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深海科学与工程研究所
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科普动态

海斗深渊 触摸地球上最深的海洋

文章来源:  |  发布时间:2016-03-29  |  【打印】 【关闭

  

  今天,地球上仍然有人类未曾触及和认识的蓝色土地——海斗深渊。这类深海分布在大洋板块向大陆板块俯冲的地带上,水深范围从6000米到11000米左右,被科学家称为“海斗深渊”(Hadal trench)、“超深渊”(Hadal zone)或“海沟”(Trench),代表着地球上最深的海洋区域。据统计,全球共有37条超过6000米的海斗深渊,所涉海域接近于我国的陆地面积。在科技发展的新阶段,各国科学家都将目光聚焦在海斗深渊上。  

 

极端条件下的科学视野  

  据统计,全球共有37条超过6000米的海斗深渊,所涉海域接近于我国的陆地面积。这些海斗深渊5个分布在大西洋,4个分布在印度洋,28个分布在太平洋。对海斗深渊感兴趣的不仅仅是地学家,还有生物学家、环境学家、化学家、物理学家、气候学家……超高的静水压力、缺乏阳光、匮乏的食物供给、特殊的海底地形和活跃剧烈的构造活动——这里极为独特的生命、环境和地质现象,或许将会把相关学科的研究带入全新的境界。  

  对于研究地震学的科学家而言,海斗深渊毫无疑问是一处梦寐以求的绝佳研究对象——全球80%的地震都集中在海斗深渊以及附近岛屿。使用安放于海斗深渊底部的海底地震仪,地震学家们就能轻易捕捉和记录大量的天然地震波信息,而这些珍贵的数据对研究海底地震诱发机制及解析海底深部地质构造具有十分重要的意义。  

  对于生物学家而言,与最初认为海斗深渊中缺乏生命的观念完全相反,这一环境中其实栖息着大量的奇异底栖生物,它们依靠上层海洋沉降的有机质或与深部地球化学过程相关的化能合成作用维持生命。海斗深渊底栖生物还展现出了对深度具有十分强的依赖性。据报道,海斗深渊有超过一半的底栖生物为海斗深渊环境所特有——也就是说,这些生物仅能在水深大于6000米的海洋环境中生存,而在生存条件较好的水深小于6000米的海洋中,反而无法生存。目前对于这些海斗深渊底栖生命的起源和演化机制并不清楚。有学者猜测,这些特殊生物可能是随南极底层水来到海沟的,或从较浅的上层深海水体演化而来;也有学者提出可能是从其他临近的海沟迁徙而来。  

  不仅如此,海斗深渊中对微生物的研究也正在提醒着人们:在地球生命演化的初期,很可能存在着有别于嗜热起源方式的其他生命起源途径。这些微生物同样表现出极强的喜好压力的习性,对海斗深渊嗜压微生物的研究,已经促成了微生学的独特分支学科——高压微生物学的形成。1952年,美国Scripps海洋研究所的Claude ZoBell教授利用高压微生物培养装置,首次在实验室内发现了在1000个大气压下、温度接近于结冰的环境中还有微生物活动的证据。但直到20多年后的1979年,人类才真正第一次从海斗深渊中分离得到了首个嗜压微生物菌株。 

  

“非不为也,实不能也”——深度带来的挑战  

  或许大家还记得这样一件事:2012326号,著名导演詹姆斯·卡梅隆单人驾驶自主研发的“深海挑战者”号万米潜水器,下潜到了10898米深的马里亚纳海沟底部,创造了人类单人下潜深度的新纪录。地球科学领域影响巨大的美国地球物理年会(AGU)还专门为此次万米海底深潜安排了专题讨论会,介绍“深海挑战者”号的全海深先进技术和最新万米深潜科考成果。  

  并不是科学家要追星,而是因为即使对今天的技术条件而言,探索海底世界也并非易事——海水深度每增加10米,水中物体所要承受的海水压力就会增加一个大气压。如果是在10000米的海底,所要承受的压力将达到1000个大气压,相当于每一个手指甲盖大小的面积上就得承受约1吨的重量,这样的压力足以摧毁大部分的科学考察设备。  

  显而易见,海斗深渊中无处不在的巨大深水压力,是阻止人们探索这些地球上最深海域的首要障碍。1960年,Triest号载人潜水器,首次到达了世界上最深的马里亚纳海沟海底。但Triest号并不具备必要的深水海底调查和作业能力。  

  长期以来,科学界对海斗深渊生命、环境和地质过程的了解十分有限。迄今为止,国际学术界有关这一领域的知识主要来源于20世纪50年代由丹麦和苏联科学家组织的两个航次。自20世纪中期以来,几个先驱国家(美国、日本、英国、新西兰等),使用深拖、抓斗、沉积柱采样器、生物诱捕器、着陆器、潜标、载人或无人潜水器等技术手段,对马里亚纳海沟、阿留申海沟、克马德克海沟、汤加海沟、菲律宾海沟、日本海沟、千岛-堪察加海沟、爪哇海沟、波多黎各海沟等海斗深渊进行了零星的科考工作。  

 

一触即发的深海竞争  

  随着深海工程技术的进步,海斗深渊科学正成为国际地球科学尤其是海洋科学最新的研究前沿。已有多个国家先后启动了针对海斗深渊的科学研究计划,如日本和英国资助的HADEEP计划、美国基金会支持的HADES计划等,并正在紧锣密鼓地实施之中。HADES计划(20122015)由美国伍兹霍尔海洋研究所Tim Shank博士领导,使用全海深无人潜水器“海神号”和全海深着陆器对克马德克海沟进行科考研究,致力于解决海斗深渊生态学中最前沿的科学问题。HADEEP则是英国和日本之间的一个国际合作项目,已经在全球5个海斗深渊中投放了全海深着陆器,对深渊生命科学开展系统研究。  

  与此同时,支撑海斗深渊科学研究的探测装备技术也正成为国际海洋科技竞争的焦点,体现了一个国家深海工程技术水平。这些海斗深渊探测装备技术包括着陆器技术、传感器技术、特种材料技术、水下自治机器人技术、水下遥控机器人技术、水下滑翔机技术、载人潜水器技术等,涉及材料、能源、导航、控制、自动化、运载、作业等多个深海高技术领域。  

  除了詹姆斯·卡梅隆曾坐过的那艘单人万米潜水器,目前国际上还有三艘全海深载人潜水器(Doer号,Virgin号和Triton号)正在其最后的研制阶段。按计划,它们将分别在未来的3~5年内在马里亚纳海沟进行万米深度的下潜试验。其中最为引人注目的是由Google公司支持的Doer号,根据设计,它将是一艘能够搭乘3人进行科学考察作业的全海深潜水器,并代表着很多深潜技术的重大挑战和创新。  

  在目前的中国科技界,几乎所有的海洋科研项目都局限在小于5000米水深的海域,海斗深渊科学及技术仍然属于尚待开辟的领域和战线。2014410日,中国科学院正式启动了“海斗深渊前沿科技问题研究与攻关”先导专项(B类)项目,首席专家由国际深海科技领域知名学者丁抗教授担任。该项目将利用“蛟龙号”深海潜水器和深海探测设备在马里亚纳海沟进行科学考察与试验,建立和发展我国海斗深渊生物学、海斗深渊生态学、海斗深渊地学等多个学科体系,并以此为引导,进一步攻克全海深潜水器关键技术及全海深探测装备关键技术,推动我国深海科学和深海装备技术向最深的海洋区域进军。可以期盼,在不久的将来,我国自主研制的万米载人潜水器,将搭载着中国人自己的科学梦想,自由自在遨游在世界海洋的最深处!  

作者:深海所彭晓彤研究员!

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