深海钻探50年

编译 之涵

我们对月球表面的了解胜过对地球海底的了解，这一点令人震惊，但事实的确如此。我们对海底的了解大多来自科学大洋钻探——从深海海底系统采集岩芯样本。这一革命性技术始于50年前的1968年8月11日，当时在联邦资助的深海钻探项目中，“格洛马尔挑战者（Glomar Challenger）”号钻探船首次远征，驶入墨西哥湾。

对科学钻探进行检验并成功试航后，科学钻探“乔迪斯决心（JOIDES Resolution）”号抵达美国夏威夷州檀香山

1980年，我进行了第一次科学大洋钻探。自那时起，我又参加了6次在北大西洋和南极洲威德尔海的探险。在我的实验室里，我和学生们对这些探险活动中获得的岩芯样本进行研究。这些长31英尺、宽3英寸，类似圆柱体的样本就像一本本书，等待着人们解读其中的信息。拿起一块新打开的岩芯，里面充满了来自地球海底的岩石和沉积物，就像打开一个罕见的宝箱，里面记录着地球历史流逝的时光。

半个多世纪以来，科学大洋钻探已经证明了板块构造理论的正确，开创了古海洋学，并通过揭示深海生物圈中种类繁多、数量庞大的生命，重新定义了我们对地球生命的看法，而且还有更多的东西需要学习和探索。

通过从世界海洋盆地钻取岩芯样本，科学家拓宽了眼界和知识，但他们的工作还远未结束。

技术创新

得益于两项关键的创新技术，科考船能够从深海中的精确位置采集岩芯样本。第一项是动态定位，在通常超过12 000英尺的水下钻探和回收逐块堆叠的岩芯时，这种技术能将一艘471英尺长的船保持在固定位置。要在这种深度将钻探船锚定不切实际。为此，技术人员将一种名为异频雷达收发机的鱼雷状仪器从船的侧面放入水中，并通过安装于船体的换能器装置向其发送声音信号，再通过船载计算机计算出通信的距离和角度。船体上的推进器使船只完全停留在同一位置，对抗洋流、风浪和海浪的力量。

再入锥焊接在钻杆周围，在更换钻头前引导钻杆重新插入钻孔

大洋钻探的另一大挑战是钻头必须在操作中期更换。海洋的地壳由火成岩组成，这些岩石在钻头达到预期深度之前就会将其磨损。出现这种情况时，钻工将整个钻杆拉出，安装好新钻头后再插入同一个钻孔。这需要引导钻杆进入漏斗状的再入锥。再入锥的宽度不到15英尺，放置在海底的钻孔口。这一过程在1970年首次完成，它就像把一根长长的意大利面放入奥运会游泳池底部宽0.25英寸的漏斗中一样。确认板块构造

希克苏鲁伯陨石坑核心部分，这种岩石名为冲击凝灰角砾岩，其中含有岩石碎片和熔岩

1968年科学大洋钻探横空出世时，板块构造理论还是一个备受争议的话题。一个重要的观点是，新的海洋地壳是在海底的洋脊上形成的。在那里，海洋板块相互远离，地球内部的岩浆从它们之间喷涌而出。根据这一理论，地壳是产生于洋脊顶部的新物质，其年龄随着离峰顶距离的增加而增加。

唯一能证明这一点的方法就是分析沉积物和岩芯。在1968—1969年的冬天，“格洛马尔挑战者”号在南大西洋以东和大西洋中脊的西部钻探了7个地方。海底火成岩和上面覆盖的沉积物的年龄与预测完全一致，这证实了大洋地壳是在洋脊形成的，而板块构造理论也是正确的。

重构地球历史

海洋对地球历史的记录比陆地地质构造更具连续性。因为在陆地上，风、水和冰的侵蚀和再沉积会将记录破坏。在大多数海洋中，沉积物以颗粒状沉积下来，并留在原地，最终屈服于压力成为岩石。

保存在沉积物中的微体化石（浮游生物）最为漂亮，并且含有丰富的信息，尽管有些化石的宽度比人类头发丝还要小。就像大型植物和动物化石一样，科学家可以利用这些钙和硅的精细结构重构过去的环境。

浮游生物的扫描电子显微镜图像（左为硅藻，右为球虫）。不同的浮游生物有不同的气候偏好，这使得它们成为海洋表面状况的理想指标

得益于科学大洋钻探，我们知道了在6 600万年前的一次小行星撞击事件中，所有的非鸟类恐龙均未能幸免于难；之后，火山口边缘形成了新的生命。在接下来的3万年，一个完整的生态系统蓬勃发展。在陨石撞击过程中，一些深海生物存活了下来。

大洋钻探还揭示出在1 000万年后，大量的碳排放——可能来自广泛的火山活动和甲烷水合物融化释放出来的甲烷——引发了急剧变暖事件，也被称作古新世-始新世极热事件（PETM）。在这一时期，甚至北极的温度都达到22摄氏度以上。由于碳排放到大气和海洋中造成的海洋酸化导致深海生态系统分崩离析。

这是受到急剧气候变暖影响的一个的典型例子。据估计，PETM期间释放的碳总量大约相当于人类耗尽地球上所有化石燃料储备释放的碳总量。然而，一个重要的区别是火山和水合物释放的碳比我们目前消耗化石燃料的速度慢得多。因此，除非我们停止碳排放，否则气候和生态系统将发生更剧烈的变化。

在海洋沉积物中发现生命

科学大洋钻探还显示，海洋沉积物中的细胞数量与海洋或土壤中的细胞数量大致相同。探险队不仅在8 000英尺深的沉积物中发现了生命，还在拥有8 600万年历史的沉积物和温度超过60摄氏度的沉积物中发现了生命。

如今，来自23个国家的科学家正在通过“国际海洋发现计划”开展研究，该项目利用科学大洋钻探从海底沉积物和岩石中采集数据，并监测海底环境。通过采集岩芯，科学家获得了关于板块构造的新信息，如海洋地壳形成的复杂性和深海生命的多样性。

这是一项成本高昂，技术和智力密集型的研究。但是，只有探索深海，我们才能挖掘深藏其中的宝藏，更好地了解大海的美以及它的复杂。