深海鉆探50年

編譯 之涵

我們對月球表面的了解勝過對地球海底的了解，這一點令人震驚，但事實的確如此。我們對海底的了解大多來自科學大洋鉆探——從深海海底系統(tǒng)采集巖芯樣本。這一革命性技術始于50年前的1968年8月11日，當時在聯(lián)邦資助的深海鉆探項目中，“格洛馬爾挑戰(zhàn)者（Glomar Challenger）”號鉆探船首次遠征，駛?cè)肽鞲鐬场?/p>

對科學鉆探進行檢驗并成功試航后，科學鉆探“喬迪斯決心（JOIDES Resolution）”號抵達美國夏威夷州檀香山

1980年，我進行了第一次科學大洋鉆探。自那時起，我又參加了6次在北大西洋和南極洲威德爾海的探險。在我的實驗室里，我和學生們對這些探險活動中獲得的巖芯樣本進行研究。這些長31英尺、寬3英寸，類似圓柱體的樣本就像一本本書，等待著人們解讀其中的信息。拿起一塊新打開的巖芯，里面充滿了來自地球海底的巖石和沉積物，就像打開一個罕見的寶箱，里面記錄著地球歷史流逝的時光。

半個多世紀以來，科學大洋鉆探已經(jīng)證明了板塊構(gòu)造理論的正確，開創(chuàng)了古海洋學，并通過揭示深海生物圈中種類繁多、數(shù)量龐大的生命，重新定義了我們對地球生命的看法，而且還有更多的東西需要學習和探索。

通過從世界海洋盆地鉆取巖芯樣本，科學家拓寬了眼界和知識，但他們的工作還遠未結(jié)束。

技術創(chuàng)新

得益于兩項關鍵的創(chuàng)新技術，科考船能夠從深海中的精確位置采集巖芯樣本。第一項是動態(tài)定位，在通常超過12 000英尺的水下鉆探和回收逐塊堆疊的巖芯時，這種技術能將一艘471英尺長的船保持在固定位置。要在這種深度將鉆探船錨定不切實際。為此，技術人員將一種名為異頻雷達收發(fā)機的魚雷狀儀器從船的側(cè)面放入水中，并通過安裝于船體的換能器裝置向其發(fā)送聲音信號，再通過船載計算機計算出通信的距離和角度。船體上的推進器使船只完全停留在同一位置，對抗洋流、風浪和海浪的力量。

再入錐焊接在鉆桿周圍，在更換鉆頭前引導鉆桿重新插入鉆孔

大洋鉆探的另一大挑戰(zhàn)是鉆頭必須在操作中期更換。海洋的地殼由火成巖組成，這些巖石在鉆頭達到預期深度之前就會將其磨損。出現(xiàn)這種情況時，鉆工將整個鉆桿拉出，安裝好新鉆頭后再插入同一個鉆孔。這需要引導鉆桿進入漏斗狀的再入錐。再入錐的寬度不到15英尺，放置在海底的鉆孔口。這一過程在1970年首次完成，它就像把一根長長的意大利面放入奧運會游泳池底部寬0.25英寸的漏斗中一樣。確認板塊構(gòu)造

?？颂K魯伯隕石坑核心部分，這種巖石名為沖擊凝灰角礫巖，其中含有巖石碎片和熔巖

1968年科學大洋鉆探橫空出世時，板塊構(gòu)造理論還是一個備受爭議的話題。一個重要的觀點是，新的海洋地殼是在海底的洋脊上形成的。在那里，海洋板塊相互遠離，地球內(nèi)部的巖漿從它們之間噴涌而出。根據(jù)這一理論，地殼是產(chǎn)生于洋脊頂部的新物質(zhì)，其年齡隨著離峰頂距離的增加而增加。

唯一能證明這一點的方法就是分析沉積物和巖芯。在1968—1969年的冬天，“格洛馬爾挑戰(zhàn)者”號在南大西洋以東和大西洋中脊的西部鉆探了7個地方。海底火成巖和上面覆蓋的沉積物的年齡與預測完全一致，這證實了大洋地殼是在洋脊形成的，而板塊構(gòu)造理論也是正確的。

重構(gòu)地球歷史

海洋對地球歷史的記錄比陸地地質(zhì)構(gòu)造更具連續(xù)性。因為在陸地上，風、水和冰的侵蝕和再沉積會將記錄破壞。在大多數(shù)海洋中，沉積物以顆粒狀沉積下來，并留在原地，最終屈服于壓力成為巖石。

保存在沉積物中的微體化石（浮游生物）最為漂亮，并且含有豐富的信息，盡管有些化石的寬度比人類頭發(fā)絲還要小。就像大型植物和動物化石一樣，科學家可以利用這些鈣和硅的精細結(jié)構(gòu)重構(gòu)過去的環(huán)境。

浮游生物的掃描電子顯微鏡圖像（左為硅藻，右為球蟲）。不同的浮游生物有不同的氣候偏好，這使得它們成為海洋表面狀況的理想指標

得益于科學大洋鉆探，我們知道了在6 600萬年前的一次小行星撞擊事件中，所有的非鳥類恐龍均未能幸免于難；之后，火山口邊緣形成了新的生命。在接下來的3萬年，一個完整的生態(tài)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展。在隕石撞擊過程中，一些深海生物存活了下來。

大洋鉆探還揭示出在1 000萬年后，大量的碳排放——可能來自廣泛的火山活動和甲烷水合物融化釋放出來的甲烷——引發(fā)了急劇變暖事件，也被稱作古新世-始新世極熱事件（PETM）。在這一時期，甚至北極的溫度都達到22攝氏度以上。由于碳排放到大氣和海洋中造成的海洋酸化導致深海生態(tài)系統(tǒng)分崩離析。

這是受到急劇氣候變暖影響的一個的典型例子。據(jù)估計，PETM期間釋放的碳總量大約相當于人類耗盡地球上所有化石燃料儲備釋放的碳總量。然而，一個重要的區(qū)別是火山和水合物釋放的碳比我們目前消耗化石燃料的速度慢得多。因此，除非我們停止碳排放，否則氣候和生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生更劇烈的變化。

在海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)生命

科學大洋鉆探還顯示，海洋沉積物中的細胞數(shù)量與海洋或土壤中的細胞數(shù)量大致相同。探險隊不僅在8 000英尺深的沉積物中發(fā)現(xiàn)了生命，還在擁有8 600萬年歷史的沉積物和溫度超過60攝氏度的沉積物中發(fā)現(xiàn)了生命。

如今，來自23個國家的科學家正在通過“國際海洋發(fā)現(xiàn)計劃”開展研究，該項目利用科學大洋鉆探從海底沉積物和巖石中采集數(shù)據(jù)，并監(jiān)測海底環(huán)境。通過采集巖芯，科學家獲得了關于板塊構(gòu)造的新信息，如海洋地殼形成的復雜性和深海生命的多樣性。

這是一項成本高昂，技術和智力密集型的研究。但是，只有探索深海，我們才能挖掘深藏其中的寶藏，更好地了解大海的美以及它的復雜。