3 “行星循环”，地球科学未来发展方向

　　作为一项国际合作，大洋钻探计划能够历经四、五十年而不衰，动力从哪里来?关键在于它节节攀升、不断更新的科学目标。大洋钻探四大阶段，每进一个阶段制定一份新的科学计划，最近为2013-2023年新制定的IODP科学计划叫“照亮地球”，其中最“亮”的内容是“地球连接”，或者叫“行星循环”。

　　人类生活在地球表面，但是生态环境变化的原因并不都出自地球表面。随着科技发展，上世纪60年代，人类终于能克服地心引力进入太空，又发明了遥感技术从空中观测地球;到80年代，出于对温室效应的忧虑，又开展了“全球变化”的研究，“上穷碧落下黄泉”地寻找二氧化碳排放后的下落。但是，从土壤到大气，从陆地到海洋，所有这些都还是在地球表层。近年来，越来越多的证据都在说明，地球内部的过程对于表层有着重大的影响。到至今为止，人类对这些影响还缺乏认知。

　　决定人类生态环境的两大因素是水循环和碳循环，科学家成天在地球表面研究它们，殊不知，更多的水和碳是在地球内部。可人类“入地”的能力，远远不如“上天”。地球半径6300多公里，地壳的厚度只占几十公里，而人类最深的钻井只打穿了12公里。地球的大部分属于地壳下面的地幔，它占地球体积的84%，地幔里的水和碳要比地球表面多许多倍。地球表面97%的水在大洋里，而地幔里的水至少相当于1.5到5.5个大洋。

　　再来说地球上的碳。虽然目前对地球内部碳总量的估价十分悬殊，相差至少二十倍，但是怎么说都比地球表层的碳储量要高出几个数量级。当然，地球内部的水和碳的赋存状态与地球表层不同：地幔里的水锁在矿物的晶格里，在高温盖压下的碳也是面目全非。比如，地幔里居然有个金刚石富集层，可惜人类没有本事进去开采。然而，地球内部的水和碳，是在和表层不断交换着的。通常火山爆发喷出的气体，60%是水汽，10%-40%是二氧化碳，但更大量的交换发生在海底。海底是漏的，大量的水和碳酸盐随着板块从深海底俯冲到地幔深处，又有大量的水和碳从地球深处冒出海底。海底的“二氧化碳湖”，“可燃冰”里的甲烷，和“深部生物圈”里的有机物，至少一部分的碳来自地球内部。但是这种交换并不平衡，从表层流进地球内部的水多、流出来的少，有人推测六亿年来地球表面的水流失了6%-10%。

　　将地球表面和地球内部结合起来研究水循环和碳循环，这就是“行星循环”，也就是新十年大洋钻探的科学亮点。说到底，直接探测地球内部的唯一办法还只有打钻，而深海海底正是最贴近地球内部的地方。

　　当然，探索地球表层和内部的关系远不限于水循环和碳循环。比如地球表面的海盆张裂、山脉隆起，这类构造运动的推动力就在地球内部，就在地幔物质的对流。今天的亚洲和西太平洋之间，夹着一串从白令海到南海的边缘海，其成因就在地球内部：1.5亿年来估计有3万公里长的板块，沿着西太平洋边缘俯冲下去，形成了“板块的坟场”，随同带进来的水使得这里的地幔运动格外活跃，以致上方的地壳张裂，形成了一系列的边缘海。可见，“行星循环”能为地球表面的许多现象提供钥匙，这也正是南海349航次科学目标的重点所在。

　　4 走向深海，中国要在“三深”上发力

　　自从国际大洋钻探计划建立以来，担任核心领导角色的一直是美国，也只有美国有大洋钻探船，先是“格洛玛·挑战者”号，1985年期改用“JOIDES决心号”。到了90年代，日本科技界上书首相建议建造自己的大洋钻探船，称日本将“因拥有此种设备而得到在发展新兴科学中起领导作用的机会”，向美国叫板。

　　2002年，日本“地球号”下水，这条5.7万吨的大洋钻探船比美国“决心号”大5倍，而且可以用泥浆钻探，2012年创造了钻进海底7740米的世界纪录。前几年，国际大洋钻探计划出现了美、日共同领导的局面，后来为节省开支，连办公室也搬到了东京。但是去年美国又突然宣布分家：日、美两条船在“大洋钻探”总计划下分头经营，现在我们和二十多国参加的是美国的部分，来南海钻探的也是美国的“决心号”船。

　　深海探索有多种手段，曾经被比喻为深潜、深网和深钻的“三深”。

　　说到深潜器，最有名的是美国的“阿尔文号”，30多年前发现过深海热液和热液生物群。如今我国有了自己的载人深潜器“蛟龙号”以及多台不载人的“水下机器人”，还有更多台正在建造之中。

　　“深网”是指铺设海底的观测网。在这一领域，美国、加拿大、日本都已有重大建树，“深网”就相当于建在深海底的实验室和气象站。近年来，我国也已动手建造，并把它列入“十二五”的大科学工程。

　　“深钻”指的就是大洋钻探。无论从资源投入到科学效果来说，都是“三深”的“重中之重”。深海钻探船好比深海探索的“航母”，从“行星循环”的高度展望深海研究，在今后的年代里，“航母”的作用将更加显著。但是，目前的两艘钻探船并不足以完成新设立的科学目标。

　　美国“决心号”造于1978年，虽然曾两度翻新、现在也处于极佳的状态，但毕竟已是“夕阳”晚年，早晚有退休的一日。日本“地球号”先进、但是太大，每天花销50万美金，当年启航时曾号称要去“打穿地壳”，现在看来技术并不成熟，至少近10年的IODP内难以实现。欧洲没有自己的大洋钻探船，一度设计了“北极之光”破冰钻探船，但因为缺乏经费而胎死腹中。可见，2023年新IODP十年计划结束之时，国际大洋钻探计划将面临缺乏“航母”的困境。而且真要打穿地壳，实现“行星循环”的科学目标，还需要更加先进的大洋钻探船。

　　目前，北欧发展的新技术为走出困境带来了一道曙光：采用新技术将泥浆泵放在海底，从而出现一种“美国船的大小、日本船的功能，比现有两艘船都更为先进”的新一代大洋钻探船。但综合总体情况看，美、日、欧三方都不可能承担这项任务。不久前，我国的大洋钻探专家委员会提出了我国建造新型大洋钻探船的目标，设想的正是建造新一代的钻探船。如果中国能够下定决心，通过科技与产业相结合、独立自主和国际合作相结合的道路，建造自己的大洋钻探船，我们就将能问鼎世界深海研究的顶层，向建设海洋强国跨进一大步。但钻探船是要靠人来操作和使用的，为此我国现在就要加紧建设自己的深海科技队伍，以迎接未来的重任。

　　我国海洋意识的觉醒和深海研究的起步比许多国家都晚，深海科技与国际前沿的差距也比许多领域都大，只有采用非常规的对策，才能早日实现建设海洋科技强国的理想。其中，大洋钻探作为深海探索的前沿阵地，正是我们可能的突破口。当前，中国的海洋事业，正在经历着郑和下西洋六百年来的最佳时机。如果能抓住机遇、在深海科技上实现突破，必将能为华夏振兴作出全方位的历史贡献。

　　文/汪品先

　　(作者系中科院院士、同济大学海洋与地球科学学院教授)