地球科學園地

二OO一◆三月春季

《第十七期》

 

 

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海洋科學鑽探-成真的夢想

劉家瑄/台灣大學海洋研究所

 

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《圖一》1985年至1998年ODP鑽探航次的位置圖。

  翻開地球科學發展史,大概沒有幾個人會否認:海洋科學鑽探計畫是世界上最成功的國際地球科學研究計畫。從一九六八年開始的深海鑽探計畫(Deep Sea Drilling Project,簡稱DSDP)到一九八三年的海洋鑽探計畫(Ocean Drilling Program,簡稱 ODP)(上圖一),這個利用一艘大型鑽井船在世界各海域鑽取及分析海床岩心標本的科學鑽探計畫,至今已持續了三十三年(右圖二)。

  從一九六九年深海鑽探計畫的第三航次證實了海床擴張的說法,為板塊構造學說提供了最明確的證據開始,三十多年來在全球各海域進行的鑽探研究即不斷有重大的發現,許多鑽探的結果甚至改變了地球科學家的思考方向。

  海洋鑽探研究在科學上的成就固然了不起,但其背後成功的原因卻更值得探究。從當初幾位科學家提出的夢想,到找尋正確的推動方向、組成最佳的國際研究團隊、仔細的規劃與執行,乃至於不斷調整與改進、提出新的願景,這一系列的作為才是海洋科學鑽探得以屹立至今,並準備跨入二十一世紀的整合海洋鑽探計畫(Integrated Ocean Drilling Program,簡稱IODP)最主要的因素。我們將在本文中,來看看海洋鑽探研究到底如何從當初一個夢想,成功發展到現在……

 

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《圖二》ODP鑽探船作業示意圖。

無疾而終的莫荷計畫   

   海洋科學鑽探的原始構想源於四十四年前,時值一九五七年。

  當時一群科學家在美國國家科學基金會審查地球科學學門的研究計畫,冗長討論之後,總覺得這些研究計畫雖好,卻未試圖解決地球枓學上最基本的一些問題,以開創出一片新天地。其中兩位赫赫有名的學者加川大學史克瑞普斯海洋研究所的蒙克教授(Walter Munk)以及普林斯頓大學的海斯教授(Harry Hess)提出了一個問題:地球物理學家利用震波速度定出「莫荷不連續面(簡稱莫荷面)」,作為地殼與地函界面,其本質到底是什麼?

  以當時的技術,是不是可鑽一口井一直鑽穿整個地殼,來實地觀測莫荷面的組成?海洋地殼一般只有五公里厚,比平均三十多公里厚的大陸地殼薄了許多,這些科學家認為在海底鑽一口深井來探究地殼內部及莫荷面的本質,此計畫十分值得嘗試。

  蒙克與海斯隨後向美國雜學會(American Miscellaneous Society)提出了鑽探莫荷面的構想。美國雜學會其實並不是正式組織,而是由一群喜歡談天說地以進行腦力激盪的科學家所組成的小團體,對於如此大膽創新的想法自然十分支持,並正式向美國國家科學基金會提出研究計畫,以分析深海鑽探的可行性。

  美國國家科學基金會同意支助一萬五千美元給這個計畫,並替非正式的美國雜學會(無法接受美國國家科學基金會補助)找到了一個「家」來執行──美國國家科學院。由於計畫推動者都是美國國家科學院的院士或日後成為院士的頂尖科學家,美國國家科學院義不容辭的接下了這個計畫。

  一九五八年,莫荷計畫在美國國家科學院的招牌下正式展開。

  一方面,這項野心勃勃的計畫是由許多知名的學者聯合推動,另一方面,當時正是美國與蘇聯進行競爭之時,美國在人造衛星的發射上已輸給蘇聯,又得如蘇聯要在陸上進行一口深井的鑽探,美國國會與工業界因而一致強力支持這項計畫。

  一九六一年,莫荷計畫成功的在三千五百多公尺水深的海床上鑽了一口深一百八十三公尺的井,並首次在深海海床上鑽到玄武岩基盤。這項消息被新聞媒體廣為報導,甘迺迪總統特地發電致賀,美國國會也撥款準備建造一艘有能力鑽到莫荷面的鑽井船。至此,莫荷計畫的聲勢如日中天,卻也埋下莫荷計畫未來失敗的種因。

  高知名度加上鉅額的造船費,使得國會議員及行政官僚紛紛介入,理論上該由美國雜學會以及美國國家科學院的學者主導的研究計畫,實際卻由美國國家科學基金會在管理(撥錢的人竟然成為用錢的人,球員兼裁判,不出問題也難)。遠離了科學主題,牽引入政治利益,在花費了五千七百為美元後,美國國會拒絕再撥款給這個計畫。

  一九六六年,連船都尚未見到蹤影,莫荷計畫就此被迫劃下休止符!

 

往前邁步的深海鑽探計畫   

  莫荷計畫這一場惡夢,怎麼會跟成功的海洋鑽探計畫扯在一起?

  事實上,當莫荷計畫的主導權從科學家手中轉到官僚與政客手中,科學家已悄悄另起爐灶,推動另一項海洋鑽探研究計畫了。

  在美國雜學會決定提出莫荷計畫時,會員之一的尤英博士(Maurice Ewing,著名的海洋地球物理學家,時任哥倫比亞大學拉蒙特地質觀測所所長)就不贊成這種只鑽一口深井的想法。他認為在鑽到莫荷面之前,應該在全球各海洋先鑽許多口淺井,瞭解海洋沈積物以及海洋基盤的本質與特性、調查各海洋的年齡、累積深海鑽探的經驗以後,再規劃莫荷鑽井。可惜的是,一開始「莫荷」這個輝煌的招牌吸引了大部分人的目光,尤英博士所提切合實際的見解反而受到忽視。

  一九九○年代初期,莫荷計畫逐漸變調,美國雜學會內一群科學家在當時會長海德勃格(Hollis Hedberg)的支持下,展開了以鑽取海床沈積物為主要目標的海洋鑽探研究。

  一九六二年,邁阿密大學的艾密里安尼博士(Cesare Emiliani)獲得美國國家科學基金會支助一個小型研究計畫,雇用一艘小型鑽井船在加勒比海鑽取海底沈積物標本,以研究當地的古海洋環境。為了能有完善的規劃,艾密里安尼邀請了美國三所主要海洋研究機構──史克瑞普斯海洋研究所、拉蒙特地質觀測所,以及木洞海洋研究所的專家,組成一個顧問小組來協助計畫執行。一九六三年艾密里安尼在加勒比海六百多公尺的水深處成功的採集到一根長五十五公尺的海床沈積物標本,而整個計畫的經費不過花了十萬美元。

  受到此成功實例的激勵,加上美國國家枓學基金會極力支持,史克瑞普斯、拉蒙特、木洞,以及邁阿密大學海洋學院四所海洋機構,於一九六四年組成了「地球深部採樣聯合會(Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling,簡稱JOIDES)」,正式開始規劃海床沈積物的鑽探研究。一九六五年,在JOIDES的建議下,拉蒙特地質觀測所獲得美國國家科學基金會的支助,租用了一艘石油鑽井船,在美國東岸外的布萊克高原鑽採了六根岩心標本。

  參與這個鑽探航次的科學家分別來自JOIDES的四所海洋研究機構,以及美國地質調查署。這個計畫成功的建立了地球科學家聯合進行海洋鑽探的模式,在莫荷計畫弄得烏煙瘴氣之後,JOIDES的海洋沈積物鑽探研究受到了美國國家科學基金會的重視。

  一九六六年,美國國家科學基金會正式同意支助史克瑞普斯海洋研究所進行為期十八個月的海洋科學鑽探研究。為了準備這項研究,史克瑞普斯海洋研究所於一九六七年雇用了挑戰者號(Glomar Challenger)鑽井船,並開始改裝這艘船成為研究用鑽探船。一九六八年中,挑戰者號準備就緒,深海鑽探計畫正式啟航了!由美國國家科學基金會資助及監督、史克瑞普斯海洋研究所管理與執行、 JOIDES擬定決策及負責各航次科學研究目的,並推薦參與航次的科學家。

  由於深海鑽探計畫初期的成功令人出乎意料,科學家爭先恐後提出海洋鑽探研究計畫,美國國家科學基金會的資助自然持續下去,美國其他大學的海洋研究所也紛紛加入JOIDES。為了發揮最佳的研究功能,JOIDES在一開始就邀請其他國家的知名學者參與深海鑽探計畫的航次及研究工作。到一九七五年,在幾個國家的要求下,美國國家科學基金會同意蘇聯、德國、法國、英國及日本這幾個國家正式加入深海鑽探計畫,並承擔部份計畫經費,深海鑽探計畫因此成了國際海洋鑽探計畫(International Program for Ocean Drilling)。

  當然,深海鑽探計畫也不是沒有走上岔路過。一九七○年代中期開始的石油危機使得油價飆漲,石油公司賺進大把鈔票,也開始往較深的大陸棚坡一帶海域進行石油探勘。地球物理探測技術的提升使得科學家們對大陸邊緣的厚層沈積物能「看」得更清楚,也希望利用海洋鑽探技術來獲取更多資訊。於是美國國家科學基金會從一九七○年代末期開始和石油工業界進行接觸,希望由雙方共同出資來進行「海洋邊緣鑽探計畫(Ocean Margin Drilling Program)」。

  石油工業界一開始想吸取深海鑽探的經驗並借助學術界的人才,表達了相當積極的態度。但是純學術研究和石油探勘的目的畢竟不完全配合。由於海洋科學鑽探船沒有防噴井的裝置,從開始的深海鑽探計畫到現在的海洋鑽探計畫,在井位的選擇上一直避開任何可能蘊藏油氣的構造,以避免鑽到油氣造成環境污染。而在大陸邊緣鑽探,厚厚的沈積物中很難確保沒有油氣的存在,加上要和石油業界合作,往有油氣的地方鑽正是石油業界的期盼,因此需要另外找一艘有防噴井裝置的鑽井船。

  還有,由於考慮商業機密,石油業界不希望有美國以外的科學家參與鑽探,這對一向主張學術無國界的科學家而言,是很難接受的條件。談來談去,規劃來規劃去,建造有防噴井裝置的鑽井船費用越估越高,加上一九八○年代以後石油危機解除,油價大幅滑落,石油公司不願意再承諾大筆的研究經費,「海洋邊緣鑽探計畫」在花了一千六百萬美元的規劃費用、卻沒鑽一口井的情況下,於一九八四年瓦解了。

  這又是一次失敗的教訓。幸好深海鑽探計畫的科學鑽探研究仍繼續進行,沒有受到太大影響。

 

即將功成身退的海洋鑽探計畫   

  一九八○年代初石油工業盛極而衰,鑽井船的費用大幅滑落,反而給海洋鑽探計畫一個大好的機會考慮更換鑽井船。

  美國國家科學基金會很快找到了一艘比挑戰者號更大、更適合研究鑽探的船。一九八三年深海鑽探計畫在利用挑戰者號鑽井船完成了九十六個鑽探航次後正式結束。而繼續海洋科學鑽探研究的則是由德州農工大學管理,用新的鑽井船──聯合果敢號(JOIDES Resolution,簡稱果敢號)來進行的海洋鑽探計畫。(右圖三)

  一九八五年一月,海洋鑽探計畫開始第一個航次(編號為第100航次)。十六年來,果敢號鑽探船在全球各海域,包括南、北極一帶的極區海域進行鑽探,已採集到總長度超過一百五十公里的海床岩心標本,提供一百萬個以上的分析標本給二千名以上參與鑽探研究航次的各國科學家(圖四略)。正式加入海洋鑽探計畫的國家擴增到現在包括二十二個國家的八個國際夥伴。我國於一九九七年與澳洲、加拿大和南韓共同組成太平洋週遭海洋鑽探聯合會(PacRim Consortium for Ocean Dril1ing),成為海洋鑽探計畫的國際夥伴之一。

  二○○一年五月初,在台灣加入海洋鑽探計畫四年後,果敢號鑽探船將於第195航次的鑽探研究結束後,首度停泊基隆港。由於海洋鑽探計畫預訂於二○○三年結束,屆時果敢號也將功成身退,使得這唯一一次造訪基隆港的機會格外難得。我國地球科學學界將好好觀摩一下這艘實驗設備一流、對地球科學研究有重大貢獻的鑽探船。

細數海洋鑽探研究的成果

  建立詳細的地質年代表:海洋鑽探獲取了在世界各大洋中保存完整的深海沈積物標本,這個計畫協助建立了一億五千萬年以來詳細的地質年代表,並促成古海洋學的興起。
  災變理論的證據:鑽取的岩石標本完整紀錄到白堊紀末期隕石撞地球所造成的生物大滅絕事件,以及地中海曾經是乾涸的沙漠之證據,令我們體認到地球環境會因一些外在的因素快速甚至突然的改變。
  進一步深思地殼的本質:對海洋地殼火成岩體的鑽探讓我們了解海床玄武岩的一些特性,但更令我們需要重新思考由震測速度所定義出來的海洋地殼層面以及莫荷面到底代表了什麼。
  證實熱點火山噴發:海洋鑽探也成功證實了海底許多線形的山脊與島鏈,是由地函中的熱點噴發所形成,並顯示岩漿噴發活動在白堊紀異常活躍。
  發現水的重要角色:無論是在中洋脊的熱液循環或是在隱沒帶的斷層作用,水都扮演了重要角色。
  人類的生活與生命的起源:對海床沈積物中氣水包合物(或稱瓦斯水合物)、隱沒帶的孕震構造,以及深海生物圈這幾項方興未艾的研究,更將分別觸及人類未來的能源、天然災害,以及生命的起源等重大議題。

 

結語   

  海洋科學鑽探從早年的莫荷計畫開始築夢,雖然莫荷計畫本身失敗了,但鑽探研究海床的夢在重新找對方向、仔細規劃、並且一直能掌握住科學研究這個大原則,再加上歡迎國際學者參與、公開接受研究計畫、公正評審計畫的作業方式下逐漸茁壯,終於獲得今日的成果。三、四十年前大力推動海洋鑽探的學者至今回想起來,恐怕也會說:「作夢都想不到海洋鑽探對地球科學研究會有這麼大的影響。」

  至於海洋科學鑽探對我個人的影響?二十五年前讀了一本由布里格斯(Peter Briggs)所寫、今日世界出版社翻譯成中文發行的「陸移海轉」這本書,深深被書中所描寫莫荷計畫的來龍去脈以及深海鑽探計畫最初幾個鑽探航次的精采情節所吸引,而決定走上海洋研究一途,並跑到書中一再提及的史克瑞普斯海洋研究所深造。如今教書、做研究,回想起來,可真要說:「作夢都想不到,一本描寫海洋鑽探研究的小書,竟影響了我的事業生涯!」

(本文所附圖片均取自《ODP'S Greatest Hits》一書,JOINT Oceanographic Institutions 出版)

 

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