八年沉潛，光耀全球
——跟著“南海深部計(jì)劃”走近南海生命史

海孕育了生命，也匯通著世界，更是一片蘊(yùn)藏“寶藏”的深藍(lán)。在這顆21世紀(jì)的藍(lán)色星球上，人類(lèi)正不遺余力地探索、開(kāi)發(fā)以及爭(zhēng)奪著海洋資源。而當(dāng)前中國(guó)的經(jīng)濟(jì)已發(fā)展成為高度依賴(lài)海洋的外向型經(jīng)濟(jì)，我們對(duì)這片深藍(lán)有著無(wú)比的渴求。2012年12月，中共十八大提出了“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略：我們要提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)。而在這一戰(zhàn)略提出的前一年，我們啟動(dòng)了“南海深部計(jì)劃”。

南海，四千里縱貫?zāi)媳?，兩千里橫跨東西，它的自然海域面積約為350萬(wàn)平方公里，其中中國(guó)領(lǐng)?？偯娣e達(dá)到了約210萬(wàn)平方公里，是我國(guó)近海中面積最大、水深最深的海區(qū)。它油氣礦產(chǎn)資源豐饒，也吞吐著磅礴的海洋能量，是港口航運(yùn)的聚集場(chǎng)，也是珊瑚礁等熱帶生態(tài)系統(tǒng)的分布區(qū)。與此同時(shí)，當(dāng)我們站在科學(xué)研究的角度去俯瞰那片集中了全球75%邊緣海盆地的西太平洋時(shí)，里面的南海就如同皇冠上的明珠般璀璨奪目，因?yàn)樗鳛槲覈?guó)三大邊緣海之一，是西太平洋中規(guī)模最大、最具有代表性的邊緣海盆地。而就眼下來(lái)說(shuō)，無(wú)論是我們對(duì)它集中在周邊的淺層開(kāi)發(fā)，還是整個(gè)科學(xué)界對(duì)于它深層機(jī)理的揣測(cè)，都不足夠幫助人類(lèi)真正揭開(kāi)南海深部的奧秘。

始于2011，收官于2018的“南海深部計(jì)劃”，其“野心”就是要把南海最深處的秘密探個(gè)明白。它的全名叫“南海深海過(guò)程演變”重大研究計(jì)劃，是國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃，也是我國(guó)海洋領(lǐng)域第一個(gè)大型基礎(chǔ)研究計(jì)劃，總共立項(xiàng)60個(gè)（重點(diǎn)51項(xiàng)，培育9項(xiàng)），全國(guó)參加單位32個(gè)，參與人員700多人次。該計(jì)劃旨在采用一系列新技術(shù)探測(cè)海盆，揭示南海的深海過(guò)程及其演變，再造邊緣海的“生命史”，從而為邊緣海的演變樹(shù)立起系統(tǒng)研究的典范。

這一大計(jì)劃的功勛科學(xué)家們，在八年沉潛之后，也走入了公眾的視野。2019年8月14日，“南海深部計(jì)劃”指導(dǎo)專(zhuān)家組組長(zhǎng)、中科院院士汪品先領(lǐng)銜一眾深海研究科學(xué)家齊聚同濟(jì)大學(xué)“南海深部計(jì)劃成果匯報(bào)會(huì)”，將八年來(lái)的重大研究成果展示給公眾。因?yàn)槭敲嫦蛏鐣?huì)，面向媒體，匯報(bào)會(huì)上的科學(xué)家們都拿出了做科普的本領(lǐng)，將精心選出的具備傳播潛質(zhì)的成果以故事化的表達(dá)呈現(xiàn)并解讀給大家。這些故事圍繞深海盆的形成演變、深海沉積以及海水的生物地球化學(xué)系統(tǒng)三個(gè)主題展開(kāi)，它們也是“南海深部計(jì)劃”的三大組成部分。正如汪院士所說(shuō)，南海深部計(jì)劃的設(shè)計(jì)是通過(guò)多學(xué)科的共同探索解剖一只“麻雀”，從三方面揭示一個(gè)邊緣海的“生命史”：深海盆的形成演變?yōu)槠洹肮恰保詈３练e及所含的環(huán)境信息為其“肉”，海水的生物地球化學(xué)系統(tǒng)為其“血”（圖1）。

跟隨著這些科學(xué)家們的講述，我們穿過(guò)了幾千萬(wàn)年的浩瀚海洋史，驚嘆于當(dāng)代中國(guó)科研人在南海深處所再現(xiàn)出的那些壯闊與奇?zhèn)?。其中最令人嘆服的科研成果無(wú)疑是在南海的海盆成因與氣候演變這兩方面所取得的顛覆性進(jìn)展以及水碳循環(huán)方面所做的先驅(qū)性工作。

南海不是“小大西洋”

海洋之“骨”在海盆，海盆源于陸地裂谷，而研究的標(biāo)準(zhǔn)就在大西洋。南海的海盆成因，也就是20世紀(jì)80年代以來(lái)一直占據(jù)主流的歐美學(xué)派所認(rèn)為的：南海就是小了一號(hào)的大西洋，它倆的海盆成因并無(wú)二致，都是地幔巖石圈在長(zhǎng)期拉張之下變?nèi)?，然后破裂，涌出巖漿冷凝成玄武巖，化作大洋地殼。這一口碑扎實(shí)的歐美系理論需要一個(gè)扎實(shí)的實(shí)證支持：大洋和大陸地殼的連接處要有長(zhǎng)期削蝕的地幔巖。但在“南海深部計(jì)劃”之前的學(xué)術(shù)界，還沒(méi)有鉆井能達(dá)到那個(gè)深度去獲得最有力的證據(jù)。

南海深部計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)通過(guò)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，在2017到2018年間爭(zhēng)取到了367/368/368X三個(gè)航次的南海大洋鉆探，檢驗(yàn)了大西洋模型的普適性。鉆探所得的結(jié)果出人意料，科學(xué)家們鉆出了玄武巖，而非地幔巖（圖2）。他們還發(fā)現(xiàn)大陸巖石圈張裂之初就有玄武巖涌出，很快就轉(zhuǎn)到海底擴(kuò)張并形成了大洋地殼。這些發(fā)現(xiàn)都足以推翻南海是“小大西洋”的理論。

圖1 南海深部研究計(jì)劃的三大組成部分

圖2 南海大洋鉆探結(jié)果否定了原有假設(shè)：洋陸過(guò)渡帶基底并非蛇紋巖化的地幔巖。下方為按照大西洋模式剖面解釋的示意圖，左上方為鉆探揭示的基底巖性

最后的結(jié)論就是大西洋和南海有著兩種完全不同的巖石圈：大西洋張裂的是超級(jí)大陸內(nèi)部堅(jiān)固的巖石圈，南海張裂的卻是在太平洋板塊俯沖帶相對(duì)軟弱的巖石圈。乍一聽(tīng)略有所似，其實(shí)是兩種根本不同的海盆形成機(jī)制，前者是“板內(nèi)裂谷”，后者是“板緣裂谷”。

氣候演變“低緯驅(qū)動(dòng)”

人類(lèi)對(duì)氣候演變的研究起步于大冰期的發(fā)現(xiàn)，而20世紀(jì)地球科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)之一就是地球運(yùn)行軌道的微小變化就能造成冰期旋回。這一發(fā)現(xiàn)讓人們可以用北半球高緯度地區(qū)受到的太陽(yáng)輻射量變化，成功解釋近百萬(wàn)年來(lái)冰蓋漲縮的周期性，而冰蓋漲縮變化又通過(guò)北大西洋深層水的形成，引領(lǐng)著全球的氣候變化。由此產(chǎn)生的深海沉積氧同位素曲線，已經(jīng)成為全大洋地層年齡對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)。

但是1999年的大洋鉆探，卻在南海沉積速率最高的一口井中發(fā)現(xiàn)它的沉積氧同位素曲線偏離了全球標(biāo)準(zhǔn)（圖3），按傳統(tǒng)觀點(diǎn)這屬于地層記錄不全。但是在經(jīng)過(guò)了對(duì)這些南海之“肉”的多項(xiàng)精確測(cè)試分析和其他鉆孔的反復(fù)比較后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種偏離是季風(fēng)區(qū)域的共同特點(diǎn)，地層并不缺失。這種季風(fēng)區(qū)氣候周期的特點(diǎn)反映了太陽(yáng)輻射量在低緯地區(qū)的周期變化。于是他們基于南海的研究提出了氣候演變的“低緯驅(qū)動(dòng)”觀點(diǎn)，指出高緯區(qū)冰蓋大小的變化和低緯區(qū)季風(fēng)降雨的變化，其驅(qū)動(dòng)力的周期性有所不同，換句話說(shuō)就是低緯區(qū)降水周期的變化并不由高緯冰蓋決定。

其實(shí)太陽(yáng)輻射量集中在低緯區(qū)，低緯過(guò)程是氣候干濕、旱澇災(zāi)害的源頭，但長(zhǎng)期以來(lái)不受重視，人們的注意力集中在北半球的高緯冰蓋上。南海研究還進(jìn)一步表明：低緯海區(qū)更大的變化不在表層、而在于次表層水；軌道周期不但有萬(wàn)年等級(jí)的冰期旋回，還有40萬(wàn)年季風(fēng)氣候的長(zhǎng)周期，當(dāng)前的地球就處在長(zhǎng)周期的低谷期，在全球氣候變化的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)中應(yīng)當(dāng)注意這一點(diǎn)。

水與碳的循環(huán)

與前兩個(gè)在南海的“骨”與“肉”里鉆探出的顛覆性成果并列的，是對(duì)南海的“血”的“首次造訪”。世界上的邊緣海很多，但目前僅有南海深水海盆地中的水、碳循環(huán)由“南海深部計(jì)劃”集中進(jìn)行了首次系統(tǒng)觀測(cè)研究。太平洋深部的水通過(guò)2 600米深的巴士海峽進(jìn)入南海，造成了南海的“深水瀑布”和三層環(huán)流結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)測(cè)和模擬的結(jié)合，研究者們對(duì)大洋和大陸因素的相互作用取得了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。另一方面，他們也在碳循環(huán)研究方面取得突出成果，從南海提出的微生物碳泵，已經(jīng)成為全球大洋碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一；而碳、氮循環(huán)相互關(guān)系的成果，也給國(guó)際上該領(lǐng)域的研究帶來(lái)了不小的影響。

深潛南海之底

除了上述的三大成果，“南海深部計(jì)劃”在這八年里還取得了很多其他富有前沿性的成果，讓我們眼中的南海深處變得清晰與明亮。讓我們?cè)俅胃S著鉆探船鉆入南海之底。

圖3 最近30萬(wàn)年的兩類(lèi)海洋氧同位素曲線。A.南海表層水； B.大洋底層水。箭頭提示兩者的顯著差異

圖4 南海北部深潛航次圖片

南海形成的關(guān)鍵在于它那片中央水深4 000多米、面積46萬(wàn)平方公里的玄武巖海底。是什么時(shí)候有巖漿從地幔噴出，造就南海盆地的呢？在“南海深部計(jì)劃”執(zhí)行之前，整個(gè)學(xué)術(shù)界對(duì)此缺乏直接證據(jù)，所以研究者們的觀點(diǎn)無(wú)法統(tǒng)一。

2014年，大洋鉆探349航次在南海4 000多米水深的海盆內(nèi)，在三個(gè)站位利用深鉆取回了玄武巖，測(cè)試結(jié)果顯示東部海盆（約3 300萬(wàn)年前形成）先于西部海盆（約2 300萬(wàn)年前形成）形成；之后進(jìn)行的深部地球物理探測(cè)發(fā)現(xiàn)南海的玄武巖海底已經(jīng)有一大片向東俯沖到了菲律賓群島下面。據(jù)此，可以判斷南海的形成是從東往西推進(jìn)的，而1 000多萬(wàn)年前的南海比現(xiàn)在幾乎大一倍。

我們?cè)侔涯抗馔断蛩纳畈亢Ａ?。為了揭示南海深部海流的流?dòng)方式，科學(xué)家們采用了目前唯一可行的辦法——投放錨系進(jìn)行實(shí)測(cè)。經(jīng)過(guò)歷時(shí)多年的數(shù)百次深海潛標(biāo)實(shí)測(cè)，證實(shí)南海具有逆時(shí)針?lè)较虻奈鞑可钸吔缌鳌?/p>

再來(lái)看一看海底的深海過(guò)程。多年前人們就發(fā)現(xiàn)了海底存在水合物和冷泉生物群。而現(xiàn)在，通過(guò)多次深潛航次，人們有了更多神奇的發(fā)現(xiàn)（圖4），包括深海海山上成片的錳結(jié)核、海底的古熱液活動(dòng)、西沙深處和深海海山上大片的冷水珊瑚林等。其中冷水珊瑚林的發(fā)現(xiàn)在東南亞海域尚屬首次。

結(jié)合近年來(lái)海底高分辨率地形制圖揭示的泥火山、麻坑、海溝等復(fù)雜地形，南海深部的一派活躍景象呈現(xiàn)在眼前：在通盤(pán)漆黑的深海海底，有著自上而下、自下而上的雙向物質(zhì)流和能量流，而海底的沉積礦物，與生命活動(dòng)還存在著相互作用。

交融與變通，在南海的不同凡響

如果要找一個(gè)詞語(yǔ)來(lái)形容“南海深部計(jì)劃”的科學(xué)研究特色，用“多元交融”毫不為過(guò)。

一方面，它的多元在于眾多學(xué)科在南海大計(jì)劃中的交叉碰撞。南海深部研究的龐雜讓科學(xué)在客觀上跨越了古今界限、海陸界限、地球和生命科學(xué)的界限，讓科學(xué)家們?cè)谥饔^上跨界合作，追求共同的答案。一些新的認(rèn)識(shí)，如碳循環(huán)長(zhǎng)周期的“溶解有機(jī)碳假說(shuō)”就是在這樣的“跨界”中迸發(fā)的火花。這八年的學(xué)科交叉使得該領(lǐng)域形成了多學(xué)科門(mén)類(lèi)、跨時(shí)空尺度的研究隊(duì)伍，為我國(guó)海洋科學(xué)帶來(lái)了新意。

另一方面，它的交融也體現(xiàn)在卓有成效的國(guó)際合作上。不論是大洋鉆探還是室內(nèi)分析，抑或是“全球季風(fēng)”等新概念的推進(jìn)，研究中的諸多重要環(huán)節(jié)都匯聚了國(guó)際合作者們的共同努力。與此同時(shí)，整個(gè)研究計(jì)劃始終明確貫穿著一個(gè)以我為主的特點(diǎn)?？梢院敛缓卣f(shuō)：南海深部取得的科學(xué)進(jìn)展，是在中國(guó)科學(xué)界主持下取得的，中國(guó)也就此掌握了南海科學(xué)上的主導(dǎo)權(quán)。

除了多元交融的研究特色，整個(gè)團(tuán)隊(duì)在探索過(guò)程中所展現(xiàn)的銳意進(jìn)取的態(tài)度和敢想敢打的“變通”，也值得大書(shū)特書(shū)。以深海盆成因的研究為例，團(tuán)隊(duì)原計(jì)劃是探索“海底擴(kuò)張的年代與過(guò)程”，可結(jié)果卻拓展到了追溯大陸巖石圈的破裂，從“確定年齡”變?yōu)椤疤剿髟颉?，從“海底擴(kuò)張”變?yōu)椤按箨懫屏选?，這種“變通”帶來(lái)的驚喜超乎想象，驚喜到重構(gòu)了南海的海盆形成理論。

抓住有利時(shí)機(jī)，及時(shí)修改計(jì)劃，提升科學(xué)目標(biāo)，“變通”之源其實(shí)就是科研團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大的探索決心與熱情，在強(qiáng)大主觀能動(dòng)性的驅(qū)動(dòng)下，所有成員都可以專(zhuān)注與“沉潛”，這份專(zhuān)注讓他們擁有了高度的敏銳和應(yīng)變，那么“變通”也就順理成章，而其結(jié)果就是學(xué)術(shù)上的突破。發(fā)現(xiàn)國(guó)際通用模型并不適用于南海，于是提出了邊緣海張裂的全球性新概念；發(fā)現(xiàn)南海的古氣候記錄并不符合高緯度地區(qū)決定全球氣候的傳統(tǒng)觀念，于是提出了“氣候演變的低緯驅(qū)動(dòng)”概念；既然蛟龍?zhí)柡蜕詈Ｓ率刻?hào)國(guó)產(chǎn)深潛器下水了，那就把“深潛”這個(gè)本不見(jiàn)于立項(xiàng)任務(wù)書(shū)的工作添加到計(jì)劃中。

立足南海，放眼全球

“南海深部計(jì)劃”取得的許多進(jìn)展使中國(guó)占據(jù)了南海研究的領(lǐng)先身位，一些重大突破甚至挑戰(zhàn)了歐美學(xué)界的老傳統(tǒng)。這看起來(lái)是我們中國(guó)自然科學(xué)轉(zhuǎn)型的一聲前哨。我們的科學(xué)需要轉(zhuǎn)型，從單一的原料輸出轉(zhuǎn)型為具備自主深加工的能力，從“緊跟”轉(zhuǎn)型為“挑戰(zhàn)”。

而西方學(xué)術(shù)圈的那些傳統(tǒng)觀點(diǎn)也提醒著我們，在地球科學(xué)這樣具有區(qū)域性的學(xué)科里，我們應(yīng)當(dāng)以南海為“抓手”，力爭(zhēng)建立自己的學(xué)派。立足南海，放眼全球，我們可以努力使南海成為海洋科學(xué)基礎(chǔ)研究的國(guó)際實(shí)驗(yàn)室，成為深海研究的基地。依托它去揭示一系列基本過(guò)程，去形成并驗(yàn)證一系列假說(shuō)，去揭開(kāi)西太平洋邊緣海之謎，讓南海成為國(guó)際邊緣海研究的典范。