看不见、摸不着、进不去的地球深部到底长什么样？科学讲坛——拓守廷

深海探索是一个系统性的工程，既需要入海的载体，也需要观海的眼睛和探海的触角。墨子沙龙邀请到了在大洋钻探领域卓有建树的专家拓守廷教授，拓教授是同济大学海洋与地球科学学院的副教授、副院长，也兼任同济大学船舶管理中心主任，他长期从事大洋钻探的科研与管理工作，组织协调我国科学家参加国际合作航次与研究，并积极参与由中国牵头发起的深部大洋钻探计划。拓教授在大洋钻探领域已经发表了多篇重要成果，其主持的科普项目也曾获上海市科普奖。本文由讲座内容整理而成。

从科学研究到矿产资源，包括深海的地质灾害等，都和人类的生存和发展密不可分，所以深海对我们来说非常重要。

研究深海现在主要是三大手段，深潜、深网和深钻，那么我今天主要从深钻的角度来给大家介绍一下。众所周知，现在有82亿的人口，并且我们都生活在地球表面，那么在地球的内部是什么样子呢？我们不知道，因为我们进不去、看不见、摸不着，但是人类从来不缺乏好奇心，有了好奇心就驱动着我们去探索未知的世界。

从科幻到科研

在科学技术发达到一定程度之前，首先有了科学的幻想，所以有很多科幻作品来想象地球的内部是什么样子，最著名的作品可能一部分朋友读过，就是1864年法国科普作家凡尔纳写的一本叫《地心游记》的科幻小说。这个作品后来多次被搬上大银幕，从50年代到80年代都被拍摄成好莱坞的大片，非常精彩。

而对于中国的科普、科幻作家及翻译家。例如科幻作家刘慈欣，他最有名的作品是《三体》，但他其实也有很多涉及到地球内部的作品。此外，大家熟知的鲁迅先生在日本弃医从文，但是他在日本学医之前，实际上是在南京路矿学堂先学的地质和采矿，也是地质专业的。鲁迅先生在日本求学的时候，就将《地心游记》从日文翻译成中文。他也是第一次将《地心游记》翻译成中文的译者。

那么对地球科学家来讲，现在地球物理学的研究手段已经是非常先进了，就类似于大家到医院里去做的CT 、B超等声学或其他手段。通过这些手段，我们能得出不少研究结果，例如：中学课本里学到的地球有地壳、地幔、地核这样的三层的主要的结构和构造。地幔是地质构造的主体，而地壳就很薄。地壳在陆地上大概是33千米，海洋里平均更薄一些，大概6到7千米这样的厚度。那么，科学家从事科学研究的实验室，最深能有多深呢？其实，我们有很多科学家在四川的雅砻江二滩水电站下面，锦屏地下实验室等，从事基础科学的研究。这里就是科学上人类到达的最深的地方。

而从人类活动的角度来讲，人类到达地球最深的地方实际上是4350米。在南非的一个4000多米的金矿，温度已经达到了60度，普通人没有办法在那里工作，所以矿主想了很多办法，在矿坑上面用电梯把制冰工厂里制的冰运输到地下去帮助来降温，这样工人才可以正常地工作去采金矿，这是人类活动能到达的最深的深度。

而陆地科学钻探的最深处在前苏联的科拉半岛，最深可达的12,262米。最早到达地下12,000米的时间，是80年代。但最后的200多米，打了10年。1993年的时候，苏联专家发现实在是太难，只好停掉并且封井，这是人类科学钻探在陆地上最深的深度。陆地上地壳的厚度平均是33千米，如果我们想打穿地壳，这才打了12千米，还差得十万八千里。

所以我们就换一个思路——到海洋里面去。

大洋钻探

实际上大洋钻探是先入海再入地，所以它的难度是更大的。迄今为止，大洋钻探是在海底以下取得深部样品的唯一手段。深潜是在海底取得生物或者其他的样品，而在在海底以下打上一千、两千米，这是钻探来干的事情，并且这是深部取样的唯一的手段。这非常难，它难在什么地方？就是在海洋里钻探的技术要求非常的高，而且它的成本要求也非常高，这需要多个国家来聚力合作。另外一个方面，钻探常常要在别国的经济专属区甚至领海去开展，所以国际合作也是非常重要的，如果得不到他国的支持与配合，工作完全无法开展，这就是大洋钻探跨国合作的重要性。

回顾大洋钻探的历史，这个想法诞生在上个世纪50年代。在当时，世界的科学中心从欧洲转移到美国去，美国政府对基础科学的研究投入很大，当时物理学界有很多例如加速器对撞机这样的大项目，而地球科学界的科学家开始思考地学人要干什么大项目。其中有一位老先生叫沃特·芒克，他就提了一个点子，可以打一个钻，把莫霍面打穿（莫霍界面就是地壳和地幔的分界面），然后来研究地球里面的物质究竟是什么。研究地质的科学家说点子不错，开了一系列论证可行性的会，然后去游说美国的国家科学基金会，即National Science Foundation。然后美国科学基金会就支持了这个项目。当时就是1961年，他派了一艘船叫“卡斯一号”首航于墨西哥湾，去打钻并取了183米的岩芯。当时的美国总统肯尼迪发了一封贺电，说：这是人类科学史上的一个里程碑的事件。

但是，再往后就打不下去了。因为船打到海洋底下，岩芯取上来后再继续打的时候钻头磨坏了，这时候要把钻头拿上来，要替换新的钻头，结果新的钻头替换之后，再下去的时候就找不到原来钻孔了。因此深度很难继续往下深入。

另一方面，钻头的技术也还不够过关，所以当时也就打个几百米的深度，虽然这个莫霍钻没有打成，但是科学家拿出来的岩芯样品研究了之后，发现对研究过去的地球的气候变化历史非常有作用，于是就催生了另外一个宏大的计划，叫做深海钻探计划。从1968年正式开始，美国又派了一艘船叫“格罗玛挑战者号”到墨西哥湾去开始了大洋钻探，从此揭开了国际大洋钻探50多年的历史。我们把它分成4个阶段：1968年到1983年，我们叫做深海钻探计划（deep sea drilling project）。然后中间停了两年，1985年到2003年，这叫做大洋钻探计划（ocean drilling program）。这个还是由美国一家来主导，它有一艘船叫“乔蒂斯决心”号。前两个阶段都由美国主导，其他国家作为成员来参与。

但是到了2003年，局势发生了很大的变化，当时日本造了一艘很大的船叫做“地球号”，吨位为57,000吨，跟我们国家的“辽宁号”航空母舰的吨位是相当的。然后欧洲说我没有钱造那么大的船，我租一个市场上的小船，去到美国船、日本船去不到的地方，什么地方？就是极地到浅海十几米二十米水深的地方去钻探。所以从那时起国际大洋钻探的格局变成了三足鼎立，就是美国、日本和欧洲三家来联合领导，其他的国家作为成员，交会费来加入进去。

大洋钻探对地球科学的贡献

在过去的50多年，国际大洋钻探在全球打了4000多口井，取了40多万米长度的岩芯，这对于地球过去气候变化的历史、构造的演化，深部的生命矿产的资源等都做出了非常重要的贡献。

这里我就举几个简单的例子。1968年，科学研究者到大西洋两边打了一系列的钻孔，取上来的岩芯分析之后研究发现，沿着红色的大西洋的中脊，它两侧的岩石的年龄在逐渐的变老，这就证明一个什么问题？海底沿着洋中脊在不断的扩张，就是海底扩张学生，对板块构造理论做出了非常大的支撑。

那么再举一个例子叫地中海的干涸事件，也是在70年代DSDP（深海钻探计划）早期的时候，科学家在地中海打了一系列的钻，就发现500万年到600万年前地中海海面曾经下降，裸露成一个干涸的湖泊，这里面有大量的石膏岩，即蒸发岩这样的岩类，说明当时曾经一度干涸到达沙漠的状态。提出这样重大发现的人，是一位华裔的科学家，老先生叫许靖华，1929年出生，现在还在世，他是中央大学地质系毕业，后来到美国去留学，然后到瑞士去工作，成长为国际地质学领域的一个非常知名的学者。他还有很多的科普的作品，有一本叫《古海荒漠》，就是专门讲地中海变成沙漠的这样的一个故事，大家感兴趣的话可以找来读一读。

另外一个例子就是，大洋钻探证明，在6,500万年以来，我们地球的气候是在逐渐地变冷的。6,500万年前的地球是非常的温暖。南极北极都没有冰盖，南极甚至还有绿色的灌木丛。从3,400万年开始，南极才有了永久的冰盖。所以相对于地球46亿年的历史来讲，我们现在所处的是一个非常独特的时期，地球有自己的气候变化的规律，非常值得我们去探究。

还有一个非常典型的例子，就是2004年欧洲租了三条破冰船联合作业，在北冰洋打了几口井，然后拿上来的岩芯分析，北冰洋5,000万年前是个淡水湖，不是一个海洋，并且有很多的生物，例如绿色的植物，那么植物死了之后埋在海底，实际上成为了非常好的生油气的资源，所以之后北极变得非常的热，周边的国家对这个科学成果特别关注，都纷纷的去寻找北极的资源。

小朋友们可能特别感兴趣恐龙是怎么灭绝的，也是在6,500万年，即白垩纪末期的时候，经过大洋钻探的研究，在好几个地方打了钻，发现6,500万年前有一次非常重大的陨石撞击的事件，陨石撞击使得地球环境突变，这些大的生物恐龙很难适应这种环境的巨变，就灭亡了，这个结论也是大洋钻探做出的贡献。

这样的例子还有很多，这些科学成果得益于大洋钻探50多年取上了岩芯和样品，这些岩芯样品有非常好的公开、共享的机制，它储存在世界上三个大洋钻探岩芯库里，一个在美国的德州农工大学，一个在德国的不来梅大学，一个在日本的高知大学。

这些岩芯样品向全世界的科学家免费开放，不只是会员国的科学家，每个做地球科学研究的科学家，只要感兴趣就可以写一个申请书去论述申请样品、做研究的目的。负责样品审批的委员会会查看科学家的简历，然后检查研究的独创性，如果没有重复研究，岩心库工作人员就把样品免费地采好寄给你。科学家在实验室里去研究样本，把获得的数据公开发表的数据公开发表。在最后的致谢里写上，这个样品是由大洋钻探计划提供的就可以，所以我个人认为这也是大洋钻探为什么成功的一个重要的原因，它把全世界的智力资源都汇集在了一起。

实际上，在2024年之前，国际大洋钻探都是三家领导，其他国家作为成员来参加。中国是每年交300万美元的会费给到美国基金委，这样我国可以派一些科学家上船参加航次。但是我国缴纳300万美元，每年却只能派10个科学家，这个成本还是非常高昂的。我们一个科学家就是30万美元的成本，国家也是投入了非常大的支持。

从2024年9月份开始，国际大洋钻探的格局发生了很多的变化。美国领导该项目50多年了，认为现在的模式不可行，美国要付70%的钱，上船的名额却只有30%左右。美国希望成员国要多交钱，就要求中国来多交钱。我们谈判的过程中对美国表示：现在几百万美元已经是中国的极限了，中国可以再造一条船，并且为世界做更大的贡献。

深海探测，中国在活动

中国在大洋钻探领域有非常大的进展，我国加入大洋钻探是比较晚的。1968年国际开始大洋钻探，而我国在30年之后，1998年才开始参加进去，当年付了50万美元的会费。其实在1985年代，新的ODP（大洋钻探计划）启动的时候，我们国家的地学界的老前辈，如刘东生先生等都在推动加入大洋钻探，但当年50万美元对我们国家来说是一个非常巨大的数字，很难支持，所以直到1998年，随着国力的增强，我国才有了实力来支持科学家的基础科学研究。

自从加入进去之后，我国在所有成员国里的贡献逐渐在增加，从50万美元到100万美元到现在的300万美元，都给国际的大洋钻探提供了非常大的支持。我们国内也组织科学家进行了很多的研究工作，科技部成立了大洋钻探的办公室，由同济大学来负责，组织协调全国的科研单位和科学家来参加。这么多年来我们一共派出了接近180位科学家，在全球大洋上航行。那更重要的是，他们航行回来拿到样品和数据，在实验室里带着团队一起来做研究，这背后的研究队伍是相当庞大的。

通过大洋钻探这个平台，中国科学家在全世界的各个大洋开展研究，做出了非常突出的成绩。这里在科学上一个典型的例子，就是我们在南海进行的4次的大洋钻探航次，由中国科学家主持，作为首席科学家主持这样的一个航次是非常不容易的。从此之后，大洋钻探建议书由全球科学家提交，国际的评审委员会经过很多轮的评审，挑出最优秀的建议书来执行航次，因为执行一个航次的成本非常之高，约两个月的航次是1,600万美元，所以大洋钻探一点要选最后的申请书去执行。我们中国科学家，如汪品先院士、翦知湣院士领导的团队，一共提交了3份南海的大洋钻探建议书，执行了4个南海的大洋钻探航次，这对于我们国家研究南海是发挥了非常重要的作用，占据了科学上的主导权，同时也为我们国家在南海的油气勘探提供了非常重要的支撑，这是我国在科学上的很大的进展。

同时在装备和技术方面，我国有非常突飞猛进的进展，就是2024年我们国家自主建造的“梦想”号大洋钻探船终于入列了，这艘船比美国的船要大两倍以上，比日本的船要稍小一点，它是42,500吨，花了30多亿人民币，这个是将来领导国际大洋钻探的一个非常重要的装备。有了我们前期的科学研究的基础，才有我国人才队伍的成长，再加上“梦想”号大洋钻探的入列，现在可以由中国人牵头发起国际的大洋钻探计划。现在就是欧洲、日本绑在一起，他们是一起做大洋钻探。而我们中国发起深部大洋钻探计划，叫做深部大洋钻探计划（deep ocean drilling program），因为现在的大洋钻探最深也就到3000多米，离我们大洋钻探初始的时候设定的目标莫霍界面6000米、7000米还是有相当的距离，所以未来的希望和突破一定是在更深部。当然，美国没有要放弃大洋钻探，虽然没有船了，美国还是可以临时去租船准备航次，所以现在是三足鼎立的局面。

其实在好几年前，国家科技部和基金委就积极地组织了论证，开了一系列的战略研讨会，拿出了我们中国未来十年的发展的规划等。科技部也最终确定由同济大学作为科学中心，广州海洋地质调查局即“梦想”号的运行单位作为平台中心联合起来牵头，中国的大洋钻探将为国际做出更大的贡献。

现在我们团队、中国科学院深海科学与工程研究所和广州海洋地质调查局密切合作，推进深海科学与技术的联盟，一起在来来主导我国大洋钻探的计划。

国际上目前有三个大洋钻探的岩芯库，它们把全世界的岩芯一分为三，放在岩芯库里供全世界科学家来共享来使用。同济大学在国家教育部的支持下，也将建设国际上第四个大洋钻探的岩芯库，这不仅仅是一个岩芯库，同时也是一个数据中心，更是一个装备技术的研发中心，就在我们上海最东南端的临港，即同济大学的临港基地，预计今年就会动工建设。

前面讲的大洋钻探一方面是硬件，另一方面是领导国际的能力，软件也非常重要。我们中国科学家要有前沿的科学思想，这样才能真正掌握国际大洋钻探的领导权。

我们现在也在组织科学家编制我们中国大洋钻探未来十年的科学发展计划，更加重要的是就是大洋钻探的科学建议书，刚才提到这是全世界科学家自由提交的建议书，然后经过多轮评审，才能挑选最好的计划去执行航次。

在国际大洋的系统中，现在有几十份建议书在活跃状态，我感到遗憾的是，中国科学家在这里面的数量还是比较少的，当然我们前期的政策导向等支持的力度不一样。今后我们还是鼓励、支持中国科学家提交更多的大洋钻探的建议书。未来十年，我们有可能要执行30个大洋钻探航次，将来就有更多的科学家能够加入到这个行列里来。

最后，我现在正管理和运行“同济”号这艘科考船。同济大学去年投资建造了一艘叫“同济”号的科考船，这是我们国家第一艘海洋级的智能科考船，虽然它不像探索系列的科考船那样，搭载载人潜器去深海探索，但是它有多学科考察的功能，它也可以使用无人潜器在海底探索，或者做大洋钻探的预研究等等工作。这艘船目前就停在中国极地研究中心的码头，和“雪龙号”、“雪龙2号”停靠在同一个码头，欢迎对大洋钻探事业有热情的人们，有时间、有机会到我们“同济”号科考船上去看一看。

内容整理：若木

文章转载自“墨子沙龙”公众号