深海探索:更好认识海洋
作者:汪品先 来源:《求是》 访问:277 日期: 2024-02-18

  海洋是生命的摇篮,空间广袤辽阔,资源丰富多样。发展海洋经济、建设海洋强国,对我国经济社会可持续发展,维护国家主权、安全、发展利益具有重要战略意义。

  习近平总书记高度重视海洋强国建设,多次对海洋强国建设作出重要指示批示,强调要关心海洋、认识海洋、经略海洋,加快海洋科技创新步伐。总书记在党的二十大报告中,强调“发展海洋经济,保护海洋生态环境,加快建设海洋强国”;赴地方考察调研时,多次到深海科学与工程研究所、海洋研究院等科研单位;连线“深海一号”作业平台,强调“要推动海洋科技实现高水平自立自强,加强原创性、引领性科技攻关,把装备制造牢牢抓在自己手里”;会见载人深潜先进单位和先进工作者代表,勉励大家为建设海洋强国作出更大成绩;致信祝贺“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试并胜利返航……总书记的重要论述和亲切关怀,为我国深海探索注入了强大动力、指明了前进方向。

  从“蛟龙”号到“深海勇士”号再到“奋斗者”号,从“深潜”到“深钻”再到“深网”,我国深海探测开发事业蓬勃发展,取得了举世瞩目的成绩。伴随着科学技术的发展,人类进一步探索深海的时代正在来临。

  一、深海探索的历程

  深海充满神秘色彩,探索深海一直是人类的梦想。历史上,人类对深海的认知非常有限。进入20世纪,随着深海探测技术不断突破,人类才慢慢揭开深海未知世界的神秘面纱。

  从海洋外面探索海洋。全球海洋平均深度约3680米。通常将海平面200米以下水深的黑暗海域称为深海,所以大洋95%是永恒的黑暗。深度每下降10米,就会增加一个大气压,全球洋底平均有300多个大气压。黑暗无光、海水压力巨大、海底地形复杂,想要进行深海探测,就必须发展相应的技术。20世纪30年代,人们开始使用物理波通过远距离非接触的方法,从海洋外面来探索海洋。20世纪中期,遥感技术的发明带来了海洋探测手段的革命。利用遥感技术,科学家能够从空中对海洋进行大面积观测。但是遥感的电磁波局限在探测海洋的顶层,进入不了深海。之后,能在海水中自由传播的声波,成为海洋水文测量和水下通讯的主要手段。对海底地震波的追踪,也成为探索海底地质结构、揭示地球内部物质组成的重要手段。

  进入海洋内部的深潜技术。首先为人类进入深海提供“入场券”的是深潜技术。最早的深潜器是两位美国科学家乘坐的空心潜水球,1930年在百慕大首次成功下潜到水下183米。1960年,瑞士人设计的“的里雅斯特”号深海潜水器,承载两人深潜到马里亚纳海沟的10916米处,停留了20分钟,一举打破深潜的最高纪录。此后,又逐步出现能够在水下移动、采样,具有探测功能的深潜器。目前,世界上只有中国和美、法、俄、日5个国家拥有载人深潜器。近年来,我国自主设计和研制的“蛟龙”号、“深海勇士”号和“奋斗者”号深潜器累计下潜超过1000次,下潜深度覆盖了大洋纵深万余米的“全海深”。我国还陆续研制出应用范围更广的无人深潜器和深海机器人,包括遥控水下机器人、自主水下机器人、混合式自主遥控水下机器人、水下滑翔机等,初步建立起全海深潜水器谱系,具备了全海深探测与作业能力。

图为2023年5月26日,潜航员为“深海勇士”号载人潜水器解开与“探索一号”科考船相连的缆绳,为载人潜水器下潜做准备。

新华社记者 蒲晓旭/摄

  “下海”加“入地”的大洋钻探。在深海海底钻探地壳,涉及深海探索中难度最高、耗费最大的技术。国际大洋钻探计划是由全球20多个国家参与合作的国际研究计划,1968年正式运作,半个多世纪以来在全球各大洋钻井4000多口、取芯(即对地层进行岩石取样)超过49万米,所取得的研究成果证实了海底扩张等理论,揭示了深海极端生命和资源的奥秘,从根本上改变了人类对地球的认识。1998年,我国加入国际大洋钻探计划。1999年,我国科学家自主设计和主持的第一个南海大洋钻探航次,实现了南海深海钻探零的突破。2014年到2018年,我国又相继完成3个钻探航次探索南海成因,使南海成为大洋钻探研究程度最高的边缘海。从深海打钻探索地球内部是科研发展趋势,未来,大洋钻探在深海和地球科学中的地位还将继续攀升。

  常驻深海的海底观测网。深海观测,不仅需要从海面向下探索,而且需要从海底向上观测。海洋科学也不满足于短暂的考察,而是追求进入海洋内部进行原位的长期连续观测。于是,海底观测网应运而生。海底观测网将各种传感器放到海底,用光电缆联网接到岸上,把测量所得信息传送回来。传感器与穿梭在节点之间的自主水下机器人、着陆器等多种设备配合运行,构成功能强大的深海观测系统,直接在水下分析信息,从而实现从海底到海面全天候、长期、连续、实时、综合的原位观测。海底观测网是21世纪的新事物,第一个大型观测网是2009年在加拿大建成的“海王星”网。2015年,日本建成缆线长5700千米的海沟海底地震海啸观测网(S-net),专门预警地震海啸。2016年,美国的海底观测网(OOI)投入使用,包括区域网、近岸网和全球网三大部分,是目前规模最大的海底观测网。我国也已经启动了大科学工程,汇集各学科、各领域、各层次科技资源,正在东海和南海建造海底科学观测网。

  “深潜”、“深钻”、“深网”合称“三深”,构成当前进入深海内部进行科学探索的主力。经过近一个世纪的探索,人类极大拓展了对深海的认知。

  二、深海底部的科学发现

  人们曾经以为,永恒黑暗的深海是没有运动、没有生命的死寂世界。随着探索的深入,人们发现深海不但地形起伏,充盈着水流和生命活动,而且充满了想象不到的奥秘。

  深海底部的双向运动。深海热液是20世纪海洋科学的重大发现之一,包括高温热液和低温热液。1979年,美国的载人深潜器“阿尔文”号在东太平洋进行深潜考察时,发现海底有2米高的“黑烟囱”向上喷出滚滚浓烟。原来,这是渗入地壳的海水与上升的岩浆接触后,形成的富含金属元素的热液,即深海热液。350℃的高温热液向上喷出,在遇到海水冷却沉淀后,所含的硫化物形成了像“黑烟囱”一样的景观。人们由此推测,深海热液是岩浆活动的副产品。此后,又经过30年的探测,全球累计发现500多处活动的热液口,其中,一半分布在板块扩张的大洋中脊,一半分布在板块俯冲的火山弧一带。除了岩浆活动,上地幔的橄榄岩在洋中脊或者俯冲带出露,与海水发生化学反应,也能产生热量而引起热液活动。不过,这种热液温度只有40℃到90℃,被称为低温热液。2000年,“阿尔文”号在大西洋中脊附近发现了方解石等构成的“白烟囱”。“白烟囱”就是低温热液的产物,可以形成10米到60米的尖塔。比深海热液分布更广的是冷泉,也就是天然气水合物的甲烷泄出口。在深海海底高压低温的条件下,甲烷很容易被包在水冰分子里,形成天然气水合物(可燃冰)。但是水合物在海底并不稳定,温度压力稍有变化就会放出气体,形成冷泉。热液和冷泉从海底自下而上向海水输送物质,海水自上而下向地壳渗透、海底板块向下俯冲,在深海海底形成双向运动的物质和能量交换。

  地球的第二生物圈。热液生物群也是20世纪海洋科学的重要发现之一。1977年,也就是发现“黑烟囱”的两年前,人们在东太平洋发现了热液生物群。热液动物中,有螃蟹,有30厘米长的白色大贝壳,还有长着红色鳃状羽、成簇生长的管状蠕虫,等等。管状蠕虫没有消化器官,也没有口和肛门,以体内共生的硫细菌进行化学合成为生。在无阳光、无养分的大洋深处,热液生物群生存的基础是细菌。细菌依靠热液的热量和深源的硫化氢,通过化学合成制造有机物,支撑管状蠕虫等热液生物的生存。管状蠕虫引来以它们为食的软体动物和鱼类,又为微生物提供生存条件。就这样,深海水底的“黑暗食物链”得以形成。热液生物群的发现,颠覆了人们过去对生命必须依靠太阳才能生存的基本认识。1983年,墨西哥湾深海海底,在水温只有4.5℃的冷泉口发现了管状蠕虫簇,伴有成堆的贻贝、小虾和海参等,也形成了与热液口类似的“黑暗食物链”。深海探索发现,不仅太阳可以通过叶绿素的光合作用在氧化环境下制造有机物,形成人们熟知的“万物生长靠太阳”的生物圈;在黑暗的深海海底,还存在依靠地球内部的地热能,通过微生物的化学合成作用,在还原环境(即没有氧气的同时存在大量还原性物质,如甲烷、硫化物等)制造有机物的第二生物圈。这个发现,对人们认识和探索生命起源和地外生命产生了重大影响。

  深入海底探索地球内部。地幔占地球体积的4/5、地球质量的2/3。但是,隔着地壳,至今谁都没有见过原位地幔的真面目。大陆地壳的平均厚度为30千米左右,大洋地壳的平均厚度只有7千米左右,而深海地壳的平均厚度只有大陆地壳的1/5,所以,可以说深海底是距离地球内部最近的地表。尤其是洋中脊和俯冲带深海沟,是地球内部和表层交换物质和能量的通道,也是人类探测地球内部的最佳切入点。早在60多年前,学术界就曾经发起过钻穿地壳、探索地幔的“莫霍计划”,但由于对技术和经费要求过高,直到今天这项计划还是地球科学界未圆的梦。近年来,深入海底探索地球内部的需求和呼声逐年增长。地球系统科学理论把地球看作“牵一发而动全身”的完整系统,强调研究地球表层和深部的相互作用,认为地球内部的水、碳循环和地球表层是相互连接的,而且储量远超地球表面。可以相信,随着科学研究的深入,从深海探索地球内部会成为科学界的热点,人类对深海和地球的认识将进一步拓展。

  三、深海资源开发

  随着全球海洋经济的快速发展,深海资源逐渐成为人类探索的新热点。深海资源包括海底矿产资源、生物资源以及能源等。这些资源的开发,对于满足人类的需要、推动经济的发展具有重要意义。

  海底油气资源开发。石油是最早被注意到的海底资源之一,其经济价值在海洋经济中位居前列。全球发现的重大油气田有70%来自水深超过1000米的海域。科学家估计,在北冰洋下面储存着大量的原油和天然气,分别占尚未开采储量的13%和25%。目前,我国在深海油田的勘探开发上取得了卓越成绩,建成莺琼盆地“深海一号”超深水大气田、投产珠江口“深蓝探索”智能深水钻井平台,实现了深水油气技术上的重大突破。

  深海金属矿产开发。深海金属矿产包括多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物三大类。多金属结核分布在水下4000米到5000米深海平原的表面;富钴结壳呈层状附着在海山的岩石表面,钴含量最高可达1.7%;多金属硫化物分布在深海热液区,是块状的金属硫化物矿,成分包括硫化铅、锌、铜、金、银等。深海金属矿藏中,锰结核发现得最早。20世纪六七十年代,欧美国家派出了数以百计的航次前往太平洋,试图开采锰结核。但是,受限于技术条件和环境保护需要,锰结核一直没有实现商业开采。富钴结壳矿藏位置较浅、经济价值高、储量丰富。据估计,仅太平洋的钴储量就达5000万吨,相当于陆地储量的7倍。但是,贴在岩石上的结壳只有几厘米厚,开采起来并不容易。相较而言,多金属硫化物最可能率先实现商业开采。近年来,随着清洁能源技术快速发展,深海金属矿产开采再度被提上日程,但是采矿可能带来的环境问题尚未找到解决办法。如何实现深海矿藏绿色开发,已成为海底资源开发利用的重要议题。

图为遥控无人潜水器拍摄到的“海底花园”。 新华社发

  深海生物资源开发。近年来,海底拖网等过度渔业作业,对深海海底生态系统造成了严重破坏。深海生物资源的开发利用,必须改换思路、另辟蹊径,避免过度捕捞,转而着重于海洋生物多样性的开发。全球大洋大约有220万种动物、10亿种类型的微生物。探索发现,不但深海沉积物里有细菌,海底玄武岩甚至下地壳里也有微生物。这类生活在地下深处岩石孔隙里的微生物分布极广,构成了地球上最底层的“深部生物群”,是地球上最大的生态系统。这些微生物生活在“水深火热”的条件下,新陈代谢极其缓慢,“寿命”可以万年计算。深海生物具有各种各样的“特殊功能”,有的能适应高温高压,有的能在还原缺氧环境下繁盛,提供这些特殊功能的基因是无价之宝,可能给人类带来全新福祉。可见,基因资源是深海生物资源开发的全新方向,相关应用已经初见端倪,在制药领域有较为突出的潜力,在美容保健等领域也有广阔的前景。

  四、现实挑战与未来前景

  近年来,深海技术的不断创新,深海科学的飞跃发展,为人类进一步认识海洋、开发海洋创造了条件。同时,随着深海探索的拓展,海洋资源开发保护也面临越来越多的挑战。

  深海探测是高科技的挑战,必须重视防范技术风险。日本万米级无人深潜器“海沟”号一度是世界深潜器的翘楚,却因缆绳断裂于2003年在太平洋永远消失。2010年,墨西哥湾“深水地平线”钻井平台防喷系统失灵等原因导致油井爆炸沉没,11人遇难、17人受伤,漏油长达几个月,造成海上9900平方千米的巨大油污带,成为损害极其严重的海上事故。这些事故警示人们,深海探索面临极高的科技风险,技术故障引发的意外可能需要付出经济、环境甚至生命的代价。深海神秘也危险、美丽也脆弱,人类大意不得,要高度重视技术安全。

  人类探索深海,也要保护深海。如何在保护海洋生态环境的同时,推动科学研究不断深入、实现深海资源可持续利用,这是深海探索面临的又一个挑战。与陆地相比,深海的时间往往比陆地慢几个量级,比如锰结核百万年才长一厘米,深部生物群的繁殖周期以千年计。人类排放的污染物质一旦进入深海造成生态环境破坏,后果比在陆地严重得多,可能带来不可逆的、难以弥补的损失。当前深海探索的首要任务是发展深海科技,绝不能带着“淘金”的狂热竭泽而渔、“挖空”深海,而是应通过科技发展促进海洋的开发与保护。

  事实上,我们在深海面前还是小学生。人类在陆地尚且历经几千年才学会利用资源,从采集和渔猎进步到农耕畜牧,发展起农牧业;同样,人类进入深海也不可能一蹴而就。目前,深海探索只相当于中石器时代人类对陆地资源的开发利用,相当于“采集”和“渔猎”水平,未来还有很远的航程。

  我国海洋事业已经实现了一系列突破性进展,形成了一系列标志性成果。进入新时代以来,我国海洋资源开发保护重大工程扎实推进,海洋重器接连问世,我国首艘大洋钻探船试航圆满成功,海洋油气勘探开发实现水深3000米的跨越,“蓝鲸1号”在南海成功试采可燃冰,海洋经济向质量效益型转变取得显著成效,海洋生态安全屏障进一步筑牢。我国全面推动海洋命运共同体理念走深走实,深度参与并支持全球海洋治理。深耕蓝色国土,建设海洋强国,我国海洋事业正在向海洋深处挺进。