历时八年攻关,硕果累累!同济汪品先院士领衔的“南海深部计划”圆满收官

来源: 同济大学   发布时间:2019-08-15 16:44:12 
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8:30分开始的会,上午8:05,汪先生已经提着黑色文件包走进会场准备。“凡事开头难,这次试验当然很难。”他说。
“我们鼓起勇气,第一个吃螃蟹,”今天上午在同济大学逸夫楼报告厅,83岁的汪品先院士语出惊人。
这只螃蟹,不是我们习惯的发布海洋某方面的成果,而是一个面向大众的研究成果亮点报告会,国家自然科学基金委“南海深部过程演变”的重大计划的报告会。

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国家自然科学基金重大研究计划“南海深海过程演变”历时8年攻关,画上圆满句号。8月14日,这一我国海洋科学领域迄今最大基础性综合研究计划的研究成果汇报会在同济大学举行,10余位资深科学家以通俗易懂的科普语言,面向社会介绍所取得的一批亮点突破性成果。
“我们正在做一项试验,第一次把国家级的重大基础研究计划亮点成果,采用为社会容易理解的语言和形式,既面向学界、也面向社会作汇报,力求科学家生动表述科学前沿的内容、介绍自身原创性成果,争取行外的人也能听得懂。”“南海深部计划”指导专家组组长、中国科学院院士、同济大学海洋与地球科学学院汪品先教授说。

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首次将重大基础研究计划成果面向社会作高级科普
“我们好比是在解剖一只‘麻雀’,从三方面揭示南海这个边缘海的‘生命史’:深海盆的形成演变为其‘骨’,深海沉积其所含的环境信息为其‘肉’,海水的生物地球化学系统为其‘血’。”
“南海不是‘小大西洋’。传统的大西洋型‘板内破裂’模式,是‘拉、拉、拉’,形成开阔的大洋盆地。南海是‘三面受敌’被挤压,南海‘板缘盆地’张破裂机制,是‘挤、拉、挤’,是‘长不大’的边缘海盆。”……
在汇报会上,汪品先、林间、翦知湣、戴民汉、焦念志等著名科学家们的报告中,形象的比喻、生动的表述、直观的图表,让现场不少非专业人士也听得津津有味。
“南海深部计划”实施8年来,立项重点项目51项、培育9项,吸引了全国32个单位700余研究人员参加,在南海深水区实施了数以百计的锚系测量和海上试验,进行了多种深部地球物理试验,完成了4个大洋钻探航次和4个深潜航次,以及生物地球化学等多学科大量的观测与实验,超额完成了预定计划。在今年1月举办研究成果集成大会之后,围绕会上确定的18个亮点,半年来各组分别开展了一系列研讨活动,连续召开了一系列小型国际与国内讨论会。
此次成果汇报会采用三种不同形式:“南海深部计划”整体和三大主题由负责人各作半小时报告,重点突出构造上的板缘裂谷、气候上的低纬驱动、现代过程的碳泵效率三个重大进展;选取11个为大众容易理解、显示度高的亮点,各作15分钟报告;这一重大研究计划集成得出的总体18个亮点成果,以书面成果汇编和展板形式进行现场展示。
“所选取的11个亮点报告不是按学术水平,而是选择故事性强的项目;报告也不是亮点成果的全面叙述,而是挑选精彩的内容进行汇报。”汪品先院士介绍说,此次想打破传统习惯,用实例证明:求学问决不是越高深越是枯燥,作报告更不是越难懂水平越高,希望以此让更多的人一道来检阅八年研究的成果。
探索海洋奥秘

获得一系列超越预期的重大突破性研究成果
“南海深部计划获得了超越预期的成果,取得学术层面的突破。在世界众多的深海盆中,南海已经脱颖而出,南海进入了基础研究程度最高的边缘海行列,南海正在成为世界海洋科学研究的天然实验室。”汪品先教授表示,这一重大计划的实施取得了新认识,成为南海深部研究的里程碑,使我国掌握了南海科学研究的主导权,形成了我国多学科结合的深海科学队伍,在重大基础科学问题上形成了自己的观点。
南海东、西两个次海盆哪个老?南海是从哪里打开的?南海深部水怎样流动?南海深部沉积物是从哪里来的,如何搬运?南海深水和沉积物中,有什么样的微生物,起什么作用?“8年前,我们对这些问题都一概不知,只能猜测或者照搬国外教科书。”汪品先院士说。
8年长跑,研究提出了一系列新假说,特别是在海盆成因和气候演变两方面,冲破了传统认识,提出新的假说挑战原有的传统观点。
对于海盆的成因,世界上研究的标准来自北大西洋。1980年代以来,欧美学者认为南海的形成过程就是大西洋的翻版,只是规模小、年代短而已。研究发现,南海不是“小大西洋”,南海与大西洋是两种根本不同的海盆形成机制,前者是“板缘裂谷”,后者是“板内裂谷”。南海的研究指出国际文献和产业部门实践中将两者混淆的错误,提出西太平洋边缘海是“板缘裂谷”形成的系列,有待采用新视角、新技术加以重新认识。
另一大突破是气候演变的“低纬驱动”。气候演变的研究起步于大冰期的发现,其核心在于用北半球高纬度地区接受到的太阳辐射量变化,成功地解释了近百万年来冰盖涨缩的周期性,引领着全球的气候变化。南海的研究提出了气候演变“低纬驱动”的观点,指出高纬区冰盖大小的变化和低纬区季风降雨的变化,驱动力的周期性有所不同,换句话说,就是低纬降水周期的变化并不就是由高纬冰盖决定。其实,太阳辐射量集中在低纬区,低纬过程是气候干湿、旱涝灾害的源头,但长期以来不受重视,注意力集中在北半球的高纬冰盖上。南海的研究还进一步表明:低纬海区更大的变化不在表层,而在于次表层水;轨道周期不但有万年等级的冰期旋回,还有40万年季风气候的长周期,当前的地球就处在低谷期,在全球气候变化的长期预测中应当加以注意。
“基于大量的实地观测和原位探索,从源头上追溯了一些‘普适性’认识的出处,根据西太平洋和低纬海域的特色,提出了不同于前人的新认识。但是当前的进展只能说是提出了问题,离解决问题还有很长的距离。”汪品先院士表示,只有将北大西洋和西太平洋的研究进一步结合,将低纬过程和高纬过程相结合,才能理解海盆成因和气候演变的真谛。
此外,世界上边缘海很多,而像南海深部计划样,对于深水边缘海盆地的水、碳循环集中进行系统观测研究的,尚属首次。太平洋深部的水通过2600米深的巴士海峡进入南海,造成了南海的“深水瀑布”和三层环流结构,通过实测和模拟的结合,对大洋和大陆因素的相互作用取得了较为系统认识。
“上述三方面的进展,使得对南海深部的认识上了新台阶,成为国际边缘海研究程度最高的一例。”汪品先院士说。

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提出进一步深入研究南海深部的科学新命题
“南海深部计划2011年启动,正值十八大提出了‘海洋强国’战略的前夕,因而是我国全面重视海洋、尤其是发展深海科技的背景下执行的。”回首8年实施过程,汪品先院士感慨良多:八年来,国产深潜器等高新技术为大计划提供了探索的新手段,地调局、中海油等产业部门的深海勘探为这一大计划提供了新材料。“正是空前的历史机遇,使得这项基础研究计划构成了科学的核心,促成了多部门的联合,极大地加强了执行力度,使得大计划超额完成。”
他表示,南海深部研究的成功,是以国家自然科学基金委计划为科学核心,联合各部委实力,利用“三深”(深钻、深潜、深网)技术开展跨学科、跨部门合作的结果,是国家建设海洋强国的战略在科学上的体现。八年来,我国科技界大显身手,向世界表明:中国的深海科学,已经进入国际前沿。南海深部的进展,不但使南海成为我国深海研究的基地,而且正在成为世界深海研究程度最高的边缘海。随着科学研究的深入,提出了进一步深入研究南海深部的科学新命题,表明南海具有众多独特的自然条件,可供国际海洋基础科学进行示范性的深入研究。
汪品先院士娓娓道来:比如,南海深海盆地张裂机制的新假说,引出了西太平洋边缘海系列共同成因问题;低纬过程驱动全球气候的研究,提出了水文循环和碳循环一整套的新课题,进一步的研究方兴未艾;已有的观测和研究基础,又为大洋和大陆相互作用下,生物泵和微生物泵的结合、碳循环和氮循环的结合,提供了深入研究的基地……
“八年来的工作集中在南海北部,南海南部的研究尚待开展。只有南北结合,才能取得南海深部完整的图景。”谈及未来工作,汪品先院士表示,我们可以预期,我国将组织更强大的队伍、以更大的投入推进南海深部的研究,而且将与“一带一路”计划衔接,加强国际合作,争取使南海深部成为国际海洋科学的天然实验室,使南海研究计划成为多学科、多系统科学合作的榜样。
作者:黄艾娇、彭德倩
部分来源:上观新闻

国家基金委重大研究计划“南海深海过程演变”
亮点成果
摘要
南海目前的开发利用主要在周边,而南海揭秘的钥匙却在中央的深海盆。2011-18年,国家自然科学基金委实施“南海深海过程演变”重大研究计划,是迄今为止我国海洋界规模最大的基础研究计划。八年中立项60个,参加者700多人次,在南海深水区实施了数以百计的锚系测量和海上试验,进行了多种深部地球物理试验,完成了四个大洋钻探航次和四个深潜航次,以及生物地球化学等多学科大量的观测与实验,超额完成了预定计划。
南海深部计划获得了超越预期的成果,取得学术层面的突破。在海盆成因和气候演变两方面,冲破了传统认识,提出新的假说挑战原有观点,对于“陆地如何张裂成为海盆”和“气候如何进行周期变化”两大地球科学重大问题,在理论层面上取得了突破性进展。在深层海水的研究上,首次对于深水边缘海盆地水、碳循环中大洋和大陆因素的相互作用,取得了基于实测的系统认识。上述三方面的进展,使得南海深部的认识上了新台阶,成为国际边缘海研究程度最高的一例。科学研究的进展,又为进一步深入研究提出了新的科学问题,南海因而正在成为海洋科学的天然实验室。
南海深部研究的成功,是以基金委计划为科学核心,联合各部委实力,利用“三深”技术开展跨学科、跨部门合作的结果,是国家建设海洋强国的战略在科学上的体现。其结果使我国取得了南海科学研究的主导权,形成了我国多学科结合的深海科学队伍,在重大基础科学问题上形成了自己的观点。
国家基金委重大计划“南海深海过程演变”运行八年(2011-18),又经过2019年的补充、集成,总共立项60个(重点51项,培育9项),全国参加单位32个,参与人员700多人次,这是我国地学界海洋基础研究规模最大、也是科学收获最大的计划。八年来对于南海深部进行了系统观测,从海盆成因与演变机制,到深海系统的运行模式都取得了新的认识,使得南海成为世界深海研究程度最高的大型边缘海,通过一系列的发现,使得我国科学界在南海深部重大科学问题上,提出了挑战传统认识的新观点,取得了南海深部研究的科学主导权。
南海深部计划的设计,是通过多学科的共同探索解剖一只“麻雀”,从三方面揭示一个边缘海的“生命史”:深海盆的形成演变为其“骨”,深海沉积其所含的环境信息为其“肉”,海水的生物地球化学系统为其“血”(图1)。八年来,经过三个半航次的大洋钻探,近底磁力测量航次和多个海底地震仪(OBS)阵列试验,数以百计的深海潜标长期观测,四个深潜航次,和每年的共享航次等海上工作,和极其大量的实验室分析和数据处理,揭示了南海深部的科学奥秘,获得了突破性的研究进展。

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图1 南海深部研究计划的三大组成部分
深海探索与观测
所谓南海形成,关键是她中央水深四千多米的大洋地壳(图2),什么时候的岩浆喷出,形成了这片面积46万平方公里的玄武岩海底?大计划开始前学术界意见并不一致,有的说东边老、有的说西边老,原因是缺乏直接证据,都是根据海底磁异常条带间接推论的。2014年,大洋钻探349航次在四千多米深海盆三个站位打深钻取回78m玄武岩,测出来东部海盆约3300万年、西部海盆约2300万年开始形成,虽然两者都在1500-1600万年前停止扩张,却清晰地表明东部形成在先。再根据深部地球物理推测南海玄武岩海底,已经有一大片向东俯冲在菲律宾群岛下面,可见南海的形成是从东往西推进,一千多万年前的南海比现在几乎大一倍。

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图2 南海海底地形,示中央深海盆(浅蓝色)的所在
再比如南海的海流,表层流早就清楚,是随着季风冬夏相反的,但是深部怎么流只能猜测,用计算机模拟得出两千来米的深处,应该有贴着斜坡的西部边界流,但是也有反对意见说并不存在。判断的唯一办法就是投放锚系进行实测,经过数以百计的深海潜标回次多年实测(图3),证明了南海有逆时针方向的西部深边界流,整个南海的海水呈三层结构,还用放射性碳测量2千米深处的海水,滞留时间不过百把年。

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图3 南海深部潜标观测网的站位图
最不清楚的是深海海底。多年前南海已经发现了水合物和冷泉生物群,现在通过多次深潜航次,发现深海海山上有着成片的锰结核,而热液金属矿的发现说明不久前南海海底有热液活动,至于西沙深处和深水海山上大片冷水珊瑚林的发现,在东南亚海域尚属首次(图4)。结合近年来海底高分辨率地形制图揭示的泥火山、麻坑、海沟等复杂地形,展现出南海深部的一派活跃景象:在这通盘漆黑的深海底,居然既有自上而下、又有自下而上的物质和能量流,既有沉积矿物、又有生命活动的相互作用。

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图4 南海北部深潜航次的发现。A.海山上的铁锰结核富集区;B.残余洋脊附的古热液矿;C.西沙深海的“冷水珊瑚林”;D.冷泉口的贻贝群。
突破性科学成果
在大量现场观测和实验分析的基础上,南海深部计划获得了超越预期的成果,取得学术层面的突破。在海盆成因和气候演变两方面,冲破了传统认识,提出新的假说挑战原有观点,对于“陆地如何张裂成为海盆”和“气候如何进行周期变化”两大地球科学重大问题,获得了理论上的突破性进展。在深部海流和生物地球化学方面,首次在深海盆从无到有,取得基于实测的系统认识,对于深水边缘海盆地水、碳循环中大洋和大陆因素的相互作用,首次取得了初步的系统认识。
首先说海盆的形成。这里说的不是沧海桑田的变化,而是大陆裂开形成深海盆,由岩浆冷凝成玄武岩的大洋地壳。世界上研究的标准来自北大西洋,1980年代以来,欧美学者认为南海的形成过程就是大西洋的翻版,只是规模小、年代短而已,2017-18年南海的大洋钻探就是来验证大西洋模型的普适性。按照大西洋模式,在大洋和大陆地壳的连接处要有长期削蚀的地幔岩,但是大洋钻探367/368/368X三个航次,钻井取上来的却是玄武岩,因而否定了原先的假说(图5)。而且发现早在大陆岩石圈张裂之初就有玄武岩涌出,很快就转到海底扩张、形成大洋地壳;然而在大西洋却要经过长期拉张使得地幔岩变弱,才会破裂出现玄武岩。总之一句话:“南海不是个小大西洋”。研究发现这是两种不同的岩石圈:大西洋张裂的是超级大陆内部坚固的岩石圈,南海形成却是在太平洋板块俯冲带相对软弱的岩石圈。表面看来有所相似,其实这是两种根本不同的海盆形成机制,前者是“板内裂谷”、后者是“板缘裂谷”。南海的研究指出国际文献和产业部门实践中将两者混淆的错误,提出西太平洋边缘海是“板缘裂谷”形成的系列,有待采用新视角、新技术加以重新认识。

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图5 南海大洋钻探结果否定了原有假设:洋陆过渡带基底并非蛇纹岩化地幔。下方为按照大西洋模式的剖面解释示意图,左上方示钻探揭示的基底岩性
另一项突破是气候演变的“低纬驱动”。气候演变的研究起步于大冰期的发现,而地球运行轨道微小变化就能造成冰期旋回,是二十世纪地球科学的重大发现。其核心在于用北半球高纬度地区接受到的太阳辐射量变化,成功地解释了近百万年来冰盖涨缩的周期性,然后冰盖变化又通过北大西洋深层水的形成,引领着全球的气候变化。由此产生的海洋沉积氧同位素曲线,已经成为全大洋地层年龄对比的标准。但是1999年的大洋钻探,却在南海沉积速率最高的一口井,发现氧同位素曲线偏离了全球标准(图6),按传统观点那就是地层记录不全。经过多项测试的精确分析和其他钻孔的反复比较,发现这种偏离是季风区域的共同特点,地层并不缺失。这种季风区气候周期的特色,其实在陆地石笋、冰芯记录中早已发现,反映了太阳辐射量在低纬地区的周期变化。于是从南海的研究提出了气候演变“低纬驱动”的观点,指出高纬区冰盖大小的变化和低纬区季风降雨的变化,驱动力的周期性有所不同,换句话说低纬降水周期的变化并不就是由高纬冰盖决定。其实太阳辐射量集中在低纬区,低纬过程是气候干湿、旱涝灾害的源头,但长期以来不受重视,注意力集中在北半球的高纬冰盖上。南海研究还进一步表明:低纬海区更大的变化不在表层、而在于次表层水;轨道周期不但有万年等级的冰期旋回,还有40万年季风气候的长周期,当前的地球就处在低谷期,在全球气候变化的长期预测中应当注意。

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图6 最近30万年的两类海洋氧同位素曲线。A.南海表层水;B.大洋底层水。红色箭头提示两者的显著差异。
海盆形成的“板缘裂谷”,气候周期的“低纬驱动”,都是南海深部研究结果挑战传统认识的突破性进展。现代地球科学起源于欧洲,现有的许多认识带有欧洲的烙印,海洋也多以北大西洋为标准。长期以来世界上的深海研究以欧美为主,南海也不例外。南海深部计划基于大量的实地观测和原位探索,从源头上追溯了一些“普适性”认识的出处,根据西太平洋和低纬海域的特色,提出了不同于前人的新认识。但是当前的进展只能说是提出了问题,离解决问题还有很长的距离。只有将北大西洋和西太平洋的研究进一步结合,将低纬过程和高纬过程相结合,才能理解海盆成因和气候演变的真谛。
与上述两个“挑战”性成果并列的,是一个“首次”。世界上边缘海很多,而像南海深部计划那样,对于深水边缘海盆地的水、碳循环集中进行系统观测研究的,尚属首次。太平洋深部的水通过2600米深的巴士海峡进入南海,造成了南海的“深水瀑布”和三层环流结构,通过实测和模拟的结合,对大洋和大陆因素的相互作用取得了较为系统认识。另一方面的突出成果在于碳循环的研究,从南海提出的微生物碳泵,已经成为全球大洋碳循环研究的热点之一;而碳、氮循环相互关系的成果,也赢得了重要国际影响。
计划实施的背景
“南海深部计划”2011年的启动,正值十八大提出了“海洋强国”战略的前夕,因而是国家全面重视海洋、尤其是发展深海科技的背景下执行的。八年来,国产深潜器等高新技术为大计划提供了探索的新手段,地调局、中海油等产业部门的深海勘探为大计划提供了新材料。正是空前的历史机遇,使得这项基础研究计划构成了科学的核心,促成了多部门的联合,极大地加强了执行力度,使得大计划超额完成。
最明显的是深海盆成因的研究。原计划定的是探索“海底扩张的年代与过程”,结果拓展到追溯大陆岩石圈的破裂,从“确定年龄”改为“探索原因”,从“海底扩张”推进到“大陆破裂”,追究“大陆如何产生海盆”的地质科学基本问题。再如“深潜”不见于立项任务书,随着“蛟龙号”和“深海勇士号”国产深潜器下水,添设了四个深潜航次探索现代海底过程,都获得重要发现。
抓住有利时机,及时修改计划,提升科学目标,其结果就是学术上的突破。发现国际通用模型并不适用于南海,于是提出了边缘海张裂的全球性新概念。同样深海沉积的古气候研究中,发现南海记录并不符合高纬度地区决定全球气候的传统观念,从而提出了“气候演变低纬驱动”的概念。再如微生物碳泵的作用,都是立足南海、面对全球的科学进展。
“南海深部计划”的一大特色,在于学科交叉。学科交叉是科学界长期以来的口号,关键在于实施。南海大计划是以科学问题带动多学科交叉,计划本身立题就是要求不同学科在深海交汇,从而跨越了古今界限、海陆界限、地球和生命科学的界限等等,一些新的认识如碳循环长周期的“溶解有机碳假说”就是这样产生的。因此,八年来形成了多学科门类、跨时空尺度的研究队伍,为我国海洋科学带来了新意。
国际合作,是“南海深部计划”执行中的又一特色。从大洋钻探到室内分析,都有着与国际合作融合的成分;而“全球季风”等新概念的推进,都含有国际工作组的贡献。然而这些国际合作,都贯穿着一个以我为主的特点。我们可以毫不含糊地说:南海深部取得的科学进展,是在中国科学界主持下取得的,中国掌握了南海科学上的主导权。
深海天然实验室
在“南海深部计划”的八年里,我国的科技界大显身手,向世界表明:中国的深海科学,已经进入国际前沿。南海深部的南海深部研究的进展,不但使南海成为我国深海研究的基地,而且正在成为世界深海研究程度最高的边缘海。科学研究的深入,往往又会带出新的科学问题来,南海深部的研究正是如此。南海深海盆地张裂机制的新假说,引出了西太平洋边缘海系列共同成因问题;南海深部构造探索的深入,揭示出深海盆四周边缘的多样性,每个都可以成为被动边缘剖析的典型;低纬过程驱动全球气候的研究,提出了水文循环和碳循环一整套的新课题,进一步的研究方兴未艾;巴士海峡是南海与大洋唯一的深水通道,加上深海底部崎岖不平的地形,为深层海水运动机理提供了试验场;已有的观测和研究基础,又为大洋和大陆相互作用下,生物泵和微生物泵的结合,碳循环和氮循环的结合,提供了深入研究的基地。在世界众多的深海盆中,南海已经脱颖而出,正在成为海洋科学研究的天然实验室。
同时,由于八年来的工作集中在南海北部,南部的研究尚待开展。只有南北结合,才能取得南海深部完整的图景。可以预期,我国行将组织更强的队伍、以更大的投入推进南海深部的研究,而且将与“一带一路”计划衔接,加强国际合作,争取使南海深部成为国际海洋科学的天然实验室,使南海研究计划成为多学科、多系统科学合作的榜样。

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