在海洋地質(zhì)學(xué)者眼中，一滴海水可能折射著許多參數(shù)信息，一顆砂礫可能蘊(yùn)含著千萬年間的變換。

   耕海探洋，時間在地殼上留下的痕跡盡收眼底，俯仰之間，探索的是海底千百萬年來的默默沉積。

   曾志剛、孫衛(wèi)東、萬世明、高翔、張國良、張鑫、董冬冬……中科院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室（以下簡稱地質(zhì)室）這些中青年一代的探索者們，站在老一輩科學(xué)家的肩膀上，摘下了一個又一個海洋地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的桂冠，譜寫著海洋地質(zhì)研究的新篇章。

引起國際學(xué)術(shù)圈“地震”的地震研究

   板塊匯聚邊界—俯沖帶是地球上構(gòu)造活躍、礦產(chǎn)資源豐富、地震和火山等自然災(zāi)害頻發(fā)的地帶。國際上的傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，大地震發(fā)生于“強(qiáng)”斷層。

   2014年，海洋所地質(zhì)室研究員高翔通過對全球多處俯沖帶斷層強(qiáng)度及最大地震震級的對比研究發(fā)現(xiàn)，大地震更易發(fā)生在俯沖斷層強(qiáng)度較弱的俯沖帶，首次提出“光滑的板塊俯沖造成弱斷層，相對于粗糙的板塊俯沖更易引發(fā)大地震”的全新理論。這一顛覆傳統(tǒng)的研究很快引起了國際學(xué)術(shù)圈的“地震”，《科學(xué)》期刊曾評價，“這一結(jié)果可以直接應(yīng)用于地震和海嘯的防災(zāi)減災(zāi)工作。” 

   2017年，他又提出“大地震與其下方的慢地震在斷層流變特征上是分離的，慢地震的發(fā)生受地幔楔角附近特殊的地質(zhì)條件控制”理論模型。《自然》審稿人評價，該研究是全新的理論模型，必將引起眾多俯沖帶研究學(xué)者和斷層機(jī)制研究學(xué)者的極大興趣。

   海底板塊俯沖不僅是重要的板塊構(gòu)造驅(qū)動力之一，也構(gòu)成了地球上大規(guī)模的物質(zhì)循環(huán)（包括碳循環(huán)），其中二氧化碳可能對巖漿的形成起到關(guān)鍵作用。但由于長期以來并未得到研究證實，因此，深部碳循環(huán)與地幔來源巖漿之間的關(guān)聯(lián)一直不明。

   海洋所研究員張國良等科研人員在科學(xué)考察中，于南海首次發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽化巖漿，證實堿性玄武巖可以直接由火成碳酸巖演化而來。這不僅為揭秘深部碳循環(huán)打開了一扇窗，還將推動有關(guān)深部碳對巖漿活動、地表環(huán)境的影響等相關(guān)研究。他們關(guān)于揭示南海地幔組成本質(zhì)的成果入選2018年度“中國十大海洋科學(xué)進(jìn)展”。

   在漫長的地質(zhì)歷史時期，地球板塊俯沖樣式隨著地幔溫度降低發(fā)生過重要的轉(zhuǎn)變。這對大陸地殼的演化、造山作用的過程、地幔的熱狀態(tài)變化以及地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)等都有非常深遠(yuǎn)的影響。

   海洋所博士后劉鶴，海洋所深海極端環(huán)境與生命過程研究中心主任、研究員孫衛(wèi)東通過研究指出，板塊俯沖樣式從地球早期的間歇式俯沖轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)性俯沖會加快地幔的降溫速率，造成堿性玄武巖在全球范圍大量增加，進(jìn)而通過統(tǒng)計學(xué)手段首次確定地質(zhì)歷史時期的持續(xù)性板塊俯沖作用開始于21億年前。

   中國科學(xué)院院士李曙光曾說：“板塊構(gòu)造學(xué)說自20世紀(jì)60年代確立以來，經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的發(fā)展。但是板塊構(gòu)造的起始時間與樣式轉(zhuǎn)變時間等問題，至今仍未得到解決。這項研究為板塊構(gòu)造樣式的轉(zhuǎn)變時間及其對地幔熱狀態(tài)的影響等問題提供了重要證據(jù)。”

   同年，劉鶴、孫衛(wèi)東等人根據(jù)海水、蝕變洋殼具有極低的Th/U比值的特點，結(jié)合板塊構(gòu)造理論，首次以全球弧巖漿巖的Th/U的變化限定了地質(zhì)歷史時期兩次全球性氧化事件的發(fā)生時間，得到了國內(nèi)外地學(xué)工作者的高度評價。

   海洋所地質(zhì)室副主任、研究員董冬冬作為首席科學(xué)家設(shè)計完成了國內(nèi)首個西太平洋雅浦俯沖帶綜合地球物理科考航次，在該區(qū)初步構(gòu)建了國內(nèi)領(lǐng)先的綜合地球物理觀測網(wǎng)絡(luò)。首次發(fā)現(xiàn)雅浦弧前區(qū)域發(fā)育大型滑塌體，并通過俯沖侵蝕研究推斷出產(chǎn)生滑塌的原因。

精進(jìn)探測技術(shù) 發(fā)展海底熱液地質(zhì)學(xué)

   在當(dāng)今海洋科學(xué)研究中，海底熱液地質(zhì)過程及其資源環(huán)境效應(yīng)是前沿?zé)狳c之一。

   有關(guān)它們的形成過程和流體條件等問題長期存在爭議，學(xué)界對熱液流體的深部循環(huán)及其物理、化學(xué)變化的認(rèn)識不足，更不了解斷裂構(gòu)造、巖漿活動、流體—巖石相互作用、沉積物和海水等因素對海底熱液產(chǎn)物的形成和保存的多重約束，這嚴(yán)重制約了對海底熱液產(chǎn)物形成機(jī)理及其硫化物資源潛力的認(rèn)知。

   針對海底熱液系統(tǒng)及其成礦控制機(jī)理問題，海洋所地質(zhì)室主任、研究員曾志剛及其合作者首次對全球范圍內(nèi)的海底多金屬硫化物進(jìn)行了系統(tǒng)的Re-Os含量及其同位素組成研究，發(fā)現(xiàn)海底多金屬硫化物中Re和Os主要來自海水。明確玄武巖為洋中脊硫化物等熱液產(chǎn)物的形成提供了硫和鉛，發(fā)現(xiàn)硫、鉛源以及流體過程是控制硫化物中硫和鉛同位素組成的關(guān)鍵因素。

   針對熱液地質(zhì)過程對海底環(huán)境的影響機(jī)理的問題，他們從硫化物、熱液柱、海底生物等多個角度評估熱液活動的熱—質(zhì)通量及其資源潛力，突破了限制掌握硫化物資源潛力的關(guān)鍵瓶頸。

   同時，還發(fā)展出海底熱液活動及其硫化物資源調(diào)查新模式與方法，指導(dǎo)沖繩海槽深海熱液活動綜合調(diào)查并開拓海底熱液活動研究新區(qū)，填補(bǔ)了中國在弧后盆地?zé)嵋旱刭|(zhì)過程基礎(chǔ)研究及硫化物資源調(diào)查的空白，推動了海底熱液地質(zhì)學(xué)的發(fā)展。

   由于深海壓力、溫度、腐蝕性等條件帶來的困難和挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段對深海冷泉/熱液噴溢活動依然缺少直接、有效的原位探測方法。

   海洋所研究員張鑫等人研發(fā)出深海激光拉曼光譜原位定量探測系統(tǒng)和系列化的拉曼探針，及深海綜合取樣系統(tǒng)，解決了研究深海冷泉、熱液系統(tǒng)原位探測與精準(zhǔn)取樣難題，為深海冷泉、熱液系統(tǒng)的演化，海底天然氣水合物的快速形成機(jī)制等科學(xué)問題的研究提供了原位數(shù)據(jù)和樣品支持。

   基于“科學(xué)”號科考船在2016年深海熱液航次中，科考隊員利用深海原位拉曼光譜探針采集的數(shù)據(jù)資料，張鑫、孫衛(wèi)東等在1400米深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)了噴發(fā)含有超臨界二氧化碳流體的熱液噴口。這是第一次在自然界中發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳。

   熱液所特有的化能生物群落具有不依賴陽光和嗜熱特性，深海熱液系統(tǒng)被認(rèn)為可能與地球上初始生命產(chǎn)生的環(huán)境類似。但熱液流體中缺少氨基酸的關(guān)鍵元素——氮，此次發(fā)現(xiàn)為地球早期從無機(jī)到有機(jī)的過程提供了絕佳反應(yīng)介質(zhì)。

   基于這項科研成果，他們提出了新的地球生命起源假說：地球早期，存在于海洋與大氣交界面的超臨界二氧化碳層富集大量氮氣，并與海水和露出海表面的巖石礦物結(jié)合，催化產(chǎn)生有機(jī)物，成為生命源頭。

面向國際前沿 尋找西太規(guī)律

   海洋是古老的，更是神秘的，她的每一道褶皺都暗藏玄機(jī)，每一次變化都可能引發(fā)令人意想不到的蝴蝶效應(yīng)。

   海洋所地質(zhì)室副主任、研究員萬世明等正是循著冰期二氧化碳的變化痕跡，追溯到了“那只撲閃翅膀的蝴蝶”。

   在過去80萬年以來，二氧化碳在調(diào)控氣候變化中扮演著關(guān)鍵角色。但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，冰期的二氧化碳含量比間冰期低得多，冰碳共同變化的原因成了近20年來國際學(xué)術(shù)界爭論的焦點。

   萬世明等人在西太平洋邊緣海的研究揭示，冰期低海平面時期的低緯陸架硅酸鹽風(fēng)化增強(qiáng)是重要的碳匯，且在全球尺度上可貢獻(xiàn)9%冰期降低的大氣二氧化碳，這是冰期—間冰期碳循環(huán)中不能被忽略的重要機(jī)制。這在國際上是首次提出冰期低緯陸架沉積物風(fēng)化增強(qiáng)的礦物地球化學(xué)證據(jù)，修正了此前“硅酸鹽風(fēng)化在軌道時間尺度對碳循環(huán)影響可忽略”的認(rèn)識。

   近些年，海洋所立足國際地球系統(tǒng)科學(xué)前沿和國家重大需求，瞄準(zhǔn)西太平洋作為地球系統(tǒng)窗口所擁有的科學(xué)價值及地域優(yōu)勢，聚焦海洋地質(zhì)過程及其資源環(huán)境效應(yīng)這一重大基礎(chǔ)性科學(xué)問題，通過多學(xué)科、跨尺度綜合研究，服務(wù)西太平洋的氣候、環(huán)境、災(zāi)害、資源、國家安全等重大需求，形成了我國基于“科學(xué)”號科考船的完整海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查體系，成功構(gòu)建了淺海和深海，海岸帶、近海與大洋、極地相結(jié)合的全球海洋地質(zhì)研究格局。

   如今，海洋所已成長為國家海洋地質(zhì)基礎(chǔ)理論和海底資源開發(fā)利用及其相關(guān)領(lǐng)域科技創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化的重要基地，海洋地質(zhì)人才培養(yǎng)和學(xué)術(shù)交流的開放、共享平臺，為實現(xiàn)海洋強(qiáng)國國家戰(zhàn)略提供了重要的科學(xué)支撐。

   海洋地質(zhì)學(xué)科的研究隊伍正在不斷壯大，有老一輩科學(xué)家的鋪路，有學(xué)術(shù)骨干的引領(lǐng)，有新鮮血液的加入，相信他們一定能取得更多更好的成績。