探索海洋深處的奧秘(開卷知新)
習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，要進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋，推動(dòng)我國海洋強(qiáng)國建設(shè)不斷取得新成就。
伴隨深海探測技術(shù)的發(fā)展，人類深入認(rèn)識深海的時(shí)代正在來臨。500年前達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)潛水服、150年前凡爾納寫《海底兩萬里》，當(dāng)時(shí)的科學(xué)幻想如今正在成為現(xiàn)實(shí)。
從科學(xué)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，占據(jù)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(nèi)部最近的地方：大陸地殼平均35公里厚，大洋地殼則為7公里。揭示板塊運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、窺探地球內(nèi)部的真相，也要到深海底部進(jìn)行探索。
從經(jīng)濟(jì)角度看，深海蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)、油氣和生物資源。目前，海洋石油產(chǎn)量占世界石油產(chǎn)量的30%，高居世界海洋經(jīng)濟(jì)首位，其中發(fā)展最快的是深水油田。近年來全球重大油氣發(fā)現(xiàn)，70%來自水深超過1000米的水域。海底有待開發(fā)的資源非常豐富，現(xiàn)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，但開采利用技術(shù)尚待研發(fā)。
深潛、深鉆、深網(wǎng)是當(dāng)今探索深海奧秘的三大手段，即深潛科學(xué)考察、國際大洋鉆探和國家海底科學(xué)觀測網(wǎng)建設(shè)。深潛是直觀的深海探索，但在空間和時(shí)間上都存在局限性。深潛最深只能到海底，從海底往下得靠鉆探，這就是深鉆；深潛的運(yùn)行時(shí)間只能以小時(shí)計(jì)，想要長期連續(xù)觀測就得將傳感器放到海底，聯(lián)網(wǎng)觀測，這就是深網(wǎng)。深潛、深鉆和深網(wǎng)，共同擔(dān)起深海探索的技術(shù)重任。目前，我國已建立起“三深”格局，深海科考進(jìn)入快速發(fā)展期。
深潛：深海探索的尖兵
明代《天工開物》中就有關(guān)于潛水的記載：屏住一口氣潛入海底“沒水采珠”。但是海水每加深10米就增加一個(gè)大氣壓，深海下潛只能在某種容器里進(jìn)行。
20世紀(jì)晚期，人類在克服地心引力進(jìn)入太空的同時(shí)，也頂住水柱壓力進(jìn)入深水海底。經(jīng)過潛水鐘、潛水球的試探，1960年，“的里亞斯特”號深潛器下潛到太平洋馬里亞納海溝水深10916米的海底，將兩個(gè)人首次送入地球表面的最深處。經(jīng)過幾十年的探索，現(xiàn)在的深潛器已經(jīng)發(fā)展為作業(yè)型，配有動(dòng)力系統(tǒng)和各種取樣設(shè)施，成為深海探索的尖兵，其突出貢獻(xiàn)是1979年在東太平洋發(fā)現(xiàn)黑煙囪熱液系統(tǒng)。上世紀(jì)80年代，美國、法國、蘇聯(lián)、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(fā)展迅速。2012年，“蛟龍”號載人深潛器下潛至7062米，創(chuàng)世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀(jì)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(chǎn)自主率超過95%。目前，萬米級全水深的載人深潛器已經(jīng)處于試驗(yàn)階段，我國正邁向國際深潛設(shè)施制造前列。正是通過載人深潛，我國在南海發(fā)現(xiàn)了海山上成片的多金屬結(jié)核、古熱液區(qū)和冷水珊瑚林，在西南印度洋勘查了金屬硫化物礦點(diǎn)。
隨著自動(dòng)化和人工智能的發(fā)展，探索深海也可以不用人類親身下潛。上世紀(jì)70年代以來迅速發(fā)展的非載人深潛器，同樣可以進(jìn)行許多項(xiàng)目的科學(xué)探索，而且具有成本低、效率高的優(yōu)勢。世界上載人深潛器為數(shù)稀少，無人遙控潛水器則已廣泛使用。由于有臍帶纜和母船連接，遙控潛水器有充足的能源保障，不僅可用于長時(shí)間的科研考察，更是當(dāng)前水下工程作業(yè)的主力。我國70年代末開始研制非載人深潛器，進(jìn)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。
深鉆：窺探地球內(nèi)部奧秘
“三深”中規(guī)模最大、需要國際合作進(jìn)行的，是國際大洋鉆探計(jì)劃的深鉆。國際大洋鉆探計(jì)劃從1968年開始，是由20多個(gè)國家共同參加的科學(xué)探索計(jì)劃，其任務(wù)是探索深海底下的地球內(nèi)部，是國際科學(xué)界為時(shí)最久、影響最大的合作計(jì)劃。
大洋鉆探由于技術(shù)要求高、經(jīng)費(fèi)投入大，必須依靠國際合作。大洋鉆探每兩個(gè)月執(zhí)行一個(gè)鉆探航次，每個(gè)航次采用的都是最先進(jìn)的鉆探船，科技含量極高。半個(gè)世紀(jì)來，大洋鉆探在世界大洋鉆井4000多口，取回巖芯40多萬米，從多方面加深了人類對地球的認(rèn)識。比如70年代的大洋鉆探，證實(shí)了地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的板塊學(xué)說，找到了氣候長期變化的軌道驅(qū)動(dòng)；后來的鉆探又發(fā)現(xiàn)了海底的天然氣水合物，以及地殼里微生物構(gòu)成的“深部生物圈”。大洋鉆探始終引領(lǐng)著國際地球科學(xué)的發(fā)展。
我國是大洋鉆探的新兵，1998年方才參加，但在1999年就成功實(shí)施了南海第一次大洋鉆探，探索季風(fēng)氣候演變的歷史。2014至2018年間，我國又接連完成三個(gè)半鉆探航次，揭示了南海海盆張裂、海底擴(kuò)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(xué)家提議、設(shè)計(jì)和共同主持下實(shí)施的。
深網(wǎng)：把“氣象站”和“實(shí)驗(yàn)室”建在海底
世界海洋科學(xué)正在轉(zhuǎn)型：從海面船只的短暫測量，轉(zhuǎn)為海洋內(nèi)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(xiàn)象只有通過對海洋內(nèi)部的長期觀測才能發(fā)現(xiàn)。比如海洋災(zāi)害的預(yù)警，在最需要觀測的時(shí)候，船只卻無法抵近。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(wǎng)可以不間斷地進(jìn)行長期現(xiàn)場觀測，無論有臺(tái)風(fēng)還是地震都可以連續(xù)運(yùn)作，將深海的現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送到實(shí)驗(yàn)室。
進(jìn)入新世紀(jì)，發(fā)達(dá)國家掀起了建設(shè)海底觀測網(wǎng)的熱潮。2009年，加拿大“海王星”觀測網(wǎng)率先建成，水深3000米、纜線長800公里；2015年，日本建成S—Net網(wǎng)，從本州島連到太平洋8000米水深的日本海溝，布設(shè)150個(gè)監(jiān)測站、纜線總長5700公里，號稱世界最大的地震監(jiān)測網(wǎng)；2016年，美國OOI海底觀測系統(tǒng)正式建成，包含區(qū)域網(wǎng)、近岸網(wǎng)、全球網(wǎng)三大系統(tǒng)，設(shè)置900多個(gè)探頭對美國岸外進(jìn)行多學(xué)科的海底觀測；此外，歐盟14個(gè)國家參加的EMSO計(jì)劃，從地中海直到北冰洋都將布設(shè)海底觀測網(wǎng)。
海底觀測網(wǎng)相當(dāng)于在海底建立“氣象站”和“實(shí)驗(yàn)室”，極大提升海洋觀測能力，標(biāo)志著新一代海洋科學(xué)的建立。從應(yīng)用上講，海底觀測網(wǎng)是預(yù)警地震海嘯最為有效的手段。世界上85%的火山在海底，布設(shè)海底裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測火山爆發(fā)，將來或能對海底火山爆發(fā)作“現(xiàn)場直播”。
我國從2005年起開始推進(jìn)海底觀測網(wǎng)的建設(shè)，2009年建設(shè)近岸的實(shí)驗(yàn)觀測站。此后，又在南海北部進(jìn)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(xué)觀測網(wǎng)正式被批復(fù)建立，將在我國東海和南海分別建立海底科學(xué)觀測系統(tǒng)，從海底向海面進(jìn)行全天候、實(shí)時(shí)和高分辨率的多界面立體綜合觀測。
近10年來，建設(shè)中的海底科學(xué)觀測網(wǎng)除了光纜聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備外，還有著大量無線聯(lián)網(wǎng)的活動(dòng)觀測平臺(tái)，包括自主水下航行器、水下滑翔機(jī)、海底爬行車等。
由于深海開發(fā)尚處起步階段，在取得成功的同時(shí)，也時(shí)有災(zāi)難發(fā)生。2010年，墨西哥灣一口創(chuàng)紀(jì)錄的深水油井打開了大油田，但是鉆井平臺(tái)爆炸導(dǎo)致在接下來的5個(gè)月里，50萬立方米的原油漏入墨西哥灣，造成史上最嚴(yán)重的海上事故。進(jìn)入深海不僅要防止災(zāi)害，還要關(guān)注環(huán)境保護(hù)。深海的特點(diǎn)在于連通性強(qiáng)，而且有大量的“慢過程”，深水珊瑚上千年才長一株，多金屬結(jié)核百萬年才長幾厘米。污染物質(zhì)的排放或者生態(tài)環(huán)境的破壞，后果要比在陸地嚴(yán)重得多。人類在深海面前還是個(gè)小學(xué)生，當(dāng)前的首要任務(wù)是發(fā)展深海科技，決不能帶著“淘金”的狂熱去開發(fā)深海。開發(fā)深海，大量技術(shù)上的新挑戰(zhàn)還在前面。
深海開發(fā)是面向未來的事業(yè)。如果說16世紀(jì)的“地理大發(fā)現(xiàn)”是人類在橫向上進(jìn)入海洋，21世紀(jì)將是人類在垂向上進(jìn)入海洋。深潛、深鉆、深網(wǎng)，深耕藍(lán)色國土，建設(shè)海洋強(qiáng)國，我國海洋事業(yè)正在向海洋深處挺進(jìn)，期待中國科學(xué)家為人類海洋事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。
(汪品先 作者為同濟(jì)大學(xué)教授、中國科學(xué)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(xué)革命風(fēng)云錄》：許靖華著；地質(zhì)出版社出版。
3.《深海探險(xiǎn)簡史》：R.D。巴拉德著；上海科學(xué)技術(shù)出版社出版。