投下一根“探海神針”揭開南海“前世”謎題

2017年2月13日，天氣晴朗，在香港維多利亞港口，來(lái)自全球各地的33位海洋科學(xué)家在這里集結(jié)，其中包括了13位中國(guó)專家。他們登上停靠等待的美國(guó)“決心”號(hào)鉆探船后，船駛往南海北部深處，開啟為期60天的鉆探考察。他們都有一個(gè)共同的目標(biāo)，在南海放下“探海神針”，讓它插入近4000米深的海底，穿透1000多米的沉積層，取出“神秘”巖石，以掌握打開南海如何“由陸地變?yōu)楹Ｑ蟆敝i題的“鑰匙”。這是由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的第三次南海大洋鉆探。按照計(jì)劃，這次鉆探項(xiàng)目分為了IODP367和IODP368兩個(gè)航次，目前，367航次已經(jīng)順利完成，而作為下半場(chǎng)的368航次已經(jīng)在4月14日揚(yáng)帆出海。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所孫珍教授，是367航次的首席科學(xué)家，也是歷次南海大洋鉆探中首位女性首席科學(xué)家。據(jù)孫珍介紹，367航次已經(jīng)成功在南海定點(diǎn)打下了2個(gè)鉆探位，并在第二個(gè)鉆探站順利取出玄武巖，成為目前南海鉆探中所取得的“最老”玄武巖，最大深度超海面之下5300米，一舉創(chuàng)下了大洋鉆探深度全球第八的紀(jì)錄。近日，記者來(lái)到了位于廣州的中科院南海海洋研究所，聽5位科研人員講述發(fā)生在不久前的那趟“奇幻旅程”。

現(xiàn)場(chǎng)

南海北部陸緣被譽(yù)為大陸破裂研究“天然實(shí)驗(yàn)室”

2月14日，經(jīng)過(guò)一日一夜的行駛，“決心”號(hào)抵達(dá)北緯18.4度、東經(jīng)115.9度51.6分的第一個(gè)目標(biāo)鉆探海域，此時(shí)他們離岸約為400海里。經(jīng)過(guò)一輪科學(xué)家培訓(xùn)以后，鉆探的重頭戲便正式啟動(dòng)。南海北部陸緣一直被科學(xué)家譽(yù)為開展大陸破裂研究的“天然實(shí)驗(yàn)室”。按照第三次南海大洋鉆探計(jì)劃，此次鉆探也選在了南海北部，確定的四個(gè)鉆探站位分別分布在南海北部的外緣隆起、洋陸過(guò)渡帶、胚胎洋盆、成熟洋盆地帶。已經(jīng)歸航的367航次主要負(fù)責(zé)中間兩個(gè)鉆探位，編號(hào)為U1499和U1500兩個(gè)點(diǎn)的鉆探。在起伏不定的海浪中要穿過(guò)數(shù)千米深的海水，再鉆入海底深處獲取一管管巖芯樣品，其難度可想而知，“每一個(gè)環(huán)節(jié)都來(lái)之不易”，孫珍感嘆。她說(shuō)，插入海底的“探海神針”是從“決心”號(hào)中部一個(gè)連接大海的“月池”中入水的?！耙淮蜷_它，可以看到海水在下面翻滾?！敝袊?guó)科學(xué)院南海海洋所海洋地球物理學(xué)博士張錦昌說(shuō)。

深入大海的鋼鐵管子就像是“套娃”一般，大管子套著小管子。為了鉆取深層的基底巖石，在最外層加設(shè)了稱為“套管”的管子，布放在海底沉積物中，它如一層強(qiáng)大的保護(hù)膜，防止插入海底深部時(shí)，松散的上部巖層倒塌干擾巖石取樣，這次U1500站位安裝的單層保護(hù)套管長(zhǎng)達(dá)842米，創(chuàng)下了大洋鉆探的歷史紀(jì)錄。而從船上一直延伸到海底的是“鉆管”，它頭頂四只“榴蓮”狀的鉆頭帶著鉆管一路潛入海中，并在接近海底沉積物處時(shí)，通過(guò)水下攝像機(jī)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，引導(dǎo)鉆管由再入錐插入預(yù)先布設(shè)的保護(hù)套管中，為巖石取樣的“開路”打頭陣。最后，在鉆管內(nèi)還套著“巖芯筒”，它用來(lái)裝著這次科學(xué)家的最終目標(biāo)——海底沉積物或巖石樣品，通過(guò)巖芯筒在鉆管內(nèi)從海底到船甲板的一次次穿梭，把寶貴的深海樣品交給科學(xué)家進(jìn)行研究。

鉆探深達(dá)5300米，取芯管“跑”了近3000公里

由于通往海底之路漫漫，每一層的管子并不是一插到底，而是一段段接駁插入，一直接到海底，隨著取樣的深入，連接的鉆管長(zhǎng)度也逐漸加長(zhǎng)。在U1500鉆位，接駁的鉆管長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到了5300多米。據(jù)介紹，為了確保鉆探的順利進(jìn)行，在“決心”號(hào)鉆探船各個(gè)關(guān)鍵位置，安裝了12個(gè)伸縮式推進(jìn)器，當(dāng)船從鉆孔上方位置發(fā)生漂移時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)測(cè)出漂移的方向和距離，“指示”船上不同位置的推進(jìn)器開始工作，自動(dòng)校正調(diào)整船舶位置。這就是動(dòng)力定位系統(tǒng)，它可以保證“決心”號(hào)即使在浪高7.5米海況下，仍可將船位控制在2%誤差范圍內(nèi)。

據(jù)悉，在鉆探施行的每一個(gè)步驟，都需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。就單純放“套管”到海底，就需要花費(fèi)近1天，更換鉆頭則通常需要近兩天的時(shí)間。而巖芯筒每取樣10米，管底的門就啟動(dòng)關(guān)閉，然后巖芯筒返回海面“卸貨”一次，再重新返回海底進(jìn)行取樣。“在持續(xù)60天的鉆探歷程中，運(yùn)輸巖石的巖芯筒是最‘忙的，這趟下來(lái)，它一共來(lái)回跑了近3000公里?！敝袊?guó)科學(xué)院南海海洋研究所博士蘇翔說(shuō)。

“鉆探”裝置一度“罷工”，維修后成功達(dá)到目標(biāo)深度

除了時(shí)間的耗費(fèi)，鉆探過(guò)程中也常要面對(duì)多變氣候和突發(fā)情況的考驗(yàn)。在3月6日，當(dāng)鉆探隊(duì)在第一鉆孔位U1499B穿越過(guò) 3770米深的海水，鉆探至海底以下1080米時(shí)，鉆孔底部松軟的礫石層突然出現(xiàn)了滑塌，卡住了鉆桿。技術(shù)人員先后用海水和泥漿清洗，企圖沖走卡住鉆桿的石頭。然而，經(jīng)過(guò)一天一夜的沖洗后，鉆桿還是未能被成功“解鎖”。然而，當(dāng)時(shí)留給第二個(gè)鉆孔站位的時(shí)間已經(jīng)不多，考慮到繼續(xù)往松散的礫石層鉆探，會(huì)有再次坍塌的危險(xiǎn)，無(wú)奈之下，鉆探隊(duì)放棄了第一個(gè)鉆探孔繼續(xù)取樣的計(jì)劃，趕往第二個(gè)鉆探站位?！坝袝r(shí)候，你覺(jué)得科學(xué)目標(biāo)就近在咫尺了，沒(méi)想到轉(zhuǎn)眼夢(mèng)想又變得遠(yuǎn)在天邊?！睂O珍感嘆。

3月7日，“決心”號(hào)來(lái)到了第二個(gè)鉆井位U1500B，其位于北緯18度18.27分、東經(jīng)116度13.20分，與第一個(gè)鉆孔相距僅30多公里，海域水深達(dá)到3800多米。在這期間，“鉆探”裝置還一度“罷工”，需要維修。幸運(yùn)的是，到了3月25日，在船上鉆探負(fù)責(zé)人員的鉆探方案調(diào)整后，“決心”號(hào)還是在海底1380米深處成功“觸摸”到南海海底的玄武巖，達(dá)到了目標(biāo)深度。據(jù)悉，U1500B位置的鉆探需要潛入3800米深的海水下，穿過(guò)南海海底1400米的松散沉積物，其中包括900多米砂層，才能最終鉆取到堅(jiān)硬的基底——玄武巖，“取上來(lái)的巖芯每一段顏色都不一樣，最上面是軟泥，中間是固結(jié)較好但沒(méi)有成巖的，最下面是已經(jīng)成巖的巖石。有砂巖、泥巖、碳酸巖、火山巖等?！敝袊?guó)科學(xué)院南海海洋研究所副研究員張翠梅說(shuō)。據(jù)悉，U1500鉆位鉆探深度去到了海底以下1520多米，創(chuàng)下了大洋鉆探全球第八的鉆探深度紀(jì)錄。

在海底七八百米深處發(fā)現(xiàn)罕見“大洋紅層”

“Core on Deck”，這是每當(dāng)沉積物巖芯從數(shù)千米深的海底“撈”出水面上到甲板時(shí)，船員都會(huì)大聲宣布的話。而這個(gè)時(shí)候，科學(xué)家的研究工作才正式開始。他們首先需要把每次取出的10米長(zhǎng)的巖芯，按照1.5米的長(zhǎng)度進(jìn)行切割，還要平均剖成兩半，一半作為永久樣本封存，另一半則分送到各個(gè)研究部門進(jìn)行研究。如物理實(shí)驗(yàn)室需要對(duì)巖石樣品的大小、形狀、密度等物理性質(zhì)進(jìn)行記錄，化學(xué)部門需要對(duì)其所含成分進(jìn)行探究，微生物部門和古生物部門需要在顯微鏡下對(duì)其蘊(yùn)含的生物性進(jìn)行觀察。

素材到手后，科學(xué)家們最重要的工作是對(duì)巖芯進(jìn)行“第一手”的直觀描述，包括地球物理、地球化學(xué)、磁性等參數(shù)。孫珍說(shuō)，這次南海大洋的鉆探“充滿了意外驚喜”。雖然U1499鉆位沒(méi)有鉆到預(yù)想的結(jié)晶基底巖石，但卻在海底七八百米深處，發(fā)現(xiàn)了罕見的“大洋紅層”。它是一種遠(yuǎn)離陸地、在深水中慢速堆積的遠(yuǎn)洋沉積物，在如今的南海已經(jīng)難覓蹤跡。此外，在“大洋紅層”以下繼續(xù)深鉆時(shí)，還遇到了150多米厚的礫石層，它們是一顆顆深灰色、堅(jiān)硬光滑的礫石，直徑在兩三厘米至10多厘米，與陸地河谷經(jīng)?？吹降摹谤Z卵石”十分相似，如今卻在南海深處得以發(fā)現(xiàn)。這一系列的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家們連連驚嘆。

這次鉆探初步結(jié)論會(huì)在一年后出來(lái)

“原本越淺的巖石越年輕，越深位置的巖石越老，跟蓋樓房一樣，但水動(dòng)力很強(qiáng)的情況下常出現(xiàn)的礫石層，居然會(huì)出現(xiàn)在大洋紅層下面，這給了我們很多的聯(lián)想。可能3000萬(wàn)年前，南海并非現(xiàn)在的樣子，可能是水動(dòng)力強(qiáng)的峽谷，也可能下面的巖石跟上面的地層出現(xiàn)缺失，造成二者‘移花接木，可以有很多種假設(shè)。”孫珍說(shuō)。

大洋紅層和礫石層的出現(xiàn)意味著什么？在U1500中最終鉆到的玄武巖預(yù)示著怎樣的海陸變遷秘密？一切尚無(wú)定論。孫珍說(shuō)，由于船上的研究設(shè)備有限，巖石的研究還只是在“第一眼”描述和初步的研究階段。之后，巖芯樣本將會(huì)陸續(xù)運(yùn)送到美國(guó)，并計(jì)劃9月份召開取樣大會(huì)，進(jìn)行巖石樣本的分配，屆時(shí)，中科院南海海洋研究所將從美國(guó)取回巖石，全球的海洋科學(xué)家還將對(duì)巖芯樣本進(jìn)行持續(xù)的研究、分析。“對(duì)海洋的研究是沒(méi)有止境的，這次鉆探初步的結(jié)論可能會(huì)在一年后出來(lái)，但關(guān)于海洋更深入的研究，可能要用一輩子的時(shí)間。”孫珍說(shuō)。“最大的收獲是完成了我的心愿。參與其中才真正稱得上是行內(nèi)人士，才可理直氣壯地說(shuō)自己是做地學(xué)、做海洋研究的。這趟航次的體驗(yàn)，確實(shí)證實(shí)了這個(gè)雄偉的科學(xué)鉆探計(jì)劃為什么這么厲害、這么酷?！睆堝\昌說(shuō)。

揭秘

如何在汪洋大海中定點(diǎn)？

面對(duì)一望無(wú)際又深不見底的汪洋大海，技術(shù)人員當(dāng)初如何確定鉆探點(diǎn)？孫珍表示，科學(xué)家對(duì)于海底環(huán)境并非“一無(wú)所知”，在鉆探開始以前，技術(shù)人員已經(jīng)運(yùn)用“人工地震”對(duì)南海北部做了一個(gè)全方位的“CT掃描”。

“地震在普通人看來(lái)是一種災(zāi)害，但它卻成為科學(xué)家獲取海底地圖的常用手段?！睂O珍說(shuō)。據(jù)介紹，“海底地震”的操作主要通過(guò)向海底放出巨能量“空氣炮”來(lái)撼動(dòng)海底，“就跟小時(shí)候看炸爆米花一樣”，同時(shí)讓早已拖在船后的地震電纜記錄出海底返回的地震波，通過(guò)源源不斷地放炮和記錄，多條地震波通過(guò)電腦分析就可以描繪出初步的“海底圖鑒”了，科學(xué)家正是根據(jù)這個(gè)圖鑒來(lái)選定具體的鉆探位置。

有了地圖，如何定點(diǎn)？孫珍表示，鉆探的定點(diǎn)通常要根據(jù)海底地形來(lái)選擇，既要有代表性也要盡量降低難度。如第一個(gè)鉆位U1499的位置，正選在了南海北部大陸邊緣、地殼減薄到最小的地方。鉆孔只要打穿海底800多米的沉積層，就可以鉆取正下方一個(gè)“小山丘”的山頂巖石。這個(gè)“小山丘”很可能就是由于地殼減薄、莫霍面上揚(yáng)、下地殼出露所形成的，是南海由大陸變?yōu)楹Ｑ笄暗淖詈笠欢位讕r石。

賬本

深海研究“航空母艦”“決心”號(hào)一天花費(fèi)100萬(wàn)

“其實(shí)真的是一艘豪華的科考船?！睆堝\昌首次踏上“決心”號(hào)，他如是描述。孫珍介紹，“決心”號(hào)大洋鉆探船全名為“JOIDES·決心”號(hào)，由美國(guó)制造，是世界上最先進(jìn)的大洋鉆探船之一。

“決心”號(hào)共有7層，船長(zhǎng)143米，寬度21米，排水量1.86萬(wàn)噸，能在海上連續(xù)航行75天。作為科考船，它的科研能力不容小覷。1400平方米的實(shí)驗(yàn)室，包括沉積學(xué)、巖石學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)、地球物理、古地磁等7個(gè)科研范疇。實(shí)驗(yàn)室還配備電子掃描顯微鏡、X射線熒光計(jì)、X射線衍射計(jì)、氣相色譜儀、熱解分析儀等諸多先進(jìn)儀器，堪稱一座國(guó)際合作的深海研究“航空母艦”。

出航兩個(gè)月，龐大的“決心”號(hào)要花費(fèi)多少？孫珍介紹，每個(gè)航次花費(fèi)約950萬(wàn)美元，算下來(lái)平均每天15萬(wàn)美元，約等于100萬(wàn)元人民幣。兩個(gè)航次將花費(fèi)1.2億元人民幣。

海洋科學(xué)研究需要先進(jìn)的技術(shù)和大量的投入，曾被稱為“貴族科學(xué)”。孫珍說(shuō)，事實(shí)上，石油公司去深海打一口井，成本在5億～10億元，這夠“決心”號(hào)運(yùn)行4～5個(gè)航次?！氨热缌硪粋€(gè)鉆探平臺(tái)提供者，日本的‘地球號(hào)雖然技術(shù)先進(jìn)，可以鉆油、氣等，但運(yùn)行成本高出‘決心號(hào)3～5倍。各個(gè)國(guó)家都還在用‘決心號(hào)的原因主要是，它確實(shí)便宜，而且產(chǎn)出可觀，鉆探效率高、速度很快?！?/p>

孫珍介紹，367～368國(guó)際鉆探航次，中國(guó)科技部出資70%，“占了單個(gè)航次費(fèi)用的七成。但根據(jù)美國(guó)計(jì)算，加上一年養(yǎng)船的費(fèi)用平攤，中國(guó)的出資額占每個(gè)航次總費(fèi)用的三成?！?/p>

背景

“下海”比“上天”難，海陸變遷謎題仍未破解

“對(duì)人類來(lái)說(shuō)，‘下海比‘上天的難度更大。我們對(duì)海的了解還不如太空?！泵鎸?duì)汪洋大海如何“問(wèn)”歷史？“鑰匙”正是在海底深處。孫珍解釋，海底的巖石層都有規(guī)律，一般而言，最古老的沉積層在下，年輕的則靠上，通過(guò)對(duì)它的“解剖”，可以極大幫助解密海洋的變遷史。向海底巖石詢問(wèn)滄海桑田的變化，是海洋科學(xué)家們的慣用手段。

早在1999年，第一次南海大洋鉆探ODP184航次就從南海3000多米深的海底以下鉆取到了沉積物巖芯，并從中讀取了西太平洋最近3000萬(wàn)年的氣候變化記錄，掌握了南海在“長(zhǎng)成”以后“后半生”歷史。2014年第二次南海大洋鉆探IODP349航次中，科學(xué)家為南海洋盆初步刻畫了“從出生到死亡”的時(shí)間軸。而第二次南海大洋鉆探的研究結(jié)果表明：南海東部海盆“出生”于3300萬(wàn)年前，“死亡”于1500萬(wàn)年前；西南部海底“出生”于2360萬(wàn)年前，相對(duì)較晚，而“死亡”則于1600萬(wàn)年前。

前兩次的鉆探，科學(xué)家們已經(jīng)初步揭示了南海的“后半生”。而今年科學(xué)家第三次回歸南海大洋鉆探，想法則更加“瘋狂”，他們要聚焦南?！扒鞍肷?，解開南海成因，探尋大陸如何破裂、海洋盆地如何形成的科學(xué)之謎，這將意味著鉆探要去到更深處，難度更大。

對(duì)于海陸變遷的謎題，目前科學(xué)界并沒(méi)有一致的定論，但普遍沿用的是以大西洋為“藍(lán)本”的非火山型大陸破裂理論。然而，在南海的早期研究中，已經(jīng)有初步證據(jù)顯示，南海的成因可能與大西洋藍(lán)本不盡相同。南海陸緣與洋殼之間如何過(guò)渡？是通過(guò)一個(gè)大斷層“干脆利落”地分開還是“拖泥帶水”？不同的分離方式將代表著不同的大陸破裂模式。孫珍表示，南海的運(yùn)動(dòng)速度是中速到慢速擴(kuò)張，代表全球大多數(shù)海盆擴(kuò)張方式，南海版本可能在世界海洋研究中更具代表性，而這次的鉆探將有望帶來(lái)“大陸破裂”理論的新版本。

花絮

海上生活兩個(gè)月，科學(xué)家除了科考還做什么

在海上生活兩個(gè)月，是怎樣的體驗(yàn)？南海所5位參與此次鉆探的科研人員中，3位是首次出海加入類似科考活動(dòng)?！按虾芊€(wěn)，超過(guò)我的想象。”張錦昌說(shuō)，船上一共有12個(gè)推進(jìn)器，能抗衡海流和風(fēng)的影響。當(dāng)然難免有不那么穩(wěn)當(dāng)?shù)臅r(shí)候。蘇翔記得，3月中旬時(shí)，有一次海上掀起了七八米的浪，風(fēng)力12級(jí)，在船上上下晃動(dòng)。“看巖芯和顯微鏡都會(huì)暈，但是工作仍要繼續(xù)，不然新的巖芯上來(lái)，做不完會(huì)拖延后面的進(jìn)度?！睆埓涿氛f(shuō)。

在船上，科研人員們與外界幾乎“失聯(lián)”，每天12小時(shí)都處于工作狀態(tài)，“航次的培訓(xùn)系統(tǒng)非常完善，一上船就要進(jìn)行工作內(nèi)容的培訓(xùn)，包括科學(xué)目標(biāo)、任務(wù)，實(shí)驗(yàn)室的參觀，儀器的操作，確保每個(gè)人的科學(xué)價(jià)值最大化?！睂O珍說(shuō)。除了自己的科研外，他們也要經(jīng)常進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，尋找更多的科研合作伙伴，“船上的科學(xué)家經(jīng)常有觀點(diǎn)沖突，但是最后都化解了，科學(xué)觀點(diǎn)、辯論技巧和風(fēng)度同等重要?！睆埓涿氛f(shuō)。

科研人員被分成白班和夜班，“白班的人只能看到日落，夜班的人只能看到日出?！敝袊?guó)科學(xué)院南海海洋研究所向榮研究員說(shuō)。在張錦昌看來(lái)，除了暈船、與外界失聯(lián)外，還有一個(gè)困難是空間小?！敖徽?、會(huì)議的空間都不大，睡覺(jué)也是上下鋪?！?/p>

即便如此，在不多的休息時(shí)間，船上的業(yè)余生活依舊很豐富?！叭娜硕己苡焉疲瑥N房的后勤人員第一天就能喊出每個(gè)人的名字，很是讓大家吃驚。他們還經(jīng)常為大家準(zhǔn)備一些小驚喜，比如慶祝某人拿到博士學(xué)位證書、慶祝某人生日等?！睆埓涿穼?duì)此印象非常深刻。在船上，中國(guó)科學(xué)家們會(huì)組織包餃子，請(qǐng)外國(guó)科學(xué)家一起吃。

本刊整理自《南方都市報(bào)》