整合力量，聚焦重大科学问题
—— 在海洋地质国家重点实验室学术年会上的讲话
引言
中国开始重视海洋的转机，发生在科学的春天里。两者的结合为海洋科学的发展提供了数百年不遇的良机，预料在建设“海洋强国”声中，必将有“海洋强所”应运而起。至于花落谁家，恐怕不属章鱼保罗猜测的范围。
当前的中国，一个又一个海洋科教单位成立，一艘又一艘海洋调查船兴建，但是常常忽视了一件事：研究是要有科学命题的。这里其实是发展中国家和发达国家的分野：发展中国家无所谓，什么题目都行；发达国家的科研要有精选的题目，有需要验证的假说，而不是有什么干什么。
我们面对的任务就是转型：要从发展中国家转到发达国家的科研方式。一场无形的竞争已经来临：在众多的研究单位里，看谁能走前一步、抓住时机。国家重点实验室肩负着国家队的重任，需要有“大处着眼，小处入手”的战略，需要有团队作战的能力，因此“整合力量，聚焦重大科学问题”，就是我们的当务之急。
地球系统
遥感技术为地球科学带来了全球视野。1980年代由大气科学追溯温室气体发起的“全球变化”，1970年代由深海研究海底扩张引出的“全球构造”，跨到21世纪就形成了“地球系统”科学，将地球表层各个圈层联结起来研究。
近年来，随着地球深部研究的进展，又进一步将地球表层和地球内部的过程联结起来研究，这就是所谓的“行星循环”或者“地球连接”，其中最大的亮点是穿越地幔和地球表层的水循环和碳循环，将成为新世纪地球科学的前沿。
地球系统科学的主要特点就是跨越圈层，因此只能通过跨学科研究来执行。人类对地球表面了解最差的是深海，因此以深海为主线的实验室立足海底，向上穿越流态圈层，向下连接地球内部，有希望成为地球系统科学的排头兵。
具体说，我们可以聚焦在两大主题上：“气候变化的低纬驱动”和“西太平洋的地质演变”。出发点是我们的古气候研究偏重于向北看，我们的大构造研究偏重于向西看。在我们重视北极冰盖作用的时候，忽略了太阳辐射能集结的低纬区和离我们最远的南大洋；在我们重视青藏高原的同时，忽略了太平洋板块俯冲对于东亚大陆构造演变的作用。
气候演变的低纬驱动
气候变化的机制，即由外力驱动，又有气候系统的内部反馈。但归根结底，贯穿地质尺度的主线还是水循环和碳循环。
水循环
水的气态、液态、固态三相转换，是地球上气候变化的基础。其中固态与液态转换的研究方法比较成熟，研究积累比较丰富，已经成为古气候研究的主力。但是地质历史上“冰室期”的时间不足1/3，两极发育冰盖的第四纪是显生宙的唯一特例；因此气态与液态的转换应当是地球上气候系统演变的基本过程，而这种过程主要发生在低纬地区。
过分偏重“向北看”的后果，是对低纬本身过程的估价不足，以为只是北极冰盖变化的衍生效应。其实低纬地区接受的太阳能最多，也是现代气候学研究的重点。比如低纬的夏季风降雨占全球降水总量不到1/3，但却是地球表面水循环变率最大的部分。南海表层水氧同位素记录中2万年周期突出，与洞穴石笋、冰芯气泡的氧同位素记录相似，很可能说明低纬海面的水循环在轨道尺度上直接响应岁差周期，很难说成都是冰盖变化的产物。
和夏季风一样，热带信风也受岁差驱动，由此引起的上升流也会导致生产力变化的2万年周期。在信风和季风影响下，低纬海区的温跃层深度也直接响应岁差驱动，引起次表层水特征的2万年周期，与表层水的轨道周期不同。
在千年尺度上，次表层水的周期变化与南极对应，而表层水却与北极对应，提出了高低纬度相互作用的研究命题。南极融冰水使富硅的南大洋水北上，到低纬区诱发藻类勃发；西太平洋边界流通过边缘海时发生变化，影响北太平洋的中层、甚至深层水；跨越巴士海峡进入南海的深层水有南北两种来源，两者的消长能造成南海深部环境的演变。以上种种，都是高低纬相互作用的研究对象。
总之，季风变化的海洋记录，次表层水的变化特征，和高低纬区的相互作用，是我们实验室研究水循环的切入点。观测现代过程，探索与验证替代性指标，以及发展数值模拟，是我们加强水循环研究的把手。
碳循环
南海首次大洋钻探的成果之一，是海水碳同位素长周期的发现。几百万年的记录里，每隔40万年出现一次碳同位素重值期。经过对比，发现这是全大洋的信号，属于对地球轨道40万年偏心率长周期的响应。最为典型的剖面出现在地中海区，非洲季风的强度在偏心率长周期调控下，通过尼罗河径流影响海域。因为碳在大洋的滞留时间长达十余万年，这种全球季风的长周期在碳同位素记录中最为清晰。
季风变化如何造成海水碳同位素长周期，正是研究的重点。早先的解释是浮游植物的群落结构，硅藻与颗石藻相对丰度的变化，通过有机碳与无机碳沉降与埋葬速率，改变大洋碳同位素。但这种假说，已被 近年来“压载矿物“机制的发现所否定。在最近“微生物泵”发现的启发下，我们提出了“溶解有机碳”新假说。
海水中的有机碳，90%以上是溶解有机碳，其中90%属于惰性，至少几千年不再参与碳循环。当海水中营养元素丰富时，“生物泵”盛行，产生大量颗粒有机碳，海水碳同位素偏轻；营养元素匮乏时，“微生物泵”盛行，产生大量溶解有机碳，碳同位素偏重。地质记录里，碳同位素重值期发生在偏心率长周期的低值期，正好说明了全球季风减弱，海水营养元素贫乏，“微生物泵”加强。
“溶解有机碳”新假说，也能解释第四纪海水碳同位素长周期延长到50万年的现象。近160万年来由于两极冰盖迅速发育，影响大洋深部海水的分布，干扰了原本由季风控制的偏心率长周期。结果出现了碳同位素长周期的两种情况：正常情况下受全球季风驱动周期呈40万年；当冰盖迅速发展时，在冰盖驱动下周期发生变化。
这项研究具有深远的意义，是第一次研究地质历史上大洋溶解有机碳的演变及其同位素效应，可望揭示大洋碳循环重要的新机制。当前首要任务是形成可供检验的完整假说，并通过地质资料的收集和现代过程的试验，进行定量验证。困难在于无论溶解有机碳或者制造溶解有机碳的微生物，都没有现成的替代性指标，有待地球化学和微生物学的研究密切结合，进行探索。广而言之，海洋微生物在碳循环中的作用，应当是我们地微生物学的学科发展方向。
西太平洋地质演变
青藏高原隆升是我国新生代最为显著的重大事件，也是从构造到古环境研究的重点所在。其实除此之外还需要“向东看”，认识西太平洋演变对我国地质环境的影响，这里包括边缘海的形成，和陆地地形的倒转。
大洋岩石圈与边缘海演化
构造演变的研究，应当聚焦在南海。不仅因为南海具备完整的威尔逊旋回，包括了裂谷、扩张、俯冲的完整系列，可望通过1999、2014和2017年的三次大洋钻探，成为边缘海构造演变历史的国际范例；而且可以成功地用来探索大陆是如何破裂形成海洋的基本问题。迄今为止，被动大陆边缘的深入研究局限于北大西洋，大陆岩石圈破裂产生大洋岩石圈的机制只在那里经过大洋钻探证实。南海作为时空尺度有限的海盆，有望成为检验非火山型陆壳破裂机制假设的国际典型。
边缘海的产生机制，是南海构造研究的主题。在周边全为活动边缘的太平洋里，南海和加利福尼亚湾之所以能变为被动边缘，可能都与先行发育的“盆岭系统”相关，其原因在于低角度俯冲的大洋岩石圈发生拆沉或俯冲角度变大并后撤。因此需要将晚中生代华南上千公里的岩浆岩带和海区的岩浆岩相结合，揭示当时“无边缘海西太平洋”的特色，探索南海裂谷作用的机制和区域地质背景，认识当时沿日本到婆罗洲一线以东洋-陆衔接带的地质地貌。
现在南海海底扩张的年龄已经澄清，重点可以转向扩张的起始和终结机制及其沉积响应上。古南海的年龄、属性和在南海形成中的作用，多次“破裂不整合”的年龄与性质，岩石圈破裂期的沉积环境演变，将是研究南海形成过程的关键环节。
南海的大陆破裂属于“非火山型”，扩张结束后反而岩浆活动活跃，并有成列的海山出现。联系到“海南地幔柱”等假设，对南海岩浆作用进行研究，有可能揭示出边缘海形成中的一项重要特色。
海洋沉积与海陆相互作用
西太平洋位处最大的大陆和最大的大洋之间，是海陆相互作用最为强烈的海域。两者之间的边缘海系列，是大陆江河径流和大洋西部边界流的交汇之处。海洋沉积，实质上是大陆壳向大洋壳物质转移的中间站，因此边缘海的沉积环境对于大陆或者大洋的变化都至为敏感，是研究洋陆相互作用的物质依据。
中生代晚期，从西太平洋俯冲带的山系，到特底斯大洋淹没的中国西南，两者间很可能发育由东向西流的河系。此后到新生代晚期形成西太平洋边缘海系列，其中必然要经过山河地形的巨变和大陆水系的改组。当今亚洲的大河均源自蒙古-青藏高原，然而该水系的形成时间和改组途径，迄无众说纷纭、缺乏共识。海陆结合通过多学科指标分析和河流沉积定年，再造长江、黄河、珠江等大河的源区演变历史，检验东亚地形倒转的假说，是我国地质界不容推辞的责任。同时，西太平洋集中着世界上低纬区的宽阔陆架，也有待海洋地质界通过沉积历史确定陆架的形成历史。
学术界对于深海沉积机制的认识，主要是来自北大西洋。国际上许多次“从源到汇”的沉积学大计划，都是以北大西洋为主，没有一次是在亚洲实施。至于深海沉积过程的现场系统观测，三十多年前曾在北大西洋举行，此后就再未组织。现代南海由于相对的封闭性，源区的范围有限，是在海盆尺度上开展 “从源到汇”研究的理想海区。目前已经具有充分条件，从水层搬运到海底沉积再到地震剖面，进行跨越时空尺度的深海沉积学系统观测。此举不仅将能揭示边缘海深海沉积过程的特殊性，也将提供机会检验北大西洋沉积模式的普适性。如果发展顺利，将是我国发展深海沉积学的壮举，也是进入国际深海研究前沿的一条重要渠道。
海底资源勘探中的地质问题
上述西太平洋地质演变的各项基础研究，具有重要的应用价值，需要通过应用性基础研究加以实现。其重点应当瞄准海底资源的勘探实践，包括油气资源和金属矿产资源两大方面。
深海研究包括大洋钻探航次，对南海的深水油气勘探具有重要意义，从盆地演变到地震剖面解释都起着不可替代的作用。今后的目标是双向结合，不但将基础研究的成果用于地质勘探，也要将油气、水合物勘探中取得的资料成果通过基础研究加以提高，贯彻科研与生产相结合的精神。
作为大洋协会研究基地之一，我们还应当在海底金属矿产方面做出贡献。 具体说可以结合大洋岩石圈的基础研究，开展具有特色的研究工作。此外，极端环境下的生物地球化学与地微生物学过程，也是深海生物成矿的重要研究方向。
向”行星循环”迈进
前面说过，地球系统是我们学科发展的总方向；而“行星循环”或者“地球连接”，又是当前地球系统科学正在发展的学术前沿。西太平洋边缘海，恰恰就是将地球表层与深部过程相结合，研究“地球连接”的最佳去处。南海的形成，是不是海水渗入地幔造成蛇纹岩化而张裂，张裂后又引来岩浆活动推进海底扩张， 先是自上而下、后又自下而上的过程？ 东亚水系改组，是不是进入地幔的太平洋板块发生变化，引起地形倒转的结果？其中青藏高原和太平洋各起什么作用？这些关键科学问题 都属于“地球连接”的范畴。
不但南海，整个西太平洋的历史都充满着深部过程造成表层变化的故事。大西洋是超级大陆破裂的产物，四周都是被动边缘；太平洋不同，长期以来是个超级大洋，四周都是与超级大陆为界的活动边缘。而西太平洋还是个破坏性的板块边缘，据推测1.5亿年以来就有三万公里长的板片插入地幔，简直是俯冲板片的“坟场”。随俯冲带入的海水使得地幔的熔点降低、岩浆作用活跃，同时伴随由于俯冲作用所引发的上板块的伸展，产生出众多的“微板块”，这就是世界上大部分边缘海集中在西太平洋的原因。已经俯冲的板片，还可以在地幔中突然下沉，有可能曾经引起东亚晚新生代的环境巨变。
所有这些，都是地球表层与深部过程连接的精彩命题，但是由于深部的研究程度过低，深部过程的环境影响目前还只是假说而已。至于如何具体着手研究，将是我们下阶段面临的挑战。
结语
2010年当中国GDP达到世界第二位的时候，SCI论文数量也已经上升到全球第二。然而与数量不同，我国的科学水平和论文质量远没有进入世界前列。数量和质量矛盾的原因之一，是提供资料、就事论事的论文偏多，经过深度加工、具有理论价值的文章偏少。两者的差距，实质上就是发展中国家和发达国家科研模式的不同。
若干年前当我们缺乏手段、缺乏经费的时候，向发达国家科研模式的转型，根本不可能提上日程。如今我们科研的物质条件已经变化，没有变化的可能就是我们的精神因素。能不能瞄准国际前沿，围绕重大课题整合力量，实现“大处着眼，小处入手”，将会决定我们科研工作能够走的多远。这也是我国科学工作上一个台阶的必由之路，不能确定的是哪一个研究集体能够率先实现科研模式的转型。
