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走向深海大洋
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科学人
网站 2004-12-18
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作者简介
汪品先（1936-），男，江苏苏州人。莫斯科大学地质系毕业。同济大学教授，海洋地质重点实验室主任，中国科学院地学部院士。从事古海洋学和微体古生物学研究，1999年在南海主持实施了中国海首次大洋钻探，现担任深海“973“项目的首席科学家。曾任国际海洋研究科学委员会(SCOR)副主席、中国海洋研究委员会主席等职。
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一．时代的召唤-走向深海大洋
近半世纪前，学术界前辈提出"上天，入地，下海"，指出了我国地球科学进一步发展的方向。到如今，不仅卫星游弋、飞船载人，而且正在积极作探月准备；大洋钻探、大陆钻探先后在我国实现；海底深潜也已经指日可待。与半世纪前相比，我国科学界对地球的观测能力已经不可同日而语。然而，假如将海洋、固体地球和大气的研究比作地球科学中海陆空三军的话，那"海军"就是三者中的弱点；其中面向深海大洋的研究，又属"弱"中之"弱"。而这与当今世界的走向大相径庭。一方面，近半个世纪以来，世界地球科学的突破点，主要在于深海研究；另方面，1994年国际海洋法公约生效以后，对专属经济区以外深海大洋的国际竞争日趋剧烈。美国正在讨论要将海洋投入增加一倍，日本建造了比美国大三四倍的大洋钻探船，相互在海上争雄；亚洲国家如韩国也提出"海洋开发的全球化与信息化"的目标，走向国际竞争。
中国具有世界上最大的地球科学研究队伍之一，但长期以来缺乏深海大洋研究的力量。因此，深海研究在学术上已经成为制约我国地球科学进一步发展的"瓶颈"，在应用上也难以适应国际海上权益与资源之争的形势。目前无论从国家需求或者从我国实力出发，都到了"冲出亚洲，走向世界"的时候；重新考虑我国在国际地球科学中定位，已经迫在眉睫。
二．深海的发现-从"大洋中脊"到"深部生物圈"
一部科学史，其实也就是人类的视野不断拓宽的历史。对时间的概念，已经从几千年扩展到百亿年以上：1658年，爱尔兰大主教James Ussher 曾经"计算" 出世界是上帝是在纪元前4004年10月23日星期天创造的；而今天讨论的已经是宇宙大爆炸的周期性和时间有无起点的问题。 对空间的概念，不仅向外扩展到太空，而且对地球的视角也已经"上穷碧落下黄泉"，深入到地球的内部。人类文明从大陆萌发，始终以地面作为基本的活动平台。随着科学技术的发展，尽管"入地"的能力还远不如"上天"，却已经能够穿过水层，探索深海洋底的秘密。
在太空中，地球是唯一呈蓝色的行星，水是地球最大的特点，也是地球上生命发育的基本条件。但是水又是阻挠人类认识地球的最大障碍：地球表面13亿多立方公里的水，铺平了能覆盖整个地球两千多米厚。好在97% 的水都集中在海洋里，可是平均水深3800米的海洋也占地球表面71%。几千年来，人类社会在大陆上生生息息，把远离自己的海洋留给神话世界；一旦透过几千米的水深看到了大洋的真面目，回过头来才明白自己脚下大陆的真相。
人们看惯了绵亘的山岭和曲折的海岸，不大会去问"为什么"的问题。九十年前，A.Wegener 发现大西洋两侧非洲和南美岸线可以嵌合、又产共同化石，从而提出"大陆漂移"的假说，但当时回答他的只是嘲笑和冷漠。要等半个世纪之后，深海测量技术发现深海洋底也有高山峻岭，全世界有8万公里长的山脊蜿蜒在各个大洋，而大西洋的中脊恰好与非洲和南美的岸线平行时，人们才恍然大悟，原来大陆和大洋的岩石圈是分成若干"板块"的整体。陆地和海底的山脉，都是板块移动的产物，无论走向、位置都有它的道理。在景仰上世纪初先知的洞察力的同时，科学界深感只有透过水层看到地球表面的整体，才能理解大陆及其山系分布的原理。
同样，沐浴在阳光下的人们，看惯了飞禽走兽、树木花草，决不会对"万物生长靠太阳"产生怀疑。又是深海海底"黑暗生物圈"的发现，开辟了新的视野。七十年代末，"Alvin"号深潜器在东太平洋发现了近百度的高温，原来海底有"黑烟"状的含硫化物热液从海底喷出，冷却后形成"黑烟囱"耸立海底。更为有趣的是在热液区的动物群,比如长达三米而无消化器官，全靠硫细菌提供营养的蠕虫，加上特殊的瓣鳃类、螃蟹之类，说明地球上不仅有我们所习惯的，在常温和有光的环境下通过光合作用生产有机质"有光食物链"，还存在着依靠地球内源能量即地热支持，在深海黑暗和高温的环境下，通过化合作用(chemosynthesis)生产有机质的"黑暗食物链"。现在，这类热液生物群在各大洋发现的地点已经数以百计，离我们最近的就在冲绳海槽。
黑暗食物链的基础，是在还原条件下进行化合作用制造有机质的原核生物，包括细菌与古菌(Archaea)，推测与生命起源时的生物群相近。不只是海底，近年来发现在数千米深海海底下面数百米的深处，还有微生物在地层的极端条件下生存，这种"深部生物圈"虽然都由微小的原核生物组成，却有极大的数量，有人估计其生物量相当全球地表生物总量的1/10。与热液口"自养"的微生物不同，深部生物圈的原核生物依靠地层里的有机物实行"异养"，从地中海底第四纪的腐泥层，到美国白垩纪的有机质页岩里都有发现，它们的新陈代谢极其缓慢，但"寿命"极长。它们也可以在洋中脊的玄武岩里生长，依靠玄武岩的蚀变为生；甚至海底火山爆发也有超高温细菌发现，引起学术界极大的注意。深部生物圈的发现，不仅向区分"古生物"与"今生物"的划分提出了挑战，甚至向"生"与"死"的概念提出了疑问。
"深部生物圈"的发现，大大拓宽了"生物圈"的分布范围。原来从极地冰盖到火山热泉，从深海海底到地层深处，生物的分布几乎无所不在，那末人类迄今研究和熟悉的，只不过是生物圈中的一小部分。不但海底，海水层里也是一样：运用新技术，发现了普通显微镜下看不见的微微型浮游生物（pico-plankton）。其中包括能够进行光合作用的细菌, 它们在贫养的开放性大洋中可以构成初始生产力的主体。比如原绿球菌（Prochlorococcus）粒径才0.4-0.8μm，可是在热带、亚热带寡营养海域可以占到总生产量的90%以上。深海大洋的发现，纠正了我们对生物界的偏见：我们用肉眼、甚至用光学显微镜见到的，只是地球生态系统的上层，只占生物圈的一小部分；地球生态系统的真正基础，在于连细胞核都没有的原核生物。生物的一级分类，应当是古菌、细菌与真核生物三大类，而我们熟悉的动、植物只是真核生物中的一部分。真核生物的多样性在于结构形态和行为特征，可依靠形态来识别；而原核生物的多样性却在于新陈代谢的类型，并不靠形态识别。具体说，真核生物只能以"燃料"氧作为能源，原核生物却能"燃烧"不同成分（SO42-；NO3-; NO2-等）获得能量，因而新陈代谢类型不同，产生的生物地球化学效果也就多种多样。于是，地球表层有许多从前以为是"无机"的化学过程，从一些金属矿床到岩溶石笋，其实都是微生物的生物化学反应。
生物圈概念的扩展，也改变了地球科学与生命科学的关系。传统地质学里生物的"主角"是大化石，而实际改造地球的首先是原核生物，它们几乎没有形态化石可留，只靠生态过程影响着化学元素周期表里几乎所有的元素，在三、四十亿年的地质历史上默默无声地"耕耘"，直到今天才有可能得到重新评价。生命演化史的研究很像社会历史，引人瞩目的恐龙、鳞木固然重要，但真的要揭示机理，还非要深入到原核生物不可。纵观地球历史，85%时间里是古菌和细菌这两类原核生物的世界，它们从还原到氧化环境都有分布，真核类在氧化环境下大发展，已经是后来的事。总之，深海大洋的研究，不仅是地球科学，也是生命科学的突破口。
三．大洋钻探-揭示地球环境的历史档案
为了解自己生存环境的变化，人类对地球的视野不但要在空间上拓宽，也需要在时间上扩展。当前人类正经历着一个环境高速变化期，未来演变方向的正确预测将涉及子孙后代的命运。可惜有生命的行星，至今只知道一个地球，缺乏横向比较的机会；预测未来只能从纵向比较中去寻找类比，就像政治家从社会历史中吸取经验一样。地球的环境演变，在不同场合留下了各种供各样的"历史档案"，唯独在深海沉积中留下的最为连续、最为全面。虽然海底采集沉积柱状样已经有近八十年的历史，大规模的系统研究开始于1968年的深海钻探计划。"深海钻探 (DSDP, 1968-1983)"，"大洋钻探(ODP, 1985-2003)"和"综合大洋钻探（IODP，2003--）"，这部深海研究的三部曲，是国际地球科学历时最长、规模最大，也是成绩最为突出的合作研究计划。前面说到的"板块"理论，正是DSDP在大西洋洋底的钻探取样和测年分析，发现从大洋中脊向两侧的玄武岩基底年龄越来越老，方才为洋底扩张的假说提供了决定性的证据。三十年前在南大洋的钻探，发现澳洲和南美洲是在二、三千万年前才完全离开南极大陆，于是南大洋形成环南极洋流，造成南极的"热隔离"，结果导致南极冰盖的出现。深海钻探的这项发现，被誉为古海洋学新学科建立的标志。总之，深海钻探和大洋钻探三十五年来在全球各大洋钻井近三千口，取芯二、三十万米，证实了板块构造学说，创立了古海洋学，把地质学从陆地扩展到全球，导致地球科学一场真正的革命，改变了固体地球科学几乎每一个分支的发展轨迹。
确实，一些地球环境的历史变化，没有深海海底的钻探取样，是很少可能发现的。1970年代初地中海的深海钻探，发现了2、3千米厚的岩盐、石膏层。这类蒸发岩应当是干旱地区的产物，地中海现在水深可达五千米，面积相当黄、渤、东海总和的两倍，居然出现沙漠环境下的岩层，成为轰动一时的科学新闻。现在查明，由于地中海四面被陆地包围，只以水深300米的直布罗陀海峡与地中海连通，一旦构造运动将通道锁闭，地中海便变为一个巨型蒸发盐湖。距今596万年前开始，相当于全大洋6%的盐分在这里沉淀形成巨厚的蒸发岩层。到533万年前海面上升，与大西洋的通道恢复时，"地中海盐度危机"便告结束，大西洋水又呈瀑布状泻入地中海。我们常说的沧海桑田是个慢过程，现在看来这一类超出常识范围的灾变事件，地质历史上也不乏实例。现在水深超过两千米的黑海，也只有20多米水深的海峡与地中海相通。近两百万年来黑海基本上是个大湖，大约一万年前湖面低于地中海近百米，但随着冰盖消融、洋面上升，到7千多年前地中海海面上升，突破博斯普罗斯海峡涌入黑海，突然将造成灾难性洪水事件，最近科学家考证，认为这就是圣经里"诺亚方舟"故事的原型。
上述灾变属于区域性事件，深海钻探还发现了规模更大的全球性巨变。拿近六亿年来说，大部分时间地球的两极并没有冰层覆盖，像现在这样南北两极都有冰盖是绝无仅有的特殊时期。和现在反差最大的，是一亿年前恐龙盛行时的地球。当时高纬度区的温度比现在高出15°C, 大气CO2浓度至少比现在高三倍，由于温差小、极地没有大冰盖，气流和洋流都比较滞慢，甚至出现几百万年大洋底部缺氧的现象，在洋底发现有机质大量堆积，在中东是石油的形成期。这种全球性温暖期出现的原因并不清楚，但就在这些时期，西太平洋和南大洋都有大量玄武岩从地幔深处溢出海底，各自形成巨大的海底高原。热带西太平洋的翁通-爪哇海底高原就是由3600万km2的玄武岩堆成，大小和南极冰盖相当，平铺在中国大地可以有四公里高。这种特大型的海底火山喷发放出巨量的CO2，可能是当时全球特暖的原因。更加戏剧性的灾变发生在6500万年前，巨大的陨石在墨西哥尤卡坦半岛的Chicxulub撞出直径180公里的陨石坑，带来了全球性的绝灭事件。在大洋，90% 的浮游生物灭绝，洋底沉积中留下了微陨石和铱(Ir)异常；在陆地，造成了包括全体恐龙在内的大灭绝。
离今最近的环境巨变，是两万年前的冰期，当时整个加拿大，美国和西欧的北部，全都压在几千米的冰盖之下。为什么会出现冰期？这种冰期还会不会再来？什么时候再来？一直是学术界必须回答的问题。现在已经明白：一百年前阿尔卑斯山发现的几次大冰期，五十年前太平洋沉积中碳酸盐含量的旋回，其实都是地球运行轨道几何形态变化，造成气候周期性的表现。气候轨道驱动的发现和证实，是二十世纪地球科学最辉煌的成就之一；轨道周期在世界各大洋地层中的对应性，为地质时期的纪年提供了天文学的标尺。但后来又发现，极地冰芯气泡反映的大气CO2浓度，和深海沉积中氧同位素反映的冰盖消长，都和地球轨道呈现同样的周期现象。轨道周期如何能造成CO2的变化？在冰期旋回中，究竟是高纬度冰盖的物理变化，还是低纬区碳循环的化学变化起着主导作用？这正是大洋钻探当前面临的课题。1999年春，由我国科学家建议、设计和主持的南海大洋钻探，钻井17口、取芯五千米，实现了中国海深海科学钻探零的突破，首次取得了2300万年气候旋回的深海连续记录，其中一个重要成果，就是发现了40-50万年大洋碳储库的长周期变化，为探索热带碳循环在气候轨道周期中的作用提出了新认识。
上述三例，只是大洋钻探三十来年成就的一小部分。去年十月，新的"综合大洋钻探计划"(IODP)正式开始，而且规模空前：年度预算将高达1.6亿美元，是原来的3 - 4倍。日本政府斥资六亿美元建造57000吨的"立管钻探船"，美国也将重建钻探船，欧洲力争成为新计划的"第三条腿"，我国也已作为参与成员的身份加入。这次的目标十分明确，要在原来不能打钻的海区钻探，比如今夏动用了核能破冰船，在北冰洋钻穿了410米的沉积层，发现5500万年前北极出现亚热带生物群的证据，推断是深海"可燃冰"-天然气水合物-大量释出的结果。IODP的十年计划（2003-2013）要进一步钻探天然气水合物区，查明其分布和成因；进一步钻探"深部生物圈"，揭示可能占全球微生物总量2/3的海底地下世界；进一步钻探深海热液区，探索"洋底下的海洋"。日本"立管钻探船"打破了原来大洋钻探的进尺深度限制和含油气区的禁忌，将要追索太平洋的震源带，甚至钻进地壳深部，直至打穿地壳，实现科学界梦寐以求的理想。更加宏伟的深海壮举，更加新奇的海底发现，正在向我们走来。其中可望开拓地球科学新阶段的，是深海观测系统的建立。
四．海底监测-地球观测系统的第三个平台
人类通过观测了解地球，而千百年来只能从地面、或者乘船从海面观测地球。这种星星点点、断断续续的观测，带来了许多错觉和误会。20世纪地球观测最大的技术进展，在于遥测遥感对地观测系统的建立。人类终于能够离开地面，从空间获取地球信息，不仅极大地丰富了信息量，可以获取全球性的和动态性的图景，而且解放了观测者的视角，将地球科学从局部和单项的研究，推进到地球系统科学的新阶段。如果说近四百年前显微镜的发明是人类克服视觉的生理限制，观察到地球上许多现象的细微实质，那么对地观测系统就像是一种"显宏镜（macroscope）"，从空间观测地球的全局；如果说近五百年前哥白尼提出 "日心说"靠的是从地球向外看，那末现在的地球系统科学就是从空间向内看。两者都是认识上的飞跃，因此有人把地球系统科学比喻为"第二次哥白尼革命"。
现在，对地观测系统已经发展为"数字地球"战略，在科学技术众多领域发挥着至为重要的作用。但是遥感技术的主要观测对象在于地面与海面，缺乏深入穿透的能力。而隔了平均3800米厚的水层，大洋海底难以成为遥感技术的观测对象。在新世纪的开始，随着高科技的发展，一个新的热点正在出现：这就是海底观测系统。假如把地面与海面看作地球科学的第一个观测平台，把空中的遥测遥感看作第二个观测平台，那末新世纪在海底建立的，将是第三个观测平台。
与浩瀚深厚的大洋相比，人类通常观测到的只是它的表皮。尽管采用了投放锚系、利用声波等种种办法，得到的还只是零星的信息。近年来计划向全大洋投放三千个自由飘浮的ARGO, 在海洋2000米的上层测温度与盐度剖面，可以取得系统的图景，但仍然到不了深海海底。人类对深海海底的了解，赶不上月球、甚至于不如火星。虽然有众多的考察航次，或者通过取样甚至深潜的直接方法，或者借助间接的物理手段进行考察，仍免不了沧海一粟或者雾里看花的缺陷。从海底的地震源区到热液活动区，都亟需进行长期连续、而不是瞬间短暂的观测。因此近十余年来，做出了种种努力将观测点布置到海底去。
海底是"漏"的。前面说的"深海热液"，就是渗入海底的海水与岩浆相互作用后再冒出来的。大洋底下的地层深处，以至大洋地壳的玄武岩里，都有水体在流动，无论对地震或是成矿都有重大影响。九十年代初，大洋钻探计划发明了新技术来观察这"洋底下的海洋"。方法是将钻进大洋地壳的深海钻井密封，与海水隔离但向大洋地壳内部的流体开放。这种称为CORK的设备用来测地壳内流体的温度、压力变化，运行结果不仅获得了热液环流的性质，而且意外地测得了板块形变和地震的信息。地震研究和预警需要建立地震观测网，然而地震台站大都建在陆上，海洋的观测点极其匮乏。在深海海底已经钻进洋壳玄武岩的钻孔里，埋置仪器来检测板块活动，是灵敏度和信噪比最高的地震监测手段。八十年代末期以来，在日本附近和各大洋的大洋钻探井孔中安装地震仪，集中在西太平洋震源区建立深海海底地球物理监测台网，和陆地台站结合进行地震监测。此外，在洋底热液活动区，也已经安置了多种设备，进行深海热液的物理、化学与生物的实地连续观测。
然而，上面介绍的各种海底观测技术，有个共同的缺陷：它们都受能量供应的限制，还有信息传送的困难，都要依赖深潜器之类的深海运载工具去补充耗尽的能量，收取采集的信息。最近，以美国为首的国际学术界提出了地球观测的新思路：将观测平台放到海底去，将设在海底和埋在钻井中的监测仪器联网，通过光纤网络向各个观测点供应能量、收集信息，从而进行多年连续的自动化观测。这种监测网既能向下观察海底和深部，又能通过锚系向上观测大洋水层，还可以投放活动深海观测站，自动与监测网的节点连接上网。 现在正在建设的第一个区域性电缆海洋观测网是东北太平洋的"海王星"（NEPTUNE）计划，用3000公里光纤带电缆，将上千个海底观测设备联网，由美、加两国投资近3亿美元，预定2007年投产，建成后将进行水层、海底和地壳的长期连续实时观测25年。
新的海洋观测系统，其优点在于摆脱了电池寿命、船时与舱位、天气和数据迟到等种种局限性，科学家可以在大楼里通过网络实时监测自己的深海实验，可以命令自己的实验设备冒着风险去监测风暴、藻类勃发、地震、海底喷发、滑坡等各种突发事件。这是一种全新的研究途径，可以提出一系列新的科学问题与实验，去理解复杂的地球系统，比如探索海洋气候变化对不同水深的海洋生物产生的不同影响，探索深海生物的生态系统动力学和生物多样性等等。与陆地不同，由船只进行的海洋调查有严重的局限性，只能进行短时或瞬间的离散观测；遥测遥感又主要局限于海水顶层。海底观测网络的建立，将为地球系统的观测开辟地面/海面和空间之外的第三个平台，不仅为揭示地球表面过程的机理提供了新途径，也为探索地球深部创造了新的可能。
目前已经实现的还只是小型的实验观测站，如美国Monterey湾的MARS站和加拿大Victoria湾的VENUS站，都已即将建成。然而这项从根本上改变海洋研究观测途径的措施，也必将带动全球，实现海底联网国际化。美国提出的海底网络，本身就是建立在监测前苏联核潜艇活动的军事技术基础之上，所推行的全球洋底网络化的设想也必然具有非民用的目标。从国防安全、海洋开发和科学研究出发，我国不仅要密切关注、积极参与，而且必须自主地进行海底观测网的建设。去年7月以来，全球观测网的峰会先后在美国和日本举行，海洋观测已经上升到国策高度。现在，我国地震监测和深海油气勘探方面，已经提出海底观测的需求，应当及早从战略高度加以重视，列入国家规划，落实切实措施。
五．结束语
由此看来，深海大洋不只是人类了解地球亟待填补的空白，也是国家资源和安全保障之所系。深海石油、气体水合物和基因资源的开发利用，深海探索和海底观测新平台的建立，又为高科技的发展提供了新机遇。从全球看，深海大洋的研究也只是二十世纪后期的事，处于长期动荡和困境的我国，对国际深海研究愧无贡献。近十余年来出现的转机，使我国学术界得以在国际舞台上初现身手；而从地球科学界的整体说来，深海大洋始终还是个"冷门"，只是一小部分人的兴趣，与国际学术界从全球着眼、海陆分工不分家的格局大相径庭。随着近年来科研投入的增加，我国不仅在人数上、而且在硬件实力上也已经成为地球科学的大国，能否在规划任务的设计中，将视野扩展到深海大洋，必将影响甚至决定我国地球科学未来的走向，和对地球系统科学未来的国际贡献。
其实，深海大洋涉及的还不只是科学技术，而且还是文化内涵的一个深层次问题。有众多群岛作为跳板，容易走向大海的爱琴海文化，与孕育于黄河中游，远离海滨"南蛮东夷"的华夏文化，有着从襁褓时期就开始的差异。从"东临碣石"的赢政，到派遣郑和下西洋的朱棣，对海外世界的兴趣不是出于猎奇，就是弘扬国威，决不会有传说中亚历山大大帝亲自潜入海底的雅兴和勇气。甚至在我们的神话传说里，海洋也往往和灾祸与不幸连在一起。明朝海禁之后，海洋更成了禁忌，直到洋炮从军舰上把我们轰醒为止。值得反思的是直到今天，这种对海洋的疏远或者陌生，是不是还在影响着我们的科技发展，甚至影响着比科技发展更为重大的事情？
[人民网]
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