深海探索：更好認識海洋
汪品先
海洋是生命的搖籃，空間廣袤遼闊，資源豐富多樣。發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設海洋強國，對我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，維護國家主權(quán)、安全、發(fā)展利益具有重要戰(zhàn)略意義。
習近平總書記高度重視海洋強國建設，多次對海洋強國建設作出重要指示批示，強調(diào)要關(guān)心海洋、認識海洋、經(jīng)略海洋，加快海洋科技創(chuàng)新步伐?？倳浽邳h的二十大報告中，強調(diào)“發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，加快建設海洋強國”；赴地方考察調(diào)研時，多次到深海科學與工程研究所、海洋研究院等科研單位；連線“深海一號”作業(yè)平臺，強調(diào)“要推動海洋科技實現(xiàn)高水平自立自強，加強原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)，把裝備制造牢牢抓在自己手里”；會見載人深潛先進單位和先進工作者代表，勉勵大家為建設海洋強國作出更大成績；致信祝賀“奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試并勝利返航……總書記的重要論述和親切關(guān)懷，為我國深海探索注入了強大動力、指明了前進方向。
從“蛟龍”號到“深海勇士”號再到“奮斗者”號，從“深潛”到“深鉆”再到“深網(wǎng)”，我國深海探測開發(fā)事業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了舉世矚目的成績。伴隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類進一步探索深海的時代正在來臨。
一、深海探索的歷程
深海充滿神秘色彩，探索深海一直是人類的夢想。歷史上，人類對深海的認知非常有限。進入20世紀，隨著深海探測技術(shù)不斷突破，人類才慢慢揭開深海未知世界的神秘面紗。
從海洋外面探索海洋。全球海洋平均深度約3680米。通常將海平面200米以下水深的黑暗海域稱為深海，所以大洋95%是永恒的黑暗。深度每下降10米，就會增加一個大氣壓，全球洋底平均有300多個大氣壓。黑暗無光、海水壓力巨大、海底地形復雜，想要進行深海探測，就必須發(fā)展相應的技術(shù)。20世紀30年代，人們開始使用物理波通過遠距離非接觸的方法，從海洋外面來探索海洋。20世紀中期，遙感技術(shù)的發(fā)明帶來了海洋探測手段的革命。利用遙感技術(shù)，科學家能夠從空中對海洋進行大面積觀測。但是遙感的電磁波局限在探測海洋的頂層，進入不了深海。之后，能在海水中自由傳播的聲波，成為海洋水文測量和水下通訊的主要手段。對海底地震波的追蹤，也成為探索海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、揭示地球內(nèi)部物質(zhì)組成的重要手段。
進入海洋內(nèi)部的深潛技術(shù)。首先為人類進入深海提供“入場券”的是深潛技術(shù)。最早的深潛器是兩位美國科學家乘坐的空心潛水球，1930年在百慕大首次成功下潛到水下183米。1960年，瑞士人設計的“的里雅斯特”號深海潛水器，承載兩人深潛到馬里亞納海溝的10916米處，停留了20分鐘，一舉打破深潛的最高紀錄。此后，又逐步出現(xiàn)能夠在水下移動、采樣，具有探測功能的深潛器。目前，世界上只有中國和美、法、俄、日5個國家擁有載人深潛器。近年來，我國自主設計和研制的“蛟龍”號、“深海勇士”號和“奮斗者”號深潛器累計下潛超過1000次，下潛深度覆蓋了大洋縱深萬余米的“全海深”。我國還陸續(xù)研制出應用范圍更廣的無人深潛器和深海機器人，包括遙控水下機器人、自主水下機器人、混合式自主遙控水下機器人、水下滑翔機等，初步建立起全海深潛水器譜系，具備了全海深探測與作業(yè)能力。
圖為2023年5月26日，潛航員為“深海勇士”號載人潛水器解開與“探索一號”科考船相連的纜繩，為載人潛水器下潛做準備。 新華社記者 蒲曉旭/攝
“下海”加“入地”的大洋鉆探。在深海海底鉆探地殼，涉及深海探索中難度最高、耗費最大的技術(shù)。國際大洋鉆探計劃是由全球20多個國家參與合作的國際研究計劃，1968年正式運作，半個多世紀以來在全球各大洋鉆井4000多口、取芯（即對地層進行巖石取樣）超過49萬米，所取得的研究成果證實了海底擴張等理論，揭示了深海極端生命和資源的奧秘，從根本上改變了人類對地球的認識。1998年，我國加入國際大洋鉆探計劃。1999年，我國科學家自主設計和主持的第一個南海大洋鉆探航次，實現(xiàn)了南海深海鉆探零的突破。2014年到2018年，我國又相繼完成3個鉆探航次探索南海成因，使南海成為大洋鉆探研究程度最高的邊緣海。從深海打鉆探索地球內(nèi)部是科研發(fā)展趨勢，未來，大洋鉆探在深海和地球科學中的地位還將繼續(xù)攀升。
常駐深海的海底觀測網(wǎng)。深海觀測，不僅需要從海面向下探索，而且需要從海底向上觀測。海洋科學也不滿足于短暫的考察，而是追求進入海洋內(nèi)部進行原位的長期連續(xù)觀測。于是，海底觀測網(wǎng)應運而生。海底觀測網(wǎng)將各種傳感器放到海底，用光電纜聯(lián)網(wǎng)接到岸上，把測量所得信息傳送回來。傳感器與穿梭在節(jié)點之間的自主水下機器人、著陸器等多種設備配合運行，構(gòu)成功能強大的深海觀測系統(tǒng)，直接在水下分析信息，從而實現(xiàn)從海底到海面全天候、長期、連續(xù)、實時、綜合的原位觀測。海底觀測網(wǎng)是21世紀的新事物，第一個大型觀測網(wǎng)是2009年在加拿大建成的“海王星”網(wǎng)。2015年，日本建成纜線長5700千米的海溝海底地震海嘯觀測網(wǎng)（S-net），專門預警地震海嘯。2016年，美國的海底觀測網(wǎng)（OOI）投入使用，包括區(qū)域網(wǎng)、近岸網(wǎng)和全球網(wǎng)三大部分，是目前規(guī)模最大的海底觀測網(wǎng)。我國也已經(jīng)啟動了大科學工程，匯集各學科、各領(lǐng)域、各層次科技資源，正在東海和南海建造海底科學觀測網(wǎng)。
“深潛”、“深鉆”、“深網(wǎng)”合稱“三深”，構(gòu)成當前進入深海內(nèi)部進行科學探索的主力。經(jīng)過近一個世紀的探索，人類極大拓展了對深海的認知。
二、深海底部的科學發(fā)現(xiàn)
人們曾經(jīng)以為，永恒黑暗的深海是沒有運動、沒有生命的死寂世界。隨著探索的深入，人們發(fā)現(xiàn)深海不但地形起伏，充盈著水流和生命活動，而且充滿了想象不到的奧秘。
深海底部的雙向運動。深海熱液是20世紀海洋科學的重大發(fā)現(xiàn)之一，包括高溫熱液和低溫熱液。1979年，美國的載人深潛器“阿爾文”號在東太平洋進行深潛考察時，發(fā)現(xiàn)海底有2米高的“黑煙囪”向上噴出滾滾濃煙。原來，這是滲入地殼的海水與上升的巖漿接觸后，形成的富含金屬元素的熱液，即深海熱液。350℃的高溫熱液向上噴出，在遇到海水冷卻沉淀后，所含的硫化物形成了像“黑煙囪”一樣的景觀。人們由此推測，深海熱液是巖漿活動的副產(chǎn)品。此后，又經(jīng)過30年的探測，全球累計發(fā)現(xiàn)500多處活動的熱液口，其中，一半分布在板塊擴張的大洋中脊，一半分布在板塊俯沖的火山弧一帶。除了巖漿活動，上地幔的橄欖巖在洋中脊或者俯沖帶出露，與海水發(fā)生化學反應，也能產(chǎn)生熱量而引起熱液活動。不過，這種熱液溫度只有40℃到90℃，被稱為低溫熱液。2000年，“阿爾文”號在大西洋中脊附近發(fā)現(xiàn)了方解石等構(gòu)成的“白煙囪”?！鞍谉焽琛本褪堑蜏責嵋旱漠a(chǎn)物，可以形成10米到60米的尖塔。比深海熱液分布更廣的是冷泉，也就是天然氣水合物的甲烷泄出口。在深海海底高壓低溫的條件下，甲烷很容易被包在水冰分子里，形成天然氣水合物（可燃冰）。但是水合物在海底并不穩(wěn)定，溫度壓力稍有變化就會放出氣體，形成冷泉。熱液和冷泉從海底自下而上向海水輸送物質(zhì)，海水自上而下向地殼滲透、海底板塊向下俯沖，在深海海底形成雙向運動的物質(zhì)和能量交換。
地球的第二生物圈。熱液生物群也是20世紀海洋科學的重要發(fā)現(xiàn)之一。1977年，也就是發(fā)現(xiàn)“黑煙囪”的兩年前，人們在東太平洋發(fā)現(xiàn)了熱液生物群。熱液動物中，有螃蟹，有30厘米長的白色大貝殼，還有長著紅色鰓狀羽、成簇生長的管狀蠕蟲，等等。管狀蠕蟲沒有消化器官，也沒有口和肛門，以體內(nèi)共生的硫細菌進行化學合成為生。在無陽光、無養(yǎng)分的大洋深處，熱液生物群生存的基礎是細菌。細菌依靠熱液的熱量和深源的硫化氫，通過化學合成制造有機物，支撐管狀蠕蟲等熱液生物的生存。管狀蠕蟲引來以它們?yōu)槭车能涹w動物和魚類，又為微生物提供生存條件。就這樣，深海水底的“黑暗食物鏈”得以形成。熱液生物群的發(fā)現(xiàn)，顛覆了人們過去對生命必須依靠太陽才能生存的基本認識。1983年，墨西哥灣深海海底，在水溫只有4.5℃的冷泉口發(fā)現(xiàn)了管狀蠕蟲簇，伴有成堆的貽貝、小蝦和海參等，也形成了與熱液口類似的“黑暗食物鏈”。深海探索發(fā)現(xiàn)，不僅太陽可以通過葉綠素的光合作用在氧化環(huán)境下制造有機物，形成人們熟知的“萬物生長靠太陽”的生物圈；在黑暗的深海海底，還存在依靠地球內(nèi)部的地熱能，通過微生物的化學合成作用，在還原環(huán)境（即沒有氧氣的同時存在大量還原性物質(zhì)，如甲烷、硫化物等）制造有機物的第二生物圈。這個發(fā)現(xiàn)，對人們認識和探索生命起源和地外生命產(chǎn)生了重大影響。
深入海底探索地球內(nèi)部。地幔占地球體積的4/5、地球質(zhì)量的2/3。但是，隔著地殼，至今誰都沒有見過原位地幔的真面目。大陸地殼的平均厚度為30千米左右，大洋地殼的平均厚度只有7千米左右，而深海地殼的平均厚度只有大陸地殼的1/5，所以，可以說深海底是距離地球內(nèi)部最近的地表。尤其是洋中脊和俯沖帶深海溝，是地球內(nèi)部和表層交換物質(zhì)和能量的通道，也是人類探測地球內(nèi)部的最佳切入點。早在60多年前，學術(shù)界就曾經(jīng)發(fā)起過鉆穿地殼、探索地幔的“莫霍計劃”，但由于對技術(shù)和經(jīng)費要求過高，直到今天這項計劃還是地球科學界未圓的夢。近年來，深入海底探索地球內(nèi)部的需求和呼聲逐年增長。地球系統(tǒng)科學理論把地球看作“牽一發(fā)而動全身”的完整系統(tǒng)，強調(diào)研究地球表層和深部的相互作用，認為地球內(nèi)部的水、碳循環(huán)和地球表層是相互連接的，而且儲量遠超地球表面。可以相信，隨著科學研究的深入，從深海探索地球內(nèi)部會成為科學界的熱點，人類對深海和地球的認識將進一步拓展。
三、深海資源開發(fā)
隨著全球海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，深海資源逐漸成為人類探索的新熱點。深海資源包括海底礦產(chǎn)資源、生物資源以及能源等。這些資源的開發(fā)，對于滿足人類的需要、推動經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。
海底油氣資源開發(fā)。石油是最早被注意到的海底資源之一，其經(jīng)濟價值在海洋經(jīng)濟中位居前列。全球發(fā)現(xiàn)的重大油氣田有70%來自水深超過1000米的海域。科學家估計，在北冰洋下面儲存著大量的原油和天然氣，分別占尚未開采儲量的13%和25%。目前，我國在深海油田的勘探開發(fā)上取得了卓越成績，建成鶯瓊盆地“深海一號”超深水大氣田、投產(chǎn)珠江口“深藍探索”智能深水鉆井平臺，實現(xiàn)了深水油氣技術(shù)上的重大突破。
深海金屬礦產(chǎn)開發(fā)。深海金屬礦產(chǎn)包括多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物三大類。多金屬結(jié)核分布在水下4000米到5000米深海平原的表面；富鈷結(jié)殼呈層狀附著在海山的巖石表面，鈷含量最高可達1.7%；多金屬硫化物分布在深海熱液區(qū)，是塊狀的金屬硫化物礦，成分包括硫化鉛、鋅、銅、金、銀等。深海金屬礦藏中，錳結(jié)核發(fā)現(xiàn)得最早。20世紀六七十年代，歐美國家派出了數(shù)以百計的航次前往太平洋，試圖開采錳結(jié)核。但是，受限于技術(shù)條件和環(huán)境保護需要，錳結(jié)核一直沒有實現(xiàn)商業(yè)開采。富鈷結(jié)殼礦藏位置較淺、經(jīng)濟價值高、儲量豐富。據(jù)估計，僅太平洋的鈷儲量就達5000萬噸，相當于陸地儲量的7倍。但是，貼在巖石上的結(jié)殼只有幾厘米厚，開采起來并不容易。相較而言，多金屬硫化物最可能率先實現(xiàn)商業(yè)開采。近年來，隨著清潔能源技術(shù)快速發(fā)展，深海金屬礦產(chǎn)開采再度被提上日程，但是采礦可能帶來的環(huán)境問題尚未找到解決辦法。如何實現(xiàn)深海礦藏綠色開發(fā)，已成為海底資源開發(fā)利用的重要議題。
圖為遙控無人潛水器拍攝到的“海底花園”。 新華社發(fā)
深海生物資源開發(fā)。近年來，海底拖網(wǎng)等過度漁業(yè)作業(yè)，對深海海底生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重破壞。深海生物資源的開發(fā)利用，必須改換思路、另辟蹊徑，避免過度捕撈，轉(zhuǎn)而著重于海洋生物多樣性的開發(fā)。全球大洋大約有220萬種動物、10億種類型的微生物。探索發(fā)現(xiàn)，不但深海沉積物里有細菌，海底玄武巖甚至下地殼里也有微生物。這類生活在地下深處巖石孔隙里的微生物分布極廣，構(gòu)成了地球上最底層的“深部生物群”，是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)。這些微生物生活在“水深火熱”的條件下，新陳代謝極其緩慢，“壽命”可以萬年計算。深海生物具有各種各樣的“特殊功能”，有的能適應高溫高壓，有的能在還原缺氧環(huán)境下繁盛，提供這些特殊功能的基因是無價之寶，可能給人類帶來全新福祉?？梢?，基因資源是深海生物資源開發(fā)的全新方向，相關(guān)應用已經(jīng)初見端倪，在制藥領(lǐng)域有較為突出的潛力，在美容保健等領(lǐng)域也有廣闊的前景。
四、現(xiàn)實挑戰(zhàn)與未來前景
近年來，深海技術(shù)的不斷創(chuàng)新，深海科學的飛躍發(fā)展，為人類進一步認識海洋、開發(fā)海洋創(chuàng)造了條件。同時，隨著深海探索的拓展，海洋資源開發(fā)保護也面臨越來越多的挑戰(zhàn)。
深海探測是高科技的挑戰(zhàn)，必須重視防范技術(shù)風險。日本萬米級無人深潛器“海溝”號一度是世界深潛器的翹楚，卻因纜繩斷裂于2003年在太平洋永遠消失。2010年，墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺防噴系統(tǒng)失靈等原因?qū)е掠途ǔ翛]，11人遇難、17人受傷，漏油長達幾個月，造成海上9900平方千米的巨大油污帶，成為損害極其嚴重的海上事故。這些事故警示人們，深海探索面臨極高的科技風險，技術(shù)故障引發(fā)的意外可能需要付出經(jīng)濟、環(huán)境甚至生命的代價。深海神秘也危險、美麗也脆弱，人類大意不得，要高度重視技術(shù)安全。
人類探索深海，也要保護深海。如何在保護海洋生態(tài)環(huán)境的同時，推動科學研究不斷深入、實現(xiàn)深海資源可持續(xù)利用，這是深海探索面臨的又一個挑戰(zhàn)。與陸地相比，深海的時間往往比陸地慢幾個量級，比如錳結(jié)核百萬年才長一厘米，深部生物群的繁殖周期以千年計。人類排放的污染物質(zhì)一旦進入深海造成生態(tài)環(huán)境破壞，后果比在陸地嚴重得多，可能帶來不可逆的、難以彌補的損失。當前深海探索的首要任務是發(fā)展深?？萍?，絕不能帶著“淘金”的狂熱竭澤而漁、“挖空”深海，而是應通過科技發(fā)展促進海洋的開發(fā)與保護。
事實上，我們在深海面前還是小學生。人類在陸地尚且歷經(jīng)幾千年才學會利用資源，從采集和漁獵進步到農(nóng)耕畜牧，發(fā)展起農(nóng)牧業(yè)；同樣，人類進入深海也不可能一蹴而就。目前，深海探索只相當于中石器時代人類對陸地資源的開發(fā)利用，相當于“采集”和“漁獵”水平，未來還有很遠的航程。
我國海洋事業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了一系列突破性進展，形成了一系列標志性成果。進入新時代以來，我國海洋資源開發(fā)保護重大工程扎實推進，海洋重器接連問世，我國首艘大洋鉆探船試航圓滿成功，海洋油氣勘探開發(fā)實現(xiàn)水深3000米的跨越，“藍鯨1號”在南海成功試采可燃冰，海洋經(jīng)濟向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變?nèi)〉蔑@著成效，海洋生態(tài)安全屏障進一步筑牢。我國全面推動海洋命運共同體理念走深走實，深度參與并支持全球海洋治理。深耕藍色國土，建設海洋強國，我國海洋事業(yè)正在向海洋深處挺進。
作者：同濟大學教授、中國科學院院士
