中科院南海所研究员孙珍 ：在中国南海，我们发现了板块漂移的新方式！

以下文章来源于格致论道讲坛 ，作者孙珍

我们这艘新的大洋钻探船下水的时候,

可以成为国际大洋钻探计划的新助力。

大家好，我是孙珍，来自中国科学院南海海洋研究所。我今天要讲的故事是《在南海，发现了板块漂移的新方式》。为了方便大家更好地理解我们的发现到底意味着什么，我先从一个一百年前的故事讲起。

从大陆漂移到板块构造

魏格纳不是第一个这样假设的科学家，但他却是第一个通过开展大量研究来验证大陆是否发生过漂移的科学家。

他在多个大陆上做了工作，发现这些大陆可以很好地拼合变成一个统一的大陆，并把这个大陆命名为盘古古陆。

▲ 左：拼合大陆上地层的相似性

此外，他在这些拼接的区域进行了大量的地层和古生物的研究，发现这些区域的地层和古生物都可以进行很好的对比，它们非常的相似。因此在1915年的时候，他出版了专著《海陆起源》，讲述了大陆漂移的故事。

这个故事提出来以后，实际上受到了非常多的质疑，包括很多欧美著名的科学家都旗帜鲜明地反对他，觉得这只是一个猜想，不能够作为科学理论提升到科学进程里来。

▲ 左：查尔斯·莱伊尔，苏格兰地质学家

其实，一些有识之士，比如苏格兰著名科学家查尔斯·莱伊尔早就指出：人类对海底的无知是影响我们地学研究的一项重要因素。我们都知道，海洋占地球表面积的2/3，如果你对海底一无所知，那怎么知道大陆之间发生了怎样的故事呢？

在魏格纳之后，有很多科学家开展了大量的对海底各个方面的调查工作，其中具有代表性的人物就是传奇的哈雷·海斯船长。

在二战之前，海斯船长还是普林斯顿的一位大学老师，随着二战的爆发，他成为了海军军舰上的一名军官。无论走到哪里，他都将海洋声纳系统开着，不停地测海底的地形变化。

经过多次在太平洋上的往返，他发现了一个非常有意思的现象：海底有一系列的平顶山。这些平顶山非常有意思：它在靠近洋中脊的地方很高，随着远离中央，它会变得越来越深，而且它的山顶都变成了平顶。

依据观察和之后大量的研究，海斯大胆地提出了海底扩张学说，就像上图的动画展示的那样，他认为岩浆可以从中央洋中脊冒出来，然后在地表冷却形成洋壳；洋壳就像传送带一样，不停地向两侧传输，海山就“坐”在这些洋壳上被运输走；山顶经过海浪剥蚀变成了平顶山，然后沉到了海底下面去。

▲ T. J. 威尔逊（左）和D. 麦肯齐（右）

这个学说在1960年提出，1962年发表，之后得到了很多科学家热烈的验证和采纳。其中有4位著名科学家，包括T. J. 威尔逊和D. 麦肯齐，结合了大陆漂移学说和海底扩张学说，建立了地球系统演化的板块构造学说。这也是20世纪以来最重要的地学发现。

威尔逊首先使用了“板块”这样一个概念，并且指出地球板块构造演化的“威尔逊旋回”。至今科学家们仍然把它作为研究地球不同时期的重要指导原则。麦肯齐提出板块构造理论的时候只有25岁，也是4位贡献人当中最年轻的一位。

这张图可以从剖面上展示板块扩张是怎么完成的。可以看到，岩浆从深部的地幔上升到地表，并且冷却形成洋壳，洋壳再沿着俯冲带进入到海沟下面，回到地球内部。这样不停的对流过程造就了板块的漂移，从而导致两块原来挨得很近的大陆最终天各一方。

“一条船革了地球科学的命”

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怎么检验这样一个认识是否正确呢？实际上在1957年的时候，海斯船长就已经和他的合作者们提出了一个可行的方案：造一艘大洋钻探船，把它开到海里进行钻探。

为什么要开到海里钻探？因为大陆的地壳很厚，大概有30-32公里，而洋壳通常只有5-6公里厚，因此在海里可以很快钻探到莫霍面、即地壳和地幔间的分界面。这样就能拿到下面的地幔岩石，从而知道这个地幔是否能够发生对流，是否能够推动板块的运动。

这个观点提出以后，很快受到了美国基金委的采纳。1961年，第一艘大洋钻探船、也就是CUSS 1号在距离墨西哥湾和美国西海岸大概几百公里远的地方进行了钻探。在3800米的海深下面，它第一次钻到了170米的海洋沉积物和几米厚的玄武岩，虽然只有几米厚，但这意味着人类第一次从海底拿到了洋壳的岩石。

这项工作产生了巨大的影响，但也由于严重超支，大洋钻探不得不停下来。然而这个科学发现始终激励着科学家，所以新的大洋钻探在1968年再次启动，并且一直延续至今。

那什么叫大洋钻探？基本上可以理解为：一艘钻探船开到有大洋的地方，将钻头放下去采集底下的岩石，从而证实科学家们的各种科学设想。

1968年的时候，钻探船就到了大西洋，跨过扩张脊，进行了一系列钻孔的钻探。钻探的结果让科学家惊喜地发现，海斯船长的假说非常正确。

也就是说，扩张脊所在的地方，洋壳是最年轻的；向两侧的话，洋壳逐渐变老。而且他们发现洋壳的年龄也伴随着相应的磁条带的倒转，从而证实了地球的磁场在历史上曾经发生过多次的倒转。

对于这些重大的发现，瑞士地质学家、著名华人科学家许靖华院士有一句非常恰当的评价，他说：“一条船革了地球科学的命”。它不仅证实了板块构造学说，创立了新的古海洋学，而且还完全改变了地学研究的轨迹。

▲ 上左：Joides Resolution-决心号（美）

从此，大洋钻探计划在国际上进一步地发展和壮大，整个大洋钻探计划也由美国一家主导，变成了由美、日、欧三家共同主导的一个国际非盈利科学研究项目。除决心号钻探船外，这个项目还包括了日本提供的地球号钻探船和欧洲针对不同的钻探需要租借的钻井平台。也就是说，三家的钻井平台共同支撑着大洋钻探计划。

大洋钻探计划在过去几十年里经历了4个发展阶段，从早期的深海钻探（DSDP）到大洋钻探（ODP），到最近20年叫发现计划（IODP）。每个阶段它的名字是不一样的，但总的科学精神就是大洋钻探和大洋发现。并且在2021年的时候，我们还制订了未来50年大洋钻探的科学计划。

在汪品先院士的推动和倡导下，中国在1998年也加入了国际大洋钻探，并且已经执行了4.5个航次，或者说是4+1个航次。

大洋钻探中的三次发现

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大洋钻探在过去10年提出了很明确的科学目标，即我们要对地球进行系统的认识。它的主题涵盖了各个方面，包括气候变化、深部生物圈、行星地质，还有地球的灾害系统。这样的研究产生了非常多影响深远的成果，我在这里举几个简单的例子。

第一个例子，2004年的时候，人类第一次在北极圈范围里进行了大洋钻探。钻探的结果发现，大概在5000万年前的时候，北冰洋还是一个超级大的淡水湖，这个淡水湖下面的沉积里含有大量的藻类，这个藻类也是今天油气的重要来源。经过初步计算，科学家发现，北冰洋下面含有的油气很可能占到地球上人类尚未开发油气资源的1/4。

第二个例子，2016年，科学家们对位于墨西哥湾的的一个陨石坑进行了钻探。通过钻探，科学家发现这个陨石坑大概是在6500万年前白垩纪末的时候，一颗直径大约10公里的小行星撞击造成的。

这个撞击是如此的严重，以至于撞击的过程向全球发射了大概3000多亿吨的硫和4000多亿吨的二氧化碳，铺天盖地的硫和二氧化碳导致阳光没有办法射到地球表面，从而导致了一次大规模生物灭绝，我们熟知的恐龙就是在这个时期灭绝的。

第三个例子，科学家还通过大洋钻探证实了大陆是怎么漂移的。也许有人会问：你刚才不是说了嘛，中央的海洋一扩张就把大陆推开了。是的，但是我们从这张图可以看到，中间蓝色的地方是洋壳，洋壳的主要成分是基性的玄武岩；而周围绿色的区域是陆壳，陆壳的主要成分是花岗岩，它们是完全不同的物质。

所以要大陆发生破裂形成洋盆，两个大陆之间必须完全断离，才会有新的岩浆冒出来，形成新的洋盆。那么这样一个过程是怎么完成的？

科学家沿着大西洋边缘开展了8个钻探，根据钻探的结果，他们提出了两个端元的模式。一个是所谓的富岩浆型，也叫火山型。在这种模式中，地下有大量的岩浆，岩浆在大陆伸展的过程中主动上涌，从而把两侧之间的联系完全熔断，导致两个大陆的漂移。

还有一种是贫岩浆型，也即非火山型。非火山型是指在两个陆地之间伸展的时候，岩浆特别少，以至于拉张到后来，地幔都露在了陆和洋之间，直到软流圈向地表运输了足够多的岩浆才开始出现洋盆。

如果把岩浆比喻成大陆破裂和漂移过程中的财富，那么富岩浆型就是一个非常有钱的富翁，而贫岩浆型就像一个衣不蔽体的乞丐，导致它的地幔都剥露在外面。

那么是不是所有的大陆边缘都是火山型或者非火山型呢？德国著名学者马尔塔.P.卡辛耶做了一项数值模拟工作，她提出不是所有的大陆边缘都属于这两个类型。

如果是火山型，就要有地幔柱。但是非火山型，就需要具备非常慢的拉张速度以至于岩浆没有办法及时地运到地表，或者是地幔很冷，或者是地幔里缺岩浆。只有满足这三个条件中的一个或者几个，才可以出现非火山型的大陆边缘。

因为没有其他的钻探实例，所以科学家依旧兴趣盎然地把全球的大陆边缘划成了火山型（上图红色虚线）和非火山型（黑色实线）。当然不能忽视的是，他们还发现了很多大陆边缘，像这张图中的黄色实线区域，它能明显见到很多岩浆活动，所以你不能把它叫成非火山型；但它又不是火山型，那该怎么办？

南海的钻探故事

实际上就像人类社会一样，社会里不可能只有富翁和乞丐，没有中产阶级。大陆边缘也是这样，大部分的大陆边缘是介于其间的，比如说我们的南海。

通过初步研究，我们发现南海的大陆边缘，尤其是东部的大陆边缘具有非常明显的“中产阶级”特征，比如它有比较多的岩浆，它的地幔也比较热，另外伸展的速度也比较快。这样的陆缘是怎么完成破裂和漂移的过程呢？这就是我们提出的科学问题。

为了解决这个问题，我和我的合作者们撰写了大洋钻探的建议书。经过三年的论证，终于获批了两个连续航次。但在航次执行过程中，最南端的1503井由于技术难度非常大，导致两个航次都钻探失利。

经过几位首席向IODP反映，我们又申请了一个补充航次。大家见到的最右边的这张照片，就是由9位科学家组成的368X航次。从而顺利完成了对于南海7个钻位的钻探。

▲ 左：367航次首席科学家JoannStock和孙珍

实际上，每一个航次都会有两位首席科学家，这两位首席科学家首先要制定整个航次的科学目标，决定在哪里打井；在航次期间还要带领其他科学家完成钻探任务，完成船上的数据和样品的分析测试工作，还需要经常跟科学家讲我们下一步的计划。

由于科技部的大力支持，在367航次、368航次以及368X航次当中，中国科学家都占到一半以上。

▲ 下图右侧为钻头与钻杆

我们的钻探船是决心号，从香港招商码头出发，经过几天航行到达我们的钻探目标地。由于船的中部最稳，所以它是整个钻探平台所在的区域，船的后边是放置钻探杆的一些区域。

钻探的主要完成方式就像动图中所展示的：钻探管被送到海底，在海底钻一个中空的管，然后岩心就从这个管子进到取芯管，之后取芯管又被提回船上，送到实验室里供科学家研究。

可以看到钻井人员把取芯管取出来，然后技术人员把它抬到走廊上进行分割，切割成1.5米长岩心段。

切割好的实验样品就会送到实验室里，由岩石学家、沉积学家、古生物学家、古地磁学家等开展全方位的研究和测量工作。

▲ 科学家在做船-岸互动科普

每个航次期间都是两班制，一班要工作12个小时，同时另外一班休息12个小时。休息的科学家其实并没有真正休息下来，他们会利用这段时间给岸上的学生还有普通的老百姓讲解整个钻探的过程、钻探的发现等等。记者也在忙着采访科学家，特约的科普人员也在做全球直播的工作。

我们在船上也会有很多意想不到的新发现。比如中间的图片就是我们在一个站位发现的铁锰结核，右侧这张是化石，还有船周围经常有大量的鱼群。

航次期间也会为同行的人过生日，或者是为毕业的同学举行派对。我们中间不忙的时候，甚至还搞了一次卡拉OK比赛。

在南海，发现大陆漂移的新方式

在这张图中，从灰色到黄色的地方是陆壳。可以看出，陆壳是在逐渐减薄的，而且减薄到一定程度，到了8公里左右厚度时，岩浆就从下面穿刺而出，开始形成蓝色的洋壳。陆和洋之间的转换，似乎只用30公里就完成了一个华丽的变身。

这样一个过程是怎么完成的？实际上，如果缺乏深部的地球物理约束，这个故事就很难讲完整。所以我们在航次期间跟航次之后，快速对钻探的区域进行了折射地震和大地电磁的测量工作。

从测量结果中可以看到问题的答案。在这种“中产阶级”的陆缘中，实际上岩浆早已经就开始蓄积。岩浆从软流圈送到地壳的底部，并且不停地尝试向上刺穿。但是一直到地壳减薄到足够薄的时候，它才能够刺穿地壳，到达地表，形成洋壳。

因此应该说这是一个逐渐的由积攒到破裂的过程。从地表的结构来看也是这样，靠近陆的地方是断裂控制逐渐变薄的过程；而到了洋盆边界，它变成由岩浆控制的变薄和破裂的过程。

所以对于这种“中产阶级”的大陆边缘，我们提出一个新的认识，也就是说这里的大陆破裂和新的海盆诞生经过了从断裂向岩浆转变的过程，这是一个新的发现。

我们也进一步探索了动力学，我们认为在伸展的过程中，这里的地幔可能发生更早的减薄和破裂，从而产生了大量的岩浆在下面蓄积。

所以中间型的大陆边缘，它的边缘要比其他两个类型宽很多。南海北部的大陆边缘就有450到480公里的宽度，其他的大陆边缘远远没有这么宽。

▲ 右上：南海北部

钻探完了以后，我们也有了新的困惑。比如说南海北部的大陆边缘确实有400多公里宽，但南侧对应的、飘离出去的大陆边缘却只有200公里左右的宽度。而且北部的陆缘下面有大量的岩浆，可以见到10公里厚的岩浆堆积，但是南侧的陆缘岩浆却非常少。

▲ 从左至右：IODP184 1999，IODP349 2014，IODP367 2017，IODP368 2017，IODP368X 2018

破裂的过程为什么会这么不对称？它产生的中间的蓝色洋盆区域会不会也不对称呢？实际上，好多问题我们目前还是没办法回答，所以我们团队开始了新的征程。

我们也开始在南部的陆缘做地震和折射地震等方面的工作，期待对南侧陆缘有一个见解，并提出新的钻探方案。这样我们南北结合起来，就可以更好回答“中产阶级”的陆缘是怎么完成这种华丽的转变的。

▲ 上左：美国钻探船   上右：日本钻探船

期待2023年，我们这艘新的大洋钻探船下水的时候，可以成为国际大洋钻探计划的新助力，联合美日欧和世界各国，共同推进地球科学进一步革命性的发展。

我的报告就到这里，感谢大家。

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