大洋钻探计划运行的国际经验及对我国的启示

大洋钻探计划的历史沿革

大洋钻探计划于1968年由美国发起,是迄今为止地球科学领域规模最大、影响最深、历时最久的国际大科学计划(表1)(www.Lanneng.net)。50余年来大洋钻探在全球各大洋钻井4000多口,取芯超过40万m,对地球科学基础研究、海底资源勘探和海洋高新技术装备的发展做出了巨大贡献。现阶段实施的国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program,IODP),执行期为2013—2023年,有美国、日本、欧洲联合体和中国等23个国家参与,年度预算达1.5亿美元。如此庞大的国际合作计划,管理和运行起来具有相当的难度。大洋钻探能够成功运行50余年,其组织管理和运作方式无疑是非常成功的。

早期的深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project,DSDP)和大洋钻探计划(Ocean Drilling Program,ODP)时代,由美国领衔,其他国家参与,只有1艘专用的科学钻探船,其管理和运行相对简单。1964年5月,迈阿密大学海洋科学研究所、哥伦比亚大学拉蒙特地球观测所、加州大学斯克里普斯海洋研究所和伍兹霍尔海洋研究所联合成立了“地球深部取样联合海洋研究所”(Joint Oceangraphic Institutions for Deep Earth Sampling,JOIDES),作为DSDP的科学领导机构,负责制定科学计划,监督和指导DSDP的科学运行,后来俄勒冈州立大学、罗得岛大学、德州农工大学、华盛顿大学、夏威夷大学以及德州大学陆续加入。1966年夏,美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)与斯克里普斯海洋研究所签订协议,由后者作为JOIDES的科学执行机构,负责运行“格罗玛·挑战者号”(Glomar Challenger)钻探船。1975年随着德国、法国、英国、日本和苏联等国的加入,DSDP成为一个国际计划,JOIDES随之改名为“联合海洋研究所”(Joint Oceanographic Institutions,JOI),继续承担DSDP的科学管理工作。

1985年以后,ODP成为一个大型的国际合作计划,参与的国家近20个,除美国外,还有德国、英国、法国、日本,加拿大—澳大利亚联合体、欧洲联合体以及中国(1998年加入)等成员。ODP基本沿用了DSDP的运行模式,JOI仍然作为ODP的学术领导机构,JOI下设几个专门的委员会,其成员由各成员国派代表组成,这些委员会各司其职,负责ODP的科学规划、财务预算以及建议书评审等工作。与DSDP不同,ODP更换了新的科学执行机构,由德州农工大学代替斯克里普斯海洋研究所负责“乔迪斯∙决心号”(JOIDES Resolution,JR,简称“决心号”)钻探船的管理、航次组织、岩芯和数据的管理等。

进入综合大洋钻探计划(Intergrated Ocean Drilling Program,IODP)阶段后,无论是科学管理还是运行模式都有较大改变,这是由于在 IODP中,已不再是美国一家独大,随着日本“地球号”和欧洲“特定任务平台”(Mission Specific Platform,MSP)的加入,演变为三足鼎立的局面。为了适应新的形势,IODP成立了一个管理总部——IODP国际管理公司(IODP Management International,IODP-MI)来负责IODP的科学管理与运行,其作用类似于ODP时期的JOI。对应3个钻探平台,IODP成立了3个执行机构(Implementing Organization,IO)负责钻探船的科学运行:美国科学执行机构(U. S. Implementing Organization,USIO)负责“决心号”的运行;日本海洋研究开发机构(Japan Agency for Marine-EarthScience and Technology,JAMSTEC)旗下的深部地球探测中心(Center for Deep Earth Exploration,CDEX)负责“地球号”的运行;英国地质调查局、不莱梅大学和欧洲岩石物理联盟联合组成的欧洲大洋钻探联盟(European Consortium for Ocean ResearchDrilling,ECORD)科学执行机构(ECORD ScienceOperator,ESO)负责“特定任务平台”的运行。在执行机构之外,还有多个委员会和工作组构成的科学咨询机构(Science Advisory Structure,SAS),负责IODP科学建议书的评审,包括科学目标、站位调查、环境保护与安全等方面,同时还设置了制定科学技术标准的和发展大洋钻探工程与技术的工作组。

2003年综合大洋钻探启动时,美国、日本和欧洲联合体同时提供钻探船或平台,20多个国家参与,年度预算超过2亿美金,规模空前浩大,国际学术界雄心勃勃,期待大展宏图。然而,事与愿违,先是国际油价暴涨,再加上美国、日本投入经费削减,使得IODP的运行困难重重,这就导致了2013年进入国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program,IODP)阶段后,美国、日本、欧洲分家单干,科学咨询机构重组,IODP-MI 关门的新局面。本文重点介绍综合大洋钻探计划和国际大洋发现计划阶段的组织和运行情况,包括科学管理与咨询机构、平台与航次执行、数据和样品管理等。

科学管理与咨询机构

经过IODP各成员国组成的国际工作组召开多次会议研讨后,提出了2013年后IODP的管理运行框架(图1),美国、日本和欧洲联合体独立运行各自的钻探船和平台,分头寻找资金来源;统一的中央管理办公室——IODP-MI关闭,NSF与斯克里普斯海洋研究所签订协议,成立一个科学支撑办公室(Science Support Office,SSO),承担IODP-MI的部分功能,包括建议书和井位调查数据库的管理、IODP网站的管理等基本任务,年度预算也只有80万美元,原IODP-MI的其他功能被转移到各科学执行机构,至此,一个大而全的IODP-MI演变为一个小而精的SSO,这更符合IODP发展的需要。

IODP(2003—2013 年)的科学咨询机构也较为复杂(图2),有科学规划与政策监督委员会(Science Planning and Policy Oversight Committee,SPPOC)、 科学规划委员会(Science Planning Committee,SPC)、科学指导与评估工作组(Science Steering and Evaluation Panel,SSEP)、环境保护与安全评估工作组、科学技术工作组和工业发展工作组等多个委员会和工作组。建议书的评审流程也相对较长,IODP-MI负责接收来自科学家提交的建议书,然后分配给SSEP和站位调查工作组(Site Survey Panel,SSP)分别进行科学和站位调查数据的评估,一份建议书往往通过多轮的反复修改,才能通过科学和站位调查的评估,耗时3~5年是常态。通过科学和站位调查评估的建议书被转到 SPC进行科学规划评审,优秀的建议书被推荐至IODP-MI安排航次,在航次执行之前还必须通过 EPSP的评审。通过科学评审,等待安排航次的建议书数量保持在30~40份,而3个平台每年能执行的航次最多6~7个,因此能够安排航次的建议书算是十分幸运的,常有领衔建议人已退休也等不到航次安排的情况发生,因此常常被科学家抱怨。

2013年后,IODP的科学咨询机构进行了大刀阔斧的改革,通过调整合并,仅保留建议书评估组(Proposal Evaluation Panel,PEP)、站位特性组(Site Characterization Panel,SCP)和环境保护与安全评估组(Environmental Protection and Safety Panel,EPSP),后来干脆将PEP和SCP合二为一,称为科学评估组(Science Evaluation Panel,SEP),SEP和EPSP的名额根据各国对“决心号”运行贡献的大小 来分配(表 2)。改革后,建议书评审的效率大大提高,建议书评审一般在1~3年内便有结果,要么被转移至各平台管理委员会等待安排航次,要么被终止。原科学咨询机构中STP和EDP等的职能转移至IO,在遇到科学技术或工程发展等方面的问题时,由IO召集临时小组解决。

新框架下建立了科学目标统一规划、钻探任务分头实施的新机制,由美国、日本和欧洲联合体现有的3个钻探平台各自组建“平台管理委员会”进行独立管理,各成员国通过分别加入这3个平台委员会方式来参与新IODP的科技活动。美国通过提供 “决心号”钻探船,每年执行8个月相当于4个航次,组建“决心号”平台管理委员会,由资助机构代表、科学家代表、执行机构代表组成,主席由美国科学家担任。日本通过提供“地球号”钻探船,每年执行4个月航次,组建“地球号”IODP 委员会,由资助机构代表、国际科学家代表、日本文部省和JAMSTEC等代表组成。ECORD没有固定的钻探船,但通过提供“特定任务平台”,每年执行1个航次,组建ECORD平台管理委员会,由国际科学家代表、科学执行机构代表、管理机构主席、资助机构代表组成,主席由欧洲科学家担任。

平台与航次执行

“决心号”的运行情况

IODP(2003—2013年)阶段,由美国德州农工大学、哥伦比亚大学拉蒙特地球观察所和“海洋研究领导联盟”(Consortium for Ocean Leadership,COL)组成的USIO负责运行“决心号”钻探船。USIO的主要职能是负责组织IODP航次,包括与各成员国协调组建每个航次的船上科学家团队,确保航次按计划实施,实现航次科学目标。此外,还有钻探工程技术发展、岩芯和数据管理,航次报告出版等。有意思的是“决心号”的船东既不是NSF也不是德州农工大学,而是一家名为“海上钻井有限公司”(Overseas Drilling Limited,ODL)的私营公司。NSF通过合同委托USIO负责“决心号”的科学运行,USIO与ODL 签订协议,后者提供钻探船及海上运行和钻井等服务,USIO派出管理人员和技术人员,负责航次执行相关的科学管理和船上实验室的技术服务等。

2003—2013年(美国2004—2013财年),NSF提供5.3亿美金支持“决心号”的科学运行,完成了30个科学航次(表3)。运行成本主要分为平台成本和科学成本两部分。平台成本指运行钻探船的所有费用,科学成本主要是计划的管理、科学咨询机构、出版、科普教育等费用。

2013年进入新IODP后,为了节约成本和提高效率,“决心号”钻探船由德州农工大学独家运行,改名为“决心号”科学执行机构(JOIDES Resolution Science Operator,JRSO),但其基本功能不变。在新IODP 中,每个钻探平台成立各自的平台管理委员会(Facility Board,FB),负责钻探平台科学运行的管理和监督,是钻探平台的最高决策机构,向各自的资助机构负责。“决心号”的年度和长期航次规划安排由“ 决心号 ”平台 管理委员会(JOIDES Resolution Facility Board,JRFB)来决定。

在新的框架下,美国、日本和欧洲联合体3个平台独立寻找财政支持,美国是最大的赢家,IODP的成员国都参与到JR联合体中,除日本外,其他国家都直接提供资金支持(表 4),日本通过与“地球号”航次席位互换的方式参与JR联合体,欧洲联合体每年提供700万美元,同时MSP的席位也将与JR互换。此外,中国贡献300万美元,巴西贡献100万美元,澳大利亚—新西兰联盟为150万美元,印度和韩国均为100万美元。

从2014年以来执行航次的情况可以看出,“决心号”运行管理最为成功,截至2020年1月,已经顺利完成29个航次,2022年8月前的航次计划也已经排定,有6个航次正在等待执行,不过由于新冠疫情的影响,2020年1月以来的航次都推迟了(图3)。特别要强调的是,2017—2018年每年完成10个月的科学运行航次,在经费削减的情况下能做到这一点是十分不容易的,这主要得益于新IODP3个钻探平台独立寻找合作伙伴的新模式。通过这种方式,“决心号”每年可多获得1450万美元的运行费。此外,通过引入CPP新机制,即由建议方承担部分航次经费,获得额外的资金用以补助“决心号”运行费的不足。此前已顺利完成的IODP 349 航次和 IODP 355航次,由中国和印度分别提供600万美元的经费,资助方同时也获得更多航次权益,成为一种双赢的模式。2017年在南海执行的IODP 367、368 航次也采用CPP模式。目前美国NSF每年出资约4500万美元,再加上各国的会员费和CPP航次费用,基本可以维持“决心号”每年8个月的科学运行。

“地球号”的运行情况

自2007年开始,“地球号”正式投入IODP运行,由JAMSTEC旗下的 CDEX运行负责运行。与“决心号”不同,“地球号”属于国有资产,JAMSTEC也是日本最大的国立海洋研究中心,“地球号”的运行费由 JAMSTEC 负责,主要来自于日本文部省的拨款,少量来自于商业钻探的收入。CDEX的职能与USIO类似,包括航次运行、科学服务和工程发展等几个方面。2013年分家之后,“地球号”的成员仅有ECORD和ANZIC两家,其中 ECORD每年支付100万美元会员费,享受的权益包括:每个航次拥有1个席位(“地球号”航次执行时间都较长,中间可以轮换科学家),可在CIB中有1位正式成员。ANZIC缴纳30万美元的年费,在CDEX和航次首席科学家同意的前提下,可派科学家参加航次,可派观察员参加CIB会议。这样的资助力度对于“地球号”每年5000万美元的基本费用来说是杯水车薪,只是具有国际合作计划的名义而已。但由于“地球号”最近几年仅执行了3个航次,与预期有很大差距,因此ECORD和ANZIC都已暂停缴纳会费。

2007年至今共执行了16个航次(图 4),其中主要为综合大洋钻探阶段的成果,2007—2013年共执行12个航次,进入国际大洋发现计划以来,仅完成4个航次。由于“地球号”每年执行IODP航次的时间并不统一,因此有的年度支出巨大,而有的年度支出较少(表5),2007—2013年“地球号”对IODP的总投入约为4.5亿美元(加上2013年下半年的投入,总计约为5亿美元),平均每年约7000万美元。

“特定任务平台”的运行情况

MSP由ECORD的ESO负责运行,ESO由3个单位参与组成,其中英国地质调查局负责航次的准备与实施,德国不莱梅大学负责管理岩芯库及航次岸上研究工作,欧洲岩石物理联盟负责录井工作。欧洲组织的航次并没有固定的钻探船,每个航次根据需要租用不同的钻探船,具有很大的灵活性。

综合大洋钻探阶段,ESO共组织实施了5个航次(表6),MSP的第一个航次也是IODP迄今为止最成功的航次,即2004年的北冰洋古气候航次(IODP 302),航次后研究取得了令人瞩目的成果,仅在2006年,Nature 就以5篇文章介绍了航次的研究成果。除此之外,还有2005年在太平洋塔希提岛海域实施的310航次、2009年在美国新泽西岸外实施的313航次、2010年在澳大利亚大堡礁实施的325航次以及2013年完成的波罗的海古海洋学航次。

与美国USIO和日本CDEX的航次有所不同,欧洲的航次实施分为两部分——船上工作和岸上工作。由于MSP所用的钻探船(或平台)较小,一般容量有限,因此航次科学家团队只有部分人参加船上工作。在船上工作结束后,所有岩芯材料被运德国不莱梅大学的岩芯库,随后航次科学家团队齐聚不莱梅,进行岸上部分的工作,包括岩芯的描述、测量和分样等工作。

这一运行模式也决定了MSP的运行成本主要由2个部分构成:①租船和钻探费用;②前期准备和岸上工作费用。MSP每个航次租用不同的钻探船,因此钻探成本也有差别。欧洲联合体组织的航次都是美国、日本钻探船无法到达的区域,一般在浅水和极地实施,突显了MSP的特殊性,但欧洲联合体面临同美国和日本一样的问题,就是由于国际油价等上涨导致成本上升,使得欧洲联合体刚开始承诺的每年2个航次无法实现,变成平均2年1个航次。

2013年后,MSP总体运行良好,目前已完成了3个航次:在大西洋执行的IODP 357航次(亚特兰蒂斯海底过程),墨西哥湾钻探陨石撞击坑的IODP 364航次和研究希腊科林斯裂谷的IODP 381航次。目前已经规划了在南极和北极实施的2个极地航次,研究新生代南极冰盖与北冰洋古海洋变化,但由于经费和技术原因暂时推迟,有望在2022年实现。MSP瞄准美国和日本船不能去的浅水和极地海域,取得了非常突出的科学成就。相比而言,欧洲联合体属于花小钱办大事的典型,其经费来源于15个成员的会费,在其中大部分来自德国、法国和英国3个大国,占ECORD总预算近 80%,其他国家贡献剩余的20%。在这笔收入中,欧洲联合体拿出700 万美元交给美国,作为JR成员的会费,剩下的经费除必要的科学支撑费用外,平均每年可拿出1000万美元用来组织MSP的航次。

数据与样品管理

大洋钻探50年来获得岩芯总长度超过40万m,一直保存在大洋钻探的岩芯库里,所有这些岩芯以及船上获得的数据均向全世界科学家免费开放,科学家可以根据自己的兴趣申请需要的样品开展研究,只要在发表成果时注明样品由大洋钻探提供即可。

IODP有专门的岩芯库来保存和管理这些岩芯(包括DSDP和ODP时期的岩芯)。自2003年转入综合大洋钻探阶段以来,IODP的岩芯库进行了改革与重组。将ODP时期的4个岩芯库缩减为目前的3个,一直沿用至今。这3个岩芯库分别位于美国德州农工大学(Gulf Coast Repository,GCR)、德国不莱梅大学(Bremen Core Repository,BCR)和日本高知大学(Kochi Core Center,KCC)(图 5)。其中美国和德国的岩芯库建于ODP时期,而日本高知的岩芯库则由日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)和高知大学合作新建。ODP时期的另外2个岩芯库——ECR(East Coast Repository,位于美国东海岸的拉蒙特—多尔蒂地球观测所)和WCR(West Coast Repository,位于美国西海岸的斯克里普斯海洋研究所)被关闭,其中储存的岩芯按照地理位置转移到其他岩芯库中。所有岩芯都按照严格的标准被储藏在冷库里,对于一般的研究,岩芯储存在4 °C的温度即可,对于某些研究深部生物圈的岩芯,则需要储存在液氮或-80 °C的冷库中。

我国参加大洋钻探工作的建议

加入大洋钻探二十余年来,我国积极参与大洋钻探的科学研究和组织活动,先后派出来自教育部、中国科学院、自然资源部等部门共40余家大学和研究所的140余人次参加ODP/IODP航次。更为关键的是,在南海实现了4个由中国科学家设计和领导的ODP/IODP航次,即1999年执行的ODP 184航次,2014年执行的IODP 349航次和2017年执行的IODP 367、368航次,赢得了南海深海科学研究的主导权,在南海深海研究上取得局部优势。尽管取得了长足进步,但是也应该看到我国在大洋钻探中的发言权较小,目前投入经费仅占IODP总预算的4%,撰写建议书科学家人数还不到全球总数的2%,与美国和欧洲联合体还有较大差距,与我国建设海洋强国目标极不相称,亟需在国家需求和科学前沿紧密结合基础上,继续加大对我国科学家开展大洋钻探研究的支持力度,提升我国科学家积极性和深海科学研究能力,提高我国在深海研究和国际科技合作中的地位,支撑我国尽早进入国际大洋钻探领导层。

国际上,美国和日本都拥有专用的科学钻探船,而且日本船的技术要领先于美国船,投入经费也比美国多,但从实际运行效果来看,美国执行的航次和取得的科学成就都远远领先于日本,这主要得益于于美国的一流科技人才队伍和先进的管理水平。欧洲联合体虽然没有固定的钻探船,但是通过租用钻探船组织航次也进入了大洋钻探的领导层,再加上欧洲联合体几十年来的积累,培养了大批优秀的科学家,其对大洋钻探的引领和贡献都与美国处于同一个层次。因此,我们可以看出,是否能够自主组织航次是进入大洋钻探领导层的基本条件,而拥有一流科学家队伍是领导大洋钻探的关键。当前,我国正在积极推动自主组织航次,建设运行IODP岩芯实验室,成为与美国、日本和欧洲联合体并列的国际大洋钻探大科学计划的共同牵头方。我国正在建造天然气水合物钻采船(大洋钻探船)未来该船将有部分船时为国际大洋钻探服务。现阶段,我们需要在科学、技术和管理等各个层面做好准备,从而在我国的钻探船正式投入使用时,能够实现更多中国科学家设计领导的国际大洋钻探航次、在钻探装备和技术上攻克目前国际上的技术难题,真正实现领导国际大洋钻探的目标。为了更好地推进我国大洋钻探下一步工作,我们建议:

(1)大力支持中国科学家在全球各大洋开展研究,设立资助机制鼓励中国科学家牵头提出更多高质量的钻探建议书,培养一批国际领军人才。

(2)参考国际经验,依托国内优势力量,建立基础研究与生产部门联合使用的运行体制,确保钻探船运行良好。

(3)加强大洋钻探装备与技术领域的布局,在深钻技术、海底观测等领域开展协同攻关,突破当前深钻技术瓶颈,力争由中国科学家实现打穿地壳的宏伟目标,向地球深部进军。

(4)加强与广大发展中国家的合作,牵头成立“一带一路”大洋钻探联盟,将广大发展中国家,特别是将“一带一路”沿线国家吸纳进来,助力我国走向深海大洋。

本文节选自:拓守廷,温廷宇,张钊,李阳阳。大洋钻探计划运行的国际经验及对我国的启示[J]。地球科学进展,2021,36(6):632-642.

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信息来源:大洋钻探

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