深海研究和新世纪的地球科学

深海研究和新世纪的地球科学

新世纪地球科学发展的方向是地球系统科学的研究，而深海研究是关键。实行海陆并举、海陆结合的方针，加强对海洋的重视，是华夏文明的发展方向。

地球是一个系统，牵一发而动全身

地球科学在20世纪中经历了根本性的变化。世纪初，地球科学的主体只是陆地的地质找矿，罗盘加锤子。至今这还是地质工作的“基本功”，国际地球科学联合会会标上写的还是“Mente et Malleo”（思维和锤子），但是一个世纪下来，地球科学的面貌已经完全改观。从宏观上看，地球物理的手段使我们不仅能研究地球的表面，而且深入地球的核心，如通过地震波发现地球内核旋转比其他部分更快；在微观方面，地球化学的同位素示踪法可以追踪从前的地质过程，如用化石牙齿中的碳同位素，可以判断古动物当时的食物类型。如今的地球科学，不仅研究地球的固态圈层（岩石圈），而且研究液态（水圈）和气态圈层（气圈）；不仅是寻找和开发矿产资源，而且研究环境的变化和保护。最大的进展在于把地球作为整体来研究，认识到地球是一个整体，牵一发而动全身。

板块学说是地球科学20世纪最大的发现。世界海底的地形中，最令人注目的是6万千米长的洋中脊体系，把大洋分成不同的板块。通过深海钻探，发现在洋中脊两侧的地壳年龄越远越老，这就证明海底扩张的事实。由此得出的概念就是“全球构造”：海洋和陆地合在一起划分为若干个板块在相对移动，每个板块的地壳从大洋中脊产生，然后逐渐向外推移，在俯冲带消亡（如图1所示）。所以，地球的岩石圈实际上是一个整体，每个板块有它的开始，也有它的终结。

图1 地球的板块运动

A．板块分布：全球的地壳分为若干相对移动的板块

B．板块从大洋中脊产生，到俯冲带消亡

不仅岩石圈是这样的，海水也是这样的。4 000米深的海底照片上还可以看出许多波痕，证明大洋深部水底的海水还在运动，快的一秒钟走40厘米，被称为“深海风暴”。而这些洋底深处的海流并非杂乱无章，而同样是一个整体。两极附近海水结冰，海冰附近的海水既咸又冷，密度最大，于是沉入洋底并扩散到各大洋的海底。这种深层水的形成今天在北大西洋最为强烈，用海水中溶解的CO₂测定其中放射性碳（¹⁴C）的比例，就可以得出海水下沉以来的年龄。从全世界大洋3 000米深处海水的年龄分布看，从北大西洋的250岁到南大洋500岁，而到北太平洋已经1 750岁，年纪最老。这就表明世界大洋的海水流动也在三维空间中构成一个整体，有人把它比喻为“大洋传送带”（如图2所示），底层水从北大西洋经过南大洋流向北太平洋，表层水从北太平洋流向北大西洋。如果进一步把各大洋的垂向水流也表示出来，就像一个复杂的管道系统或者“血液循环系统”。正因为这样，我们说地球上每个圈层都是一个系统，北大西洋的冰盖融解，就会通过这个系统影响太平洋，“牵一发而动全身”。如果这条“大洋传送带”一旦停运或倒转（冰期时很可能出现），那么全世界的热量输送系统就会被打乱，地球上的气候就会发生巨大的变化。

不仅各个圈层是一个系统，地球上各个圈层之间又发生相互作用，地球表面的气圈、水圈、岩石圈和生物圈联结起来构成一个整体。把地球各圈层作为一个完整的系统来研究，才能够理解地球上种种变化的机理，从而取得预测地球环境变化的能力。例如，我们能预报三天的天气，但不能预报几个月后的天气，原因在于海洋对大气的控制。厄尔尼诺就是最好的例子，东太平洋气候反常，根子原来在西太平洋的热带海水，近年来发现西太平洋次表层水温变化是厄尔尼诺的前兆，掌握了海、气相互作用的规律，就可能提前半年预报厄尔尼诺，这是大气科学的重要进步。同样可以举地震预报为例，地震灾害发生在日本、我国台湾地区，而震中分布在西太平洋板块俯冲带。最近大洋钻探船在日本以东深海海底钻孔，将传感器深埋在海底以下2 000米深的井底，随时监测太平洋板块微细的运动，有望为陆上地震预报提供重要线索。

图2 世界大洋的水圈是一个整体：“大洋传送带”假说

正式把地球各圈层联结起来作为系统研究的国际计划，就是“全球变化”。由于工业化以来大量消耗化石燃烧，把地质时期光合作用固定在地层中的有机碳，经过燃烧变成CO₂重新排放到大气圈中，造成大家所熟悉的“温室效应”。然而从工业化到现在大气中增加的CO₂，远少于人类活动排放出来的CO₂。那么，“失踪”的CO₂到哪里去了？现在有种种说法，但主要是到海洋里去了。海水中CO₂约是大气中CO₂的60倍，因此海水中微小的变化足以对大气造成重大影响。大气中CO₂增多，海水表层溶解的CO₂也相应增加，并被浮游生物制造成有机质（碳水化合物等）和碳酸钙质的骨骼，生物死亡后沉到海底进入海洋沉积，退出海洋和大气的碳循环。这种通过海洋生物把大气中的碳输送到海底岩石圈中的作用称为“生物泵”。然而，碳酸盐骨骼到了深海底部还会溶解，因为海水越深压强越大、温度越低，碳酸盐越容易溶解：

到一定深度时由上而下沉降下来的碳酸盐骨骼，和深海溶解作用消失的碳酸盐相互抵销，这就是“碳酸盐补偿面（CCD）”，此面以下碳酸盐基本上不能堆积（如图3B所示）。早在1912年，在英国“挑战者”号考察船环球航行基础上绘出的沉积分布图（如图3C所示）表明：以水深四五千米为界，较浅的海底沉积物中富含碳酸盐而呈灰白色（钙质软泥），较深的海底沉积物因缺乏碳酸盐而呈红色（深海红黏土），这条界线（即CCD）称为“海底雪线”。地质资料表明，无论是表层海水的生产力或者深层海水的“海底雪线”都在随着冰期旋回发生变化，这种变化呈万年尺度的周期性。这比生物光合作用将大气CO₂输入生物圈，生物腐解作用又将CO₂输回大气圈的时间尺度（季节或百年以下）长得多；而更长的周期则是岩石圈与大气之间的碳循环。

图3 海洋中的碳循环

岩石圈的主要成分是硅酸盐，而硅酸盐风化作用要消耗大气中的CO₂：

CaSiO₃＋CO₂—→CaCO₃＋SiO₂

所以当造山作用使岩石圈抬升遭受剥蚀时，就会减少大气中CO₂的含量；相反，当岩石圈随板块俯冲到深处，在高温高压下就会发生“脱钙”作用或变质作用：

CaCO₃＋SiO₂—→CO₂＋CaSiO₃

通过火山活动CO₂又回到大气圈中。这种岩石圈和大气圈之间的碳循环时间尺度长达千万年以上。

由此可见，地球上的碳循环至少有三个层次：只看陆地与浅海，生物圈与大气圈间的CO₂循环是季节到百年尺度的周期；涉及深海的碳酸盐沉积与溶解，碳循环的时间尺度长达万年等级；而板块运动中岩石圈的碳循环则长达千万年以上（如图4A所示）。认识到地球系统中多层次碳循环的复杂性，就很容易理解人类活动排放的CO₂会“失踪”。应当指出，各圈层碳循环的时间尺度不一样，其碳储库的大小也不一样。上述四大圈层中大气圈含碳最少，但大气环流的运动最快（一般＜10⁰年）；大洋的碳储库是大气的60倍，但全球海水循环的周期属千年等级（＜10³年）；岩石圈的碳储库最大，但运动周期也最长（10⁷—10⁸年）（如图4B所示）。总之，从大气、大洋到岩石圈，密度越来越大，含碳量越来越大，但循环的时间尺度越来越长。如果只从大气圈和生物圈的相互作用来讨论CO₂浓度变化，肯定是不够的。但是研究地球系统内多圈层的相互作用，其难度正在不同圈层间进行不同尺度的耦合。

图4 地球表层系统中碳和碳循环

A．地球上的碳循环（数字示碳循环的时间尺度）

B．地球上不同圈层的碳储库

研究地球系统变化最成功的实例是冰期、间冰期的旋回。大约两万年前，地球陆地有1/3被冰盖覆盖，不仅南极是冰盖，北美、西欧，包括整个加拿大和美国北部和西欧的北部全被冰盖覆盖，厚达两三千米，甚至四千米，世界海平面下降120米，大气中CO₂浓度只有180ppm，相当于现在的1/2。这是怎么知道的？古代大气中的化学成分来自极地冰芯，从冰芯气泡中抽出气体进行测定，可以得出CO₂含量。而古代海平面和海水温度来自浮游有孔虫壳体的稳定同位素分析。有孔虫是一种单细胞动物，壳体由方解石（CaCO₃）组成，其中¹⁸O与¹⁶O的比值与海水保持平衡，能够反映全球冰盖大小和海平面下降的幅度以及海水的温度。有趣的是：深海沉积中有孔虫的氧同位素曲线与冰芯气泡中CO₂含量曲线相互平行，而CO₂含量又与温度曲线相互平行（如图5A所示），反映地球上冰期与间冰期的旋回。我国黄土高原黄土—古土壤剖面的磁化率曲线，也与深海沉积中两百万年来浮游有孔虫氧同位素曲线一致。这又一次表明地球是一个整体，由于地球旋转轨道参数的周期性变化，造成地球表面接受太阳辐射量的增减，反映在海洋、大气和陆地各个方面。地球表面从大气圈到深海海底，各种界线都会随之发生升降变化，只是反应的时间尺度与变化幅度不同，而且通过地球系统内部的反馈，相互间呈现复杂的关系，至于这种万年尺度的轨道周期是一直存在的，现在大洋钻探已经取得一千多万年来有规律的周期现象。

图5 地球上气候变化的冰期旋回

A．南极冰芯40万年的记录：_a．冰芯气泡中的CO₂含量，b．冰芯同位素记录的温度曲线 B．有孔虫氧同位素的锯齿状曲线

仔细观察冰期/间冰期的气候曲线（如深海沉积中浮游有孔虫的氧同位素曲线），十分显著的特点是曲线呈锯齿状。也就是说曲线只在一定范围内摆动而并不“出格”，而且变冷与变暖并不对称，变冷慢而变热快（如图5B所示）。前者的原因在于地球气候系统的内反馈机制：气候变冷到一定程度，地球上过多的水分冻结在冰盖中，就会大大减弱水汽循环，不能再继续变冷。后者的原因比较复杂，但答案看来又在深海海底。在海洋上陆坡底下数百米处，有像冰一样的物质保存在地层中，称为天然气水合物（gas hydrate）。这里甲烷（CH₄）分子被锁在冰的晶格中，外形像冰（如图6A所示），但里面含天然气，在海底地层中（低温、高压）呈固态，一旦取出来就会熔化并释放出CH₄，因而称为“可燃冰”。大洋钻探曾在美国以东大西洋海底专门钻探天然气水合物，取得了标本。而天然气水合物在各海洋中广泛分布，据估算其总储量是已知化石燃料的两倍，有可能成为新世纪的新能源（如图6B所示），正引起各国政府的高度重视。而甲烷又是一种温室气体，其温室效应是相同质量CO₂的十倍。只要由于中层水的海温发生变化或者其他原因引起海底温度、压强的变化，就会大量释放出来，突然增加温室效应，造成全球迅速转暖，因此在冰期旋回中转冷是渐变的，增暖是突变的。虽然这种新的气候变迁理论还有待实际资料的检验，但至少又一次表明地球系统是一个整体，气候变化的原因有时很可能来自深海海底的某种不稳定成分，只需要海水中某种不显著变化的触发，就可能给气候系统带来重大影响。

图6 天然气水合物

A．外形和分子结构； B．全球有机碳储量的分布（单位：Gt）

一、地球有多种状态，现在的地球处于非常状态

人们习惯于把现在地球上的现象认为是标准，其实错了，地球系统有很多不同的状态，而现在的地球恰恰处于非常特殊、非常罕见的状态。前面说过，大约两万年前地球经历了一场大冰期，直到今天许多地貌的特征还没有恢复过来，还处在“劫后余生”的状态；如果放眼整个地球史，就可以看出今天的特殊性。

在整个地球史中，大部分时间两极都没有冰盖，称为“暖室期”；只有少部分时间有冰盖，属“冰室期”，通常只在一个极有冰，而像今天这样南极和北极都有冰，这种情况是绝无仅有的，在地质史上所占的比例不到1％（如图7A所示），也就是说我们是生活在一个非常特殊的时期。大约在一亿年前，那时恐龙还没有灭绝，由于地幔物质的大量往上涌，使大气中二氧化碳含量是现在的三倍，高纬度的温度比现在高15℃左右，属于典型的暖室期，两极都没有冰盖。距今五六千万年起地球逐渐变冷，这是根据深海海底底栖有孔虫壳体中的氧同位素比值测出来的（如图7B所示），表明深海海底和高纬度区海面的水温下降了大约15℃。为什么地球表面会变冷？有两种假说，一种认为是洋流变化引起的，另一种认为是高原隆升造成的，我们不妨看看这两种说法。

图7 地球历史上的冰盖

A．暖室期与冰室期；B．冰盖的形成：新生代6 000多万年来全球变冷，深海底栖有孔虫氧同位素比值变大，冰盖增大，温度下降

1975年英、美科学家提出：“6 500年前南美洲和澳大利亚的板块都与南极洲相联，该区的洋流是径向循环，能将低纬区的热量输送到南极洲，南极洲气候并不冷（如图8A所示）；后来板块漂移，南美洲、澳洲移走，使南极洲周围形成“环南极洋流”，造成南极洲的热隔离，越来越冷，终于出现冰盖（如图8B所示），使地球进入“冰室期”。20世纪80年代提出的另一种假说，认为当今地球上的主要高原都是6 000万年以来隆升形成的，包括南、北美洲西部，非洲东部和我国青藏高原，其中尤以青藏高原最为重要。高原隆升可以改变大气环流，而更重要的是前面所说的增强风化作用，消耗大气中的CO₂，减少温室气体，造成全球变冷。大气中CO₂含量降低的说法已经有独立的证据支持，现在的问题是尚待查明高原隆升与洋流变化各起多大作用。

图8 南大洋演变的气候效应假说

A．距今5 300万年前：南美洲、澳大利亚与南极洲相联，南极周围海水可以与低纬区交换；

B．距今2 100万年前：南美洲、澳大利亚与南极洲分开，环南极洋流形成，南极洲处于“热隔离”状态

地球上这种“暖室期”与“冰室期”的交替旋回，曾经出现多次，但每次进入“冰室期”后还会回到“暖室期”；进入“暖室期”后还会回到“冰室期”，不会失控。而这种周期性交替现象在太阳系中只在地球上存在，邻近的金星、火星都没有这种情况。现在地球表层温度是15℃，有液态水，是迄今所知唯一的蓝色星球。而火星表面温度为－60℃，已经处在极端的“冰室”条件；金星表面温度为＋460℃，属于极端的“暖室”状态。现在金星的大气压是地球的90倍，其中98％是CO₂，金星CO₂是地球的26万倍，而且还有25千米厚由硫酸形成的云层，是一种“温室效应”失控的环境。只有地球能自我控制、自我调节，简直像一个超级生物，所以20世纪70年代英国就有人提出“盖娅”（Gaia，希腊神话中的地球神）假说，主张研究“地球生理学”。其实从地球系统科学的角度分析，这只不过是圈层间的协同演化，并非只有把地球神化才能解释。

地球演化的早期温室气体也非常多，38亿年前生命起源时地球的大气圈还属于还原性，以CO₂为主；而今天这种O₂远多于CO₂的氧化性大气圈，是三亿多年前陆生植物发育、改造大气成分后才形成的。关于这种地球演化早期时生物圈的面貌，又是靠深海研究提供了线索。深海调查发现在2 500米深的洋中脊海底，有冒出“黑烟”的高达10米的“黑烟囱”，这就是所谓的“深海热液活动”（如图9所示）。海水沿着洋中脊海底的裂隙下渗，到四五千米深处与熔岩接触，升温到三四百摄氏度后，密度由1.0降到0.7，因质轻而上升；由于充满了细颗粒的金属硫化物而呈黑色，使上升的热液犹似“黑烟”。硫化物在海水中结晶出来形成烟囱状，这些黑烟囱迅速生长，很快倒下，形成一片金属硫化物矿床。这是今天正在形成着的活的金属矿床，对成矿理论研究具有重要的科学价值，同时也是深海海底的又一资源，美国、德国等都在取样研究。现在已知的深海热液活动区分布广泛，东海冲绳海槽就有多处发现。

图9 深海热液作用

深海热液区更加有趣的是热液生物群。1977年美国“阿尔文”号深潜器在东太平洋加拉帕戈斯海沟，发现在黑烟囱区分布着独特的深海动物群，引起了轰动。热液区生物的密度比周围高1万倍到10万倍，可以比作深海沙漠中的绿洲，其中最有趣的是可达2—3米长的管状蠕虫（如图10B所示），这些蠕虫既没有口也没有消化器官，全靠硫细菌提供营养（如图10A所示）。在2 000多米的深海海底根本没有阳光，不可能进行光合作用，而且温度高、压强大，硫细菌从热液中取得地热的能量，支持着这种特殊的热液动物群，除蠕虫外还有瓣鳃类、螃蟹等。而且热液动物的新陈代谢特别快，远远高于靠阳光生长的生物群。

图10 热液生物群

A．热液蠕虫并无口、消化器官与肛门；B．长达2.5米的深海热液蠕虫；C．活的热液蠕虫群

深海研究的结果发现今天地球上有两类生物群、两种食物链（如图11所示）：一类是我们习惯的靠外源能量即太阳能支持的，在常温和有光的环境下靠光合作用产生有机质：

6CO₂＋6H₂O—→C₆H₁₂O₆＋6O₂

另一类则是靠地球内源能量即地热支持，在高温和黑暗的环境下靠化合作用维持：

6CO₂＋6H₂O＋6H₂S＋6O₂—→C₆H₁₂O₆＋6H₂SO₄

这两类生物群的能量来源和合成有机质的机理完全不同，在地质历史上的地位也大不相同。在地球演化的早期大气属于还原性，不可能有靠光合作用的生物群，相当于现在热源生物群、依靠地球内热的生物，是当时地球上唯一的生命。

图11 “有光食物链”（上）和“黑暗食物链”（下）

这类生物中，最重要的是细菌。黑烟囱表面用电子显微镜观察，可以看到密密麻麻的细菌（如图12所示）。这些细菌不仅分布在热液区，也发现于深海海底下面的地层深处，被称为“深部生物圈”（deep biosphere）。1993年在北海海底以下3 000米、在阿拉斯加海底的石油钻井中，都发现有热液细菌，从岩芯中不受污染的中央部分，有热液细菌在温度100℃下生活。大洋钻探在太平洋5个航次中发现深部地层中有细菌分布，如日本海在水深900米的海底以下518米处每平方厘米沉积中含有1.1×10³枚细菌。按此推算，如洋底以下500米以内的地层中平均含有微生物量为1.5吨/公顷，则全球洋底以下的深部生物圈生物量相当于地球表层生物圈的1/10，占全球微生物总量的2/3。深部生物圈生活在极端特殊的条件下，高温高压而且生存空间极小，新陈代谢极端缓慢，实际上处于休眠状态，但已经活了几十万、几百万年。它们在生物技术上的价值不可估量，将向人类提供现在完全不了解的基因库；而且在生物学理论上有极大意义，最近在火山喷发区也发现有此类细菌，很可能与我们寻找的外星上生物有共同点。

图12 用扫描电子显微镜看黑烟囱表面布满的细菌

在地球40多亿年的历史上，形成含氧量接近现代水平的氧化性大气圈，只有近3亿多年；在此后的冰室期/暖室期旋回交替中，冰室期只占小部分时间；冰室期中冰期的时间长度远大于间冰期。可见今天的地球系统是处在一种异常的时期，“将今论古”常常会导致错误，而简单地以现在推测未来也未必正确。只有了解地球系统变化的机理，才有可能对气候和环境的未来进行推测。

二、认识地球系统，深海研究是关键环节

20世纪人类对地球系统的了解，关键的突破口在于深海研究。只有取得深海海底扩张的证据，才能使陆地地质构造的难题迎刃而解，建立起板块学说，形成全球构造的概念。只有知道深海碳酸盐沉积与溶解的作用，才能建立起碳循环的全面观念。只有发现深海热液生物群和深部生物圈，才能取得地球上生物圈和生物量的完整认识。没有深海研究，就没有地球系统科学。

深海研究对20世纪的地球科学起了革命性的作用，在新世纪中必将起关键性的先锋作用。其原因是人类对深海的了解还太少。地球表面71％是海洋，而海洋的平均水深为3 800米，超过2 000米的深海区占海洋面积的84％，因此地球表面大部分是深海（如图13所示），缺乏深海工作的地球科学只能是“盲人摸象”。而人类对深海海底的了解，还赶不上月球，甚至还不如金星和火星。通过遥感测量，金星表面90％以上面积地形分辨率已达到120米，远远超过地球上对深海地形的了解。新世纪深海研究随着技术的发展，将进一步改变地球科学的面貌。

图13 地球表面一半以上是水深超过2 000米的深海（黑色）

人类直接调查深海的历史并不长，最著名的如1960年Triests号深潜器下到马里亚纳海沟10 916米海底的创纪录之举，而近年来不少发达国家制造深潜器，进行深海试验，1999年法、德合作对格陵兰海底的探测就是一例。然而深海研究中规模最大、历史最长、成绩最突出的当然是深海钻探（DSDP）和大洋钻探（ODP）。创始于1968年的这项国际合作计划，目前有二十余个国家和地区参与，每年预算为4 500万美金，用一条世界上最先进的深海钻探船“JOIDES决心”号进行钻探。30余年来，DSDP和ODP计划已经在各海洋钻井2 000余口，取深海沉积物20万余件，取得了地球科学中划时代的重大成果。当前的ODP计划定于2003年结束，2005年开始发展为更大的国际计划，其中日本方面将更大的三万吨级的深海钻探船投入运行，在更大范围内开展新一轮的深海科学钻探。

我国在20世纪结束前参加了国际大洋钻探计划，1998年正式加入，1999年春便实现了南海的ODP 184航次。两个月的航次，在六个深水站位钻井17口，其中东沙附近5个站，南沙附近1个站（如图14所示）。这次中国海的首次大洋钻探，取得了3 200万年来南海演化和气候变迁的深海记录，特别是东沙以南水深3 360米的1 148井进尺850米，纪录了南海形成以来的全部历史，使我国的海洋地质学进入新阶段。特别值得指出的是南海大洋钻探是由我国科学家建议、设计，由我国科学家主持，在中国人占船上科学家1/3的情况下成功实施的。中国在世纪结束前进入大洋钻探的国际前列，也为新世纪中通过深海研究推进地球科学发展准备了条件。

图14 南海大洋钻探ODP184航次的钻井位置

三、中国地球科学界的历史责任

如果说地球科学在19世纪的最大进展在于进化论，20世纪在于板块理论，那么21世纪的突破点可能在地球系统演变的理论。因为通过20世纪的努力，人类已经处在“地球系统科学”进行“组装”的前夕。由于历史的原因，中国已经错过了上两个世纪的地学革命，不应该再次错过21世纪的地学革命。独特的自然条件，赋予中国地学界以特殊的历史使命。我国西有青藏高原，东有边缘海，广泛发育季风气候，而季风气候又促成了黄土高原和东流的大河，堆积起宽广的大陆架和沿海三角洲平原。这是当今世界上十分独特的环境，因为东亚地区是当今唯一夹在两个板块汇聚带之间的大陆，西有印度板块碰撞，东有太平洋板块俯冲，决定了新生代晚期最大构造形变和环境效应。如果从西藏到台湾做一个地形剖面，今天是西边的高原超过5 000米，向东边平原倾斜；而5 000万年前很可能与此相反，是东部高而西部低（如图15所示）。今天中国的地形分为三级，从高原到平原逐级下降，但这种地形形成很晚。长江、黄河按规模名列世界前茅，但年龄远小于国外的大河：亚马逊河、尼日尔河等都有一二千万年的历史，密西西比河可以上溯到2亿年前，而黄河、长江可能只有几百万年历史。尽管还有许多不清楚、不确切的问题，但中国地形由西倾转为东倾是没有疑问的，这种巨变发生在2 000多万年前。

地形变化伴随着气候改变。今天中国的干旱带在西北部，而东南部受季风的控制，夏季风带来海上的水汽，冬季风带来风尘。5 000万年前地形尚未倒转时，世界气候分带呈纬向分布，我国干旱带横贯西东，属于行星风系；大约2 000万年前才退缩到西北角，与今天的格局相似，属于季风风系。可见，我国季风气候的确立很可能与地形倒转相关。前面说过，近6 000万年来全球变冷有可能是世界高原隆升的结果，那么地形倒转、全球变冷和季风气候确立三者可能相互关联。这种地质构造运动与气候演变关系的研究，是当前国际学术界的前沿问题，也是南海大洋钻探建议的主题所在。

中国要研究的问题很多，我们西边有高原，东边是西太平洋边缘海，就在这个边缘海区发生了世界上最大的大陆（亚洲）和最大的大洋（太平洋）的能量和物质交换。而能量和物质的交换，实际上决定了世界上气候的格局。从青藏高原的最高峰到菲律宾海沟直线距离仅4 000千米，但是落差将近两万米，是世界上地形反差最大的地区之一（如图15所示），今天世界上由陆地输送到海洋的悬浮物质有70％来自亚洲的东南区，这里同时也是世界上大气环流极其活跃的地区。

图15 亚洲东南巨大的地形落差

西太平洋边缘海中最为有趣的，是夹在亚洲与太平洋之间的四个海：鄂霍茨克海、日本海、东海以及南海，它们可以看作一个系统（如图16所示）。它们一方面从大陆接受河水注入（图中箭头），另一方面又以一系列海水通道与太平洋和相邻的边缘海相联（图中黑圈）。这是一个高度灵敏的水文系统，只要一个通道关闭，就有可能影响全局。尤其是西太平洋区将低纬度热量向高纬度输送的黑潮，在台湾以东进入东海后又以分枝的方式流入日本海和鄂霍次克海，对东亚气候有举足轻重的影响，然而在冰期时海平面下降，黑潮主流不能进入东海和其他边缘海，使亚洲和太平洋能量与物质的交换不在边缘海内，而在边缘海外进行。这种变化不仅影响陆地的气候，还会影响西太平洋的海水，如年平均水温超过28℃的“西太平洋暖池”。“暖池”区是地球上表层海水温度最高，因而也是热量和水汽交流最为强烈的海域，由此辐散的大气环流控制着季风和厄尔尼诺等全球性和区域性的气候现象。所有这些，使中国岸外边缘海的古环境研究具有特殊的意义。

图16 西北太平洋边缘海的水流系统

以上所述，只是中国地球科学界应该回答的很多问题中的一部分。但是，中国的地球科学面临着这样的选择：在新世纪中还是继续主要做输出原料的工作，还是也进行深加工；我们是只出零件，还是也参加组装。如果参加组装，就得研究地球系统，而没有深海研究就谈不上地球系统。20世纪90年代初中国科学院地球科学部提出的方向称为“上天，入地，下海”，这为中国地球科学指明了方向；最近中国科学院地学部又提出“从地学大国走向地学强国”的口号，如果我们能够海陆并举，并且发挥海陆结合的优势，中国有可能在新世纪地球科学中作出应有的贡献。

应当承认，在四大古文明中，华夏文明的海洋成分比较少，直到今天我们的海洋意识还相当薄弱。传说早在公元前4世纪，亚历山大大帝就完成了第一个潜水的壮举；日本裕仁天皇1975年曾访问美国伍兹霍海洋所了解深海研究和深潜技术，当时的皇太子于1987年亲自参观了美国“阿尔文”号深潜器（Broad，1997）。国外重视海洋的例子应当对我们有所启发。

总之，新世纪的地球科学发展方向将是地球系统科学的研究，而深海研究是其中的关键。我国在新世纪中实行海陆并举、海陆结合的方针，加强对海洋的重视，将不仅是地球科学，而且也是华夏文明的发展方向。

（本文原载《百年科技回顾与展望——中外著名学者学术报告》，上海教育出版社，此文系作者在1999年“中国科学院建院50周年大会”上的报告）

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15. 此处讨论的碳循环只限于地球表层系统，即岩石圈以上的圈层。近年来的研究表明，地球内部的地核与地幔中有着巨大的碳储库，对地球表层碳循环产生影响，为此专门建立了“深部碳”研究——编注。
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