未雨绸缪——迎接大洋钻探学术新计划的制定
Towards the New Decade of Ocean Drilling: Preparing its Science Plan
汪品先
同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092
WangPinxian
State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
摘要:
在国际大洋钻探的2017年论坛会上,中国方面提出讨论“IODP beyond 2023”的建议,由中国牵头共同讨论2023年以后大洋钻探新阶段的科学计划,得到会议的支持。为此,通过对几十年来国际大洋钻探科学计划的制定进行回顾,分析了近年来国际学术界对大洋钻探未来任务和学术前景的看法,进而对我国如何筹备“IODP beyond 2023”的国际研讨提出了建议。半个世纪以来,大洋钻探始终是国际地球科学的火车头和深海探索的航母,我国牵头研讨其新阶段的科学计划,将促进我国地球科学的转型;至于此举能否取得成功,将取决于广大地球科学界的积极参与及其创造性思维的发挥。
关键词: 科学大洋钻探; 科学计划; 国际研讨; 中国
大洋钻探是国际科学合作的一面旗帜,从1968年至今经历半世纪而盛况不衰,始终保持着在深海研究、乃至整个地球科学中的引领地位。这种地位的基础是科学、技术的先进性,而保证这种先进性的关键,在于汇集全球学术界的智慧,及时制定大洋钻探的长期科学计划。
从1968年以来,国际大洋钻探50年经历了深海钻探(DSDP,1968—1983年)、大洋钻探(ODP,1985—2003年)、综合大洋钻探计划(IODP,2003—2013年)和国际大洋发现计划(IODP,2013—2023年)等四大阶段。除了早期的DSDP外,每个阶段都提前由国际学术界共同制订科学计划,确定其主要科学目标,用做对于各国航次建议的评价标准。大洋钻探是国际合作的大型科学平台,只有依靠世界各国提供的顶尖技术,去执行最前沿的科学探索,才有可能赢得各国政府的共同支持。因此,制定既能引领学科前沿、又切实可行的科学计划,是半个世纪来大洋钻探取得成功的保证。
1 历史回顾
制定大洋钻探学术计划,是一个历时多年的过程,体现了多学科的合作和科学与技术的交叉。先由少数骨干酝酿和发起,获得各国、各学科的响应,然后举行较大规模的全球性学术研讨会,在各国学者提出的众多白皮书的基础上,确定新阶段大洋钻探的主要研究领域,会后由专家组撰写计划,经过反复讨论、几易其稿,再送交外审后定稿。具体说,20世纪80年代为筹备ODP阶段的科学计划,先于1981年11月16~18日在美国德州大学举行了“科学大洋钻探”(the Conference on Scientific Ocean Drilling, COSOD)会议,分大洋壳、被动大陆边缘、海洋沉积、气候变化和工具技术等5个组进行讨论,并供以后参考,但是会后并没有形成完整的科学计划。后来,1987年7月6~8日在法国Strasbourg又举行了第二次COSOD会议[1],其做法就有所改进,大会有来自20个国家的340位科学家参加,而且事先由会议指导组在1986年9月举行预备会,事后又在1987年10月举行了撰写会,形成了COSOD II的正式报告[2]。这些努力的产品是1990年出版的《ODP长期科学计划(1989—2002年)》[3]。到了1996年,又针对世纪之交 1999—2003年的科学目标,出版了《理解我们动态的地球》科学报告[4](表1)。正是学术界长期的努力和深入的讨论,保证了大洋钻探的成功[9,10]。
表1 国际大洋钻探科学计划的制定
Table 1 Preparation of science plan for the international ocean drilling
与ODP相比,新世纪IODP科学计划的制定显得更为复杂,因为日本决定建造立管钻探船,欧盟也在准备采用租船打钻的新模式,大洋钻探即将从单船进入多船钻探的新时期[6,9],国际学术界也正兴高彩烈地迎接着新世纪的新前景。为此,1997年7月22~24日先在东京举行了“合作大洋立管钻探国际会议(Conference of Cooperative Ocean Riser Drilling, CONCORD)”[5],来自各国的150名科学家和工程师围绕着日本将要建造新船的设计装备,讨论立管钻探船为大洋钻探服务的科学计划,按气候与深部生物圈、大洋岩石圈、大陆漂移与大火成岩省、俯冲与地震、海底井下观测以及钻探工具与技术等专题,分成6个工作组进行讨论。同时,美国和欧盟又分别为各自的钻探平台组织了科学计划的研讨。然后于1999年5月,在加拿大温哥华举行了“大洋多平台探索大会(Conference on Multiple Platform Exploration of the Ocean, COMPLEX)”[6],350余名学者对大洋钻探3个平台的新十年科学计划进行整体讨论,选定了更加多样的科学主题。最后2003年,在反复研讨的基础上定稿出版了《地球,海洋与生命》的IODP科学计划[7],作为2003—2013年大洋钻探的指针。
当前运行的是“国际大洋发现计划IODP(2013—2023)”,其科学计划制定过程,进一步展现了空前规模的吸引力。2009年9月22~25日在德国不莱梅大学举行的“IODP科学目标新探索(IODP New Venturesin Exploring Scientific Targets, INVEST) 大会”,有21个国家的584人参加,其中包括64名学生,分别在气候变化、岩石圈、生命、人地关系以及技术等方面开展讨论[11,12]。会后成立了13人的编写组,于2010年年底完成初稿,经过外审、修改,最终在2011年出版了《照亮地球: 过去、现在与未来》的科学计划[8,13]。其实在不莱梅INVEST大会之前,发达国家分头进行了密锣紧鼓的准备工作:2009年2~3月,美国组织了6周的网上讨论,有186位科学家参与撰写建议、提出意见,最后形成了“为未来科学大洋钻探拟定航程”(CHARTing the Future Course of Scientific Ocean Drilling, CHART)[14]的报告;4月24~25日,欧盟在维也纳集会讨论,撰写出《2013年后欧洲的科学钻探研究》报告[15];接着,英国又于5月18~19日在皇家学会召开英国的IODP大会,进行单独讨论;日本也在1~2月组织讨论,并于7月提出了相应的报告。与此同时,一些国际组织也组织了专题讨论会迎接INVEST大会,如国际大洋中脊计划 (InterRidge) 于2013年7月在英国南安普顿组织讨论会,发表了题为《熔融,岩浆,液体与生命》的报告[16]。 正是由于多方面的认真准备,不莱梅大会收到了各国科学家110份科学建议“白皮书”,为会议的成功召开和报告的成功撰写奠定了基础。由上可见,大洋钻探是一项十分严肃的国际活动,在其半世纪以来的成就中,凝聚着各国科学家长期来的努力与心血。
2 前景的展望
以上的历史回顾,展示了国际大洋钻探一种优良传统:科学上的“未雨绸缪”。一些重大的国际科学计划,通常都是学术界长期研讨、反复琢磨的结果。从大洋钻探看,新计划开始执行前4年举行学术大会,前2年出版科学计划。比如前10年的IODP是1997年和1999年举行大会、2001年出版计划、2003年开始执行;当前的IODP是2009年在不莱梅召开大会、2011年出版计划、2013年开始执行。现在,本阶段的IODP正进行到中点,欧美各国正在分别进行中期评估,离2023年结束还有5年。按照以往的经验,2019年就应当召开全球规模的科学大会,为制定2023年后新10年大洋钻探科学计划进行准备。其中最迫切的问题是确定方向:经过了半个世纪的探索,今天的大洋钻探在科学上还有没有新意?
应该说,大洋钻探是国际科学界彪炳史册、但是“壮志未酬”的一件历史伟业。大洋钻探的前身是20世纪60年代初美国的“莫霍钻”试验,半个世纪的大洋钻探主要通过深海沉积层和岩石圈顶面的取样,证实了板块运动和米兰克维奇假说,改变了地球科学发展的轨迹[17],但是“莫霍钻”至今还是可望而不可及。深部探测是地球学术界方兴未艾的重任,可惜人类“入地”的本事远逊于“上天、下海”。深海海底是地球表面最接近地球内部的地方,而钻探又是直接探索深部的唯一手段,因此大洋钻探必将肩负更大的重任。至今已经有五十多年历史的大洋钻探,始终是深海探索的“航母”,地球科学前沿的旗帜。世界学术史上还很难找到第二个国际计划,能够历经半个世纪而不衰,并且长期保持学科改革前锋的作用。其中的原因,一是人类对于深海的了解太少,目前的探索还处在起步阶段;二是技术的迅速发展,这半个世纪正值人类探索深海和地球内部能力的快速发展期,不断涌现新方法和新课题。展望未来,大洋钻探作为“航母”和“旗帜”的作用仍将继续,但是什么是大洋钻探的新意?科学上的突破口在哪里?
回顾历史,大洋钻探早期面对的是个几乎完全未知的深海海底世界,往往一个航次就会有惊人的发现。随着深海科学技术的发展,《一条船引起科学革命》[18]的时代已经发生变化,“一钻定天下”的机会已经所剩不多。在新世纪里,借助于深钻、深潜、深网(海底观测网)相结合的“三深”技术,将探索地球内部与表层系统相结合的新一代科学,将是新时期深海研究的特色。与此相应,在2013年新10年IODP启动的前后,国际学术界就已经在探讨大洋钻探的新思路和新前景。
首先做出反应的是欧盟,早在10多年前就提出了“深海前沿(Deep Sea Frontiers)” 的新思路,现在名称已改为“深海与海底下的前沿(Deep Sea & Sub-Seefloor Frontiers, DS3F)”。从2005年开始,欧盟就举办过一系列 “深海前沿”新思路的研讨会,试图将大洋钻探、海底观测和大洋边缘研究3个科学群体连接起来,共同制定深海海底系统的研究计划。2006年6月在意大利正式举行研讨会,2007年欧盟出版了该会议的文集《深海前沿(Dee-Sea Frontiers)》[19],收入了地质灾害、液体溢出与细菌、气候、深海生态系、深海滑坡和深海资源等六大主题。2012年3月11~14日,又在西班牙Sitges举行了“深海与海底下的前沿”大会,26个国家的260人出席会议,2012年底出版了60页的白皮书[20],包括气候、地质灾害、生态系统和资源四大方面。
同时作进一步探讨的还有日本。国际大洋钻探2013—2023年的10年计划是按照美国、日本和欧洲3个平台为基础制定的,计划中有些探索地球深部的内容,只能靠日本“地球号”的立管钻探才能完成。为展望新10年“地球号”大洋钻探船的科学目标,日本海洋科学技术中心(Japan Marine Science and Technology Center, JAMSTEC)在2012年成立了美国、日本、澳、德国、英国、法国、中国和意大利共19人的指导委员会,确定了“地球号”科学目标的五大领域。 接着于2013年4月22~23日在东京举办了“地球号”十年展望的 “Chikyu+10国际研讨会”,有来自21个国家和地区的397人参加,代表了180个研究单位,总共提交了127份白皮书,结果归纳出八大“旗舰项目”(表2),用作指导今后10年“地球号”钻探的科学目标[21,22]。这项计划范围广阔、气势宏大,但是在会上就有专家指出,根据“地球号”的现有进度,想要实现所列的科学目标并不现实。几年来,由于经费和技术的困难,“地球号”钻探航次寥寥无几,专家们当时的担心不幸言中。但是这次国际研讨,已经为今后立管船钻探项目的选择提供了丰富的信息和优先程度的排序。
表2 日本“地球号”钻探船在新十年里的优先科学项目
Table 2 High-priority science projects of D/V Chikyu for the coming decade
与此同时,大洋钻探的专题研讨也在进行,其中最具有挑战性的当然是“莫霍钻”的实现。打穿地壳是地球科学界最高的理想之一,不但是1957年美国提出大洋钻探建议的初衷,更是世纪之交日本论证“地球号”建造时主打的科学目标,虽然目标的实现至今遥无期限,学术界推进“莫霍钻”的热情却从未稍减。从2006年以来,先后举行了多次国际会议,2012年又提出了“莫霍钻打地幔(MoHole to the Matle)”的M2M计划,探讨利用“地球号”打莫霍钻的途径[23]。另一方面,学术界发现莫霍面不一定就是地幔的顶界,也有可能是海水下渗使地幔岩蛇纹岩化的下界。因此,IODP设立了“慢莫霍(SloMo)计划”,探索“慢速扩张脊下地壳和莫霍面的性质(The nature of the lower crust and Moho at slower spreading ridges)”。
地球科学界打“莫霍钻”的世纪之梦,可望在2023年后新阶段的大洋钻探里变为现实。但是几十年来的实践表明:地球深部探索的技术要求极高:不仅水深、井深,而且火成岩钻探、取样的难度超过预期。“地球号”十多年来的主要目标是在日本南边岸外打菲律宾海板块在欧亚板块下的俯冲带,打了11个航次离目标的完成还相当遥远。至于“打穿地壳”将要面临的一系列技术问题,目前并没有解决。进一步说,针对地球深部或者大洋岩石圈基底的深钻,存在着立管钻井和非立管泥浆返回型的钻井2种方案。前者如日本的“地球号”,后者是将泥浆泵放到海底,在企业界已经试验成功。此外,针对深海硬岩石的取芯,直接从海底钻进的技术也在发展,英国地调局的“遥控海底岩石钻RD2 (BGS remotely operated sea-bed rockdrill RD2)”能够在4 000m深海钻进50m,德国不莱梅大学MARUM的MARUM-MeBo200可以在深海钻进200m,我国也正在发展海底钻进的技术。总之,科学和技术历来是在相互推动中前进的,新阶段的大洋钻探必将会有新一代的技术武装,才能胜任新时期的科学目标。
3 机遇和挑战
2017年9月7~9日,“国际大洋钻探论坛”在上海举行。在这次“IODP Forum 2017”的会上,中国代表根据IODP-China专家委员会的决定,发起了研讨2023年以后大洋钻探科学计划(“IODP beyond 2023”)的建议。如前所说,几十年来每一期新的大洋钻探计划都要提前4年举行大会研讨、提前2年出版科学计划,当前的IODP将在2023年结束,需要及时动手对以后国际大洋钻探的科学计划进行酝酿。为此,中国大洋钻探专家委员会向国际论坛提议,由中国牵头联合各国共同研讨新阶段大洋钻探的科学目标,在中国举办2019年“IODP beyond 2023”的国际大会,这项动议得到了会议的支持。因此从2018年起,IODP-China将和国家自然科学基金委员会地球科学部一起,对于2023年后的大洋钻探科学计划,组织国内和国际各种规模的研讨活动。
在国际大洋钻探的大家庭里,中国只能算是个小弟弟。大洋钻探50年的历史里,中国沾边的只有20年;大洋钻探的核心是三大钻探平台,其中也没有中国的份。现在中国敢于挺身而出,自告奋勇承担新计划研讨的任务,有着特殊的国际背景。当前发达国家的经济并不景气,美国国家科学基金会苦于对付总预算削减的困境,日本在“地球号”昂贵运行费的压力下进退维艰,欧盟应付当前的目标已经捉襟见肘,都没有心思和条件来探讨新一轮大洋钻探的前景。唯有中国的基础研究、尤其是深海探索的投入快速增加,对大洋钻探的贡献也在急剧上升。从2013年以来,中国已经通过匹配经费的途径,在南海实现了3次CPP大洋钻探:2014年的IODP 349航次,2017年的IODP 367和368航次,成为几年来为大洋钻探投入最多的国家之一。
2017年中国大洋钻探专家委员会的会议提出,要通过主持钻探航次、建造岩芯库等途径,进一步增强我国在大洋钻探中的国际地位,争取早日进入核心圈,使得原来由美国、日本和欧洲3家主持的IODP,成为4家联合主持的国际计划(图1)。中国更进一步的目标是牵头建造世界上第三条大洋钻探船。美国“决心号”钻探船计划在2028年退役,建造国际大洋钻探新型钻探船的任务,极可能历史地落在中国的肩上。但从日本的经验教训看,建造新船的热情必须与充分考虑运行的困难相结合。只有在明确科学目标的基础上,通过国际层面上前沿科学与最新技术的结合,明确世界第三条大洋钻探船的技术要求,才能形成船只的建造计划。
图1 国际大洋钻探IODP的核心组成
(a)2003—2013年阶段;(b)2013年以来的现阶段;(c)建议中的新阶段;(a)和(b)的不同在于2013年以来,3个平台提供国进行相对独立的运作
Fig.1 Core countries of IODP
(a)2003-2003; (b)Since 2013; (c)Proposed new status. Note the difference between (a) and (b), showing the more independent operations of the three platform providers since 2013
由我国牵头开展“IODP beyond 2023”的研讨,必将促进我国地球科学的转型。大洋钻探科学计划的制定,只是在前2年的研讨中有大量科学家广泛参加,真正参加后2年写作的只有少量骨干,而且以我国当前的实力而论,主要成员还只能由欧美科学家担任。为此从2018年起,我们需要围绕一系列学术主题开展国内和国际的战略研讨。回顾新世纪以来的大洋钻探计划和报告,虽然每次所列的主题有所区别,但大体上跳不出气候环境演变、地球动力学、岩石圈与深部和深部生物圈等四大主题(表3)。 这次既然是我国出头组织开展研讨,就不能以旁听讨论、后勤服务为满足,需要我国科学界及早准备,力争提出若干有国际影响力的科学题目。
说到科学战略研究,我国学术界并不陌生,近几十年来我们不知道开过多少会、订过多少计划,但是在不良风气的影响下,不少的“战略研讨”其实是少数人对于未来经费的一种预分配,与会者关心的只是“我的题目在哪里”,并没有开拓新领域、寻找突破口的目光和勇气。而此番进行的是国际计划的战略研究,就要求真刀真枪参与争论,特别需要富有创意的新思路、新题目。从我国近来的发展趋势看,应当说不乏有国际竞争力的潜在重点题目,比如西太平洋和东亚边缘深部构造与演变、低纬过程对气候演变的驱动等一类题目,都有可能争取走上国际舞台。值得一提的是2017年9月在上海举办的全球季风国际研讨会(IODP-PAGES Workshop on Global Monsoon),7个IODP航次的11位首席科学家和多位ODP航次的古季风专家聚首一堂,提出了钻取全球季风长记录的建议,就是这类研讨的成功一例。
表3 不同大洋钻探计划与报告的科学主题
Table 3 Major scientific themes in various plans of ocean drilling
自然科学与意识形态不同,历来都是在纠正前人的片面或者错误认识基础上创新前进的。这与当前我国学术界以“论文数目论英雄”的风气大异其趣,在现有的评价系统指挥下,很少有人敢于真的走创新之路,因为对于前人的挑战往往会成为论文发表的阻力,只有为主流认识锦上添花才是论文高产的捷径。表现在大洋钻探上,就是我国很少有人肯下功夫去撰写钻探建议书,因为写建议书“吃力不讨好”,非但成功率不高,而且还进不了SCI、算不上工作量。2013年以来,我国大洋钻探上船的科学家近80人,在世界各国中名列前茅;而现有钻探建议书中我国的参加者只有11人,只占全球总数的1%。我们殷切期望“IODP beyond 2023”的研讨,将能唤起我国中青年科学家对于宏观战略思考的兴趣,催生出大量精彩的钻探建议书来。
回顾我国参加大洋钻探的历史,很值得为这些年的进展而骄傲。当50年前大洋钻探在美国开始时,;20年前中国正式加入,只不过是通过交纳1/6成员费作为“门票”,“跻身”大洋钻探而已。如今中国敢于牵头研讨大洋钻探新计划,其勇气来自这些年来我国深海科学及其基本设备快速发展。然而,“叫板”世界真正的底气应当来自人而不是来自设备,中国亟需涌现一批能够面对国际、敢于竞争的科学、技术和管理人才,才能在实质上进入世界前沿。半个世纪的历史证明,大洋钻探是国际地球科学的火车头和深海探索的航母,现在我国获得机会来牵头研讨其新阶段的科学计划,客观上必将促进我国地球科学从“原料输出”向“深加工”的转型。但是这次努力能否成功的关键,必将取决于是否有广大地球科学界、尤其是青年学者的积极参与,和他们创造性思维的发挥。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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