科学大洋钻探的巨大变化

海底探索和发现的时代即将结束。然而，还有很多东西需要学习。

由著名作家约翰·斯坦贝克（John Steinbeck）担任历史顾问，一群美国科学家和工程师于1961年开始执行一项史无前例的任务，即钻探大洋地壳并测量海底深处的温度。由于水域太深，无法抛锚，钻探小组使用了一艘经过特别改装的驳船，船上配备了一系列舷外发动机，使他们能够连续数周停留在同一地点。钻探船的顶部装有一台被称为井架的专用起重机，位于甲板中央的一个孔上，可以通过它降低钻柱。斯坦贝克认识到了这项被称为“莫霍计划”（Project Mohole）的任务拥有巨大的潜力，该计划旨在探索广阔而未被开发的海底世界。

第一个深海钻探项目收集的岩石样本表明，大洋地壳是由火山岩构成的。这一重要信息支持了新兴的板块构造论。这个具有远见卓识的项目虽然没有完成钻探地幔的既定任务，但却提高了工业和科学的水平，并激发了数十年的科学大洋钻探和国际合作。这些举措催生出技术、工程和管理相关的科学基础设施、大量钻井，以及由数千人组成的庞大的多学科科学社区，不断推动着突破性的发现和科学进步。

如今，科学大洋钻探已被定位为解决有关地球及其对气候变化的反应、生命的起源和进化、与地震和海啸相关的危害以及其他一系列研究领域基本问题的重要工具。然而，科学大洋钻探的未来仍不确定，因为美国的乔迪斯 · 决心号钻探船将退役，结束其目前由美国国家科学基金会支持的钻探计划，并暂停考虑如何进行下一步计划。

欧洲大洋研究钻探联盟和日本将于2025年1月1日启动一项新的国际海洋钻探计划。该计划将使用特定任务平台进行探测，根据每次任务的科学需求来选择船只和探测时间，而不是像乔迪斯 · 决心号那样进行为期两个月的常规考察。日本的地球号钻探船和解明号（Kaimei）研究船将作为未来海洋科学发现工作的两个主要取芯设施。全球地球科学界，尤其是美国地球科学界，正担心会失去几代人磨练出来的独特技术知识和合作框架。这事关重大，来自世界海洋的数据掌握着许多重要但悬而未决的科学问题的答案，如果没有一艘类似于乔迪斯 · 决心号能够在世界范围内探测的钻探船，这些问题可能会更难解决。

科学大洋钻探的来龙去脉

从地球深处采集完整的地质材料样本和获取高质量的数据，需要一套不同于钻探石油和天然气或建造涡轮机和桥梁水下基座的工具和技术。科学钻探船可以：在各种水深和水流、风浪条件下保持同一位置；在各种地质材料中回收近乎连续的岩石和沉积物岩芯；部署测井仪器以确定地下的地球物理特性；安装观测站以捕捉地下深处的现场动态信息。这些工具提升了研究地球的能力。研究结果彻底改变了人类对地球历史、地质学和生态学的认识，并揭示了有关地球形成过程的重要信息。

在乔迪斯 · 决心号上，取芯工作是在舰桥上开始的，即在船只抵达目的地并启动推进器之后，该推进器作为船只动态定位系统的一部分。推进器可自动保持位置不变，这对于在深水等无法抛锚的地方取芯至关重要。1961年，该技术的前身在莫霍计划的驳船上首次亮相。此后，动态定位技术被广泛应用于科研和产业界，并进行了多次改进。

就位后，钻井船会在井架下将9.5米长的管子首尾相接地组装起来，为取岩芯做准备。组装好的管道末端装有钻头，称为钻柱，通过船体上的一个洞（称为月池）延伸到海底。一个内衬塑料的岩芯筒通过钻杆内部被放入海底。钻探过程中，井架上的巨大电机为钻柱提供扭矩。

在松软的沉积物中，液压驱动系统将内岩芯筒和衬里（顶端装有切削蹄片）插入外管末端之外，以获取腐蚀程度相对不高的9.5米长的沉积物岩芯。然后，钻机推进钻杆，更换衬里，准备取下一个岩芯。软沉积岩芯采集的典型深度为海底以下300米至500米，最深可达700米。一个钻孔可采集

30～70个岩芯。

对于较坚硬的沉积物和基底岩石，岩芯采集采用旋转钻探法。外钻杆在岩石或沉积物中旋转，而带衬里的非旋转内岩芯筒则向前推进并修整岩芯。乔迪斯 · 决心号已钻探到海底2100米深处的海洋地壳。最深的海洋钻孔记录是由地球号于2019年创造的，当时它在日本南部海域海槽下3250米处钻了一个孔。

长达9.5米的钻柱就像一根软面条，在流动的海洋中下放3000～5000米。尽管这种系统在物理上存在挑战，但科学海洋钻探已开发出不仅能在特定位置取芯，还能将钻柱穿回以前钻过的装有再入锥和套管系统的钻孔。这种漏斗状的锥体可以重新钻入并加深钻孔，或安装钻孔观测站，即在海底安装一串传感器，以便在原地长期收集数据。

国际跨学科科学

作为科学家或技术人员加入钻探考察队，意味着成为一个国际团队的一员，这个团队通常要在一起工作两个月，每周7天、每天12小时轮班工作，处理、测量和分析考察期间获得的地质材料和数据。在乔迪斯 · 决心号上，大部分工作都是在海上进行的。在特定任务平台考察中，只有时间敏感的工作才在海上进行，其他处理工作由考察科学家在岸上的实验室完成。每次考察的目标、技术需求、对安全操作条件的要求以及完成这些目标所需的基本工作人员，都是提前数年精心规划好的。

例如，乔迪斯 · 决心号上典型的钻探工作需要100多名人员的努力，其中包括船长、工程师、钻探小组、餐饮服务人员、技术人员和科学家。钻探人员回收岩芯或在钻孔中放置仪器。岩芯到了甲板上，就会转交给技术人员进行整理和元数据记录，然后再转交给科研团队，收集一系列全面的船上标准数据和考察专用数据。在船上收集的标准数据，如岩芯的年龄、化学成分、磁极性和化石的存在，一直是科学海洋钻探的重要标志。有保障地生成简单但具有诊断性的数据，为评估当前钻探的成功与否、规划未来取样和提出假设提供了勘测信息。

航行后的工作是通过额外的样本采集、实验室工作、数据处理和建模来跟进这些初步结果。随着时间的推移，不断增加的数据集有助于发现地球表面在时间和空间上的大规模全球变化模式。例如，1500万年的全球海洋有机碳沉积史，用于研究生物生产力，以及根据孔隙流体数据对海底生物呼吸进行的全球调查。样本和数据收集工作在恢复后可持续数十年，是全世界研究、教育和培训不可或缺的一部分。

揭开地球物理过程的神秘面纱

科学大洋钻探的创始动机之一是从地球地幔中采集岩石样本。2023年5月，在IODP第399次考察期间，乔迪斯 · 决心号再次尝试实现这一目标，深入亚特兰蒂斯地块进行钻探，收集了最长的连续岩石序列，其成分与地幔中的成分相似。这次考察获得的数据将有助于深入了解大洋岩石圈的组成和结构。

此外，水与来自下地壳和地幔的岩石之间的相互作用导致了一种被称为蛇纹石化的变质作用。这种反应是岩石的热液改变，会产生甲烷和氢，被海底微生物群落用作能源。外太阳系冰卫星（如木卫二和土卫二）的海底可能正在发生蛇纹石化和其他类似的岩

石-流体相互作用，从而可能创造出有利于微生物生命起源和维持的环境。因此，科学大洋钻探在了解天体生物学方面发挥着至关重要的作用。

2011年日本东北部沿海地区发生的9.0级大地震显示，断层的滑移量超过50米，一直延伸到海沟的海底。在此之前，研究人员普遍认为，如此大的地震滑动量仅限于断层中更深的地段，因为那里是地震破裂的起始点。2011年发生的浅层滑动导致了比预期规模更大的地震和海啸。对日本南部海域海槽和日本海沟俯冲带断层岩芯样本的分析显示，以前曾发生过大的地震断裂，但滑动较浅。了解哪些断层在过去经历过大的、浅层的地震滑动，对于避免产生海啸危害有着巨大的意义。

2011年地震后不久，IODP第343/343T快速反应钻探考察队迅速采取行动。它采集了断层带的样本，并安装了一个海底钻孔观测站，测量地震期间摩擦阻力沿断层产生的热量。

结果表明，断层带极其脆弱，几乎没有阻力来阻止断裂和消散能量。

能够在海底深处安装观测站，就地获取数据和监测海底系统，是现代科学大洋钻探最令人兴奋和最独特的方面之一。在过去的20年里，俯冲带断层的一些地段在数小时至数月的时间里发生了数厘米的滑动，但没有产生破坏性地震。研究人员对监测这些慢滑事件特别感兴趣，因为它们会影响断层的应力状况，并有可能引发产生破坏性震动的快速地震。这些断层系统大多远离海岸，位于海底，难以用陆基仪器进行监测。不过，科学大洋钻探安装的海底钻孔观测站在识别和描述这种滑移行为方面非常强大。当断层发生微小（约1厘米）的滑动时，会挤压或扩张周围的岩石，导致岩石中的孔隙流体压力增大或减小。岩石中的这些瞬时海底压力变化被记录下来，很容易从海底的潮汐波动中辨别出来。因此，海底的钻孔观测站比使用地震检波器网络和其他海底地理参考仪器更敏感。

2016年，IODP 364航次考察队与国际大陆科学钻探计划（ICSDP）合作，使用特定任务平台从墨西哥尤卡坦半岛附近的希克苏鲁伯陨石坑采集了约800米的钻孔岩芯。这个距今6600万年、直径约200千米的撞击坑与白垩纪-古近纪大灭绝有关，当时世界上75%的物种灭绝，包括所有非鸟类恐龙。考察队找到的地质材料揭示了大型撞击事件是如何使地壳岩石发生冲击和变形，并在数分钟内将数百米大小的大块岩石从1万米深处运送到靠近行星表面的。希克苏鲁伯陨石坑中心最初熔融的岩石冷却，形成了一个巨大的热液系统，可能持续了数百万年。陨石坑中仍然存在嗜热细菌，这表明撞击后的热液系统可以催生由化学合成支持的生态系统。从陨石坑上方的沉积岩中进行的古生物学观察表明，生命在几年内就返回到了地面零度以上的水域和沉积物中，这突出表明了生命在发生全球灾难之后迅速的恢复能力。

研究过去，掌握未来气候

科学大洋钻探提供了许多数据让我们了解过去2亿年来的气候变化及其对生物圈的影响。由于钻探岩芯是在世界各地采集的，因此大洋钻探能够获取空间上的综合数据集，从而揭示区域和全球在温度、海平面、海洋环流、季风、海洋微生物演化等方面的变化。

对海底岩芯的分析阐明了全球气候长期变暖或变冷的驱动因素、热带季风系统的演变、大冰原的扩张和收缩，以及高纬度冰层增长与低纬度气候之间的相互作用。2013年至2016年环绕印度洋的一系列考察揭示了亚洲、非洲和澳大利亚季风的发展和加剧，这些季风的出现至少在一定程度上是喜马拉雅山构造性隆起和造山运动造成的。

在砂质海底扇的深处取芯，为重建构造隆起和地貌演变的速率以及陆地上升对海洋和大气环流的影响提供了数据。这些海底扇是由从亚洲大河流出的沉积物形成的。要穿透厚厚的河流沉积物层很困难，钻探深度也因此受到限制，因此目前仍未对大约1500万年前的季风历史进行取样研究。地球的极地冰原是全球气候和海洋环流的主要驱动力。几十年的深海工作通过地球化学数据记录了极地冰原面积的变化。然而，要真正了解对冰盖动力学的控制、冰盖历史与海平面之间的关系、南大洋环流的时间演变，以及冰、南大洋环流和海洋生态系统之间的相互作用，还需要更接近最大冰盖的数据记录。IODP的南大洋考察，包括最近在2018到2019年进行的四次考察，提供了前所未有的有关过去温暖时期的细节，例如提供的证据表明约400万年前阿蒙森海的冰层流失引发了南极西部冰盖崩塌。它们还强调了二氧化碳、冰盖动力学和海洋温度之间的密切联系。1968年至2022年间，科学家对全球各地的科学大洋钻探场地进行了采样。

美国科学大洋钻探的前景

随着IODP2计划于2024年结束，国际社会于2018年开始规划未来。所做的努力包括制定一个广泛的、前瞻性的科学优先事项框架，并讨论如何建造一艘新的钻探船，来执行美国和全球的科学优先事项。

然而，2023年3月，美国国家科学基金会宣布，美国支持的科学大洋钻探前途未卜，因为美国国家科学基金会与乔迪斯 · 决心号的运营商得克萨斯农工大学之间的合作协议将于2024年终止，即在该船的环境许可证于2028年到期的前四年。

让乔迪斯 · 决心号退役的决定在美国产生了许多影响。首先，大量的科学研究将被搁置。现有的大多数钻探平台都无法在水深3000米以上的水域作业，也不具备从沉积物或地壳深处回收岩芯的能力。有关新钻探船的决定迟迟未定，这表明，进入海底下大部分区域的时间可能会延长到2030年或更久。长期没有新的数据、样本或船上培训，会限制美国地质科学研究人员和技术人员的进步。

由于新的取样工作前途未卜，大洋钻探科学界的一些人将继续利用精心整理的遗留资产（样本和数据）开展工作。然而，已回收和整理的研究材料以及剩余材料的数量和活性都有局限性。例如，地球微生物学研究需要新回收的材料来捕捉生命的生物特征，以免样品在储存中甚至在船上不断变化的环境条件下降解。如果没有一艘合适的船来钻孔、安装和回收仪器和数据，就无法进行与观测相关的科学研究，而这些科学研究需要新的定点测量仪器。虽然经过整理的岩芯可能对未来的气候工作有用，但收集的覆盖范围在时间或空间上绝不是全球性的，而且一些取样的关键间隔时机现在已经错过。

事实证明，科学大洋钻探是一种非常强大的手段，可以训练来自世界各地大学的学生进行钻探，在各种科学和工程学科之间进行合作，并了解和解释地下深处的情况。从这项工作中获得的特殊技能和专业知识超出了学术领域，对于帮助美国向低碳未来转型至关重要，特别是在地热开发、地下水和环境管理以及二氧化碳封存等领域。钻探和岩土技术培训的机会将受到严重限制，失去这一科学引擎将产生深远的影响。钻探工作的中断也意味着新技术开发的停止，而新技术的开发是为了解决急需解决的问题，以实现特定的目标。由于自海洋科学钻探开始以来，美国一直处于全球领先地位，因此目前的不确定性正波及国际地球科学界。

早在1961年，斯坦贝克就曾在第一个深海钻探计划中写道：“在第一次接触新世界的时候，发现之路就已经开启。”我们在庆祝科学大洋钻探自那时以来所取得的非凡成就的同时，也希望下一代科学家和工程师能够继续探索大洋之下的科学世界，寻求解决地球上最大的谜团和不确定性。

资料来源 Physics Today

本文作者丽贝卡 · 罗宾逊（Rebecca S. Robinson）是美国罗德岛大学的海洋学教授，研究过去地质时期海洋生物、化学和气候之间的联系；索尼娅 · 蒂库（Sonia Tikoo）是斯坦福大学地球物理学助理教授，利用古地磁学研究行星磁性历史、地球动力学和陨石撞击过程；帕特里克 · 富尔顿（Patrick Fulton）是康奈尔大学地球和大气科学助理教授，研究断层和裂缝中的水文和热过程，以更好地了解地震物理。

科学大洋钻探的历史

第一次大洋钻探科学考察（莫霍计划）是在1961年进行的。五年后的1966年，美国国家科学基金会资助建立了深海钻探计划（DSDP）。从1975年开始，包括法国、日本、英国、苏联和联邦德国在内的多个合作伙伴加入了美国的行列，创建了一个国际合作项目，即国际大洋钻探阶段项目（IPOD）。这一阶段建立了基础设施办公室和筹资机制，以提供技术和后勤人员支持。随着时间的推移，基础设施也在不断发展。例如，随着个人电脑的出现和全球通信的进步，科学大洋钻探结合了信息技术和数据库开发。

从1968年到1983年，深海钻探计划（DSDP）利用格罗玛 · 挑战者号（Glomar Challenger）钻探船进行了一系列科学考察，从世界各大洋采集了沉积物和岩芯，为板块构造论、地质尺度的气候变化和生命进化提供了证据。深海钻探计划的成功促使其后续计划——大洋钻探计划（ODP）——建立，并于1983年购置和改造了一艘后续钻探船乔迪斯·决心号，该船至今仍在运行。

下一阶段分两部分进行，即2003年制定的综合大洋钻探计划（IODP1）和2013年开始的国际大洋发现计划（IODP2）。IODP1扩大了钻探范围，不仅包括美国运营的乔迪斯 · 决心号，还包括日本海洋研究开发机构运营的地球号（Chikyu）钻探船，其钻探深度可达海底以下7000米。IODP1还包括一个灵活的特定任务平台项目，由欧洲大洋研究钻探联盟（ECORD）负责管理，该联盟目前租用商业上可获得的替代钻探平台，用于钻探乔迪斯 · 决心号或地球号无法钻探的环境。下一个国际大洋钻探计划，即IODP3，将于2025年1月1日由ECORD和日本启动，主要使用特定任务平台。

乔迪斯 · 决心号一直是科学大洋钻探的主力；自2013年以来，约有80%的探测活动都是由它进行的，因为它可以灵活地在各种环境中工作，而且其能力也在不断提升。由于其长期租约将于2024年到期，未来十年或更长时间内能够取得多大的科学进步，将取决于地球号、特定任务平台和中国的梦想号钻探船的钻探位置和深度。