三．大洋鑽探-揭示地球環境的歷史檔案

　　為了解自己生存環境的變化，人類對地球的視野不但要在空間上拓寬，也需要在時間上擴展。當前人類正經歷著一個環境高速變化期，未來演變方向的正確預測將涉及子孫後代的命運。可惜有生命的行星，至今只知道一個地球，缺乏橫向比較的機會；預測未來只能從縱向比較中去尋找類比，就像政治家從社會歷史中吸取經驗一樣。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。雖然海底採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年的深海鑽探計劃。"深海鑽探 (DSDP, 1968-1983)"，"大洋鑽探(ODP, 1985-2003)"和"綜合大洋鑽探（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。前面説到的"板塊"理論，正是DSDP在大西洋洋底的鑽探取樣和測年分析，發現從大洋中脊向兩側的玄武岩基底年齡越來越老，方才為洋底擴張的假説提供了決定性的證據。三十年前在南大洋的鑽探，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。深海鑽探的這項發現，被譽為古海洋學新學科建立的標誌。總之，深海鑽探和大洋鑽探三十五年來在全球各大洋鑽井近三千口，取芯二、三十萬米，證實了板塊構造學説，創立了古海洋學，把地質學從陸地擴展到全球，導致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，沒有深海海底的鑽探取樣，是很少可能發現的。1970年代初地中海的深海鑽探，發現了2、3千米厚的岩鹽、石膏層。這類蒸發岩應當是乾旱地區的産物，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岩層，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%的鹽分在這裡沉澱形成巨厚的蒸發岩層。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。我們常説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，到7千多年前地中海海面上升，突破博斯普羅斯海峽涌入黑海，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，深海鑽探還發現了規模更大的全球性巨變。拿近六億年來説，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15C, 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，西太平洋和南大洋都有大量玄武岩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的玄武岩堆成，大小和南極冰蓋相當，平鋪在中國大地可以有四公里高。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公里的隕石坑，帶來了全球性的絕滅事件。在大洋，90% 的浮游生物滅絕，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。為什麼會出現冰期？這種冰期還會不會再來？什麼時候再來？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，造成氣候週期性的表現。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；軌道週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週期現象。軌道週期如何能造成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？這正是大洋鑽探當前面臨的課題。1999年春，由我國科學家建議、設計和主持的南海大洋鑽探，鑽井17口、取芯五千米，實現了中國海深海科學鑽探零的突破，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週期變化，為探索熱帶碳循環在氣候軌道週期中的作用提出了新認識。

　　上述三例，只是大洋鑽探三十來年成就的一小部分。去年十月，新的"綜合大洋鑽探計劃"(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"立管鑽探船"，美國也將重建鑽探船，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，要在原來不能打鑽的海區鑽探，比如今夏動用了核能破冰船，在北冰洋鑽穿了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）要進一步鑽探天然氣水合物區，查明其分佈和成因；進一步鑽探"深部生物圈"，揭示可能佔全球微生物總量2/3的海底地下世界；進一步鑽探深海熱液區，探索"洋底下的海洋"。日本"立管鑽探船"打破了原來大洋鑽探的進尺深度限制和含油氣區的禁忌，將要追索太平洋的震源帶，甚至鑽進地殼深部，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

　　人類通過觀測了解地球，而千百年來只能從地面、或者乘船從海面觀測地球。這種星星點點、斷斷續續的觀測，帶來了許多錯覺和誤會。20世紀地球觀測最大的技術進展，在於遙測遙感對地觀測系統的建立。人類終於能夠離開地面，從空間獲取地球信息，不僅極大地豐富了信息量，可以獲取全球性的和動態性的圖景，而且解放了觀測者的視角，將地球科學從局部和單項的研究，推進到地球系統科學的新階段。如果説近四百年前顯微鏡的發明是人類克服視覺的生理限制，觀察到地球上許多現象的細微實質，那麼對地觀測系統就像是一種"顯宏鏡（macroscope）"，從空間觀測地球的全局；如果説近五百年前哥白尼提出 "日心説"靠的是從地球向外看，那末現在的地球系統科學就是從空間向內看。兩者都是認識上的飛躍，因此有人把地球系統科學比喻為"第二次哥白尼革命"。

　　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。儘管採用了投放錨係、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。因此近十餘年來，做出了種種努力將觀測點佈置到海底去。

　　海底是"漏"的。前面説的"深海熱液"，就是滲入海底的海水與岩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岩裏，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，大洋鑽探計劃發明了新技術來觀察這"洋底下的海洋"。方法是將鑽進大洋地殼的深海鑽井密封，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。在深海海底已經鑽進洋殼玄武岩的鑽孔裏，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鑽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制，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，收取採集的信息。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，將設在海底和埋在鑽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，又能通過錨係向上觀測大洋水層，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公里光纖帶電纜，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年投産，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，去理解複雜的地球系統，比如探索海洋氣候變化對不同水深的海洋生物産生的不同影響，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，由船隻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于海水頂層。海底觀測網絡的建立，將為地球系統的觀測開闢地面/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。

　　目前已經實現的還只是小型的實驗觀測站，如美國Monterey灣的MARS站和加拿大Victoria灣的VENUS站，都已即將建成。然而這項從根本上改變海洋研究觀測途徑的措施，也必將帶動全球，實現海底聯網國際化。美國提出的海底網絡，本身就是建立在監測前蘇聯核潛艇活動的軍事技術基礎之上，所推行的全球洋底網絡化的設想也必然具有非民用的目標。從國防安全、海洋開發和科學研究出發，我國不僅要密切關注、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

　　由此看來，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繫。深海石油、氣體水合物和基因資源的開發利用，深海探索和海底觀測新平臺的建立，又為高科技的發展提供了新機遇。從全球看，深海大洋的研究也只是二十世紀後期的事，處於長期動蕩和困境的我國，對國際深海研究愧無貢獻。近十餘年來出現的轉機，使我國學術界得以在國際舞臺上初現身手；而從地球科學界的整體説來，深海大洋始終還是個"冷門"，只是一小部分人的興趣，與國際學術界從全球著眼、海陸分工不分家的格局大相徑庭。隨著近年來科研投入的增加，我國不僅在人數上、而且在硬體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，而且還是文化內涵的一個深層次問題。有眾多群島作為跳板，容易走向大海的愛琴海文化，與孕育于黃河中游，遠離海濱"南蠻東夷"的華夏文化，有著從襁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，決不會有傳説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説裏，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？