳潜力。废弃的油气田、卤水层和洋壳的各个层位都具备大规模储碳的能力，而洋壳的储碳潜力尤其惊人。通过与国家层面或其他国际计划合作，科学大洋钻探能够为开展海底以下的“碳截留”试验提供条件(图9)，并有助于了解渗透网络的性质，估计固碳(包括矿化和圈闭)的程度和速率，以及评价海底以下微生物群落对长期二氧化碳存储的影响。

图9 科学大洋钻探使原位监测和干扰实验得以施行，这为在沉积层(a)和火成岩地壳(b)中进行二氧化碳地质捕获和存储的基础性研究提供了机遇。图(b)展示了多个在钻探过程中建造的钻孔观测站，由于热液活动的“虹吸”效果，大洋底层的冷水可由观测站钻孔渗入可渗透的洋壳(蓝色箭头)。玄武岩或橄榄岩水-岩反应可通过碳酸岩化作用捕获和“截留”二氧化碳[5]

挑战14：流体与海底以下构造、热和生物地球化学过程的联系如何？

很多全球过程的本质都是流体活动，包括固体地球的热散失、成矿、人口聚集区的张力累积和释放(地震和滑坡)、近岸区的碳和营养循环等等。流体活动既供养着深海的生物群系和奇异的海底生物群落，又能造成地震以及地壳的裂隙化和冷却。它不但控制着岩石圈改造的方式，而且控制着俯冲带挥发分的输入和输出。水下水文地质循环与陆地地下水系统相连，即在陆地和海洋体系之间存在穿越大陆边缘的大量流体交换。我们可以通过采集沉积物、岩石和流体样品，或通过原位观测(包括在自然或人为诱导的扰动下进行系统响应的时间序列分析)，来弄清楚并量化这些流体-媒介系统及其过程。钻探是获取关键样品和数据，整合时空尺度并建立长期海底以下水文体系观测的唯一可行途径。

国际大洋发现计划在以下三个区域面临钻探、取芯和测井的挑战：A区域，在有限的几个地方进行深入大洋底或大陆边缘的深部钻探(2～7 km)；B区域，在海底进行多孔钻探，进尺从浅(约100 m)到中等深度(约2 km)，力争在500 m或更深的地方取芯率能达到100%；C区域，在极端环境下钻探，例如浅水(＜100 m)和高纬北极地区。总的来说，A区域任务将由“地球号”完成，B区域任务将由“决心号”完成，C区域任务将由特定任务平台完成，彼此间可能存在一定的任务重叠，以满足科学计划中不同科学主题的研究要求。

4 中国面临的机遇和挑战

新十年国际大洋发现计划的第一个航次IODP349航次由中国科学家提出科学钻探建议书并主导，于2014年2月至5月在南海成功实施钻探。这是继1999年ODP184航次之后由中国人主导在南海实施的第二个科学大洋钻探航次。IODP349航次在两个月的时间里完成了5个站位的取芯和2个站位的地球物理测井工作，钻探深度共4 300 m，其中沉积岩取芯约2 300 m、基底玄武岩取芯约200 m，来自11个国家和地区的32位科学家(包括12名中国科学家)完成了大量的地质、地球化学、地球物理、微生物等多学科测量和分析工作，成功实现了航次的科学目标，在深入认识南海的地质演化上迈出了跨越性的一大步。中国已正式加入新十年国际大洋发现计划(2013—2023)，年缴会费300万美元，成为美国“决心号”钻探平台的正式成员。中国大洋发现计划专家委员会为中国的深海研究制定了三步走的发展战略，从设计实现更多的自主航次到规划采用新技术建造中国的大洋钻探船，无不体现了我们要在新一轮的地球科学研究中贡献才智的决心。

(2015年4月3日收稿)

[1] WEGENER A. The origin of continents and oceans [M]. New York: E. P. Dutton and Co., 1924.

[2] DIETZ R S. Continent and ocean basin evolution by spreading of the sea fl oor [J]. Nature, 1961, 190: 854-857.

[3] HESS H H. History of ocean basins [M]//ENGEL A E J, JAMES H L, LEONARD B F, eds. Petrologic Studies: A Volume to Honor A. F. Buddington. Boulder, CO: Geological Society of America, 1962: 599-620.

[4] VINE F J, MATTHEWS D H. Magnetic anomalies over oceanic ridges [J]. Nature, 1963, 199: 947-949.

[5] 国际大洋发现计划2013-2023科学计划书，照亮地球—过去、现在与未来[M]. 中国综合大洋钻探计划办公室，等，译. 上海: 同济大学出版社, 2011: 1-84.

[6] MÜLLER R D, SDROLIAS M, GAINA C, et al. Age, spreading rates, and spreading asymmetry of the world’s ocean crust [J]. Geochem Geophys Geosyst, 2008, 9: Q04006. doi:10.1029/2007GC00174.

[7] MCKENZIE D P, PARKER R L. The North Pacific: an example of tectonics on a sphere [J]. Nature, 1967, 216: 1276-1280.

[8] LE PICHON X. Sea-floor spreading and continental drift [J]. J Geophys Res, 1968, 73: 3661-3697.

[9] MORGAN W J. Rises, trenches, great faults and crustal blocks [J]. J Geophys Res, 1968, 73, 1959-1982.

[10] STEIN R, BLACKMAN D K, INAGAKI F, et al. Earth and life processes discovered from sub-seafloor environments, a decade of science achieved by the Integrated Ocean Drilling Program (IODP) [M]//Developments in Marine Geology. Atlanta: Elsevier Science and Technology, 2014, 7: 1-804.

(编辑：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@tongji.edu.cn