看不見、摸不著、進(jìn)不去的地球深部到底長什么樣？拓守廷教授帶你一同揭開深海的神秘面紗

深海探索是一個系統(tǒng)性的工程，既需要入海的載體，也需要觀海的眼睛和探海的觸角。墨子沙龍邀請到了在大洋鉆探領(lǐng)域卓有建樹的專家拓守廷教授，拓教授是同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院的副教授、副院長，也兼任同濟(jì)大學(xué)船舶管理中心主任，他長期從事大洋鉆探的科研與管理工作，組織協(xié)調(diào)我國科學(xué)家參加國際合作航次與研究，并積極參與由中國牽頭發(fā)起的深部大洋鉆探計(jì)劃。拓教授在大洋鉆探領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)表了多篇重要成果，其主持的科普項(xiàng)目也曾獲上海市科普獎。本文由講座內(nèi)容整理而成。

從科學(xué)研究到礦產(chǎn)資源，包括深海的地質(zhì)災(zāi)害等，都和人類的生存和發(fā)展密不可分，所以深海對我們來說非常重要。

研究深海現(xiàn)在主要是三大手段，深潛、深網(wǎng)和深鉆，那么我今天主要從深鉆的角度來給大家介紹一下。眾所周知，現(xiàn)在有82億的人口，并且我們都生活在地球表面，那么在地球的內(nèi)部是什么樣子呢？我們不知道，因?yàn)槲覀冞M(jìn)不去、看不見、摸不著，但是人類從來不缺乏好奇心，有了好奇心就驅(qū)動著我們?nèi)ヌ剿魑粗氖澜纭?/p>

從科幻到科研

在科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)到一定程度之前，首先有了科學(xué)的幻想，所以有很多科幻作品來想象地球的內(nèi)部是什么樣子，最著名的作品可能一部分朋友讀過，就是1864年法國科普作家凡爾納寫的一本叫《地心游記》的科幻小說。這個作品后來多次被搬上大銀幕，從50年代到80年代都被拍攝成好萊塢的大片，非常精彩。

而對于中國的科普、科幻作家及翻譯家。例如科幻作家劉慈欣，他最有名的作品是《三體》，但他其實(shí)也有很多涉及到地球內(nèi)部的作品。此外，大家熟知的魯迅先生在日本棄醫(yī)從文，但是他在日本學(xué)醫(yī)之前，實(shí)際上是在南京路礦學(xué)堂先學(xué)的地質(zhì)和采礦，也是地質(zhì)專業(yè)的。魯迅先生在日本求學(xué)的時候，就將《地心游記》從日文翻譯成中文。他也是第一次將《地心游記》翻譯成中文的譯者。

那么對地球科學(xué)家來講，現(xiàn)在地球物理學(xué)的研究手段已經(jīng)是非常先進(jìn)了，就類似于大家到醫(yī)院里去做的CT 、B超等聲學(xué)或其他手段。通過這些手段，我們能得出不少研究結(jié)果，例如：中學(xué)課本里學(xué)到的地球有地殼、地幔、地核這樣的三層的主要的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。地幔是地質(zhì)構(gòu)造的主體，而地殼就很薄。地殼在陸地上大概是33千米，海洋里平均更薄一些，大概6到7千米這樣的厚度。那么，科學(xué)家從事科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)室，最深能有多深呢？其實(shí)，我們有很多科學(xué)家在四川的雅礱江二灘水電站下面，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室等，從事基礎(chǔ)科學(xué)的研究。這里就是科學(xué)上人類到達(dá)的最深的地方。

而從人類活動的角度來講，人類到達(dá)地球最深的地方實(shí)際上是4350米。在南非的一個4000多米的金礦，溫度已經(jīng)達(dá)到了60度，普通人沒有辦法在那里工作，所以礦主想了很多辦法，在礦坑上面用電梯把制冰工廠里制的冰運(yùn)輸?shù)降叵氯椭鷣斫禍兀@樣工人才可以正常地工作去采金礦，這是人類活動能到達(dá)的最深的深度。

而陸地科學(xué)鉆探的最深處在前蘇聯(lián)的科拉半島，最深可達(dá)的12,262米。最早到達(dá)地下12,000米的時間，是80年代。但最后的200多米，打了10年。1993年的時候，蘇聯(lián)專家發(fā)現(xiàn)實(shí)在是太難，只好停掉并且封井，這是人類科學(xué)鉆探在陸地上最深的深度。陸地上地殼的厚度平均是33千米，如果我們想打穿地殼，這才打了12千米，還差得十萬八千里。

所以我們就換一個思路——到海洋里面去。

大洋鉆探

實(shí)際上大洋鉆探是先入海再入地，所以它的難度是更大的。迄今為止，大洋鉆探是在海底以下取得深部樣品的唯一手段。深潛是在海底取得生物或者其他的樣品，而在在海底以下打上一千、兩千米，這是鉆探來干的事情，并且這是深部取樣的唯一的手段。這非常難，它難在什么地方？就是在海洋里鉆探的技術(shù)要求非常的高，而且它的成本要求也非常高，這需要多個國家來聚力合作。另外一個方面，鉆探常常要在別國的經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)甚至領(lǐng)海去開展，所以國際合作也是非常重要的，如果得不到他國的支持與配合，工作完全無法開展，這就是大洋鉆探跨國合作的重要性。

回顧大洋鉆探的歷史，這個想法誕生在上個世紀(jì)50年代。在當(dāng)時，世界的科學(xué)中心從歐洲轉(zhuǎn)移到美國去，美國政府對基礎(chǔ)科學(xué)的研究投入很大，當(dāng)時物理學(xué)界有很多例如加速器對撞機(jī)這樣的大項(xiàng)目，而地球科學(xué)界的科學(xué)家開始思考地學(xué)人要干什么大項(xiàng)目。其中有一位老先生叫沃特·芒克，他就提了一個點(diǎn)子，可以打一個鉆，把莫霍面打穿（莫霍界面就是地殼和地幔的分界面），然后來研究地球里面的物質(zhì)究竟是什么。研究地質(zhì)的科學(xué)家說點(diǎn)子不錯，開了一系列論證可行性的會，然后去游說美國的國家科學(xué)基金會，即National Science Foundation。然后美國科學(xué)基金會就支持了這個項(xiàng)目。當(dāng)時就是1961年，他派了一艘船叫“卡斯一號”首航于墨西哥灣，去打鉆并取了183米的巖芯。當(dāng)時的美國總統(tǒng)肯尼迪發(fā)了一封賀電，說：這是人類科學(xué)史上的一個里程碑的事件。

但是，再往后就打不下去了。因?yàn)榇虻胶Ｑ蟮紫拢瑤r芯取上來后再繼續(xù)打的時候鉆頭磨壞了，這時候要把鉆頭拿上來，要替換新的鉆頭，結(jié)果新的鉆頭替換之后，再下去的時候就找不到原來鉆孔了。因此深度很難繼續(xù)往下深入。

另一方面，鉆頭的技術(shù)也還不夠過關(guān)，所以當(dāng)時也就打個幾百米的深度，雖然這個莫霍鉆沒有打成，但是科學(xué)家拿出來的巖芯樣品研究了之后，發(fā)現(xiàn)對研究過去的地球的氣候變化歷史非常有作用，于是就催生了另外一個宏大的計(jì)劃，叫做深海鉆探計(jì)劃。從1968年正式開始，美國又派了一艘船叫“格羅瑪挑戰(zhàn)者號”到墨西哥灣去開始了大洋鉆探，從此揭開了國際大洋鉆探50多年的歷史。我們把它分成4個階段：1968年到1983年，我們叫做深海鉆探計(jì)劃（deep sea drilling project）。然后中間停了兩年，1985年到2003年，這叫做大洋鉆探計(jì)劃（ocean drilling program）。這個還是由美國一家來主導(dǎo)，它有一艘船叫“喬蒂斯決心”號。前兩個階段都由美國主導(dǎo)，其他國家作為成員來參與。

但是到了2003年，局勢發(fā)生了很大的變化，當(dāng)時日本造了一艘很大的船叫做“地球號”，噸位為57,000噸，跟我們國家的“遼寧號”航空母艦的噸位是相當(dāng)?shù)摹Ｈ缓髿W洲說我沒有錢造那么大的船，我租一個市場上的小船，去到美國船、日本船去不到的地方，什么地方？就是極地到淺海十幾米二十米水深的地方去鉆探。所以從那時起國際大洋鉆探的格局變成了三足鼎立，就是美國、日本和歐洲三家來聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)，其他的國家作為成員，交會費(fèi)來加入進(jìn)去。

大洋鉆探對地球科學(xué)的貢獻(xiàn)

在過去的50多年，國際大洋鉆探在全球打了4000多口井，取了40多萬米長度的巖芯，這對于地球過去氣候變化的歷史、構(gòu)造的演化，深部的生命礦產(chǎn)的資源等都做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

這里我就舉幾個簡單的例子。1968年，科學(xué)研究者到大西洋兩邊打了一系列的鉆孔，取上來的巖芯分析之后研究發(fā)現(xiàn)，沿著紅色的大西洋的中脊，它兩側(cè)的巖石的年齡在逐漸的變老，這就證明一個什么問題？海底沿著洋中脊在不斷的擴(kuò)張，就是海底擴(kuò)張學(xué)生，對板塊構(gòu)造理論做出了非常大的支撐。

那么再舉一個例子叫地中海的干涸事件，也是在70年代DSDP（深海鉆探計(jì)劃）早期的時候，科學(xué)家在地中海打了一系列的鉆，就發(fā)現(xiàn)500萬年到600萬年前地中海海面曾經(jīng)下降，裸露成一個干涸的湖泊，這里面有大量的石膏巖，即蒸發(fā)巖這樣的巖類，說明當(dāng)時曾經(jīng)一度干涸到達(dá)沙漠的狀態(tài)。提出這樣重大發(fā)現(xiàn)的人，是一位華裔的科學(xué)家，老先生叫許靖華，1929年出生，現(xiàn)在還在世，他是中央大學(xué)地質(zhì)系畢業(yè)，后來到美國去留學(xué)，然后到瑞士去工作，成長為國際地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的一個非常知名的學(xué)者。他還有很多的科普的作品，有一本叫《古海荒漠》，就是專門講地中海變成沙漠的這樣的一個故事，大家感興趣的話可以找來讀一讀。

另外一個例子就是，大洋鉆探證明，在6,500萬年以來，我們地球的氣候是在逐漸地變冷的。6,500萬年前的地球是非常的溫暖。南極北極都沒有冰蓋，南極甚至還有綠色的灌木叢。從3,400萬年開始，南極才有了永久的冰蓋。所以相對于地球46億年的歷史來講，我們現(xiàn)在所處的是一個非常獨(dú)特的時期，地球有自己的氣候變化的規(guī)律，非常值得我們?nèi)ヌ骄俊?/p>

還有一個非常典型的例子，就是2004年歐洲租了三條破冰船聯(lián)合作業(yè)，在北冰洋打了幾口井，然后拿上來的巖芯分析，北冰洋5,000萬年前是個淡水湖，不是一個海洋，并且有很多的生物，例如綠色的植物，那么植物死了之后埋在海底，實(shí)際上成為了非常好的生油氣的資源，所以之后北極變得非常的熱，周邊的國家對這個科學(xué)成果特別關(guān)注，都紛紛的去尋找北極的資源。

小朋友們可能特別感興趣恐龍是怎么滅絕的，也是在6,500萬年，即白堊紀(jì)末期的時候，經(jīng)過大洋鉆探的研究，在好幾個地方打了鉆，發(fā)現(xiàn)6,500萬年前有一次非常重大的隕石撞擊的事件，隕石撞擊使得地球環(huán)境突變，這些大的生物恐龍很難適應(yīng)這種環(huán)境的巨變，就滅亡了，這個結(jié)論也是大洋鉆探做出的貢獻(xiàn)。

這樣的例子還有很多，這些科學(xué)成果得益于大洋鉆探50多年取上了巖芯和樣品，這些巖芯樣品有非常好的公開、共享的機(jī)制，它儲存在世界上三個大洋鉆探巖芯庫里，一個在美國的德州農(nóng)工大學(xué)，一個在德國的不來梅大學(xué)，一個在日本的高知大學(xué)。

這些巖芯樣品向全世界的科學(xué)家免費(fèi)開放，不只是會員國的科學(xué)家，每個做地球科學(xué)研究的科學(xué)家，只要感興趣就可以寫一個申請書去論述申請樣品、做研究的目的。負(fù)責(zé)樣品審批的委員會會查看科學(xué)家的簡歷，然后檢查研究的獨(dú)創(chuàng)性，如果沒有重復(fù)研究，巖心庫工作人員就把樣品免費(fèi)地采好寄給你。科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里去研究樣本，把獲得的數(shù)據(jù)公開發(fā)表的數(shù)據(jù)公開發(fā)表。在最后的致謝里寫上，這個樣品是由大洋鉆探計(jì)劃提供的就可以，所以我個人認(rèn)為這也是大洋鉆探為什么成功的一個重要的原因，它把全世界的智力資源都匯集在了一起。

實(shí)際上，在2024年之前，國際大洋鉆探都是三家領(lǐng)導(dǎo)，其他國家作為成員來參加。中國是每年交300萬美元的會費(fèi)給到美國基金委，這樣我國可以派一些科學(xué)家上船參加航次。但是我國繳納300萬美元，每年卻只能派10個科學(xué)家，這個成本還是非常高昂的。我們一個科學(xué)家就是30萬美元的成本，國家也是投入了非常大的支持。

從2024年9月份開始，國際大洋鉆探的格局發(fā)生了很多的變化。美國領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目50多年了，認(rèn)為現(xiàn)在的模式不可行，美國要付70%的錢，上船的名額卻只有30%左右。美國希望成員國要多交錢，就要求中國來多交錢。我們談判的過程中對美國表示：現(xiàn)在幾百萬美元已經(jīng)是中國的極限了，中國可以再造一條船，并且為世界做更大的貢獻(xiàn)。

深海探測，中國在活動

中國在大洋鉆探領(lǐng)域有非常大的進(jìn)展，我國加入大洋鉆探是比較晚的。1968年國際開始大洋鉆探，而我國在30年之后，1998年才開始參加進(jìn)去，當(dāng)年付了50萬美元的會費(fèi)。其實(shí)在1985年代，新的ODP（大洋鉆探計(jì)劃）啟動的時候，我們國家的地學(xué)界的老前輩，如劉東生先生等都在推動加入大洋鉆探，但當(dāng)年50萬美元對我們國家來說是一個非常巨大的數(shù)字，很難支持，所以直到1998年，隨著國力的增強(qiáng)，我國才有了實(shí)力來支持科學(xué)家的基礎(chǔ)科學(xué)研究。

自從加入進(jìn)去之后，我國在所有成員國里的貢獻(xiàn)逐漸在增加，從50萬美元到100萬美元到現(xiàn)在的300萬美元，都給國際的大洋鉆探提供了非常大的支持。我們國內(nèi)也組織科學(xué)家進(jìn)行了很多的研究工作，科技部成立了大洋鉆探的辦公室，由同濟(jì)大學(xué)來負(fù)責(zé)，組織協(xié)調(diào)全國的科研單位和科學(xué)家來參加。這么多年來我們一共派出了接近180位科學(xué)家，在全球大洋上航行。那更重要的是，他們航行回來拿到樣品和數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室里帶著團(tuán)隊(duì)一起來做研究，這背后的研究隊(duì)伍是相當(dāng)龐大的。

通過大洋鉆探這個平臺，中國科學(xué)家在全世界的各個大洋開展研究，做出了非常突出的成績。這里在科學(xué)上一個典型的例子，就是我們在南海進(jìn)行的4次的大洋鉆探航次，由中國科學(xué)家主持，作為首席科學(xué)家主持這樣的一個航次是非常不容易的。從此之后，大洋鉆探建議書由全球科學(xué)家提交，國際的評審委員會經(jīng)過很多輪的評審，挑出最優(yōu)秀的建議書來執(zhí)行航次，因?yàn)閳?zhí)行一個航次的成本非常之高，約兩個月的航次是1,600萬美元，所以大洋鉆探一點(diǎn)要選最后的申請書去執(zhí)行。我們中國科學(xué)家，如汪品先院士、翦知湣院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，一共提交了3份南海的大洋鉆探建議書，執(zhí)行了4個南海的大洋鉆探航次，這對于我們國家研究南海是發(fā)揮了非常重要的作用，占據(jù)了科學(xué)上的主導(dǎo)權(quán)，同時也為我們國家在南海的油氣勘探提供了非常重要的支撐，這是我國在科學(xué)上的很大的進(jìn)展。

同時在裝備和技術(shù)方面，我國有非常突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，就是2024年我們國家自主建造的“夢想”號大洋鉆探船終于入列了，這艘船比美國的船要大兩倍以上，比日本的船要稍小一點(diǎn)，它是42,500噸，花了30多億人民幣，這個是將來領(lǐng)導(dǎo)國際大洋鉆探的一個非常重要的裝備。有了我們前期的科學(xué)研究的基礎(chǔ)，才有我國人才隊(duì)伍的成長，再加上“夢想”號大洋鉆探的入列，現(xiàn)在可以由中國人牽頭發(fā)起國際的大洋鉆探計(jì)劃。現(xiàn)在就是歐洲、日本綁在一起，他們是一起做大洋鉆探。而我們中國發(fā)起深部大洋鉆探計(jì)劃，叫做深部大洋鉆探計(jì)劃（deep ocean drilling program），因?yàn)楝F(xiàn)在的大洋鉆探最深也就到3000多米，離我們大洋鉆探初始的時候設(shè)定的目標(biāo)莫霍界面6000米、7000米還是有相當(dāng)?shù)木嚯x，所以未來的希望和突破一定是在更深部。當(dāng)然，美國沒有要放棄大洋鉆探，雖然沒有船了，美國還是可以臨時去租船準(zhǔn)備航次，所以現(xiàn)在是三足鼎立的局面。

其實(shí)在好幾年前，國家科技部和基金委就積極地組織了論證，開了一系列的戰(zhàn)略研討會，拿出了我們中國未來十年的發(fā)展的規(guī)劃等。科技部也最終確定由同濟(jì)大學(xué)作為科學(xué)中心，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局即“夢想”號的運(yùn)行單位作為平臺中心聯(lián)合起來牽頭，中國的大洋鉆探將為國際做出更大的貢獻(xiàn)。

現(xiàn)在我們團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所和廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局密切合作，推進(jìn)深海科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)盟，一起在來來主導(dǎo)我國大洋鉆探的計(jì)劃。

國際上目前有三個大洋鉆探的巖芯庫，它們把全世界的巖芯一分為三，放在巖芯庫里供全世界科學(xué)家來共享來使用。同濟(jì)大學(xué)在國家教育部的支持下，也將建設(shè)國際上第四個大洋鉆探的巖芯庫，這不僅僅是一個巖芯庫，同時也是一個數(shù)據(jù)中心，更是一個裝備技術(shù)的研發(fā)中心，就在我們上海最東南端的臨港，即同濟(jì)大學(xué)的臨港基地，預(yù)計(jì)今年就會動工建設(shè)。

前面講的大洋鉆探一方面是硬件，另一方面是領(lǐng)導(dǎo)國際的能力，軟件也非常重要。我們中國科學(xué)家要有前沿的科學(xué)思想，這樣才能真正掌握國際大洋鉆探的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)。

我們現(xiàn)在也在組織科學(xué)家編制我們中國大洋鉆探未來十年的科學(xué)發(fā)展計(jì)劃，更加重要的是就是大洋鉆探的科學(xué)建議書，剛才提到這是全世界科學(xué)家自由提交的建議書，然后經(jīng)過多輪評審，才能挑選最好的計(jì)劃去執(zhí)行航次。

在國際大洋的系統(tǒng)中，現(xiàn)在有幾十份建議書在活躍狀態(tài)，我感到遺憾的是，中國科學(xué)家在這里面的數(shù)量還是比較少的，當(dāng)然我們前期的政策導(dǎo)向等支持的力度不一樣。今后我們還是鼓勵、支持中國科學(xué)家提交更多的大洋鉆探的建議書。未來十年，我們有可能要執(zhí)行30個大洋鉆探航次，將來就有更多的科學(xué)家能夠加入到這個行列里來。

最后，我現(xiàn)在正管理和運(yùn)行“同濟(jì)”號這艘科考船。同濟(jì)大學(xué)去年投資建造了一艘叫“同濟(jì)”號的科考船，這是我們國家第一艘海洋級的智能科考船，雖然它不像探索系列的科考船那樣，搭載載人潛器去深海探索，但是它有多學(xué)科考察的功能，它也可以使用無人潛器在海底探索，或者做大洋鉆探的預(yù)研究等等工作。這艘船目前就停在中國極地研究中心的碼頭，和“雪龍?zhí)枴薄ⅰ把?號”停靠在同一個碼頭，歡迎對大洋鉆探事業(yè)有熱情的人們，有時間、有機(jī)會到我們“同濟(jì)”號科考船上去看一看。

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