探索海洋深處的奧秘(開卷知新)

圖為“蛟龍”號載人深潛器。

　　習近平總書記強調，要進一步關心海洋、認識海洋、經略海洋，推動我國海洋強國建設不斷取得新成就。

　　伴隨深海探測技術的發展，人類深入認識深海的時代正在來臨。500年前達·芬奇設計潛水服、150年前凡爾納寫《海底兩萬裡》，當時的科學幻想如今正在成為現實。

　　從科學角度看，探索深海能夠幫助人類深入了解海洋的奧秘、地球的奧秘。水深超過2000米的深海，佔據地球表面的3/5，無論溫室氣體排放的歸宿，還是氣候長期變化的源頭，都要追溯到海水深層。不僅如此，海底是距離地球內部最近的地方：大陸地殼平均35公裡厚，大洋地殼則為7公裡。揭示板塊運動的規律、窺探地球內部的真相，也要到深海底部進行探索。

　　從經濟角度看，深海蘊藏著豐富的礦產、油氣和生物資源。目前，海洋石油產量佔世界石油產量的30%，高居世界海洋經濟首位，其中發展最快的是深水油田。近年來全球重大油氣發現，70%來自水深超過1000米的水域。海底有待開發的資源非常豐富，現在還只是起步階段。比如海底的微生物新陳代謝極其緩慢，生殖周期在千年以上，但人類尚不知如何利用其“長壽基因”﹔太平洋一片深海黏土所含的稀土元素可供人類使用幾十年，但開採利用技術尚待研發。

　　深潛、深鑽、深網是當今探索深海奧秘的三大手段，即深潛科學考察、國際大洋鑽探和國家海底科學觀測網建設。深潛是直觀的深海探索，但在空間和時間上都存在局限性。深潛最深隻能到海底，從海底往下得靠鑽探，這就是深鑽﹔深潛的運行時間隻能以小時計，想要長期連續觀測就得將傳感器放到海底，聯網觀測，這就是深網。深潛、深鑽和深網，共同擔起深海探索的技術重任。目前，我國已建立起“三深”格局，深海科考進入快速發展期。

　　深潛：深海探索的尖兵

　　明代《天工開物》中就有關於潛水的記載：屏住一口氣潛入海底“沒水採珠”。但是海水每加深10米就增加一個大氣壓，深海下潛隻能在某種容器裡進行。

　　20世紀晚期，人類在克服地心引力進入太空的同時，也頂住水柱壓力進入深水海底。經過潛水鐘、潛水球的試探，1960年，“的裡亞斯特”號深潛器下潛到太平洋馬裡亞納海溝水深10916米的海底，將兩個人首次送入地球表面的最深處。經過幾十年的探索，現在的深潛器已經發展為作業型，配有動力系統和各種取樣設施，成為深海探索的尖兵，其突出貢獻是1979年在東太平洋發現黑煙囪熱液系統。上世紀80年代，美國、法國、蘇聯、日本分別建造了載人深潛器，最深可以潛入6500米。

　　我國深海科技起步較晚但發展迅速。2012年，“蛟龍”號載人深潛器下潛至7062米，創世界同類作業型潛水器最大下潛深度紀錄。2017年，4500米型的“深海勇士”號載人深潛器正式投入使用，國產自主率超過95%。目前，萬米級全水深的載人深潛器已經處於試驗階段，我國正邁向國際深潛設施制造前列。正是通過載人深潛，我國在南海發現了海山上成片的多金屬結核、古熱液區和冷水珊瑚林，在西南印度洋勘查了金屬硫化物礦點。

　　隨著自動化和人工智能的發展，探索深海也可以不用人類親身下潛。上世紀70年代以來迅速發展的非載人深潛器，同樣可以進行許多項目的科學探索，而且具有成本低、效率高的優勢。世界上載人深潛器為數稀少，無人遙控潛水器則已廣泛使用。由於有臍帶纜和母船連接，遙控潛水器有充足的能源保障，不僅可用於長時間的科研考察，更是當前水下工程作業的主力。我國70年代末開始研制非載人深潛器，進展迅速，“海馬”號4500米級遙控潛水器、“潛龍”號無人無纜自主潛水器、“海龍”號無人有纜潛水器等，正在壯大著我國深潛器的陣營。

　　深鑽：窺探地球內部奧秘

　　“三深”中規模最大、需要國際合作進行的，是國際大洋鑽探計劃的深鑽。國際大洋鑽探計劃從1968年開始，是由20多個國家共同參加的科學探索計劃，其任務是探索深海底下的地球內部，是國際科學界為時最久、影響最大的合作計劃。

　　大洋鑽探由於技術要求高、經費投入大，必須依靠國際合作。大洋鑽探每兩個月執行一個鑽探航次，每個航次採用的都是最先進的鑽探船，科技含量極高。半個世紀來，大洋鑽探在世界大洋鑽井4000多口，取回岩芯40多萬米，從多方面加深了人類對地球的認識。比如70年代的大洋鑽探，証實了地球構造運動的板塊學說，找到了氣候長期變化的軌道驅動﹔后來的鑽探又發現了海底的天然氣水合物，以及地殼裡微生物構成的“深部生物圈”。大洋鑽探始終引領著國際地球科學的發展。

　　我國是大洋鑽探的新兵，1998年方才參加，但在1999年就成功實施了南海第一次大洋鑽探，探索季風氣候演變的歷史。2014至2018年間，我國又接連完成三個半鑽探航次，揭示了南海海盆張裂、海底擴張的歷史，使南海成為深部過程研究程度最高的邊緣海。重要的是，所有這些航次都是在中國科學家提議、設計和共同主持下實施的。

　　深網：把“氣象站”和“實驗室”建在海底

　　世界海洋科學正在轉型：從海面船隻的短暫測量，轉為海洋內部的長期觀測。長久以來，人類主要從海洋外部觀察海洋，而許多深海現象隻有通過對海洋內部的長期觀測才能發現。比如海洋災害的預警，在最需要觀測的時候，船隻卻無法抵近。90年代起，國際海洋界開始將傳感器放到海底，再用光電纜接到岸上傳送能量和信息。這樣建成的海底觀測網可以不間斷地進行長期現場觀測，無論有台風還是地震都可以連續運作，將深海的現場數據實時送到實驗室。

　　進入新世紀，發達國家掀起了建設海底觀測網的熱潮。2009年，加拿大“海王星”觀測網率先建成，水深3000米、纜線長800公裡﹔2015年，日本建成S—Net網，從本州島連到太平洋8000米水深的日本海溝，布設150個監測站、纜線總長5700公裡，號稱世界最大的地震監測網﹔2016年，美國OOI海底觀測系統正式建成，包含區域網、近岸網、全球網三大系統，設置900多個探頭對美國岸外進行多學科的海底觀測﹔此外，歐盟14個國家參加的EMSO計劃，從地中海直到北冰洋都將布設海底觀測網。

　　海底觀測網相當於在海底建立“氣象站”和“實驗室”，極大提升海洋觀測能力，標志著新一代海洋科學的建立。從應用上講，海底觀測網是預警地震海嘯最為有效的手段。世界上85%的火山在海底，布設海底裝置能夠實時監測火山爆發，將來或能對海底火山爆發作“現場直播”。

　　我國從2005年起開始推進海底觀測網的建設，2009年建設近岸的實驗觀測站。此后，又在南海北部進行了大量深水海流和沉積過程的長期觀測。2017年，我國國家海底科學觀測網正式被批復建立，將在我國東海和南海分別建立海底科學觀測系統，從海底向海面進行全天候、實時和高分辨率的多界面立體綜合觀測。

　　近10年來，建設中的海底科學觀測網除了光纜聯網的設備外，還有著大量無線聯網的活動觀測平台，包括自主水下航行器、水下滑翔機、海底爬行車等。

　　由於深海開發尚處起步階段，在取得成功的同時，也時有災難發生。2010年，墨西哥灣一口創紀錄的深水油井打開了大油田，但是鑽井平台爆炸導致在接下來的5個月裡，50萬立方米的原油漏入墨西哥灣，造成史上最嚴重的海上事故。進入深海不僅要防止災害，還要關注環境保護。深海的特點在於連通性強，而且有大量的“慢過程”，深水珊瑚上千年才長一株，多金屬結核百萬年才長幾厘米。污染物質的排放或者生態環境的破壞，后果要比在陸地嚴重得多。人類在深海面前還是個小學生，當前的首要任務是發展深海科技，決不能帶著“淘金”的狂熱去開發深海。開發深海，大量技術上的新挑戰還在前面。

　　深海開發是面向未來的事業。如果說16世紀的“地理大發現”是人類在橫向上進入海洋，21世紀將是人類在垂向上進入海洋。深潛、深鑽、深網，深耕藍色國土，建設海洋強國，我國海洋事業正在向海洋深處挺進，期待中國科學家為人類海洋事業做出更大貢獻。

　　（作者為同濟大學教授、中國科學院院士） 

　　推薦讀物：

　　1.《深海淺說》：汪品先著﹔上海科技教育出版社出版。

　　2.《搏擊滄海：地學革命風雲錄》：許靖華著﹔地質出版社出版。

　　3.《深海探險簡史》：R.D.巴拉德著﹔上海科學技術出版社出版。