深海研究和新世紀的地球科學

新世紀地球科學發(fā)展的方向是地球系統(tǒng)科學的研究，而深海研究是關鍵。實行海陸并舉、海陸結合的方針，加強對海洋的重視，是華夏文明的發(fā)展方向。

地球是一個系統(tǒng)，牽一發(fā)而動全身

地球科學在20世紀中經(jīng)歷了根本性的變化。世紀初，地球科學的主體只是陸地的地質找礦，羅盤加錘子。至今這還是地質工作的“基本功”，國際地球科學聯(lián)合會會標上寫的還是“Mente et Malleo”（思維和錘子），但是一個世紀下來，地球科學的面貌已經(jīng)完全改觀。從宏觀上看，地球物理的手段使我們不僅能研究地球的表面，而且深入地球的核心，如通過地震波發(fā)現(xiàn)地球內核旋轉比其他部分更快；在微觀方面，地球化學的同位素示蹤法可以追蹤從前的地質過程，如用化石牙齒中的碳同位素，可以判斷古動物當時的食物類型。如今的地球科學，不僅研究地球的固態(tài)圈層（巖石圈），而且研究液態(tài)（水圈）和氣態(tài)圈層（氣圈）；不僅是尋找和開發(fā)礦產(chǎn)資源，而且研究環(huán)境的變化和保護。最大的進展在于把地球作為整體來研究，認識到地球是一個整體，牽一發(fā)而動全身。

板塊學說是地球科學20世紀最大的發(fā)現(xiàn)。世界海底的地形中，最令人注目的是6萬千米長的洋中脊體系，把大洋分成不同的板塊。通過深海鉆探，發(fā)現(xiàn)在洋中脊兩側的地殼年齡越遠越老，這就證明海底擴張的事實。由此得出的概念就是“全球構造”：海洋和陸地合在一起劃分為若干個板塊在相對移動，每個板塊的地殼從大洋中脊產(chǎn)生，然后逐漸向外推移，在俯沖帶消亡（如圖1所示）。所以，地球的巖石圈實際上是一個整體，每個板塊有它的開始，也有它的終結。

圖1 地球的板塊運動

A．板塊分布：全球的地殼分為若干相對移動的板塊

B．板塊從大洋中脊產(chǎn)生，到俯沖帶消亡

不僅巖石圈是這樣的，海水也是這樣的。4 000米深的海底照片上還可以看出許多波痕，證明大洋深部水底的海水還在運動，快的一秒鐘走40厘米，被稱為“深海風暴”。而這些洋底深處的海流并非雜亂無章，而同樣是一個整體。兩極附近海水結冰，海冰附近的海水既咸又冷，密度最大，于是沉入洋底并擴散到各大洋的海底。這種深層水的形成今天在北大西洋最為強烈，用海水中溶解的CO₂測定其中放射性碳（¹⁴C）的比例，就可以得出海水下沉以來的年齡。從全世界大洋3 000米深處海水的年齡分布看，從北大西洋的250歲到南大洋500歲，而到北太平洋已經(jīng)1 750歲，年紀最老。這就表明世界大洋的海水流動也在三維空間中構成一個整體，有人把它比喻為“大洋傳送帶”（如圖2所示），底層水從北大西洋經(jīng)過南大洋流向北太平洋，表層水從北太平洋流向北大西洋。如果進一步把各大洋的垂向水流也表示出來，就像一個復雜的管道系統(tǒng)或者“血液循環(huán)系統(tǒng)”。正因為這樣，我們說地球上每個圈層都是一個系統(tǒng)，北大西洋的冰蓋融解，就會通過這個系統(tǒng)影響太平洋，“牽一發(fā)而動全身”。如果這條“大洋傳送帶”一旦停運或倒轉（冰期時很可能出現(xiàn)），那么全世界的熱量輸送系統(tǒng)就會被打亂，地球上的氣候就會發(fā)生巨大的變化。

不僅各個圈層是一個系統(tǒng)，地球上各個圈層之間又發(fā)生相互作用，地球表面的氣圈、水圈、巖石圈和生物圈聯(lián)結起來構成一個整體。把地球各圈層作為一個完整的系統(tǒng)來研究，才能夠理解地球上種種變化的機理，從而取得預測地球環(huán)境變化的能力。例如，我們能預報三天的天氣，但不能預報幾個月后的天氣，原因在于海洋對大氣的控制。厄爾尼諾就是最好的例子，東太平洋氣候反常，根子原來在西太平洋的熱帶海水，近年來發(fā)現(xiàn)西太平洋次表層水溫變化是厄爾尼諾的前兆，掌握了海、氣相互作用的規(guī)律，就可能提前半年預報厄爾尼諾，這是大氣科學的重要進步。同樣可以舉地震預報為例，地震災害發(fā)生在日本、我國臺灣地區(qū)，而震中分布在西太平洋板塊俯沖帶。最近大洋鉆探船在日本以東深海海底鉆孔，將傳感器深埋在海底以下2 000米深的井底，隨時監(jiān)測太平洋板塊微細的運動，有望為陸上地震預報提供重要線索。

圖2 世界大洋的水圈是一個整體：“大洋傳送帶”假說

正式把地球各圈層聯(lián)結起來作為系統(tǒng)研究的國際計劃，就是“全球變化”。由于工業(yè)化以來大量消耗化石燃燒，把地質時期光合作用固定在地層中的有機碳，經(jīng)過燃燒變成CO₂重新排放到大氣圈中，造成大家所熟悉的“溫室效應”。然而從工業(yè)化到現(xiàn)在大氣中增加的CO₂，遠少于人類活動排放出來的CO₂。那么，“失蹤”的CO₂到哪里去了？現(xiàn)在有種種說法，但主要是到海洋里去了。海水中CO₂約是大氣中CO₂的60倍，因此海水中微小的變化足以對大氣造成重大影響。大氣中CO₂增多，海水表層溶解的CO₂也相應增加，并被浮游生物制造成有機質（碳水化合物等）和碳酸鈣質的骨骼，生物死亡后沉到海底進入海洋沉積，退出海洋和大氣的碳循環(huán)。這種通過海洋生物把大氣中的碳輸送到海底巖石圈中的作用稱為“生物泵”。然而，碳酸鹽骨骼到了深海底部還會溶解，因為海水越深壓強越大、溫度越低，碳酸鹽越容易溶解：

到一定深度時由上而下沉降下來的碳酸鹽骨骼，和深海溶解作用消失的碳酸鹽相互抵銷，這就是“碳酸鹽補償面（CCD）”，此面以下碳酸鹽基本上不能堆積（如圖3B所示）。早在1912年，在英國“挑戰(zhàn)者”號考察船環(huán)球航行基礎上繪出的沉積分布圖（如圖3C所示）表明：以水深四五千米為界，較淺的海底沉積物中富含碳酸鹽而呈灰白色（鈣質軟泥），較深的海底沉積物因缺乏碳酸鹽而呈紅色（深海紅黏土），這條界線（即CCD）稱為“海底雪線”。地質資料表明，無論是表層海水的生產(chǎn)力或者深層海水的“海底雪線”都在隨著冰期旋回發(fā)生變化，這種變化呈萬年尺度的周期性。這比生物光合作用將大氣CO₂輸入生物圈，生物腐解作用又將CO₂輸回大氣圈的時間尺度（季節(jié)或百年以下）長得多；而更長的周期則是巖石圈與大氣之間的碳循環(huán)。

圖3 海洋中的碳循環(huán)

巖石圈的主要成分是硅酸鹽，而硅酸鹽風化作用要消耗大氣中的CO₂：

CaSiO₃＋CO₂—→CaCO₃＋SiO₂

所以當造山作用使巖石圈抬升遭受剝蝕時，就會減少大氣中CO₂的含量；相反，當巖石圈隨板塊俯沖到深處，在高溫高壓下就會發(fā)生“脫鈣”作用或變質作用：

CaCO₃＋SiO₂—→CO₂＋CaSiO₃

通過火山活動CO₂又回到大氣圈中。這種巖石圈和大氣圈之間的碳循環(huán)時間尺度長達千萬年以上。

由此可見，地球上的碳循環(huán)至少有三個層次：只看陸地與淺海，生物圈與大氣圈間的CO₂循環(huán)是季節(jié)到百年尺度的周期；涉及深海的碳酸鹽沉積與溶解，碳循環(huán)的時間尺度長達萬年等級；而板塊運動中巖石圈的碳循環(huán)則長達千萬年以上（如圖4A所示）。認識到地球系統(tǒng)中多層次碳循環(huán)的復雜性，就很容易理解人類活動排放的CO₂會“失蹤”。應當指出，各圈層碳循環(huán)的時間尺度不一樣，其碳儲庫的大小也不一樣。上述四大圈層中大氣圈含碳最少，但大氣環(huán)流的運動最快（一般＜10⁰年）；大洋的碳儲庫是大氣的60倍，但全球海水循環(huán)的周期屬千年等級（＜10³年）；巖石圈的碳儲庫最大，但運動周期也最長（10⁷—10⁸年）（如圖4B所示）。總之，從大氣、大洋到巖石圈，密度越來越大，含碳量越來越大，但循環(huán)的時間尺度越來越長。如果只從大氣圈和生物圈的相互作用來討論CO₂濃度變化，肯定是不夠的。但是研究地球系統(tǒng)內多圈層的相互作用，其難度正在不同圈層間進行不同尺度的耦合。

圖4 地球表層系統(tǒng)中碳和碳循環(huán)

A．地球上的碳循環(huán)（數(shù)字示碳循環(huán)的時間尺度）

B．地球上不同圈層的碳儲庫

研究地球系統(tǒng)變化最成功的實例是冰期、間冰期的旋回。大約兩萬年前，地球陸地有1/3被冰蓋覆蓋，不僅南極是冰蓋，北美、西歐，包括整個加拿大和美國北部和西歐的北部全被冰蓋覆蓋，厚達兩三千米，甚至四千米，世界海平面下降120米，大氣中CO₂濃度只有180ppm，相當于現(xiàn)在的1/2。這是怎么知道的？古代大氣中的化學成分來自極地冰芯，從冰芯氣泡中抽出氣體進行測定，可以得出CO₂含量。而古代海平面和海水溫度來自浮游有孔蟲殼體的穩(wěn)定同位素分析。有孔蟲是一種單細胞動物，殼體由方解石（CaCO₃）組成，其中¹⁸O與¹⁶O的比值與海水保持平衡，能夠反映全球冰蓋大小和海平面下降的幅度以及海水的溫度。有趣的是：深海沉積中有孔蟲的氧同位素曲線與冰芯氣泡中CO₂含量曲線相互平行，而CO₂含量又與溫度曲線相互平行（如圖5A所示），反映地球上冰期與間冰期的旋回。我國黃土高原黃土—古土壤剖面的磁化率曲線，也與深海沉積中兩百萬年來浮游有孔蟲氧同位素曲線一致。這又一次表明地球是一個整體，由于地球旋轉軌道參數(shù)的周期性變化，造成地球表面接受太陽輻射量的增減，反映在海洋、大氣和陸地各個方面。地球表面從大氣圈到深海海底，各種界線都會隨之發(fā)生升降變化，只是反應的時間尺度與變化幅度不同，而且通過地球系統(tǒng)內部的反饋，相互間呈現(xiàn)復雜的關系，至于這種萬年尺度的軌道周期是一直存在的，現(xiàn)在大洋鉆探已經(jīng)取得一千多萬年來有規(guī)律的周期現(xiàn)象。

圖5 地球上氣候變化的冰期旋回

A．南極冰芯40萬年的記錄：_a．冰芯氣泡中的CO₂含量，b．冰芯同位素記錄的溫度曲線 B．有孔蟲氧同位素的鋸齒狀曲線

仔細觀察冰期/間冰期的氣候曲線（如深海沉積中浮游有孔蟲的氧同位素曲線），十分顯著的特點是曲線呈鋸齒狀。也就是說曲線只在一定范圍內擺動而并不“出格”，而且變冷與變暖并不對稱，變冷慢而變熱快（如圖5B所示）。前者的原因在于地球氣候系統(tǒng)的內反饋機制：氣候變冷到一定程度，地球上過多的水分凍結在冰蓋中，就會大大減弱水汽循環(huán)，不能再繼續(xù)變冷。后者的原因比較復雜，但答案看來又在深海海底。在海洋上陸坡底下數(shù)百米處，有像冰一樣的物質保存在地層中，稱為天然氣水合物（gas hydrate）。這里甲烷（CH₄）分子被鎖在冰的晶格中，外形像冰（如圖6A所示），但里面含天然氣，在海底地層中（低溫、高壓）呈固態(tài)，一旦取出來就會熔化并釋放出CH₄，因而稱為“可燃冰”。大洋鉆探曾在美國以東大西洋海底專門鉆探天然氣水合物，取得了標本。而天然氣水合物在各海洋中廣泛分布，據(jù)估算其總儲量是已知化石燃料的兩倍，有可能成為新世紀的新能源（如圖6B所示），正引起各國政府的高度重視。而甲烷又是一種溫室氣體，其溫室效應是相同質量CO₂的十倍。只要由于中層水的海溫發(fā)生變化或者其他原因引起海底溫度、壓強的變化，就會大量釋放出來，突然增加溫室效應，造成全球迅速轉暖，因此在冰期旋回中轉冷是漸變的，增暖是突變的。雖然這種新的氣候變遷理論還有待實際資料的檢驗，但至少又一次表明地球系統(tǒng)是一個整體，氣候變化的原因有時很可能來自深海海底的某種不穩(wěn)定成分，只需要海水中某種不顯著變化的觸發(fā)，就可能給氣候系統(tǒng)帶來重大影響。

圖6 天然氣水合物

A．外形和分子結構； B．全球有機碳儲量的分布（單位：Gt）

一、地球有多種狀態(tài)，現(xiàn)在的地球處于非常狀態(tài)

人們習慣于把現(xiàn)在地球上的現(xiàn)象認為是標準，其實錯了，地球系統(tǒng)有很多不同的狀態(tài)，而現(xiàn)在的地球恰恰處于非常特殊、非常罕見的狀態(tài)。前面說過，大約兩萬年前地球經(jīng)歷了一場大冰期，直到今天許多地貌的特征還沒有恢復過來，還處在“劫后余生”的狀態(tài)；如果放眼整個地球史，就可以看出今天的特殊性。

在整個地球史中，大部分時間兩極都沒有冰蓋，稱為“暖室期”；只有少部分時間有冰蓋，屬“冰室期”，通常只在一個極有冰，而像今天這樣南極和北極都有冰，這種情況是絕無僅有的，在地質史上所占的比例不到1％（如圖7A所示），也就是說我們是生活在一個非常特殊的時期。大約在一億年前，那時恐龍還沒有滅絕，由于地幔物質的大量往上涌，使大氣中二氧化碳含量是現(xiàn)在的三倍，高緯度的溫度比現(xiàn)在高15℃左右，屬于典型的暖室期，兩極都沒有冰蓋。距今五六千萬年起地球逐漸變冷，這是根據(jù)深海海底底棲有孔蟲殼體中的氧同位素比值測出來的（如圖7B所示），表明深海海底和高緯度區(qū)海面的水溫下降了大約15℃。為什么地球表面會變冷？有兩種假說，一種認為是洋流變化引起的，另一種認為是高原隆升造成的，我們不妨看看這兩種說法。

圖7 地球歷史上的冰蓋

A．暖室期與冰室期；B．冰蓋的形成：新生代6 000多萬年來全球變冷，深海底棲有孔蟲氧同位素比值變大，冰蓋增大，溫度下降

1975年英、美科學家提出：“6 500年前南美洲和澳大利亞的板塊都與南極洲相聯(lián)，該區(qū)的洋流是徑向循環(huán)，能將低緯區(qū)的熱量輸送到南極洲，南極洲氣候并不冷（如圖8A所示）；后來板塊漂移，南美洲、澳洲移走，使南極洲周圍形成“環(huán)南極洋流”，造成南極洲的熱隔離，越來越冷，終于出現(xiàn)冰蓋（如圖8B所示），使地球進入“冰室期”。20世紀80年代提出的另一種假說，認為當今地球上的主要高原都是6 000萬年以來隆升形成的，包括南、北美洲西部，非洲東部和我國青藏高原，其中尤以青藏高原最為重要。高原隆升可以改變大氣環(huán)流，而更重要的是前面所說的增強風化作用，消耗大氣中的CO₂，減少溫室氣體，造成全球變冷。大氣中CO₂含量降低的說法已經(jīng)有獨立的證據(jù)支持，現(xiàn)在的問題是尚待查明高原隆升與洋流變化各起多大作用。

圖8 南大洋演變的氣候效應假說

A．距今5 300萬年前：南美洲、澳大利亞與南極洲相聯(lián)，南極周圍海水可以與低緯區(qū)交換；

B．距今2 100萬年前：南美洲、澳大利亞與南極洲分開，環(huán)南極洋流形成，南極洲處于“熱隔離”狀態(tài)

地球上這種“暖室期”與“冰室期”的交替旋回，曾經(jīng)出現(xiàn)多次，但每次進入“冰室期”后還會回到“暖室期”；進入“暖室期”后還會回到“冰室期”，不會失控。而這種周期性交替現(xiàn)象在太陽系中只在地球上存在，鄰近的金星、火星都沒有這種情況?，F(xiàn)在地球表層溫度是15℃，有液態(tài)水，是迄今所知唯一的藍色星球。而火星表面溫度為－60℃，已經(jīng)處在極端的“冰室”條件；金星表面溫度為＋460℃，屬于極端的“暖室”狀態(tài)。現(xiàn)在金星的大氣壓是地球的90倍，其中98％是CO₂，金星CO₂是地球的26萬倍，而且還有25千米厚由硫酸形成的云層，是一種“溫室效應”失控的環(huán)境。只有地球能自我控制、自我調節(jié)，簡直像一個超級生物，所以20世紀70年代英國就有人提出“蓋婭”（Gaia，希臘神話中的地球神）假說，主張研究“地球生理學”。其實從地球系統(tǒng)科學的角度分析，這只不過是圈層間的協(xié)同演化，并非只有把地球神化才能解釋。

地球演化的早期溫室氣體也非常多，38億年前生命起源時地球的大氣圈還屬于還原性，以CO₂為主；而今天這種O₂遠多于CO₂的氧化性大氣圈，是三億多年前陸生植物發(fā)育、改造大氣成分后才形成的。關于這種地球演化早期時生物圈的面貌，又是靠深海研究提供了線索。深海調查發(fā)現(xiàn)在2 500米深的洋中脊海底，有冒出“黑煙”的高達10米的“黑煙囪”，這就是所謂的“深海熱液活動”（如圖9所示）。海水沿著洋中脊海底的裂隙下滲，到四五千米深處與熔巖接觸，升溫到三四百攝氏度后，密度由1.0降到0.7，因質輕而上升；由于充滿了細顆粒的金屬硫化物而呈黑色，使上升的熱液猶似“黑煙”。硫化物在海水中結晶出來形成煙囪狀，這些黑煙囪迅速生長，很快倒下，形成一片金屬硫化物礦床。這是今天正在形成著的活的金屬礦床，對成礦理論研究具有重要的科學價值，同時也是深海海底的又一資源，美國、德國等都在取樣研究。現(xiàn)在已知的深海熱液活動區(qū)分布廣泛，東海沖繩海槽就有多處發(fā)現(xiàn)。

圖9 深海熱液作用

深海熱液區(qū)更加有趣的是熱液生物群。1977年美國“阿爾文”號深潛器在東太平洋加拉帕戈斯海溝，發(fā)現(xiàn)在黑煙囪區(qū)分布著獨特的深海動物群，引起了轟動。熱液區(qū)生物的密度比周圍高1萬倍到10萬倍，可以比作深海沙漠中的綠洲，其中最有趣的是可達2—3米長的管狀蠕蟲（如圖10B所示），這些蠕蟲既沒有口也沒有消化器官，全靠硫細菌提供營養(yǎng)（如圖10A所示）。在2 000多米的深海海底根本沒有陽光，不可能進行光合作用，而且溫度高、壓強大，硫細菌從熱液中取得地熱的能量，支持著這種特殊的熱液動物群，除蠕蟲外還有瓣鰓類、螃蟹等。而且熱液動物的新陳代謝特別快，遠遠高于靠陽光生長的生物群。

圖10 熱液生物群

A．熱液蠕蟲并無口、消化器官與肛門；B．長達2.5米的深海熱液蠕蟲；C．活的熱液蠕蟲群

深海研究的結果發(fā)現(xiàn)今天地球上有兩類生物群、兩種食物鏈（如圖11所示）：一類是我們習慣的靠外源能量即太陽能支持的，在常溫和有光的環(huán)境下靠光合作用產(chǎn)生有機質：

6CO₂＋6H₂O—→C₆H₁₂O₆＋6O₂

另一類則是靠地球內源能量即地熱支持，在高溫和黑暗的環(huán)境下靠化合作用維持：

6CO₂＋6H₂O＋6H₂S＋6O₂—→C₆H₁₂O₆＋6H₂SO₄

這兩類生物群的能量來源和合成有機質的機理完全不同，在地質歷史上的地位也大不相同。在地球演化的早期大氣屬于還原性，不可能有靠光合作用的生物群，相當于現(xiàn)在熱源生物群、依靠地球內熱的生物，是當時地球上唯一的生命。

圖11 “有光食物鏈”（上）和“黑暗食物鏈”（下）

這類生物中，最重要的是細菌。黑煙囪表面用電子顯微鏡觀察，可以看到密密麻麻的細菌（如圖12所示）。這些細菌不僅分布在熱液區(qū)，也發(fā)現(xiàn)于深海海底下面的地層深處，被稱為“深部生物圈”（deep biosphere）。1993年在北海海底以下3 000米、在阿拉斯加海底的石油鉆井中，都發(fā)現(xiàn)有熱液細菌，從巖芯中不受污染的中央部分，有熱液細菌在溫度100℃下生活。大洋鉆探在太平洋5個航次中發(fā)現(xiàn)深部地層中有細菌分布，如日本海在水深900米的海底以下518米處每平方厘米沉積中含有1.1×10³枚細菌。按此推算，如洋底以下500米以內的地層中平均含有微生物量為1.5噸/公頃，則全球洋底以下的深部生物圈生物量相當于地球表層生物圈的1/10，占全球微生物總量的2/3。深部生物圈生活在極端特殊的條件下，高溫高壓而且生存空間極小，新陳代謝極端緩慢，實際上處于休眠狀態(tài)，但已經(jīng)活了幾十萬、幾百萬年。它們在生物技術上的價值不可估量，將向人類提供現(xiàn)在完全不了解的基因庫；而且在生物學理論上有極大意義，最近在火山噴發(fā)區(qū)也發(fā)現(xiàn)有此類細菌，很可能與我們尋找的外星上生物有共同點。

圖12 用掃描電子顯微鏡看黑煙囪表面布滿的細菌

在地球40多億年的歷史上，形成含氧量接近現(xiàn)代水平的氧化性大氣圈，只有近3億多年；在此后的冰室期/暖室期旋回交替中，冰室期只占小部分時間；冰室期中冰期的時間長度遠大于間冰期?？梢娊裉斓牡厍蛳到y(tǒng)是處在一種異常的時期，“將今論古”常常會導致錯誤，而簡單地以現(xiàn)在推測未來也未必正確。只有了解地球系統(tǒng)變化的機理，才有可能對氣候和環(huán)境的未來進行推測。

二、認識地球系統(tǒng)，深海研究是關鍵環(huán)節(jié)

20世紀人類對地球系統(tǒng)的了解，關鍵的突破口在于深海研究。只有取得深海海底擴張的證據(jù)，才能使陸地地質構造的難題迎刃而解，建立起板塊學說，形成全球構造的概念。只有知道深海碳酸鹽沉積與溶解的作用，才能建立起碳循環(huán)的全面觀念。只有發(fā)現(xiàn)深海熱液生物群和深部生物圈，才能取得地球上生物圈和生物量的完整認識。沒有深海研究，就沒有地球系統(tǒng)科學。

深海研究對20世紀的地球科學起了革命性的作用，在新世紀中必將起關鍵性的先鋒作用。其原因是人類對深海的了解還太少。地球表面71％是海洋，而海洋的平均水深為3 800米，超過2 000米的深海區(qū)占海洋面積的84％，因此地球表面大部分是深海（如圖13所示），缺乏深海工作的地球科學只能是“盲人摸象”。而人類對深海海底的了解，還趕不上月球，甚至還不如金星和火星。通過遙感測量，金星表面90％以上面積地形分辨率已達到120米，遠遠超過地球上對深海地形的了解。新世紀深海研究隨著技術的發(fā)展，將進一步改變地球科學的面貌。

圖13 地球表面一半以上是水深超過2 000米的深海（黑色）

人類直接調查深海的歷史并不長，最著名的如1960年Triests號深潛器下到馬里亞納海溝10 916米海底的創(chuàng)紀錄之舉，而近年來不少發(fā)達國家制造深潛器，進行深海試驗，1999年法、德合作對格陵蘭海底的探測就是一例。然而深海研究中規(guī)模最大、歷史最長、成績最突出的當然是深海鉆探（DSDP）和大洋鉆探（ODP）。創(chuàng)始于1968年的這項國際合作計劃，目前有二十余個國家和地區(qū)參與，每年預算為4 500萬美金，用一條世界上最先進的深海鉆探船“JOIDES決心”號進行鉆探。30余年來，DSDP和ODP計劃已經(jīng)在各海洋鉆井2 000余口，取深海沉積物20萬余件，取得了地球科學中劃時代的重大成果。當前的ODP計劃定于2003年結束，2005年開始發(fā)展為更大的國際計劃，其中日本方面將更大的三萬噸級的深海鉆探船投入運行，在更大范圍內開展新一輪的深?？茖W鉆探。

我國在20世紀結束前參加了國際大洋鉆探計劃，1998年正式加入，1999年春便實現(xiàn)了南海的ODP 184航次。兩個月的航次，在六個深水站位鉆井17口，其中東沙附近5個站，南沙附近1個站（如圖14所示）。這次中國海的首次大洋鉆探，取得了3 200萬年來南海演化和氣候變遷的深海記錄，特別是東沙以南水深3 360米的1 148井進尺850米，紀錄了南海形成以來的全部歷史，使我國的海洋地質學進入新階段。特別值得指出的是南海大洋鉆探是由我國科學家建議、設計，由我國科學家主持，在中國人占船上科學家1/3的情況下成功實施的。中國在世紀結束前進入大洋鉆探的國際前列，也為新世紀中通過深海研究推進地球科學發(fā)展準備了條件。

圖14 南海大洋鉆探ODP184航次的鉆井位置

三、中國地球科學界的歷史責任

如果說地球科學在19世紀的最大進展在于進化論，20世紀在于板塊理論，那么21世紀的突破點可能在地球系統(tǒng)演變的理論。因為通過20世紀的努力，人類已經(jīng)處在“地球系統(tǒng)科學”進行“組裝”的前夕。由于歷史的原因，中國已經(jīng)錯過了上兩個世紀的地學革命，不應該再次錯過21世紀的地學革命。獨特的自然條件，賦予中國地學界以特殊的歷史使命。我國西有青藏高原，東有邊緣海，廣泛發(fā)育季風氣候，而季風氣候又促成了黃土高原和東流的大河，堆積起寬廣的大陸架和沿海三角洲平原。這是當今世界上十分獨特的環(huán)境，因為東亞地區(qū)是當今唯一夾在兩個板塊匯聚帶之間的大陸，西有印度板塊碰撞，東有太平洋板塊俯沖，決定了新生代晚期最大構造形變和環(huán)境效應。如果從西藏到臺灣做一個地形剖面，今天是西邊的高原超過5 000米，向東邊平原傾斜；而5 000萬年前很可能與此相反，是東部高而西部低（如圖15所示）。今天中國的地形分為三級，從高原到平原逐級下降，但這種地形形成很晚。長江、黃河按規(guī)模名列世界前茅，但年齡遠小于國外的大河：亞馬遜河、尼日爾河等都有一二千萬年的歷史，密西西比河可以上溯到2億年前，而黃河、長江可能只有幾百萬年歷史。盡管還有許多不清楚、不確切的問題，但中國地形由西傾轉為東傾是沒有疑問的，這種巨變發(fā)生在2 000多萬年前。

地形變化伴隨著氣候改變。今天中國的干旱帶在西北部，而東南部受季風的控制，夏季風帶來海上的水汽，冬季風帶來風塵。5 000萬年前地形尚未倒轉時，世界氣候分帶呈緯向分布，我國干旱帶橫貫西東，屬于行星風系；大約2 000萬年前才退縮到西北角，與今天的格局相似，屬于季風風系。可見，我國季風氣候的確立很可能與地形倒轉相關。前面說過，近6 000萬年來全球變冷有可能是世界高原隆升的結果，那么地形倒轉、全球變冷和季風氣候確立三者可能相互關聯(lián)。這種地質構造運動與氣候演變關系的研究，是當前國際學術界的前沿問題，也是南海大洋鉆探建議的主題所在。

中國要研究的問題很多，我們西邊有高原，東邊是西太平洋邊緣海，就在這個邊緣海區(qū)發(fā)生了世界上最大的大陸（亞洲）和最大的大洋（太平洋）的能量和物質交換。而能量和物質的交換，實際上決定了世界上氣候的格局。從青藏高原的最高峰到菲律賓海溝直線距離僅4 000千米，但是落差將近兩萬米，是世界上地形反差最大的地區(qū)之一（如圖15所示），今天世界上由陸地輸送到海洋的懸浮物質有70％來自亞洲的東南區(qū)，這里同時也是世界上大氣環(huán)流極其活躍的地區(qū)。

圖15 亞洲東南巨大的地形落差

西太平洋邊緣海中最為有趣的，是夾在亞洲與太平洋之間的四個海：鄂霍茨克海、日本海、東海以及南海，它們可以看作一個系統(tǒng)（如圖16所示）。它們一方面從大陸接受河水注入（圖中箭頭），另一方面又以一系列海水通道與太平洋和相鄰的邊緣海相聯(lián)（圖中黑圈）。這是一個高度靈敏的水文系統(tǒng)，只要一個通道關閉，就有可能影響全局。尤其是西太平洋區(qū)將低緯度熱量向高緯度輸送的黑潮，在臺灣以東進入東海后又以分枝的方式流入日本海和鄂霍次克海，對東亞氣候有舉足輕重的影響，然而在冰期時海平面下降，黑潮主流不能進入東海和其他邊緣海，使亞洲和太平洋能量與物質的交換不在邊緣海內，而在邊緣海外進行。這種變化不僅影響陸地的氣候，還會影響西太平洋的海水，如年平均水溫超過28℃的“西太平洋暖池”。“暖池”區(qū)是地球上表層海水溫度最高，因而也是熱量和水汽交流最為強烈的海域，由此輻散的大氣環(huán)流控制著季風和厄爾尼諾等全球性和區(qū)域性的氣候現(xiàn)象。所有這些，使中國岸外邊緣海的古環(huán)境研究具有特殊的意義。

圖16 西北太平洋邊緣海的水流系統(tǒng)

以上所述，只是中國地球科學界應該回答的很多問題中的一部分。但是，中國的地球科學面臨著這樣的選擇：在新世紀中還是繼續(xù)主要做輸出原料的工作，還是也進行深加工；我們是只出零件，還是也參加組裝。如果參加組裝，就得研究地球系統(tǒng)，而沒有深海研究就談不上地球系統(tǒng)。20世紀90年代初中國科學院地球科學部提出的方向稱為“上天，入地，下?！保@為中國地球科學指明了方向；最近中國科學院地學部又提出“從地學大國走向地學強國”的口號，如果我們能夠海陸并舉，并且發(fā)揮海陸結合的優(yōu)勢，中國有可能在新世紀地球科學中作出應有的貢獻。

應當承認，在四大古文明中，華夏文明的海洋成分比較少，直到今天我們的海洋意識還相當薄弱。傳說早在公元前4世紀，亞歷山大大帝就完成了第一個潛水的壯舉；日本裕仁天皇1975年曾訪問美國伍茲霍海洋所了解深海研究和深潛技術，當時的皇太子于1987年親自參觀了美國“阿爾文”號深潛器（Broad，1997）。國外重視海洋的例子應當對我們有所啟發(fā)。

總之，新世紀的地球科學發(fā)展方向將是地球系統(tǒng)科學的研究，而深海研究是其中的關鍵。我國在新世紀中實行海陸并舉、海陸結合的方針，加強對海洋的重視，將不僅是地球科學，而且也是華夏文明的發(fā)展方向。

（本文原載《百年科技回顧與展望——中外著名學者學術報告》，上海教育出版社，此文系作者在1999年“中國科學院建院50周年大會”上的報告）

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