【科学时报】汪品先院士：从海底看地球能看到什么

顾汉现

【科学时报】汪品先院士：从海底看地球能看到什么


作者：尹宏 刘彬 廖洋


发布时间：2010-12-8 9:08:13


【科学时报】汪品先院士：从海底看地球能看到什么


“人类历来是在海洋之外看海洋，看到的只是一个单向运动的世界；而当人类潜入深海，立足海底向上看，才会看到更多的精彩，获得更多的发现。”

随着中国经济和科技水平日新月异的发展，国人“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”的豪情亦是节节高涨。近年来，如火如荼的载人航天、探月工程将人们的视线引向广袤的太空，而与此同时，方兴未艾的深海探测工程又使得大家将关注的目光汇聚在蔚蓝的海洋。

日前，中国科学院院士汪品先应中国科学院海洋研究所邀请，在其所庆60周年庆典上作了一场题为《从海底看地球》的报告，引起了广泛关注。

报告中，汪品先指出，从海底看海洋是一个新的角度，应当下到海底看地球，建立海底观测网络，开展深海科技与技术研究，向深海进军。

汪品先说：“人类历来是在海洋之外看海洋，看到的只是一个单向运动的世界；而当人类潜入深海，立足海底向上看，才会看到更多的精彩，获得更多的发现。”

从海底看上覆海水：海洋是一个双向系统

“海底是‘漏’的，有下去的水，有上来的水。上来的水中，热的叫热液，冷的叫冷泉。海底以下的地下水，被比喻为‘海底下的海洋’。”汪品先说，“深海热液不但会形成‘黑烟囱’，还会在其周围形成特殊的生态系统，它是一个不靠阳光、不靠光合作用，而是依靠地球内部热量进行化学合成作用的‘黑暗生物群’。近年来，我国‘大洋一号’考察船与美国伍兹霍尔海洋研究所合作，首次发现了西南印度洋‘超慢速扩张’洋中脊的热液喷出口。现在，在世界三大洋甚至北冰洋都采集到热液口的硫化物和‘黑烟囱’。”

据汪品先介绍，全大洋海水每隔500万～1100万年都要到海底热液系统里循环一周；如果把洋中脊两翼的扩散对流也算上，循环周期减为100万年。地球内部产生的热通量，25%～30%由大洋热液系统向外输送。“这些都是影响到海水成分、影响地球环境的大事情”。

与热液相对的是深海冷泉，最有名的是天然气水合物，也叫“可燃冰”。它不光是一种潜在的能源，也是一种环境因素：只要温度上升或者压力减小，海底的可燃冰就会分解，甚至喷溢出来。“另外，冷泉在海底会形成碳酸盐，形成特殊的冷泉生物群。”汪品先解释说。

除热液、冷泉之外，第三种水就是海底溢出的地下水。“实际上，世界各地海底都有地下水出来，在岸边的可能是淡水，大洋底下的可能是咸水”。从香港吐露港到舟山群岛，都发现有淡水从海底溢出。有人研究后提出，大西洋的海底地下水输入量与河流的输入量相当；美国一条小河的测试表明，海底地下水输入海洋的碳，居然比河流输入的还多。

汪品先说，海洋是一个双向系统，海面和海底是能量和物质的上下两个来源；海底是“漏”的，既有海水渗入地壳，又有流体从海底溢出，将海底以下以至于地壳深处的物质带入海水。因此，深海海底是地球表层和地球内部之间的窗口，从海底就可以看到地球内部发生的一些事情。

从海底看地球的内部：贴近地球深部的窗口

水和碳是全球变化的两大要素，也是目前被广泛关注的问题。但鲜为人知的是，水和碳都会循环到海底底下，也会从海底底下循环上来。

人们常说“海纳百川”，但汪品先在介绍水循环时指出，水到海底并没有结束，还要继续往下走，进入地壳甚至循环到地幔里去。水本来是无法进入地幔的，但有了矿物（蛇纹石）作为载体，就可以进入地球深处。一旦橄榄石由地幔上升到海底，吸收水分后就会变成蛇纹石，叫做蛇纹岩化。蛇纹石含水量达13.8%，是向地幔送水的载体。从橄榄石变成蛇纹石的过程要吸水，每立方米橄榄石的蛇纹岩化需用去300公斤水，同时放出6.6亿焦耳能量。大西洋Lost City低温热液作用形成碳酸盐的“白烟囱”，能源就是橄榄石的蛇纹岩化。等到蛇纹石随着板块俯冲到地球深处，又会把水送出来，如此进行着地球深部与表层的水循环。

汪品先在谈到碳循环时表示，地球内部有碳是公认的， 但对碳的数量估计众说纷纭。有人推测地球内部的碳占据重量的0.07%，也有人估计占1.5%，相差20多倍。俄罗斯很早就有学者提出石油天然气的“无机成因学说”，其出发点也是地球深部有碳。地幔里有金刚石、火成碳酸盐，而地核里碳可能更多。大家熟悉的可燃冰，它的碳和能量从哪里来？是不是从地球内部来？这一直是一个争论。

汪品先认为，人们对于深海碳循环知道得太少，其中一个关键环节就是微生物的作用。海洋生物量的90%属于微生物，海水里90%的有机碳是只能为微生物所用的溶解有机碳；水深越大，微生物的作用也越大。海底的沉积物、甚至于玄武岩里，也都存在大量微生物，几十万年甚至几百万年前的微生物还在生存。这种海底以下的“深部生物圈”大概占到全世界生物量的30%，它们的能量从哪里来？它们的碳从哪里来？深海微生物和有机碳在碳循环中起何作用？……

汪品先提醒大家，深海海底是不是碳循环研究的缺口？如果确实如此，我们就疏忽了一个非常重要的碳源反应——深海海底的碳或许就是人们在研究地球上碳平衡时遗漏的重要环节。

此外，汪品先在报告中指出，病毒在生物循环中扮演着极为重要的角色，是深海海底碳循环中的重要一环。在深海海底，病毒是微型生物群的主要“杀手”，在深海碳循环中起重要作用。他认为，深层水的演变可以影响“深部生物圈”，有可能是大洋碳储库长周期的变化机制。

“我们从海底看地球内部，不光有水循环，还有碳循环。深海海底是离地球内部最近的地方，也是将来钻穿地壳的地方，更是我们研究地球深部的窗口。这应该是我们需要关注并投身其中的一个新领域。”汪品先高屋建瓴地说。

从海底看地球的平台：建立海底观测网

回顾科学发展历史，观测地球系统有三个平台：第一个平台是在海面和地面的观测，第二个平台是在空间通过遥测遥感来观测地球，第三个平台是人类潜到海底，到海底进行观测，即建立海底观测网。

海底不仅向上可以观测水层、向下可以观测地球内部，而且是观测海洋最安全的去处——不受海洋风浪、能源等限制，能长期连续实时原位地观测海底以下地震、地壳内流体和生物等活动。

随着技术水平的不断提高，在海底设立观测网已经标志着海洋科学的新阶段：从船上的“考察”发展到在海洋内部的“观测”。

据汪品先介绍，美国的海底观测始于冷战期间的军事需求。冷战结束后，这项技术转为民用，被科学家用来监测海底的地震波和鲸鱼群的活动与迁移。自上世纪90年代至今，美国从近岸浅海海底观测站开始，至今已在几千米的深海海底建造了用上千公里光电缆连接的海底观测网。目前，海底观测计划正在发达国家积极推行。

汪品先表示，这是海洋科学的一场革命性变化：不再是从海里采样送到实验室分析，而是把实验室送进海里去。通过声学设备、水下质谱仪、微型基因组探头以及海底井下实验装置、海底化学与生物学实验室等，来监测海底地震，观测“海底下的海洋”及其生物地球化学过程，实现原位实时的观测，从而改变人类与海洋的关系。

汪品先在报告中还提到对海底甲烷渗漏的观测——这种应用在墨西哥湾海底井喷事件发生后变得尤为突出。随着世界深海采油量的日渐增多，如何保证它的安全已成为无法忽略的问题。为保障海底采油的安全、检测海底井下碳积存，美国和挪威正在实施海底油田长期观测项目，包括海底井下连续观测和海底连续地震观测等。汪品先强调，对海底甲烷渗漏的观测也是深海观测的重要任务，我国亦应加强这方面的部署。

2009年春，东海小戢山已建成我国第一个小型海底观测试验站，这标志着我国迈出了海底观测系统建设从无到有的第一步，现在正期盼着“十二五”期间国家的海底观测网建设计划。

向深海进军！

“我国的海洋事业正在经历郑和下西洋六百年来最好的时机，我们现在确实要向深海进军了！”汪品先兴奋地说。

今年8月，56位院士向国务院领导提出建议，要争取设立深海科学工程专项。其中提出，从“十二五”开始，建造我国自己的深海钻探船、海底观测网、深潜设备等一系列深海高新技术装置，同时建设科学和技术相结合的深海基地。这引起了国务院领导的高度重视。

同时，国家自然科学基金委最近批准的“南海深海过程演变”重大研究计划，也将于2011年1月1日正式启动。该计划预计用时8年，政府投入1.5亿元人民币。

汪品先说：“该计划从现代过程和地质记录入手，解剖一个边缘海的发育史。通过对地球物理与地球化学的研究，构筑其生命史的‘骨架’；通过对深海沉积学与古海洋学的研究，来研究其生命史的‘肉’；通过对生物地球化学的研究，来研究其生命史的‘血’。我们希望构筑一部‘有血有肉’的南海历史。”

“然而深海和海底研究绝不是海洋地质一家的‘专利’，它是海洋科学各个学科共同发展的新天地，也是发展地球系统科学的捷径。中国地球科学的‘海、陆、空’三军当中，‘海军’起步最晚，我们只有另辟蹊径，争取超水平发挥，才能符合我国发展的需求，才能与国际潮流同步。”汪品先说。

顾汉现

汪品先院士：人类何时才能钻穿地壳


发布时间：2007-10-8 6:44:26


汪品先院士：人类何时才能钻穿地壳


日前，国内多家媒体以《日本探测船钻地幔，深入地底7000米》为题报道说，日本探测船“地球”号9月21日起在东京以南太平洋某处钻探，从海底向下钻入7000米深的地心，这是人类首次尝试钻入地幔层。



汪品先 同济大学教授，中国科学院院士。从事古海洋学和微体古生物学研究，曾于1999年在南海主持实施了中国海首次大洋钻探，2000～2005年担任“973”计划深海项目首席科学家，现任中国大洋钻探学术委员会副主任。

9月21日，日本大洋钻探船“地球”号正式开始科学钻探，执行“综合大洋钻探计划”（IODP）第314航次。当天，国内一些媒体纷纷报道，说日本船“从海底向下钻入7000米深的地心，这是人类首次尝试钻入地幔层”。

这则消息如果属实，确实振奋人心；但可惜这是一则错误连篇、误导读者的报道。这一方面反映了社会各界对探索海底深处的浓厚兴趣，另一方面也暴露出我们的科学报道是何等的缺乏严肃性，而以误传误的过程又是何等的一往无前。

打穿地壳的计划至少10年内不可能提上日程

人类接触的高山深渊，其实都属于地壳。相对于6000多公里的地球半径来说，地壳只是表面的一薄层，论厚度其比例远比不上鸡蛋壳或者西瓜皮。

地球科学界梦寐以求的理想是打穿地壳，钻进地幔，揭示地球内部奥秘。但人类“入地”的本事远不如“上天”，大陆上地壳平均厚33公里，大洋地壳平均厚7公里，可是至今陆上最深的钻井也只到12公里。地壳在高山底下最厚，深海底下最薄，想要打穿地壳当然选择深海。1961年，美国曾决心在东太平洋3000多米的海底打穿地壳，但是技术难度和惊人的耗费迫使他们“浅尝辄止”。此后几十年，人类一共在大洋基岩中打过4个超过千米的深井，井深最大达到1800米，离7000米的地壳厚度还远得很。

真要打穿地壳，在150°C～200°C的高温下钻进，现在的设备都不适用，一系列高难度的技术问题仍有待解决。专家估计，打穿地壳的实施计划至少10年以内不可能提上日程。

实际上，“地球”号9月21日开始的航次既不是“钻入7000米深的地心”（“地心”也绝不只7000米深），也不可能“钻入地幔层”；而是钻探日本岸外海底的震源带。

日本是个地震灾害严重的国家，震源主要来自太平洋的俯冲带。要理解地震如何发生、对地震作预报，必须研究引发地震的源头，监测太平洋板块在海底向下俯冲的运动。上月IODP第314航次起航，就是在日本以南的太平洋，即菲律宾海北端打钻。尽管不是“打穿地壳”，航次的目标也极其雄伟，是要打穿发震带、揭示地震的奥秘。这是一项多年计划，分4个阶段完成：第一、二、三阶段依次打到1000米、3000米和5000～6000米，第四阶段在井底安置地震监测仪。这次的314航次只是第一阶段的第一步。

打穿发震带，在地球科学历史上是破天荒第一次，实现此项科学壮举的基础是日本的“地球”号钻探船。“地球”号排水57000吨，是当今世界上最先进的深海科学钻探船，更为重要的是这是一条立管钻探船，使用泥浆循环，因而能维持长期的深井钻探。日本投资五六亿美元建造此船，目的之一就是在将来技术条件成熟时钻穿地壳。

从“深海钻探计划”到“综合大洋钻探计划”

深海科学钻探，始于上世纪60年代。1968年，美国万吨船“格罗玛·挑战者”号开始在墨西哥湾钻探，揭开了“深海钻探计划”（DSDP）的序幕，并很快发展为地球科学空前规模的国际合作计划。DSDP在15年（1968~1983年）里证实了洋底扩张的假说，确立起全球构造运动的“板块理论”；揭示了地球轨道周期造成的冰期旋回，建立了古海洋学新学科。其接连的科学突破，改变了整个地球科学发展的轨迹。

1985年开始的“大洋钻探计划”（ODP）是更大规模的国际合作，美国17000吨的“JOIDES”号钻探船设备更为先进。ODP 18年（1985～2003年）的探索，从大洋中脊的热液区到洋底巨型火成岩区，从天然气水合物到深部生物圈，从小行星撞击事件的追踪到深海地球物理检测站的建立，始终引领着地球科学的前沿。

2003年开始的IODP规模更大，由美国和日本各出大型钻探船共同执行，日本的“地球”号正是为此而造，除此之外还有欧盟的船只投入。这项新的国际深海合作计划目标更高，将要探索“洋底下的海洋”、“极端气候”、“发震带”等重大新领域，甚至包括21世纪打穿地壳等目标。IODP的头三四年具有筹备性质，但取得的成果已十分辉煌。比如2004年IODP第302 航次，由欧盟提供3条破冰船钻探北冰洋，发现5000万年前的北冰洋暖若亚热带一度是个淡水湖泊，沉积了极其丰富的有机碳，具有重大石油前景。说不定正是这项发现，促使俄罗斯到北冰洋海底下潜插旗。

中国积极参与大洋钻探

深海大洋的科学钻探固然是地球科学的前沿，但由于要求大额投入和尖端技术，非发达国家难以问津。

“深海钻探计划”开始时正值中国“文革”浩劫，一切无从谈起；“大洋钻探计划”起步时，我们也缺乏加入这“富国俱乐部”的实力。但是中国地球科学界始终相信，只要给我们机会，就有望作出超水平的发挥。

终于在1998年，我国以正常成员国1/6的会费，作为参与成员国正式加入“大洋钻探计划”。

同时我国科学家的钻探建议书在全球竞争中脱颖而出，1999年春，在中国的设计和主持下，实施了南海大洋钻探184航次，取得了南海3000多万年来的沉积记录，不仅揭示了南海和气候环境演变的历史，而且发现了大洋碳储库长周期，为探索气候变化的热带驱动打开了新途径。南海的184航次是我国海域深海科学钻探零的突破，使我国一举进入国际深海研究前沿。

2003年起的“综合大洋钻探计划”，我国一开始就作为“参与成员国”积极参加，随着我国向深海大洋科学进军的步伐，中国人必将在其中发挥更大作用。

大洋钻探与大陆钻探的结合

科学钻探并不限于海洋，比如冰芯的钻探获得了高分辨率的气候记录。而大陆深钻的历史更长，早在上世纪70年代，前苏联在克拉半岛打大陆超深钻，直到12262米；联邦德国的大陆超深钻从上世纪80年代开始，打到9000米。

上世纪90年代，德国发起大陆钻探的国际计划。1996年“国际大陆钻探计划”（ICDP）正式启动，我国是3个发起国之一。几年来，我国在大陆钻探中取得重大进展，在江苏东海对超高压变质带的钻探于前年胜利完成，接着又在湖泊和含油盆地进行大陆钻探，科学成果不断涌现。

随着地球系统科学的发展，人们越来越认识到将大陆与海洋研究结合起来的必要。大洋钻探研究海平面变迁，就是从岸上打到陆架、再到深海大洋。目前，“综合大洋钻探计划”和“国际大陆钻探计划”正在加强合作。2005年起，两家联合出版通讯刊物举行共同的学术讨论，推进海陆结合的钻探项目。我国科学界也正与日本等国合作，提出沿着长江流域到东海陆架、冲绳海槽打一排钻井，以通过大洋钻与大陆钻的结合，从东侧确定青藏高原隆升的历史，揭示东亚地形倒转与季风气候演变的关系。