看不見、摸不著、進不去的地球深部到底長什么樣？科學講壇——拓守廷

深海探索是一個系統性的工程，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域卓有建樹的專家拓守廷教授，拓教授是同濟大學海洋與地球科學學院的副教授、副院長，也兼任同濟大學船舶管理中心主任，他長期從事大洋鉆探的科研與管理工作，組織協調我國科學家參加國際合作航次與研究，并積極參與由中國牽頭發起的深部大洋鉆探計劃。拓教授在大洋鉆探領域已經發表了多篇重要成果，其主持的科普項目也曾獲上海市科普獎。本文由講座內容整理而成。

從科學研究到礦產資源，包括深海的地質災害等，都和人類的生存和發展密不可分，所以深海對我們來說非常重要。

研究深海現在主要是三大手段，深潛、深網和深鉆，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，那么在地球的內部是什么樣子呢？我們不知道，因為我們進不去、看不見、摸不著，但是人類從來不缺乏好奇心，有了好奇心就驅動著我們去探索未知的世界。

從科幻到科研

在科學技術發達到一定程度之前，首先有了科學的幻想，所以有很多科幻作品來想象地球的內部是什么樣子，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》，但他其實也有很多涉及到地球內部的作品。此外，大家熟知的魯迅先生在日本棄醫從文，但是他在日本學醫之前，實際上是在南京路礦學堂先學的地質和采礦，也是地質專業的。魯迅先生在日本求學的時候，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。

那么對地球科學家來講，現在地球物理學的研究手段已經是非常先進了，就類似于大家到醫院里去做的CT 、B超等聲學或其他手段。通過這些手段，我們能得出不少研究結果，例如：中學課本里學到的地球有地殼、地幔、地核這樣的三層的主要的結構和構造。地幔是地質構造的主體，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，科學家從事科學研究的實驗室，最深能有多深呢？其實，我們有很多科學家在四川的雅礱江二灘水電站下面，錦屏地下實驗室等，從事基礎科學的研究。這里就是科學上人類到達的最深的地方。

而從人類活動的角度來講，人類到達地球最深的地方實際上是4350米。在南非的一個4000多米的金礦，溫度已經達到了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輸到地下去幫助來降溫，這樣工人才可以正常地工作去采金礦，這是人類活動能到達的最深的深度。

而陸地科學鉆探的最深處在前蘇聯的科拉半島，最深可達的12,262米。最早到達地下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，蘇聯專家發現實在是太難，只好停掉并且封井，這是人類科學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濟專屬區甚至領海去開展，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50年代。在當時，世界的科學中心從歐洲轉移到美國去，美國政府對基礎科學的研究投入很大，當時物理學界有很多例如加速器對撞機這樣的大項目，而地球科學界的科學家開始思考地學人要干什么大項目。其中有一位老先生叫沃特·芒克，他就提了一個點子，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究竟是什么。研究地質的科學家說點子不錯，開了一系列論證可行性的會，然后去游說美國的國家科學基金會，即National Science Foundation。然后美國科學基金會就支持了這個項目。當時就是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。當時的美國總統肯尼迪發了一封賀電，說：這是人類科學史上的一個里程碑的事件。

但是，再往后就打不下去了。因為船打到海洋底下，巖芯取上來后再繼續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。因此深度很難繼續往下深入。

另一方面，鉆頭的技術也還不夠過關，所以當時也就打個幾百米的深度，雖然這個莫霍鉆沒有打成，但是科學家拿出來的巖芯樣品研究了之后，發現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劃，叫做深海鉆探計劃。從1968年正式開始，美國又派了一艘船叫“格羅瑪挑戰者號”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，這叫做大洋鉆探計劃（ocean drilling program）。這個還是由美國一家來主導，它有一艘船叫“喬蒂斯決心”號。前兩個階段都由美國主導，其他國家作為成員來參與。

但是到了2003年，局勢發生了很大的變化，當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的。然后歐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合領導，其他的國家作為成員，交會費來加入進去。

大洋鉆探對地球科學的貢獻

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、構造的演化，深部的生命礦產的資源等都做出了非常重要的貢獻。

這里我就舉幾個簡單的例子。1968年，科學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現，沿著紅色的大西洋的中脊，它兩側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張，就是海底擴張學生，對板塊構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（深海鉆探計劃）早期的時候，科學家在地中海打了一系列的鉆，就發現500萬年到600萬年前地中海海面曾經下降，裸露成一個干涸的湖泊，這里面有大量的石膏巖，即蒸發巖這樣的巖類，說明當時曾經一度干涸到達沙漠的狀態。提出這樣重大發現的人，是一位華裔的科學家，老先生叫許靖華，1929年出生，現在還在世，他是中央大學地質系畢業，后來到美國去留學，然后到瑞士去工作，成長為國際地質學領域的一個非常知名的學者。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，我們現在所處的是一個非常獨特的時期，地球有自己的氣候變化的規律，非常值得我們去探究。

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合作業，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成果特別關注，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，即白堊紀末期的時候，經過大洋鉆探的研究，在好幾個地方打了鉆，發現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境突變，這些大的生物恐龍很難適應這種環境的巨變，就滅亡了，這個結論也是大洋鉆探做出的貢獻。

這樣的例子還有很多，這些科學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工大學，一個在德國的不來梅大學，一個在日本的高知大學。

這些巖芯樣品向全世界的科學家免費開放，不只是會員國的科學家，每個做地球科學研究的科學家，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。負責樣品審批的委員會會查看科學家的簡歷，然后檢查研究的獨創性，如果沒有重復研究，巖心庫工作人員就把樣品免費地采好寄給你。科學家在實驗室里去研究樣本，把獲得的數據公開發表的數據公開發表。在最后的致謝里寫上，這個樣品是由大洋鉆探計劃提供的就可以，所以我個人認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。

實際上，在2024年之前，國際大洋鉆探都是三家領導，其他國家作為成員來參加。中國是每年交300萬美元的會費給到美國基金委，這樣我國可以派一些科學家上船參加航次。但是我國繳納300萬美元，每年卻只能派10個科學家，這個成本還是非常高昂的。我們一個科學家就是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生了很多的變化。美國領導該項目50多年了，認為現在的模式不可行，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：現在幾百萬美元已經是中國的極限了，中國可以再造一條船，并且為世界做更大的貢獻。

深海探測，中國在活動

中國在大洋鉆探領域有非常大的進展，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年才開始參加進去，當年付了50萬美元的會費。其實在1985年代，新的ODP（大洋鉆探計劃）啟動的時候，我們國家的地學界的老前輩，如劉東生先生等都在推動加入大洋鉆探，但當年50萬美元對我們國家來說是一個非常巨大的數字，很難支持，所以直到1998年，隨著國力的增強，我國才有了實力來支持科學家的基礎科學研究。

自從加入進去之后，我國在所有成員國里的貢獻逐漸在增加，從50萬美元到100萬美元到現在的300萬美元，都給國際的大洋鉆探提供了非常大的支持。我們國內也組織科學家進行了很多的研究工作，科技部成立了大洋鉆探的辦公室，由同濟大學來負責，組織協調全國的科研單位和科學家來參加。這么多年來我們一共派出了接近180位科學家，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據，在實驗室里帶著團隊一起來做研究，這背后的研究隊伍是相當龐大的。

通過大洋鉆探這個平臺，中國科學家在全世界的各個大洋開展研究，做出了非常突出的成績。這里在科學上一個典型的例子，就是我們在南海進行的4次的大洋鉆探航次，由中國科學家主持，作為首席科學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家提交，國際的評審委員會經過很多輪的評審，挑出最優秀的建議書來執行航次，因為執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，所以大洋鉆探一點要選最后的申請書去執行。我們中國科學家，如汪品先院士、翦知湣院士領導的團隊，一共提交了3份南海的大洋鉆探建議書，執行了4個南海的大洋鉆探航次，這對于我們國家研究南海是發揮了非常重要的作用，占據了科學上的主導權，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，這是我國在科學上的很大的進展。

同時在裝備和技術方面，我國有非常突飛猛進的進展，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，它是42,500噸，花了30多億人民幣，這個是將來領導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研究的基礎，才有我國人才隊伍的成長，再加上“夢想”號大洋鉆探的入列，現在可以由中國人牽頭發起國際的大洋鉆探計劃。現在就是歐洲、日本綁在一起，他們是一起做大洋鉆探。而我們中國發起深部大洋鉆探計劃，叫做深部大洋鉆探計劃（deep ocean drilling program），因為現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定的目標莫霍界面6000米、7000米還是有相當的距離，所以未來的希望和突破一定是在更深部。當然，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備航次，所以現在是三足鼎立的局面。

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

現在我們團隊、中國科學院深海科學與工程研究所和廣州海洋地質調查局密切合作，推進深海科學與技術的聯盟，一起在來來主導我國大洋鉆探的計劃。

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家來共享來使用。同濟大學在國家教育部的支持下，也將建設國際上第四個大洋鉆探的巖芯庫，這不僅僅是一個巖芯庫，同時也是一個數據中心，更是一個裝備技術的研發中心，就在我們上海最東南端的臨港，即同濟大學的臨港基地，預計今年就會動工建設。

前面講的大洋鉆探一方面是硬件，另一方面是領導國際的能力，軟件也非常重要。我們中國科學家要有前沿的科學思想，這樣才能真正掌握國際大洋鉆探的領導權。

我們現在也在組織科學家編制我們中國大洋鉆探未來十年的科學發展計劃，更加重要的是就是大洋鉆探的科學建議書，剛才提到這是全世界科學家自由提交的建議書，然后經過多輪評審，才能挑選最好的計劃去執行航次。

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

最后，我現在正管理和運行“同濟”號這艘科考船。同濟大學去年投資建造了一艘叫“同濟”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“雪龍號”、“雪龍2號”停靠在同一個碼頭，歡迎對大洋鉆探事業有熱情的人們，有時間、有機會到我們“同濟”號科考船上去看一看。

內容整理：若木

文章轉載自“墨子沙龍”公眾號