深海探宝

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  人类的祖先来自海洋,很久以来,海洋,尤其是深海,一直是人类探寻的未知领域。由于它水深数千米,甚至上万米,常年处于黑暗状态,所以曾被认为是荒蛮之地和生命禁区。随着现代科学技术的发展,科学家发现,深海也像陆地一样丰富多彩,它有海盆、海沟,有海底山脉,还有神秘未知的海底生物。我国的科学家,也一次次地挺进大洋,探寻海底世界留给人类的一个个未知。
  2011年1月23日,离春节还有10天,人们已经开始置办年货,迎接新年的到来。
  这时,远在南非开普敦,我国大洋一号科考船经过短暂休整和补给,再次上路,继续向南大西洋挺进,执行中国大洋第22航次环球科考第二航段任务。(图1)
  


  2010年12月8日,大洋一号船从广州出发,开始环球科考之旅,这也是大洋一号执行的中国第3次环球大洋科考。
  大洋协会办公室副主任李波说,大洋协会正在执行第22个航次,这是到目前为止时间最长的一个航次,从2010年12月8日起,计划执行到2011年12月18日,共376天。
  在国家海洋局第二海洋研究所副所长李家彪说,本次大洋一号的航线是沿环球的洋中脊区域,我们在太平洋、大西洋和印度洋的这个区域里都有一些异常的发现。
  大洋一号科学考察船首席科学家陶春辉说,这次环球科考和前两次不同,第一次环球科考是对热液活动的一次探索;第二次环球科考是第20航次,科考中发现了一些海底热液区;从第22航次开始,我们要从发现热液活动区进入到对热液硫化物的详细调查研究工作。
  早在2007年,大洋科考第19航次在西南印度洋第一次发现海底热液区,实现了我国海底热液活动调查“零”的突破。时隔一年,大洋科考第20航次又发现了11个海底热液区,向世界展示了我国发现海底热液活动的能力。我国仅用不到3年时间,就走完了发达国家近30年的道路,在海底热液活动发现方面跃入世界前列。
  各国科学家在大洋深处争相寻找的热液区究竟是什么?它们隐藏着哪些人类不知的秘密呢?
  鸟瞰海洋,我们可以清楚地看到,海水无形中分了好多层,每一层海水都有自己的特征,一层浅浅的暗礁围绕着陆地,大陆架的深度很少超过几十米,它是大陆向海洋的延伸。
  在距离大陆60多公里的海里,海底突降数千米,形成了广袤的深海平原,其平均深度3650米,令人惊异的是,这里比陆地地形更复杂,大洋底有一条大山脉,像一条巨蛇蜿蜒穿过大西洋、太平洋、印度洋和北冰洋,科学家将这条洋底山脉称为“大洋中脊”。(图2)
  由于地球的地壳板块运动,大洋中脊的扩张中心会产生很多裂隙和断裂,冷且密度大的海水渗到地壳下面被加热后成为“热液”,由于受热膨胀的海水降低了密度,热液会裹挟着岩石中各种物质沿裂隙上升喷发,形成“黑烟囱”。(图3)
  陶春辉教授说,海底的黑烟囱有很多孔,热液从孔里冒出来,孔边上有一些黄铁矿,闪锌矿等等。
  在海底热液区中,黑烟囱喷出的热液温度高达350-400摄氏度,它处在没有光、没有氧气的洋底,极端高压的环境下。
  我们知道,阳光无法穿过厚厚的海水到达海洋深处,无法进行光合作用,因此这里应该不会有植物,自然也就不会有太多生命了。奇怪的是,在3000多米深的黑暗海底,却充满了生机勃勃的生命。热液喷口喷出的热液含有硫化氢等剧毒物质,却是这些生物的生命之源。
  陶春辉说,这里有依靠化学能合成作用存在的大量细菌,靠细菌生存的虾,螃蟹,鱼,具备生物多样性的群落。
  国家海洋局第二海洋研究所副研究员许学伟说,热液区海底下的生物,例如贝类和螃蟹,它们附着在热液硫化物表层,或附着在沉积物表层。(图4)
  


  陶春辉说,我们在东太平洋海隆取得的管状蠕虫,其形状像一个塑料管,它在热液喷口附近生活,吃热液喷口附近的细菌。
  李家彪说,洋中脊科学考察发现,生物还有另外一条生命途径,它不靠光合作用,而是靠矿物合成来维持生命。这些生物生存在黑暗的高温下,剧毒的环境中,孕育了丰富的自然现象。洋中脊区域的生命本身,可能成为人类利用的基因资源。
  这些奇怪的热液喷口不仅蕴含着地球生命诞生的线索,同时也是一座座宝藏。从这些喷口形成的黑烟囱,含有铜、铁、铅、锌等金属元素,甚至还有黄金和白银。黑烟囱是具有广阔开发前景的海底矿产,是世界未来利用的海洋资源,发现一个黑烟囱就相当于发现一个海底宝藏。对于人类,这是一处处亟待撩开面纱的宝藏。
  2011年1月25日,一路向北挺进的大洋一号到达南大西洋20度区域,这是第二航段设计的第一个作业区,在这里将开展第二航段首次探寻黑烟囱的工作。
  在茫茫的大海上,隔着数千米的海水,要判断一个区域是否有海底热液活动,首先要依照海底成矿规律选定一片可能存在热液异常的区域。
  陶春辉说,地球的板块运动活动厉害,形成了太多的裂隙,海底裂隙太多的地方,不能形成稳定的热液,也就不能形成黑烟囱,我们称之为弥散的“热液”。我们从海底的“热”中,找到“液”,找到裂隙,找到一个长期的、稳定的“热液通道”。这3个条件满足了,就有希望找到“热液区”,也就是“黑烟囱”。
  在大洋中脊上,大约每隔90多公里才会有一个热液区一“黑烟囱”。海底“黑烟囱”只分布在百米左右的热液区范围内,数千米深的大洋底下,没有一丝光亮,虽然海底“黑烟囱”终日蒸汽腾腾,烟雾缭绕,但在漆黑的海底是很难看见的。即便有很精确的经纬坐标,科学家也不一定能找到,可以说,在海底寻找“黑烟囱”无异于大海捞针。
  陶春辉说,我们首先要用声纳对作业区海底的地形进行扫描调查,通过声纳的多点测量,测出该海底地形是海盆还是裂谷,为科研人员提供基础的判断。我们所在的南大西洋20度区域,测量结果表明,该海底地形有起伏,有隆起,这样的地形比较容易发育“黑烟囱”。通过对海底地形的判断,我们认为这个地方热液活动的范围可能很大,为了准确判断在哪个局部地点可能有热液活动,我们把安装有电视摄像头的抓斗、浊度仪、温度仪和测量海流的流速仪等传感器的拖体,通过缆绳放入洋底。(图5)
  


  摄像头在距离海底3~5米的水中探测,科学家在船上监控观测,一旦判断可能有黑烟囱,便用电视抓斗去抓取。
  陶春辉说,深拖设备距离海底仅3-5米,而水深是3000多米,这是千分之一的控制精度,船通过钢缆拖着深拖设备走,海上有风,海水有流向,如果洋中脊是南北方向,风、流是东西方向,船很可能就被吹离了航线。
  茫茫深海,地势变化无常,尤其是大洋中脊的地形,更是悬崖峭壁林立,这就需要负责操作深拖缆绳的操作手,大洋一号的驾驶员, 还有通过水下摄像头监控深海情况的三方面人员密切配合。一旦意外发生,将会造成严重后果。
  国家海洋局第二海洋研究所研究员包更生说,要根据海水流向,风向,设置一个比较好的航向,船沿着这个航向平稳地航行。船要配合得非常好,才能保证拖缆、光缆、深拖设备的安全。
  陶春辉说,如果船在3000米深的海域航行,拖体在距离船一两千米远的深海中被船拖着走,很容易偏移,可能会撞到海底的岩石上,或撞坏,或卡在石缝里。
  随着深拖设备在深海下徐徐移动,专家们发现这里的热液现象并不是特别明显,仅有一点点的热液蚀变。
  陶春辉说,热液蚀变有很多,只要洋中脊在活动,各种地方都可能产生岩浆活动,其活动过程中都会产生这种影响,所以有热液蚀变的地方,未必就是“热液区”。
  随后,专家们先用电视抓斗抓取了一个样品做初步研究和判断,然而抓上来的只是一块玄武岩。
  在这个区域已工作3天了,一个航段可供工作的时间也就是20多天。科学家决定放弃在这个区域的考察,继续向北挺进,去其他区域调查。
  第二航段的首次考察,最后以放弃告终,这不是个好的开头。新年渐渐临近,陶春辉开始酝酿下一步考察在哪里开展,他需要给队员们以及祖国和人民,献上一份新春的厚礼。
  陶春辉说,年三十晚上,我仔细思考了下一步的工作,大年初一早上9点,我们把临时党委成员叫在一起商量,决定继续往北走,趁着天气好,先做水下机器人ROV和声学深拖这两个重大项目,然后再做其他的事情。
  2011年2月3日,是我国的传统节日春节,这一天,大洋一号依旧奋战在遥远的大西洋上。
  按照陶春辉的计划,大洋一号要在大年初二这天,在南大西洋阿森松岛南的彩虹湾南进行电视抓斗作业。陶春辉要趁着新年气氛,鼓舞队员们的士气。
  陶春辉说,在2008年第二十航次大洋科考时,我们已经发现彩虹湾南是个热液区,当时由于风浪很大,科考船无法定位,虽然已看到了硫化物,又试抓了多次,但都没有成功。
  这次,我们正好可以将上次没有抓到黑烟囱的遗憾,弥补回来。
  船定位好后,陶春辉决定将电视抓斗下到海底,边观测边抓取。(图6)
  下到海底的电视抓斗视频传回到监控室的显示器画面,可视范围只有几米,所以在庞大的海底区域要接近一个目标并且成功抓取,困难重重。能不能在新年给大家一个惊喜,陶春辉没有十足的把握。
  陶春辉说,热液区很小,一般也就是几百米,黑烟囱不是到处都有,有时很分散,所以要抓一个烟囱是相当困难的。我们也抓了多次,有时候觉得很像,但看不清楚是烟囱还是石头,只好抓上来再说。
  下午5点多时,电视抓斗终于抓到了烟囱样本。
  陶春辉说,抓上来的硫化物上面还有自然铜,说明这个地方品位相当好。
  既然是这么好的一片硫化物区,它的周边会不会还能找到新的热液区呢?大家决定把寻找的范围向周边扩展。
  可喜的是,在距离彩虹湾南60海里处的彩虹湾北,他们又发现了一个新的热液区。
  陶春辉说,那个地方地形非常复杂,在一个山上有很多硫化物,沿着山坡往上走,硫化物越来越多,再往上走,有很多发白的生物碎屑,果然是很大的一片硫化物区。通过海底摄像,看到这个区域有几百米的范围,但是在各种传感器上没有显示出这里有温度异常、浊度异常、甲烷异常的现象,说明这里可能是个已经死亡了一段时间的硫化物区。
  “大洋一号”装备了很多新型的尖端设备,我国自主研发的3500米无人缆控机器人ROV,就是其中之一,这是目前我国最先进的深海作业机器人,利用ROV进行大洋热液区探测工作,是这次科考的一项主要任务。
  李波说,国际海域是公共区域,不能没有中国人的存在,我们要成为海洋强国,探寻海洋资源,研究海洋科学、发展深海技术装备,这3点必不可缺。
  经过研究,科学家们决定在彩虹湾北ROV机器人首次下水工作。(图7)
  在陆地上,机器人的重量有3.5吨,但到了3500米以下的深海区域,巨大浮力能抵消地心对它的引力,其重量几乎变成零,它可以自如地前进后退、上下运动和侧移。它身上带有光源和声纳雷达,能避开海底高山,把拍摄到的视频通过光纤送回“大洋一号”。
  机器人下海了,船上的人都跑到会议室,紧紧盯着显示器,观看机器人从水下传回来的视频。
  监控室里的科学家,目不转睛地看着显示器,然而荧屏上没有出现硫化物,只有一些玄武岩。
  陶春辉说,由于我们太紧张,船的第一次定位偏离了作业目标大概3000米。要解决这个问题,一个办法是让船和机器人同步移动3公里,到达准确位置;第二个办法,把机器人先取上来,到达准确位置后再放下去。
  经过和船长以及ROV小组商量,决定先用机器人在海底观测一段时间,拍一些照片,再让它试验性地取一块玄武岩,只当是对机器人的一次操练。
  当机器人按照正确的定位在海底开始工作后,它为专家们呈现了一个神秘奥妙的海底世界。
  陶春辉说,海底上边是沉积物,下边覆盖了大量的硫化物。用机械手去抓,金黄金黄的东西都出来了,看来,这里的硫化物已经风化,变成沉积物了。沉积物很松散,机器手一抓就成了粉末,根本抓不上来,同时,还看到了很多热液生物死后的贝壳,说明这个热液区已死亡了一段时间。
  由于地形复杂,到处是悬崖峭壁,硫化物藏在峭壁的缝隙处,再加上风化严重,机器人抓取非常困难。这时,生物学家提议将生长在硫化物旁边的一棵珊瑚取上来。
  陶春辉说,我们把珊瑚采了上来;之后,又抓到了一块硫化物,这块硫化物还没有碎掉。
  我们成功地把机器人放下海底,取到了硫化物,又拍了很多照片,机器人与船也同步移动了,机器人的各种动作都经过了训练。对此,大家都很高兴。
  在这次科考中,ROV机器人通过本身的照明、视频传感和机械手等系统,通过GPS定位等辅助手段,准确发现海底“黑烟囱”,并进行采样和拍摄,为今后的研究奠定了基础。这次科考使我国成为使用机器人开展洋中脊热液调查研究的少数国家之一;这次科考还成功实施了深海声学深拖调查,实现了我国大洋精细地形调查的新突破。
  李家彪说,国家大量的投入,促进了高新技术的发展,使海洋专有技术研发日趋成熟,所以,2010年我们制定了西南印度洋区域硫化物勘探规章,并第一时间提出了这个硫化物矿区是由我们中国发现的申请。目前这个矿区已通过了异议期。
  李波说,国际海域和国际海底,是全人类的公共区域,是公共财产,作为我们这样一个大国,应该为建立公共海洋秩序做出贡献。为此,我们要走向大洋,跟国际接轨,参与国际海底的研究和开发,做出中华民族的贡献。
  大洋一号第22航次第二航段整个考察下来,共发现了5个热液区,在陶春辉的带领下,又创造了一个奇迹。
  2011年2月23日,大洋一号第22航次第二航段完满结束,第三航段又将起锚,浩瀚的大洋之上,中国将一次次踏上探索大洋奥秘的征程。
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