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，來自全球各地的33位海洋科學家在這里集結，其中包括了13位中國專家。他們登上停靠等待的美國“決心”號鉆探船后，船駛往南海北部深處，開啟為期60天的鉆探考察。他們都有一個共同的目標，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“由陸地變為海洋”謎題的“鑰匙”。這是由中國科學家主導的第三次南海大洋鉆探。按照計劃，這次鉆探項目分為了IODP367和IODP368兩個航次，目前，367航次已經順利完成，而作為下半場的368航次已經在4月14日揚帆出海。中國科學院南海海洋研究所孫珍教授，是367航次的首席科學家，也是歷次南海大洋鉆探中首位女性首席科學家。據孫珍介紹，367航次已經成功在南海定點打下了2個鉆探位，并在第二個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，一舉創下了大洋鉆探深度全球第八的紀錄。近日，記者來到了位于廣州的中科院南海海洋研究所，聽5位科研人員講述發生在不久前的那趟“奇幻旅程”。

現場

南海北部陸緣被譽為大陸破裂研究“天然實驗室”

2月14日，經過一日一夜的行駛，“決心”號抵達北緯18.4度、東經115.9度51.6分的第一個目標鉆探海域，此時他們離岸約為400海里。經過一輪科學家培訓以后，鉆探的重頭戲便正式啟動。南海北部陸緣一直被科學家譽為開展大陸破裂研究的“天然實驗室”。按照第三次南海大洋鉆探計劃，此次鉆探也選在了南海北部，確定的四個鉆探站位分別分布在南海北部的外緣隆起、洋陸過渡帶、胚胎洋盆、成熟洋盆地帶。已經歸航的367航次主要負責中間兩個鉆探位，編號為U1499和U1500兩個點的鉆探。在起伏不定的海浪中要穿過數千米深的海水，再鉆入海底深處獲取一管管巖芯樣品，其難度可想而知，“每一個環節都來之不易”，孫珍感嘆。她說，插入海底的“探海神針”是從“決心”號中部一個連接大海的“月池”中入水的。“一打開它，可以看到海水在下面翻滾。”中國科學院南海海洋所海洋地球物理學博士張錦昌說。

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，在最外層加設了稱為“套管”的管子，布放在海底沉積物中，它如一層強大的保護膜，防止插入海底深部時，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套管長達842米，創下了大洋鉆探的歷史紀錄。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，通過水下攝像機的實時觀測，引導鉆管由再入錐插入預先布設的保護套管中，為巖石取樣的“開路”打頭陣。最后，在鉆管內還套著“巖芯筒”，它用來裝著這次科學家的最終目標——海底沉積物或巖石樣品，通過巖芯筒在鉆管內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家進行研究。

鉆探深達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，連接的鉆管長度也逐漸加長。在U1500鉆位，接駁的鉆管長度最長達到了5300多米。據介紹，為了確保鉆探的順利進行，在“決心”號鉆探船各個關鍵位置，安裝了12個伸縮式推進器，當船從鉆孔上方位置發生漂移時，計算機就會測出漂移的方向和距離，“指示”船上不同位置的推進器開始工作，自動校正調整船舶位置。這就是動力定位系統，它可以保證“決心”號即使在浪高7.5米海況下，仍可將船位控制在2%誤差范圍內。

據悉，在鉆探施行的每一個步驟，都需要花費較長的時間。就單純放“套管”到海底，就需要花費近1天，更換鉆頭則通常需要近兩天的時間。而巖芯筒每取樣10米，管底的門就啟動關閉，然后巖芯筒返回海面“卸貨”一次，再重新返回海底進行取樣。“在持續60天的鉆探歷程中，運輸巖石的巖芯筒是最‘忙的，這趟下來，它一共來回跑了近3000公里。”中國科學院南海海洋研究所博士蘇翔說。

“鉆探”裝置一度“罷工”，維修后成功達到目標深度

除了時間的耗費，鉆探過程中也常要面對多變氣候和突發情況的考驗。在3月6日，當鉆探隊在第一鉆孔位U1499B穿越過 3770米深的海水，鉆探至海底以下1080米時，鉆孔底部松軟的礫石層突然出現了滑塌，卡住了鉆桿。技術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，經過一天一夜的沖洗后，鉆桿還是未能被成功“解鎖”。然而，當時留給第二個鉆孔站位的時間已經不多，考慮到繼續往松散的礫石層鉆探，會有再次坍塌的危險，無奈之下，鉆探隊放棄了第一個鉆探孔繼續取樣的計劃，趕往第二個鉆探站位。“有時候，你覺得科學目標就近在咫尺了，沒想到轉眼夢想又變得遠在天邊。”孫珍感嘆。

3月7日，“決心”號來到了第二個鉆井位U1500B，其位于北緯18度18.27分、東經116度13.20分，與第一個鉆孔相距僅30多公里，海域水深達到3800多米。在這期間，“鉆探”裝置還一度“罷工”，需要維修。幸運的是，到了3月25日，在船上鉆探負責人員的鉆探方案調整后，“決心”號還是在海底1380米深處成功“觸摸”到南海海底的玄武巖，達到了目標深度。據悉，U1500B位置的鉆探需要潛入3800米深的海水下，穿過南海海底1400米的松散沉積物，其中包括900多米砂層，才能最終鉆取到堅硬的基底——玄武巖，“取上來的巖芯每一段顏色都不一樣，最上面是軟泥，中間是固結較好但沒有成巖的，最下面是已經成巖的巖石。有砂巖、泥巖、碳酸巖、火山巖等。”中國科學院南海海洋研究所副研究員張翠梅說。據悉，U1500鉆位鉆探深度去到了海底以下1520多米，創下了大洋鉆探全球第八的鉆探深度紀錄。

在海底七八百米深處發現罕見“大洋紅層”

“Core on Deck”，這是每當沉積物巖芯從數千米深的海底“撈”出水面上到甲板時，船員都會大聲宣布的話。而這個時候，科學家的研究工作才正式開始。他們首先需要把每次取出的10米長的巖芯，按照1.5米的長度進行切割，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研究部門進行研究。如物理實驗室需要對巖石樣品的大小、形狀、密度等物理性質進行記錄，化學部門需要對其所含成分進行探究，微生物部門和古生物部門需要在顯微鏡下對其蘊含的生物性進行觀察。

素材到手后，科學家們最重要的工作是對巖芯進行“第一手”的直觀描述，包括地球物理、地球化學、磁性等參數。孫珍說，這次南海大洋的鉆探“充滿了意外驚喜”。雖然U1499鉆位沒有鉆到預想的結晶基底巖石，但卻在海底七八百米深處，發現了罕見的“大洋紅層”。它是一種遠離陸地、在深水中慢速堆積的遠洋沉積物，在如今的南海已經難覓蹤跡。此外，在“大洋紅層”以下繼續深鉆時，還遇到了150多米厚的礫石層，它們是一顆顆深灰色、堅硬光滑的礫石，直徑在兩三厘米至10多厘米，與陸地河谷經常看到的“鵝卵石”十分相似，如今卻在南海深處得以發現。這一系列的發現讓科學家們連連驚嘆。

這次鉆探初步結論會在一年后出來

“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，但水動力很強的情況下常出現的礫石層，居然會出現在大洋紅層下面，這給了我們很多的聯想。可能3000萬年前，南海并非現在的樣子，可能是水動力強的峽谷，也可能下面的巖石跟上面的地層出現缺失，造成二者‘移花接木，可以有很多種假設。”孫珍說。

大洋紅層和礫石層的出現意味著什么？在U1500中最終鉆到的玄武巖預示著怎樣的海陸變遷秘密？一切尚無定論。孫珍說，由于船上的研究設備有限，巖石的研究還只是在“第一眼”描述和初步的研究階段。之后，巖芯樣本將會陸續運送到美國，并計劃9月份召開取樣大會，進行巖石樣本的分配，屆時，中科院南海海洋研究所將從美國取回巖石，全球的海洋科學家還將對巖芯樣本進行持續的研究、分析。“對海洋的研究是沒有止境的，這次鉆探初步的結論可能會在一年后出來，但關于海洋更深入的研究，可能要用一輩子的時間。”孫珍說。“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人士，才可理直氣壯地說自己是做地學、做海洋研究的。這趟航次的體驗，確實證實了這個雄偉的科學鉆探計劃為什么這么厲害、這么酷。”張錦昌說。

揭秘

如何在汪洋大海中定點？

面對一望無際又深不見底的汪洋大海，技術人員當初如何確定鉆探點？孫珍表示，科學家對于海底環境并非“一無所知”，在鉆探開始以前，技術人員已經運用“人工地震”對南海北部做了一個全方位的“CT掃描”。

“地震在普通人看來是一種災害，但它卻成為科學家獲取海底地圖的常用手段。”孫珍說。據介紹，“海底地震”的操作主要通過向海底放出巨能量“空氣炮”來撼動海底，“就跟小時候看炸爆米花一樣”，同時讓早已拖在船后的地震電纜記錄出海底返回的地震波，通過源源不斷地放炮和記錄，多條地震波通過電腦分析就可以描繪出初步的“海底圖鑒”了，科學家正是根據這個圖鑒來選定具體的鉆探位置。

有了地圖，如何定點？孫珍表示，鉆探的定點通常要根據海底地形來選擇，既要有代表性也要盡量降低難度。如第一個鉆位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“小山丘”的山頂巖石。這個“小山丘”很可能就是由于地殼減薄、莫霍面上揚、下地殼出露所形成的，是南海由大陸變為海洋前的最后一段基底巖石。

賬本

深海研究“航空母艦”“決心”號一天花費100萬

“其實真的是一艘豪華的科考船。”張錦昌首次踏上“決心”號，他如是描述。孫珍介紹，“決心”號大洋鉆探船全名為“JOIDES·決心”號，由美國制造，是世界上最先進的大洋鉆探船之一。

“決心”號共有7層，船長143米，寬度21米，排水量1.86萬噸，能在海上連續航行75天。作為科考船，它的科研能力不容小覷。1400平方米的實驗室，包括沉積學、巖石學、古生物學、地球化學、地球物理、古地磁等7個科研范疇。實驗室還配備電子掃描顯微鏡、X射線熒光計、X射線衍射計、氣相色譜儀、熱解分析儀等諸多先進儀器，堪稱一座國際合作的深海研究“航空母艦”。

出航兩個月，龐大的“決心”號要花費多少？孫珍介紹，每個航次花費約950萬美元，算下來平均每天15萬美元，約等于100萬元人民幣。兩個航次將花費1.2億元人民幣。

海洋科學研究需要先進的技術和大量的投入，曾被稱為“貴族科學”。孫珍說，事實上，石油公司去深海打一口井，成本在5億～10億元，這夠“決心”號運行4～5個航次。“比如另一個鉆探平臺提供者，日本的‘地球號雖然技術先進，可以鉆油、氣等，但運行成本高出‘決心號3～5倍。各個國家都還在用‘決心號的原因主要是，它確實便宜，而且產出可觀，鉆探效率高、速度很快。”

孫珍介紹，367～368國際鉆探航次，中國科技部出資70%，“占了單個航次費用的七成。但根據美國計算，加上一年養船的費用平攤，中國的出資額占每個航次總費用的三成。”

背景

“下海”比“上天”難，海陸變遷謎題仍未破解

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

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3000萬年的氣候變化記錄，掌握了南海在“長成”以后“后半生”歷史。2014年第二次南海大洋鉆探IODP349航次中，科學家為南海洋盆初步刻畫了“從出生到死亡”的時間軸。而第二次南海大洋鉆探的研究結果表明：南海東部海盆“出生”于3300萬年前，“死亡”于1500萬年前；西南部海底“出生”于2360萬年前，相對較晚，而“死亡”則于1600萬年前。

前兩次的鉆探，科學家們已經初步揭示了南海的“后半生”。而今年科學家第三次回歸南海大洋鉆探，想法則更加“瘋狂”，他們要聚焦南海“前半生”，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之謎，這將意味著鉆探要去到更深處，難度更大。

對于海陸變遷的謎題，目前科學界并沒有一致的定論，但普遍沿用的是以大西洋為“藍本”的非火山型大陸破裂理論。然而，在南海的早期研究中，已經有初步證據顯示，南海的成因可能與大西洋藍本不盡相同。南海陸緣與洋殼之間如何過渡？是通過一個大斷層“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，南海的運動速度是中速到慢速擴張，代表全球大多數海盆擴張方式，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“大陸破裂”理論的新版本。

花絮

海上生活兩個月，科學家除了科考還做什么

在海上生活兩個月，是怎樣的體驗？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。“船上很穩，超過我的想象。”張錦昌說，船上一共有12個推進器，能抗衡海流和風的影響。當然難免有不那么穩當的時候。蘇翔記得，3月中旬時，有一次海上掀起了七八米的浪，風力12級，在船上上下晃動。“看巖芯和顯微鏡都會暈，但是工作仍要繼續，不然新的巖芯上來，做不完會拖延后面的進度。”張翠梅說。

在船上，科研人員們與外界幾乎“失聯”，每天12小時都處于工作狀態，“航次的培訓系統非常完善，一上船就要進行工作內容的培訓，包括科學目標、任務，實驗室的參觀，儀器的操作，確保每個人的科學價值最大化。”孫珍說。除了自己的科研外，他們也要經常進行學術交流，尋找更多的科研合作伙伴，“船上的科學家經常有觀點沖突，但是最后都化解了，科學觀點、辯論技巧和風度同等重要。”張翠梅說。

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。”中國科學院南海海洋研究所向榮研究員說。在張錦昌看來，除了暈船、與外界失聯外，還有一個困難是空間小。“交談、會議的空間都不大，睡覺也是上下鋪。”

即便如此，在不多的休息時間，船上的業余生活依舊很豐富。“全船的人都很友善，廚房的后勤人員第一天就能喊出每個人的名字，很是讓大家吃驚。他們還經常為大家準備一些小驚喜，比如慶祝某人拿到博士學位證書、慶祝某人生日等。”張翠梅對此印象非常深刻。在船上，中國科學家們會組織包餃子，請外國科學家一起吃。

本刊整理自《南方都市報》