百科：“國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃”追求的八個發(fā)現(xiàn)

自20世紀(jì)60年代起，國際地球科學(xué)界相繼開展了“深海鉆探計劃”（DSDP，1968～1983）、“大洋鉆探計劃”（ODP，1983～2003）和“綜合大洋鉆探計劃”（IODP，2003～2013），已在地球科學(xué)研究領(lǐng)域取得累累碩果。從2013年開始，多國科學(xué)家又開始實(shí)施為期10年的“國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃”（同樣簡稱IODP）。現(xiàn)階段科考的主要方式是用美國“決心”號科學(xué)鉆探船，鉆取深海海底的巖芯和沉積層樣品。那么，新一輪的IODP計劃將主要尋求在哪些領(lǐng)域獲得突破呢？
　　1.地球氣候系統(tǒng)會對大氣二氧化碳濃度
　　升高做出怎樣的反應(yīng)？
　　
　　以往的海洋科學(xué)鉆探研究已證實(shí)了過去1億年地球氣候的劇烈變化，所獲得的數(shù)據(jù)能夠判斷過去的氣候及環(huán)境狀況，這對于人們理解近期氣候變化和預(yù)測未來氣候變化有重要幫助。但是，過去幾十年北部高緯度地區(qū)的加速變暖導(dǎo)致北極海岸、格陵蘭及南極西部地區(qū)的夏季海冰覆蓋面積大幅減少，其變化速度比氣候模型所預(yù)測的快得多，這說明現(xiàn)有模型可能低估了極地溫度變化，高估了熱帶溫度的變化。二氧化碳濃度和輻射力呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，二氧化碳濃度極小的變化就能引起氣溫變化，尤其二氧化碳最初的濃度很小時表現(xiàn)更加強(qiáng)烈。為了更好地揭示地球系統(tǒng)在過去全球變暖時期的變化行為，一個高水平的鉆探是必需的，所獲得的數(shù)據(jù)可以重現(xiàn)海洋表層及深海的溫度、海洋環(huán)流、營養(yǎng)分布、海洋生產(chǎn)力及古二氧化碳水平。
　　2.深海生物群落的組成、起源和
　　生物化學(xué)機(jī)制是什么？
　　
　　以往的鉆探研究表明，地下生物圈分布范圍廣、數(shù)量大、基因多樣性強(qiáng)，而且與陸地生物存在很大不同。深海鉆探是了解深海生態(tài)系統(tǒng)的唯一方法，通過鉆探數(shù)據(jù)人們能夠測定深海微生物群落的基本組成、形成過程和分布范圍。深海生物圈中的微生物群體會發(fā)生很多化學(xué)過程，其中包括硫酸還原作用、硝酸還原作用和碳?xì)浠衔锏纳蛇^程，它們在礦物氧化和還原過程中發(fā)揮重要作用。
　　3.什么限制深海生物的生命？
　　
　　探索深海中物理化學(xué)條件對生命的限制是海洋科學(xué)鉆探的前沿領(lǐng)域。潛在的限制因素包括溫度、壓強(qiáng)、pH值、鹽分、養(yǎng)分含量、碳、能量及含氧量等。海洋鉆探可以揭示深海環(huán)境對生物生存的限制。此外，深海微生物群落中85%的基因序列更是屬于未知，人們對其新陳代謝方式還不得而知。
　　4.生態(tài)系統(tǒng)和人類社會對環(huán)境變化
　　
　　的敏感程度如何？
　　氣候變化、海水表面溫度上升、富營養(yǎng)化、缺氧、海水酸化和過度捕撈等都會影響海洋生態(tài)系統(tǒng)，這些環(huán)境壓力在未來幾十年內(nèi)會導(dǎo)致更多的海洋生物滅絕。另外，由氣候變化導(dǎo)致的物種遷移及種間的競爭會刺激物種進(jìn)化，使物種出現(xiàn)新的適應(yīng)特性。300萬年前的上新世溫度較現(xiàn)在略高，海平面和大氣二氧化碳濃度也略高于現(xiàn)在，如果了解了那時生物對氣候變化的反應(yīng)，就能應(yīng)用于現(xiàn)時狀況。所以科學(xué)家需通過海洋鉆探更好地量化環(huán)境變化對海洋生物圈的影響。
　　5.地幔的組成、結(jié)構(gòu)及活動狀態(tài)是怎樣的？
　　
　　地幔是地球最大的化學(xué)元素儲藏庫（占地球所有元素的68%），所有的大洋地殼和大部分陸地地殼來源于地幔。因此，了解地幔變化對了解地球的進(jìn)化十分重要。通過地震監(jiān)測，人們推斷地殼的組成和溫度均有差異性，采用階梯式深海鉆探是研究地幔的重要手段。對原始地幔的重組能有效了解地幔的地質(zhì)及地球化學(xué)形成過程。
　　6.俯沖帶如何產(chǎn)生周期性的不穩(wěn)定狀態(tài)
　　
　　及如何生成大陸地殼？
　　俯沖帶是地球表面物質(zhì)與地幔物質(zhì)進(jìn)行交換的主要地點(diǎn)，這里也是地震、火山常發(fā)地區(qū)。深海溝斷層使海水滲入整個地殼，減少了地幔下部板塊的地震速率，導(dǎo)致地幔釋放大量的水和化合物，使地幔發(fā)生物理及化學(xué)性質(zhì)的變化。地幔含有大量的各種類型的蛇紋巖，蛇紋巖擁有獨(dú)特流變學(xué)特性，它可能控制俯沖帶板塊地震的產(chǎn)生。
　　7.什么機(jī)制控制地震、火山的發(fā)生？
　　
　　地震可能與水合作用和洋殼的蛇紋巖化作用有關(guān)系，隨之影響陸地構(gòu)造和俯沖帶的地震形成及碳的全球循環(huán)。物質(zhì)流、地球化學(xué)的進(jìn)化和地殼構(gòu)造對火山噴發(fā)及山崩有重大影響。近期的測地學(xué)和地震學(xué)的數(shù)據(jù)顯示，巖石圈板塊邊緣的張力滑動范圍比以往研究所認(rèn)為的要大得多。然而，板塊滑動機(jī)制及板塊邊緣多種滑動類型出現(xiàn)的原因仍是一項(xiàng)研究空白。
　　8.什么特性和過程控制深海碳的儲存和流動？
　　
　　水合沉積物對深層碳流動壓力和溫度有很大影響，水合物的分解能夠向海洋和大氣釋放大量甲烷，導(dǎo)致顯著的氣候變化。海洋是一個巨大的碳的儲存庫，它的上部與滲透帶聯(lián)系，底部相對較厚與海洋隔離，儲存庫中不斷地進(jìn)行碳酸化與礦化作用。此外，蛇紋巖化作用及其他形式的洋殼碳酸化作用也為全球碳循環(huán)做出重大貢獻(xiàn)。
　　【責(zé)任編輯】龐 云