科學大洋鉆探的巨大變化

海底探索和發(fā)現的時代即將結束。然而，還有很多東西需要學習。

由著名作家約翰·斯坦貝克（John Steinbeck）擔任歷史顧問，一群美國科學家和工程師于1961年開始執(zhí)行一項史無前例的任務，即鉆探大洋地殼并測量海底深處的溫度。由于水域太深，無法拋錨，鉆探小組使用了一艘經過特別改裝的駁船，船上配備了一系列舷外發(fā)動機，使他們能夠連續(xù)數周停留在同一地點。鉆探船的頂部裝有一臺被稱為井架的專用起重機，位于甲板中央的一個孔上，可以通過它降低鉆柱。斯坦貝克認識到了這項被稱為“莫霍計劃”（Project Mohole）的任務擁有巨大的潛力，該計劃旨在探索廣闊而未被開發(fā)的海底世界。

第一個深海鉆探項目收集的巖石樣本表明，大洋地殼是由火山巖構成的。這一重要信息支持了新興的板塊構造論。這個具有遠見卓識的項目雖然沒有完成鉆探地幔的既定任務，但卻提高了工業(yè)和科學的水平，并激發(fā)了數十年的科學大洋鉆探和國際合作。這些舉措催生出技術、工程和管理相關的科學基礎設施、大量鉆井，以及由數千人組成的龐大的多學科科學社區(qū)，不斷推動著突破性的發(fā)現和科學進步。

如今，科學大洋鉆探已被定位為解決有關地球及其對氣候變化的反應、生命的起源和進化、與地震和海嘯相關的危害以及其他一系列研究領域基本問題的重要工具。然而，科學大洋鉆探的未來仍不確定，因為美國的喬迪斯 · 決心號鉆探船將退役，結束其目前由美國國家科學基金會支持的鉆探計劃，并暫?？紤]如何進行下一步計劃。

歐洲大洋研究鉆探聯盟和日本將于2025年1月1日啟動一項新的國際海洋鉆探計劃。該計劃將使用特定任務平臺進行探測，根據每次任務的科學需求來選擇船只和探測時間，而不是像喬迪斯 · 決心號那樣進行為期兩個月的常規(guī)考察。日本的地球號鉆探船和解明號（Kaimei）研究船將作為未來海洋科學發(fā)現工作的兩個主要取芯設施。全球地球科學界，尤其是美國地球科學界，正擔心會失去幾代人磨練出來的獨特技術知識和合作框架。這事關重大，來自世界海洋的數據掌握著許多重要但懸而未決的科學問題的答案，如果沒有一艘類似于喬迪斯 · 決心號能夠在世界范圍內探測的鉆探船，這些問題可能會更難解決。

科學大洋鉆探的來龍去脈

從地球深處采集完整的地質材料樣本和獲取高質量的數據，需要一套不同于鉆探石油和天然氣或建造渦輪機和橋梁水下基座的工具和技術?？茖W鉆探船可以：在各種水深和水流、風浪條件下保持同一位置；在各種地質材料中回收近乎連續(xù)的巖石和沉積物巖芯；部署測井儀器以確定地下的地球物理特性；安裝觀測站以捕捉地下深處的現場動態(tài)信息。這些工具提升了研究地球的能力。研究結果徹底改變了人類對地球歷史、地質學和生態(tài)學的認識，并揭示了有關地球形成過程的重要信息。

在喬迪斯 · 決心號上，取芯工作是在艦橋上開始的，即在船只抵達目的地并啟動推進器之后，該推進器作為船只動態(tài)定位系統的一部分。推進器可自動保持位置不變，這對于在深水等無法拋錨的地方取芯至關重要。1961年，該技術的前身在莫霍計劃的駁船上首次亮相。此后，動態(tài)定位技術被廣泛應用于科研和產業(yè)界，并進行了多次改進。

就位后，鉆井船會在井架下將9.5米長的管子首尾相接地組裝起來，為取巖芯做準備。組裝好的管道末端裝有鉆頭，稱為鉆柱，通過船體上的一個洞（稱為月池）延伸到海底。一個內襯塑料的巖芯筒通過鉆桿內部被放入海底。鉆探過程中，井架上的巨大電機為鉆柱提供扭矩。

在松軟的沉積物中，液壓驅動系統將內巖芯筒和襯里（頂端裝有切削蹄片）插入外管末端之外，以獲取腐蝕程度相對不高的9.5米長的沉積物巖芯。然后，鉆機推進鉆桿，更換襯里，準備取下一個巖芯。軟沉積巖芯采集的典型深度為海底以下300米至500米，最深可達700米。一個鉆孔可采集

30～70個巖芯。

對于較堅硬的沉積物和基底巖石，巖芯采集采用旋轉鉆探法。外鉆桿在巖石或沉積物中旋轉，而帶襯里的非旋轉內巖芯筒則向前推進并修整巖芯。喬迪斯 · 決心號已鉆探到海底2100米深處的海洋地殼。最深的海洋鉆孔記錄是由地球號于2019年創(chuàng)造的，當時它在日本南部海域海槽下3250米處鉆了一個孔。

長達9.5米的鉆柱就像一根軟面條，在流動的海洋中下放3000～5000米。盡管這種系統在物理上存在挑戰(zhàn)，但科學海洋鉆探已開發(fā)出不僅能在特定位置取芯，還能將鉆柱穿回以前鉆過的裝有再入錐和套管系統的鉆孔。這種漏斗狀的錐體可以重新鉆入并加深鉆孔，或安裝鉆孔觀測站，即在海底安裝一串傳感器，以便在原地長期收集數據。

國際跨學科科學

作為科學家或技術人員加入鉆探考察隊，意味著成為一個國際團隊的一員，這個團隊通常要在一起工作兩個月，每周7天、每天12小時輪班工作，處理、測量和分析考察期間獲得的地質材料和數據。在喬迪斯 · 決心號上，大部分工作都是在海上進行的。在特定任務平臺考察中，只有時間敏感的工作才在海上進行，其他處理工作由考察科學家在岸上的實驗室完成。每次考察的目標、技術需求、對安全操作條件的要求以及完成這些目標所需的基本工作人員，都是提前數年精心規(guī)劃好的。

例如，喬迪斯 · 決心號上典型的鉆探工作需要100多名人員的努力，其中包括船長、工程師、鉆探小組、餐飲服務人員、技術人員和科學家。鉆探人員回收巖芯或在鉆孔中放置儀器。巖芯到了甲板上，就會轉交給技術人員進行整理和元數據記錄，然后再轉交給科研團隊，收集一系列全面的船上標準數據和考察專用數據。在船上收集的標準數據，如巖芯的年齡、化學成分、磁極性和化石的存在，一直是科學海洋鉆探的重要標志。有保障地生成簡單但具有診斷性的數據，為評估當前鉆探的成功與否、規(guī)劃未來取樣和提出假設提供了勘測信息。

航行后的工作是通過額外的樣本采集、實驗室工作、數據處理和建模來跟進這些初步結果。隨著時間的推移，不斷增加的數據集有助于發(fā)現地球表面在時間和空間上的大規(guī)模全球變化模式。例如，1500萬年的全球海洋有機碳沉積史，用于研究生物生產力，以及根據孔隙流體數據對海底生物呼吸進行的全球調查。樣本和數據收集工作在恢復后可持續(xù)數十年，是全世界研究、教育和培訓不可或缺的一部分。

揭開地球物理過程的神秘面紗

科學大洋鉆探的創(chuàng)始動機之一是從地球地幔中采集巖石樣本。2023年5月，在IODP第399次考察期間，喬迪斯 · 決心號再次嘗試實現這一目標，深入亞特蘭蒂斯地塊進行鉆探，收集了最長的連續(xù)巖石序列，其成分與地幔中的成分相似。這次考察獲得的數據將有助于深入了解大洋巖石圈的組成和結構。

此外，水與來自下地殼和地幔的巖石之間的相互作用導致了一種被稱為蛇紋石化的變質作用。這種反應是巖石的熱液改變，會產生甲烷和氫，被海底微生物群落用作能源。外太陽系冰衛(wèi)星（如木衛(wèi)二和土衛(wèi)二）的海底可能正在發(fā)生蛇紋石化和其他類似的巖

石-流體相互作用，從而可能創(chuàng)造出有利于微生物生命起源和維持的環(huán)境。因此，科學大洋鉆探在了解天體生物學方面發(fā)揮著至關重要的作用。

2011年日本東北部沿海地區(qū)發(fā)生的9.0級大地震顯示，斷層的滑移量超過50米，一直延伸到海溝的海底。在此之前，研究人員普遍認為，如此大的地震滑動量僅限于斷層中更深的地段，因為那里是地震破裂的起始點。2011年發(fā)生的淺層滑動導致了比預期規(guī)模更大的地震和海嘯。對日本南部海域海槽和日本海溝俯沖帶斷層巖芯樣本的分析顯示，以前曾發(fā)生過大的地震斷裂，但滑動較淺。了解哪些斷層在過去經歷過大的、淺層的地震滑動，對于避免產生海嘯危害有著巨大的意義。

2011年地震后不久，IODP第343/343T快速反應鉆探考察隊迅速采取行動。它采集了斷層帶的樣本，并安裝了一個海底鉆孔觀測站，測量地震期間摩擦阻力沿斷層產生的熱量。

結果表明，斷層帶極其脆弱，幾乎沒有阻力來阻止斷裂和消散能量。

能夠在海底深處安裝觀測站，就地獲取數據和監(jiān)測海底系統，是現代科學大洋鉆探最令人興奮和最獨特的方面之一。在過去的20年里，俯沖帶斷層的一些地段在數小時至數月的時間里發(fā)生了數厘米的滑動，但沒有產生破壞性地震。研究人員對監(jiān)測這些慢滑事件特別感興趣，因為它們會影響斷層的應力狀況，并有可能引發(fā)產生破壞性震動的快速地震。這些斷層系統大多遠離海岸，位于海底，難以用陸基儀器進行監(jiān)測。不過，科學大洋鉆探安裝的海底鉆孔觀測站在識別和描述這種滑移行為方面非常強大。當斷層發(fā)生微小（約1厘米）的滑動時，會擠壓或擴張周圍的巖石，導致巖石中的孔隙流體壓力增大或減小。巖石中的這些瞬時海底壓力變化被記錄下來，很容易從海底的潮汐波動中辨別出來。因此，海底的鉆孔觀測站比使用地震檢波器網絡和其他海底地理參考儀器更敏感。

2016年，IODP 364航次考察隊與國際大陸科學鉆探計劃（ICSDP）合作，使用特定任務平臺從墨西哥尤卡坦半島附近的?？颂K魯伯隕石坑采集了約800米的鉆孔巖芯。這個距今6600萬年、直徑約200千米的撞擊坑與白堊紀-古近紀大滅絕有關，當時世界上75%的物種滅絕，包括所有非鳥類恐龍?？疾礻犝业降牡刭|材料揭示了大型撞擊事件是如何使地殼巖石發(fā)生沖擊和變形，并在數分鐘內將數百米大小的大塊巖石從1萬米深處運送到靠近行星表面的。?？颂K魯伯隕石坑中心最初熔融的巖石冷卻，形成了一個巨大的熱液系統，可能持續(xù)了數百萬年。隕石坑中仍然存在嗜熱細菌，這表明撞擊后的熱液系統可以催生由化學合成支持的生態(tài)系統。從隕石坑上方的沉積巖中進行的古生物學觀察表明，生命在幾年內就返回到了地面零度以上的水域和沉積物中，這突出表明了生命在發(fā)生全球災難之后迅速的恢復能力。

研究過去，掌握未來氣候

科學大洋鉆探提供了許多數據讓我們了解過去2億年來的氣候變化及其對生物圈的影響。由于鉆探巖芯是在世界各地采集的，因此大洋鉆探能夠獲取空間上的綜合數據集，從而揭示區(qū)域和全球在溫度、海平面、海洋環(huán)流、季風、海洋微生物演化等方面的變化。

對海底巖芯的分析闡明了全球氣候長期變暖或變冷的驅動因素、熱帶季風系統的演變、大冰原的擴張和收縮，以及高緯度冰層增長與低緯度氣候之間的相互作用。2013年至2016年環(huán)繞印度洋的一系列考察揭示了亞洲、非洲和澳大利亞季風的發(fā)展和加劇，這些季風的出現至少在一定程度上是喜馬拉雅山構造性隆起和造山運動造成的。

在砂質海底扇的深處取芯，為重建構造隆起和地貌演變的速率以及陸地上升對海洋和大氣環(huán)流的影響提供了數據。這些海底扇是由從亞洲大河流出的沉積物形成的。要穿透厚厚的河流沉積物層很困難，鉆探深度也因此受到限制，因此目前仍未對大約1500萬年前的季風歷史進行取樣研究。地球的極地冰原是全球氣候和海洋環(huán)流的主要驅動力。幾十年的深海工作通過地球化學數據記錄了極地冰原面積的變化。然而，要真正了解對冰蓋動力學的控制、冰蓋歷史與海平面之間的關系、南大洋環(huán)流的時間演變，以及冰、南大洋環(huán)流和海洋生態(tài)系統之間的相互作用，還需要更接近最大冰蓋的數據記錄。IODP的南大洋考察，包括最近在2018到2019年進行的四次考察，提供了前所未有的有關過去溫暖時期的細節(jié)，例如提供的證據表明約400萬年前阿蒙森海的冰層流失引發(fā)了南極西部冰蓋崩塌。它們還強調了二氧化碳、冰蓋動力學和海洋溫度之間的密切聯系。1968年至2022年間，科學家對全球各地的科學大洋鉆探場地進行了采樣。

美國科學大洋鉆探的前景

隨著IODP2計劃于2024年結束，國際社會于2018年開始規(guī)劃未來。所做的努力包括制定一個廣泛的、前瞻性的科學優(yōu)先事項框架，并討論如何建造一艘新的鉆探船，來執(zhí)行美國和全球的科學優(yōu)先事項。

然而，2023年3月，美國國家科學基金會宣布，美國支持的科學大洋鉆探前途未卜，因為美國國家科學基金會與喬迪斯 · 決心號的運營商得克薩斯農工大學之間的合作協議將于2024年終止，即在該船的環(huán)境許可證于2028年到期的前四年。

讓喬迪斯 · 決心號退役的決定在美國產生了許多影響。首先，大量的科學研究將被擱置。現有的大多數鉆探平臺都無法在水深3000米以上的水域作業(yè)，也不具備從沉積物或地殼深處回收巖芯的能力。有關新鉆探船的決定遲遲未定，這表明，進入海底下大部分區(qū)域的時間可能會延長到2030年或更久。長期沒有新的數據、樣本或船上培訓，會限制美國地質科學研究人員和技術人員的進步。

由于新的取樣工作前途未卜，大洋鉆探科學界的一些人將繼續(xù)利用精心整理的遺留資產（樣本和數據）開展工作。然而，已回收和整理的研究材料以及剩余材料的數量和活性都有局限性。例如，地球微生物學研究需要新回收的材料來捕捉生命的生物特征，以免樣品在儲存中甚至在船上不斷變化的環(huán)境條件下降解。如果沒有一艘合適的船來鉆孔、安裝和回收儀器和數據，就無法進行與觀測相關的科學研究，而這些科學研究需要新的定點測量儀器。雖然經過整理的巖芯可能對未來的氣候工作有用，但收集的覆蓋范圍在時間或空間上絕不是全球性的，而且一些取樣的關鍵間隔時機現在已經錯過。

事實證明，科學大洋鉆探是一種非常強大的手段，可以訓練來自世界各地大學的學生進行鉆探，在各種科學和工程學科之間進行合作，并了解和解釋地下深處的情況。從這項工作中獲得的特殊技能和專業(yè)知識超出了學術領域，對于幫助美國向低碳未來轉型至關重要，特別是在地熱開發(fā)、地下水和環(huán)境管理以及二氧化碳封存等領域。鉆探和巖土技術培訓的機會將受到嚴重限制，失去這一科學引擎將產生深遠的影響。鉆探工作的中斷也意味著新技術開發(fā)的停止，而新技術的開發(fā)是為了解決急需解決的問題，以實現特定的目標。由于自海洋科學鉆探開始以來，美國一直處于全球領先地位，因此目前的不確定性正波及國際地球科學界。

早在1961年，斯坦貝克就曾在第一個深海鉆探計劃中寫道：“在第一次接觸新世界的時候，發(fā)現之路就已經開啟?！蔽覀冊趹c祝科學大洋鉆探自那時以來所取得的非凡成就的同時，也希望下一代科學家和工程師能夠繼續(xù)探索大洋之下的科學世界，尋求解決地球上最大的謎團和不確定性。

資料來源 Physics Today

本文作者麗貝卡 · 羅賓遜（Rebecca S. Robinson）是美國羅德島大學的海洋學教授，研究過去地質時期海洋生物、化學和氣候之間的聯系；索尼婭 · 蒂庫（Sonia Tikoo）是斯坦福大學地球物理學助理教授，利用古地磁學研究行星磁性歷史、地球動力學和隕石撞擊過程；帕特里克 · 富爾頓（Patrick Fulton）是康奈爾大學地球和大氣科學助理教授，研究斷層和裂縫中的水文和熱過程，以更好地了解地震物理。

科學大洋鉆探的歷史

第一次大洋鉆探科學考察（莫霍計劃）是在1961年進行的。五年后的1966年，美國國家科學基金會資助建立了深海鉆探計劃（DSDP）。從1975年開始，包括法國、日本、英國、蘇聯和聯邦德國在內的多個合作伙伴加入了美國的行列，創(chuàng)建了一個國際合作項目，即國際大洋鉆探階段項目（IPOD）。這一階段建立了基礎設施辦公室和籌資機制，以提供技術和后勤人員支持。隨著時間的推移，基礎設施也在不斷發(fā)展。例如，隨著個人電腦的出現和全球通信的進步，科學大洋鉆探結合了信息技術和數據庫開發(fā)。

從1968年到1983年，深海鉆探計劃（DSDP）利用格羅瑪 · 挑戰(zhàn)者號（Glomar Challenger）鉆探船進行了一系列科學考察，從世界各大洋采集了沉積物和巖芯，為板塊構造論、地質尺度的氣候變化和生命進化提供了證據。深海鉆探計劃的成功促使其后續(xù)計劃——大洋鉆探計劃（ODP）——建立，并于1983年購置和改造了一艘后續(xù)鉆探船喬迪斯·決心號，該船至今仍在運行。

下一階段分兩部分進行，即2003年制定的綜合大洋鉆探計劃（IODP1）和2013年開始的國際大洋發(fā)現計劃（IODP2）。IODP1擴大了鉆探范圍，不僅包括美國運營的喬迪斯 · 決心號，還包括日本海洋研究開發(fā)機構運營的地球號（Chikyu）鉆探船，其鉆探深度可達海底以下7000米。IODP1還包括一個靈活的特定任務平臺項目，由歐洲大洋研究鉆探聯盟（ECORD）負責管理，該聯盟目前租用商業(yè)上可獲得的替代鉆探平臺，用于鉆探喬迪斯 · 決心號或地球號無法鉆探的環(huán)境。下一個國際大洋鉆探計劃，即IODP3，將于2025年1月1日由ECORD和日本啟動，主要使用特定任務平臺。

喬迪斯 · 決心號一直是科學大洋鉆探的主力；自2013年以來，約有80%的探測活動都是由它進行的，因為它可以靈活地在各種環(huán)境中工作，而且其能力也在不斷提升。由于其長期租約將于2024年到期，未來十年或更長時間內能夠取得多大的科學進步，將取決于地球號、特定任務平臺和中國的夢想號鉆探船的鉆探位置和深度。