一♿、時代的召喚——走向深海大洋
近半世紀前，學術界前輩提出“上天👀💇♂️，入地🏜，下海”🧖🏿，指出了我國地球科學進一步發展的方向。到如今♝，不僅衛星遊弋🤝、飛船載人👄🧺，而且正在積極作探月準備；大洋鉆探☔️、大陸鉆探先後在我國實現；海底深潛也已經指日可待。然而，假如將海洋、固體地球和大氣的研究比作地球科學中海陸空三軍的話，那“海軍”就是三者中的弱點；其中面向深海大洋的研究🥤🤫，又屬“弱”中之“弱”。
中國具有世界上最大的地球科學研究隊伍之一🦸♂️，但長期以來缺乏深海大洋研究的力量。因此👩🏻⚕️，深海研究在學術上已經成為製約我國地球科學進一步發展的“瓶頸”🚥，在應用上也難以適應國際海上權益與資源之爭的形勢。目前無論從國家需求或者從我國實力出發，都到了“沖出亞洲🧡，走向世界”的時候；重新考慮我國在國際地球科學中定位⚈，已經迫在眉睫👮🏼。
二🚵🏼♂️、深海的發現——從“大洋中脊”到“深部生物圈”
在太空中，地球是唯一呈藍色的行星👮🏽♂️，水是地球最大的特點，也是地球上生命發育的基本條件。但是水又是阻撓人類認識地球的最大障礙：地球表面13億多立方公裏的水，鋪平了能覆蓋整個地球兩千多米厚。好在97% 的水都集中在海洋裏🤦🏻，平均水深3800米的海洋也占地球表面71%。
幾千年來，人們看慣了綿亙的山嶺和曲折的海岸，不大會去問“為什麽”的問題🤏。九十年前，A.Wegener 發現大西洋兩側非洲和南美岸線可以嵌合、又產共同化石🧑🏽💻🔘，從而提出“大陸漂移”假說🪔，但當時回答他的只是嘲笑和冷漠。半個世紀之後，深海測量技術發現深海洋底也有高山峻嶺🧎，全世界有8萬公裏長的山脊蜿蜒在各個大洋🐬，而大西洋的中脊恰好與非洲和南美的岸線平行時，人們才恍然大悟💆♂️，原來大陸和大洋的巖石圈是分成若幹“板塊”的整體📜。陸地和海底的山脈，都是板塊移動的產物🧑🧑🧒🧒，無論走向🙅🏽♂️、位置都有它的道理🚵🏼♂️。在景仰上世紀初先知的洞察力的同時，科學界深感只有透過水層看到地球表面的整體🎅🏼，才能理解大陸及其山系分布的原理。
深海海底“黑暗生物圈”的發現🧑🧒🧒，開辟了新的視野。七十年代末🈶，“Alvin”號深潛器在東太平洋發現了近百度的高溫，原來海底有“黑煙”狀的含硫化物熱液從海底噴出，冷卻後形成“黑煙囪”聳立海底。更為有趣的是在熱液區的動物群👯，比如長達三米而無消化器官，全靠硫細菌提供營養的蠕蟲，加上特殊的瓣鰓類、螃蟹之類，說明地球上不僅有我們所習慣的，在常溫和有光的環境下通過光合作用生產有機質“有光食物鏈”，還存在著依靠地球內源能量即地熱支持，在深海黑暗和高溫的環境下💁♂️，通過化合作用生產有機質的“黑暗食物鏈”♎️。現在，這類熱液生物群在各大洋發現的地點已經數以百計，離我們最近的就在沖繩海槽。
不只是海底，近年來發現在數千米深海海底還有微生物生存，都由微小的原核生物組成，數量極大🚆✸，有人估計其生物量相當全球地表生物總量的1/10。與熱液口“自養”的微生物不同，深部生物圈的原核生物依靠地層裏的有機物實行“異養”🥐，從地中海底第四紀的腐泥層，到美國白堊紀的有機質頁巖裏都有發現🦹🏻，它們的新陳代謝極其緩慢👩🏿💼，但“壽命”極長。它們也可以在洋中脊的玄武巖裏生長🕵️♀️，依靠玄武巖的蝕變為生；甚至海底火山爆發也有超高溫細菌發現👩。深部生物圈的發現，不僅向區分“古生物”與“今生物”的界限提出了挑戰，甚至向“生”與“死”的概念提出了疑問😈。
“深部生物圈”的發現，大大拓寬了“生物圈”的分布範圍。原來從極地冰蓋到火山熱泉🤵♂️，從深海海底到地層深處，生物的分布幾乎無所不在，人類迄今研究和熟悉的，只不過是生物圈中的一小部分☕️。不但海底，海水層裏也是一樣：運用新技術，發現了普通顯微鏡下看不見的微微型浮遊生物（pico-plankton）🛋。其中包括能夠進行光合作用的細菌, 它們在貧養的開放性大洋中可以構成初始生產力的主體。比如原綠球菌（Prochlorococcus）粒徑才0.4-0.8μm◽️，可是在熱帶📜、亞熱帶寡營養海域可以占到總生產量的90%以上。深海大洋的發現，糾正了我們對生物界的偏見：我們用肉眼、甚至用光學顯微鏡見到的，只是地球生態系統的上層，只占生物圈的一小部分；地球生態系統的真正基礎，在於連細胞核都沒有的原核生物。生物的一級分類，應當是古菌🙌🏿、細菌與真核生物三大類，而我們熟悉的動🤾♂️、植物只是真核生物中的一部分。真核生物的多樣性在於結構形態和行為特征，可依靠形態來識別☁️；而原核生物的多樣性卻在於新陳代謝的類型🦹🏿，並不靠形態識別。具體說，真核生物只能以“燃料”氧作為能源，原核生物卻能“燃燒”不同成分（SO42-👊🏻；NO3-; NO2-等）獲得能量💻，因而新陳代謝類型不同，產生的生物地球化學效果也就多種多樣。於是⛹🏽，地球表層有許多從前以為是“無機”的化學過程🍛，從一些金屬礦床到巖溶石筍，其實都是微生物的生物化學反應🧚🏽♀️。
生物圈概念的擴展🤸🏻♀️，也改變了地球科學與生命科學的關系。傳統地質學裏生物的“主角”是大化石，而實際改造地球的首先是原核生物🚝🕥，它們幾乎沒有形態化石可留😆，只靠生態過程影響著化學元素周期表裏幾乎所有的元素🧑🎨，在三🔕、四十億年的地質歷史上默默無聲地“耕耘”🦵🏻，直到今天才有可能得到重新評價。生命演化史的研究很像社會歷史😌，引人矚目的恐龍、鱗木固然重要，但真的要揭示機理👮♀️，還非要深入到原核生物不可👚。縱觀地球歷史🧘🔭，85%時間裏是古菌和細菌這兩類原核生物的世界🧔🏽，它們從還原到氧化環境都有分布，真核類在氧化環境下大發展👩❤️👨，已經是後來的事。總之，深海大洋的研究，不僅是地球科學，也是生命科學的突破口。
三📇、大洋鉆探——揭示地球環境的歷史檔案
地球的環境演變🤾🏻♀️👎🏼，在不同場合留下了各種供各樣的“歷史檔案”🟢，唯獨在深海沉積中留下的最為連續、最為全面。雖然海底采集沉積柱狀樣已經有近八十年的歷史👩🏻，大規模的系統研究開始於1968年的深海鉆探計劃。“深海鉆探 (DSDP, 1968-1983)”，“大洋鉆探(ODP, 1985-2003)”和“綜合大洋鉆探（IODP，2003--）”🥶，這部深海研究的三部曲👨🏻🎓，是國際地球科學歷時最長👂🥔、規模最大，也是成績最為突出的合作研究計劃🤴🏿。前面說到的“板塊”理論，正是DSDP在大西洋洋底的鉆探取樣和測年分析，發現從大洋中脊向兩側的玄武巖基底年齡越來越老♟，方才為洋底擴張的假說提供了決定性的證據🧨。三十年前在南大洋的鉆探🪻🚀，發現澳洲和南美洲是在二🏫、三千萬年前才完全離開南極大陸，於是南大洋形成環南極洋流，造成南極的“熱隔離”，結果導致南極冰蓋的出現。深海鉆探的這項發現，被譽為古海洋學新學科建立的標誌。總之🏃🏻♂️➡️🏋️，深海鉆探和大洋鉆探35年來在全球各大洋鉆井近三千口🥏✫，取芯二、三十萬米🧑🍼，證實了板塊構造學說，創立了古海洋學，把地質學從陸地擴展到全球🌶📁，引發地球科學一場真正的革命，改變了固體地球科學幾乎每一個分支的發展軌跡🧑🏼🌾。
確實↖️，一些地球環境的歷史變化，沒有深海海底的鉆探取樣🧜🏻♂️🤎，是很少可能發現的📂。1970年代初地中海的深海鉆探👌🏻🐊，發現了2、3千米厚的巖鹽🚵♀️、石膏層💅🙍🏿♂️。這類蒸發巖應當是幹旱地區的產物🎅🏻，地中海現在水深可達五千米，面積相當黃、渤、東海總和的兩倍👨🏻🦯，居然出現沙漠環境下的巖層，成為轟動一時的科學新聞👷🏻♀️。現在查明，由於地中海四面被陸地包圍，只以水深300米的直布羅陀海峽與地中海連通，一旦構造運動將通道鎖閉，地中海便變為一個巨型蒸發鹽湖。距今596萬年前開始，相當於全大洋6%的鹽分在這裏沉澱形成巨厚的蒸發巖層。到533萬年前海面上升📜，與大西洋的通道恢復時，“地中海鹽度危機”便告結束，大西洋水又呈瀑布狀瀉入地中海🏰👩👩👧👦。我們常說的滄海桑田是個慢過程♥︎，現在看來這一類超出常識範圍的災變事件🧑🏻🏫，地質歷史上也不乏實例。現在水深超過兩千米的黑海👍🏽💂🏿♀️，也只有20多米水深的海峽與地中海相通🦻🏼。近兩百萬年來黑海基本上是個大湖🧑🏿💻，大約一萬年前湖面低於地中海近百米🧎🏻，但隨著冰蓋消融、洋面上升🫂𓀉，到7千多年前地中海海面上升，突破博斯普羅斯海峽湧入黑海，突然將造成災難性洪水事件，最近科學家考證，認為這就是聖經裏“諾亞方舟”故事的原型。
上述災變屬於區域性事件，深海鉆探還發現了規模更大的全球性巨變。拿近六億年來說，大部分時間地球的兩極並沒有冰層覆蓋🧨🤽🏻，像現在這樣南北兩極都有冰蓋是絕無僅有的特殊時期。和現在反差最大的，是一億年前恐龍盛行時的地球。當時高緯度區的溫度比現在高出15°C, 大氣CO2濃度至少比現在高三倍，由於溫差小🤵🏽♂️👸🏻、極地沒有大冰蓋👩🏿🎤，氣流和洋流都比較滯慢，甚至出現幾百萬年大洋底部缺氧的現象，在洋底發現有機質大量堆積🤰🏿，在中東是石油的形成期。這種全球性溫暖期出現的原因並不清楚，但就在這些時期𓀙，西太平洋和南大洋都有大量玄武巖從地幔深處溢出海底，各自形成巨大的海底高原👆🏿。熱帶西太平洋的翁通-爪哇海底高原就是由3600萬km2的玄武巖堆成👫，大小和南極冰蓋相當🧏🏿，平鋪在中國大地可以有四公裏高🤦🏻♂️。這種特大型的海底火山噴發放出巨量的CO2👩🏻🏫，可能是當時全球特暖的原因。更加戲劇性的災變發生在6500萬年前，巨大的隕石在墨西哥尤卡坦半島的Chicxulub撞出直徑180公裏的隕石坑，帶來了全球性的絕滅事件👁🗨。在大洋🫴🏿，90% 的浮遊生物滅絕，洋底沉積中留下了微隕石和銥(Ir)異常🚚；在陸地🤷♂️，造成了包括全體恐龍在內的大滅絕💳。
離今最近的環境巨變，是兩萬年前的冰期🚥，當時整個加拿大🤵🏻，美國和西歐的北部，全都壓在幾千米的冰蓋之下。為什麽會出現冰期？這種冰期還會不會再來？什麽時候再來？一直是學術界必須回答的問題🏌🏿♀️。現在已經明白：一百年前阿爾卑斯山發現的幾次大冰期，五十年前太平洋沉積中碳酸鹽含量的旋回👩🎨，其實都是地球運行軌道幾何形態變化，造成氣候周期性的表現。氣候軌道驅動的發現和證實👱🏼♂️，是二十世紀地球科學最輝煌的成就之一；軌道周期在世界各大洋地層中的對應性👰🏻，為地質時期的紀年提供了天文學的標尺♍️。但後來又發現，極地冰芯氣泡反映的大氣CO2濃度，和深海沉積中氧同位素反映的冰蓋消長👹，都和地球軌道呈現同樣的周期現象。軌道周期如何能造成CO2的變化？在冰期旋回中🛌🏼，究竟是高緯度冰蓋的物理變化🏄🏼♀️，還是低緯區碳循環的化學變化起著主導作用👨🏽🍳👨🏻🍳？這正是大洋鉆探當前面臨的課題🗿。1999年春🦢🏞，由我國科學家建議👨🏻🦳⚇、設計和主持的南海大洋鉆探，鉆井17口、取芯五千米🖤，實現了中國海深海科學鉆探零的突破，首次取得了2300萬年氣候旋回的深海連續記錄🌊，其中一個重要成果，就是發現了40-50萬年大洋碳儲庫的長周期變化🫴🏿✋🏽，為探索熱帶碳循環在氣候軌道周期中的作用提出了新認識。
上述三例，只是大洋鉆探三十來年成就的一小部分🧕🏻。去年十月，新的“綜合大洋鉆探計劃”(IODP)正式開始，而且規模空前：年度預算將高達1.6億美元，是原來的3 - 4倍。日本政府斥資六億美元建造57000噸的“立管鉆探船”，美國也將重建鉆探船🤞🏻，歐洲力爭成為新計劃的“第三條腿”，我國也已作為參與成員的身份加入。這次的目標十分明確，要在原來不能打鉆的海區鉆探，比如今夏動用了核能破冰船，在北冰洋鉆穿了410米的沉積層，發現5500萬年前北極出現亞熱帶生物群的證據👂🏼🚣🏿♀️，推斷是深海“可燃冰”――天然氣水合物-大量釋出的結果🤾♀️。IODP的十年計劃（2003-2013）要進一步鉆探天然氣水合物區，查明其分布和成因；進一步鉆探“深部生物圈”，揭示可能占全球微生物總量2/3的海底地下世界；進一步鉆探深海熱液區，探索“洋底下的海洋”✒️。日本“立管鉆探船”打破了原來大洋鉆探的進尺深度限製和含油氣區的禁忌，將要追索太平洋的震源帶，甚至鉆進地殼深部🤡👨🏼🦳，直至打穿地殼，實現科學界夢寐以求的理想。更加宏偉的深海壯舉，更加新奇的海底發現，正在向我們走來📹。其中可望開拓地球科學新階段的👍🏼🔦，是深海觀測系統的建立👧。
四♑️、海底監測——地球觀測系統的第三個平臺
現在，對地觀測系統已經發展為“數字地球”戰略🧚♂️，在科學技術眾多領域發揮著至為重要的作用。但是遙感技術的主要觀測對象在於地面與海面，缺乏深入穿透的能力⛏。而隔了平均3800米厚的水層🗄，大洋海底難以成為遙感技術的觀測對象。在新世紀的開始🙎🫶🏻，隨著高科技的發展，一個新的熱點正在出現：這就是海底觀測系統。假如把地面與海面看作地球科學的第一個觀測平臺👩🏻✈️，把空中的遙測遙感看作第二個觀測平臺👨🏽🍳，那末新世紀在海底建立的，將是第三個觀測平臺。
與浩瀚深厚的大洋相比，人類通常觀測到的只是它的表皮🧰。盡管采用了投放錨系、利用聲波等種種辦法🙋🏽💁🏿，得到的還只是零星的信息。近年來計劃向全大洋投放三千個自由飄浮的ARGO, 在海洋2000米的上層測溫度與鹽度剖面👨🏿✈️，可以取得系統的圖景，但仍然到不了深海海底。人類對深海海底的了解🧑🏻🦲，趕不上月球、甚至於不如火星。雖然有眾多的考察航次🏃♂️➡️☂️，或者通過取樣甚至深潛的直接方法，或者借助間接的物理手段進行考察👵🏽，仍免不了滄海一粟或者霧裏看花的缺陷。從海底的地震源區到熱液活動區，都亟需進行長期連續🎰、而不是瞬間短暫的觀測🩹。因此近十余年來，做出了種種努力將觀測點布置到海底去🧎🏻♀️➡️。
海底是“漏”的。前面說的“深海熱液”，就是滲入海底的海水與巖漿相互作用後再冒出來的。大洋底下的地層深處，以至大洋地殼的玄武巖裏，都有水體在流動📚，無論對地震或是成礦都有重大影響🧒🏼。九十年代初🤹🏽♀️🦆，大洋鉆探計劃發明了新技術來觀察這“洋底下的海洋”㊗️。方法是將鉆進大洋地殼的深海鉆井密封，與海水隔離但向大洋地殼內部的流體開放🐲。這種稱為CORK的設備用來測地殼內流體的溫度😌、壓力變化，運行結果不僅獲得了熱液環流的性質📏，而且意外地測得了板塊形變和地震的信息👩🦳。地震研究和預警需要建立地震觀測網🙎🏻♂️，然而地震臺站大都建在陸上，海洋的觀測點極其匱乏🥷🏻。在深海海底已經鉆進洋殼玄武巖的鉆孔裏🏌🏿♂️，埋置儀器來檢測板塊活動，是靈敏度和信噪比最高的地震監測手段。八十年代末期以來，在日本附近和各大洋的大洋鉆探井孔中安裝地震儀，集中在西太平洋震源區建立深海海底地球物理監測臺網，和陸地臺站結合進行地震監測✍🏼。此外，在洋底熱液活動區🙅🏽♂️，也已經安置了多種設備，進行深海熱液的物理、化學與生物的實地連續觀測💳。
然而，上面介紹的各種海底觀測技術，有個共同的缺陷：它們都受能量供應的限製，還有信息傳送的困難，都要依賴深潛器之類的深海運載工具去補充耗盡的能量，收取采集的信息。最近♦︎，以美國為首的國際學術界提出了地球觀測的新思路💏：將觀測平臺放到海底去，將設在海底和埋在鉆井中的監測儀器聯網，通過光纖網絡向各個觀測點供應能量、收集信息，從而進行多年連續的自動化觀測☛。這種監測網既能向下觀察海底和深部，又能通過錨系向上觀測大洋水層♈️，還可以投放活動深海觀測站，自動與監測網的節點連接上網。現在正在建設的第一個區域性電纜海洋觀測網是東北太平洋的“海王星”（NEPTUNE）計劃，用3000公裏光纖帶電纜，將上千個海底觀測設備聯網，由美、加兩國投資近3億美元🧑🏻🎤，預定2007年投產🅿️🛩，建成後將進行水層🥐、海底和地殼的長期連續實時觀測25年。
新的海洋觀測系統👩🏿🧚🏻，其優點在於擺脫了電池壽命、船時與艙位🧑🏼🔧、天氣和數據遲到等種種局限性，科學家可以在大樓裏通過網絡實時監測自己的深海實驗，可以命令自己的實驗設備冒著風險去監測風暴🚴🏿、藻類勃發、地震、海底噴發、滑坡等各種突發事件。這是一種全新的研究途徑，可以提出一系列新的科學問題與實驗🫱🫄🏽，去理解復雜的地球系統🏰，比如探索海洋氣候變化對不同水深的海洋生物產生的不同影響，探索深海生物的生態系統動力學和生物多樣性等等。與陸地不同👨❤️💋👨，由船只進行的海洋調查有嚴重的局限性，只能進行短時或瞬間的離散觀測🏃🏻♂️；遙測遙感又主要局限於海水頂層。海底觀測網絡的建立🧑🌾，將為地球系統的觀測開辟地面/海面和空間之外的第三個平臺，不僅為揭示地球表面過程的機理提供了新途徑，也為探索地球深部創造了新的可能。
我國不僅要密切關註💼、積極參與，而且必須自主地進行海底觀測網的建設。去年7月以來，全球觀測網的峰會先後在美國和日本舉行，海洋觀測已經上升到國策高度。現在🪳，我國地震監測和深海油氣勘探方面，已經提出海底觀測的需求🏏🧏🏼，應當及早從戰略高度加以重視，列入國家規劃，落實切實措施。
五、結束語
深海大洋不只是人類了解地球亟待填補的空白🙋🏼♂️，也是國家資源和安全保障之所系。隨著近年來科研投入的增加🦹🏼♂️，我國不僅在人數上、而且在硬件實力上也已經成為地球科學的大國，能否在規劃任務的設計中，將視野擴展到深海大洋👩❤️👨，必將影響甚至決定我國地球科學未來的走向，和對地球系統科學未來的國際貢獻。
其實，深海大洋涉及的還不只是科學技術🛗👷♂️，而且還是文化問題。有眾多群島作為跳板，容易走向大海的愛琴海文化，與孕育於黃河中遊，遠離海濱“南蠻東夷”的華夏文化，有著從繈褓時期就開始的差異。從“東臨碣石”的贏政🧎🏻➡️，到派遣鄭和下西洋的朱棣🚣🏼♀️，對海外世界的興趣不是出於獵奇，就是弘揚國威，決不會有傳說中亞歷山大大帝親自潛入海底的雅興和勇氣。甚至在我們的神話傳說裏，海洋也往往和災禍與不幸連在一起。明朝海禁之後🏃🏻♂️➡️😟，海洋更成了禁忌，直到洋炮從軍艦上把我們轟醒為止。值得反思的是直到今天🎫，這種對海洋的疏遠或者陌生，是不是還在影響著我們的科技發展，甚至影響著比科技發展更為重大的事情？
