海沟的前世今生——为什么深海研究要瞄准海沟？
2022/12/19 17:14:44 中国科普博览

    

     编者按：

     2022年11月25日，“奋斗者”号全海深载人潜水器圆满完成首次中国-新西兰联合深渊深潜科考航次第一航段任务，返回新西兰奥克兰港。在第一航段中，“奋斗者”号全海深载人潜水器下潜作业16次，有14次作业超过6000米水深，其中2次为万米级，采集了丰富的深渊宏生物、岩石和沉积物样品，为深入理解深渊的生命演化与适应机制、深渊沉积环境演变以及板块俯冲与物质交换通量提供了重要的支撑。

    

     人的一生，经历胚胎期→婴儿期→儿童期→青春期→青年→中年→老年，最后走向死亡，生老病死，自然规律。你知道吗？海洋也会经历相似的过程，胚胎期→幼年期→青壮期→衰落期→残留期→消亡期，这个过程被称为威尔逊旋回(Wilson cycle)，深渊海沟作为这个过程中的产物，是研究深渊生命演化及适应性、深渊环境演变及资源环境效应、深渊构造活动和地质演变等重大科学问题的绝佳场所。

     Part.1

     相由心生——板块构造学说

    

     我们常说一个人相由心生，外在由内在决定。对于地球表面的基本地貌，也可以用这个词来形容。地球由内而外分为地核、地幔和地壳。地壳在横向上分为陆壳和洋壳，地幔在垂向上分为上地幔和下地幔，上地幔的顶部和地壳构成了岩石圈，岩石圈在横向上分为大陆岩石圈和大洋岩石圈，大陆岩石圈的厚度一般比大洋岩石圈大，密度一般比大洋岩石圈小。在上地幔的上部、岩石圈的底部，有一层很关键的物质，叫软流圈，可塑性很强，基本上呈全球性分布，是岩浆的发源地。软流圈的平均密度比上覆大洋岩石圈的小，比大陆岩石圈的大，顶面起伏不平，这造成上覆岩石圈严重失稳，在侧向上分成大小不一的板块，这些板块漂浮在软流圈之上作大规模横向运动，碰撞、挤压或分离，继而形成地球表面的基本地貌。当大陆板块和大洋板块相撞时，大洋板块因其密度大，会俯冲到大陆板块之下，这里往往形成汇聚板块边缘，也就是俯冲带，这里聚集了全球90%的地震和火山活动，其中板块汇聚的边界处地形最低，称之为海沟。当两个大陆板块相撞时，常形成巨大的山脉，如喜马拉雅山。在板块张裂分离的地区，常形成裂谷和海洋，东非大裂谷、大西洋就是这样形成的。板块边缘成为地质活动(岩浆、地震、变质、变形、沉积等)最强烈的地带。小知识：全球主要分为七大板块，即太平洋板块、欧亚板块、北美洲板块、南美洲板块、非洲板块、印澳板块以及南极洲板块。其中太平洋板块几乎完全是在海洋，其余六大板块都包括有大块陆地和大面积海洋。大板块还可划分成若干次一级的小板块。

     Part.2

     海这一辈子——威尔逊旋回

     洋壳盆地(可以简单理解为海洋)并非永恒存在，一般都在经历开裂、扩张、收缩、闭合的发展过程。洋壳盆地产生在分裂的大陆岩石圈之间。大陆岩石圈在水平方向上彼此分离与拼合运动的一次全过程就是威尔逊旋回，这也是海洋从诞生到消亡的过程，起始和终结可以用胚胎期→幼年期→青壮期→衰落期→残留期→消亡期来表达，相对应的实例为东非裂谷→红海亚丁湾→大西洋→太平洋→地中海→喜马拉雅山。

    

    (1)胚胎期大陆岩石圈在区域应力作用下，首先在上部的陆壳构造薄弱带发生张裂作用，形成大陆裂谷。裂谷处的断裂带是现代火山与地震的强烈活动带，但未形成海洋环境，例如东非大裂谷；(2)幼年期陆壳继续开裂，熔融的地幔物质大规模上涌，局部已经出现洋壳，原来的裂谷变成狭窄的洋盆，例如红海、亚丁湾；(3)青壮年期狭窄的洋盆继续扩张，发展成开阔的大洋。大洋的中部为洋脊，上涌的岩浆形成新的洋壳，向两侧不断增生，发育的洋壳堆积巨厚的海相沉积物，典型代表是大西洋；(4)衰落期大洋中脊虽然继续扩张增生，但洋壳在扩张过程中不断失热、变冷、变重，而稳定大陆边缘被巨厚的沉积物覆盖，地内热量不易散失，因而不断受热膨胀、变轻。在密度和岩石力学性质差异较大的区域产生断裂，较重的洋壳俯冲到较轻的洋壳或陆壳之下，进入地幔而熔融，这个位置被称为俯冲带。在俯冲带内，两个板块之间形成海沟，成为海洋里最深的单元。俯冲带的上覆板块形成岛弧，火山和地震频发。海洋面积逐渐缩小，现代实例就是太平洋；(5)残留期大洋板块进一步俯冲，洋壳海域逐渐缩小，两侧陆壳地块相互逼近，其间仅残留小型洋壳盆地，例如地中海；(6)消亡期大陆相碰，海洋消失，使大陆边缘原有的沉积物强烈变形隆起成山，例如喜马拉雅山脉，阿尔卑斯山脉。

     Part.3

     没有规律的规律——万物有道

     板块在软流圈上运动、相互作用，洋盆的开启与闭合，成就了一个个海洋的生命。海洋的寿命从2000万年至几亿年不等，并无一定规律性，这与深部构造过程、陆壳的扩散速率、消亡边界的板块俯冲速率、被动大陆边缘特征等诸多因素有关。虽然这个过程叫“威尔逊旋回”，但是裂解的大陆不可能重新闭合，即使重新闭合，也不可能再在原处裂开，从这个意义上说不具有旋回性。由于陆地总面积相对稳定，当海洋进入收缩阶段，同时也意味着其他海洋的扩大或新生。生物有些类似，单个的生物会衰老死亡，通过繁殖，又会有新的勃勃生机的生命，一代一代繁衍下去。与人类相似，海洋也有生命周期，周期的长短由多种因素决定，一个生命的结束又会以新的生命所接续。同样，天体例如太阳、地球等也处于不断的运动之中，具有寿命，那么宇宙呢？宇宙之外呢？海沟，作为全球最深处，当大洋两侧板块相撞挤压上拱，可能成为全球的最高点。学习地质的其中一点好处就是，地质学家能站在更宏观更久远的尺度去看问题，沧海桑田，海沽石烂，不仅仅是那一点点浪漫与感慨，更蕴含着深厚的哲理与智慧，值得我们一生去品味和追寻。

     Part.4

     触摸地球最深处—— 深渊海沟

    

    

     全球主要深渊海沟分布图(红色五角星标记的海沟为首次中国-新西兰联合深渊深潜科考航次第一航段下潜区域)在“威尔逊旋回”的衰落期和残留期，大洋中脊底部岩浆房发育，不断上涌生成新的洋壳，洋壳向两侧推开，逐渐冷却，密度变大。密度较大的洋壳俯冲到较轻的洋壳或陆壳下，两个板块交汇在海底形成海沟。深渊海沟通常指超过6000米水深的海底槽型地貌，是地球地表地貌单元的重要组成部分。全球超过6000米的海沟有37条，5条分布在大西洋、4条分布在印度洋，而处于衰落期的西太平洋最多，有28条，其中包括了5个万米级深渊，从北到南依次为：千叶-堪察加海沟、马里亚纳海沟、菲律宾海沟、汤加海沟和克马德克海沟，被誉为“地球第四级”的马里亚纳海沟深度达10909米，是全球最深的区域。首次中国-新西兰联合深渊深潜科考航次第一航段下潜作业的克马德克海沟位于太平洋南部克马德克群岛以东，与汤加海沟相接，长约1200千米，最大深度10047米，因太平洋板块沉入印度-澳洲板块形成。海沟系统主要指海沟及其附近水圈和岩石圈之间相互作用的海底边界层界面。当然，研究海沟并不等同于简单地研究这个界面。深渊海沟与上层海洋、海底之下存在着广泛的物质和能量交换，涉及到多个圈层的物质和能量循环。海沟黑暗无光、静水压力超高、水体交换缓慢、食物供给匮乏、生命机制奇特、海底地形复杂、构造地质活跃，这些特征赢得了构造学、地质学、生物学、药学、物理海洋学、生态学、环境学、化学、气候学、甚至航天等领域的科学家们的关注。

     Part.5

     俯冲工厂——俯冲带

    

     海沟指示俯冲带的存在，全球活动俯冲带的总长度约为43500千米，与火山岛弧的总长度大致相同。俯冲带被形象地比拟为俯冲工厂，工厂的原材料便是俯冲板块，包含了洋底沉积物、火成岩洋壳和岩石圈地幔部分，这些物质在俯冲过程中随着压力、温度的升高，释放出水和挥发物，流体和沉积物经过“加工”后形成岩浆，通过火山岛弧或弧后区返回大陆，并伴随流体/气体释放、地震等现象，这些流体、气体、岩浆等物质便是工厂的产品。经过俯冲工厂加工后残留物持续俯冲到地幔更深处，进行脱水、脱碳等作用参与深部水循环、碳循环、岩石循环，再通过火山喷发等现象反馈大气圈。俯冲工厂是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、地幔等圈层之间物质和能量交换的焦点地区，几乎关联到地球的所有圈层，是地球系统运行和演化的关键一环。俯冲工厂运作引发了全球大部分的地震、海啸和火山爆发，给人类带来了深重的灾难。因此，研究俯冲系统的物质能量循环、地震的触发机制等显得尤为重要。伊豆-小笠原-马里亚纳弧体系位于西太平洋，由太平洋板块俯冲到菲律宾板块之下形成，拥有完整的沟-弧-盆体系和清晰的演化历史，是研究俯冲工厂体系相关过程的理想研究对象。该体系内的马里亚纳海沟作为俯冲工厂的浅表表现和全球最深处，是研究俯冲工厂的一个重要窗口。

     Part.6

     颠覆认知——生命起源的重新考量

     “万物生长靠太阳”一直被当作地球生命能量来源的至理名言，当然也包括海洋生命。人们一直认为，浅海生物的能量来源是靠海洋表层的藻类、植物、海洋细菌通过光合作用将太阳能转化储存起来，继而被海洋食草动物食用，食草动物再被食肉动物食用，依次形成食物链；而深海生物的能量来源则依赖于浅海动物的粪便、尸体、有机碎片。总之，能量之始为太阳能。那么，地球上最早的生命是否也靠太阳能生存呢？1979年，“阿尔文”号载人潜水器在2500米深的海底黑烟囱区发现了异常繁茂的生命景象，重塑了人们对生命起源的认识。

    

     黑烟囱、海葵、虾，西南印度洋热液区，深度3312米，摄影/“深海勇士”号载人潜水器作为全球的最深处，深渊海沟具有高压、无光、低温、寡营养的特征，一度被认为是生命的禁区。我们很难想象马里亚纳海沟底部1100个大气压下居然还有生命存在。然而，探索未知、超越认知边界正是科学家们要干的事儿。近些年，在各国深渊研究计划的支持下，科学家们使用深拖、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，重点在西太平洋的万米级海沟开展了科考工作，取得了一系列刷新认知的成果。深海深渊，不光有生命，而且还不少呢!

     Part.7

     换一种活法——深渊生命

     深渊海沟“V形”地貌的半封闭性和漏斗效应，促使其成为海洋沉积物的天然聚集区。沉积物富含难降解的有机物和火山物质，是微生物活动的活跃区，孕育着丰富而独特的生命形式。海沟及其周边的复杂地形，使得不同深度的洋流复杂多变，并诱生了海底生态环境的多样性。海沟在洋底并非畅通无阻，而是被一些洋底高原或海岭分成不连续的若干段，每段的延伸方向发生明显的转折，深浅不一，不同段落的海沟里的生物有相同或相近的种类，也有大量不同的种类。随着海水深度的增加，一般大型生物和高等动物会越来越少。无论在平面还是垂向上，深渊生物群落表现出了特有的区域专属性。深渊海沟，不仅存在种类繁多的微生物，如细菌、古细菌、真菌、病毒，还有大量宏生物，如鱼类、棘皮动物、刺胞动物、海绵动物、节肢动物、软体动物等。2021年，“奋斗者”号载人潜水器在对马里亚纳海沟的科考中发现，在万米深渊，生活着大量钩虾、海参、海葵、多毛类等生物。

    琵琶鱼， 克马德克海沟， 深度5736米 摄影/“奋斗者”号载人潜水器

    

     稀有深海海星，克马德克海沟，深度6700米 摄影/“奋斗者”号载人潜水器

    

     鼬鳚鳗鱼，克马德克海沟，深度6500米 摄影/“奋斗者”号载人潜水器

    

     一块坚硬的石头成为海星、海葵、小珊瑚、海绵和海鞘共同的家，克马德克海沟，深度6124米 摄影/“奋斗者”号载人潜水器

    

     海葵，马里亚纳海沟，深度9254米

    

     海绵，西菲律宾海盆，深度7464米

    

     多毛类，马里亚纳海沟，深度7120米

    

     海参，马里亚纳海沟，深度10812米

    

     海葵，马里亚纳海沟，深度9000米

    

     海星，马里亚纳海沟，深度9580米

    

     一排海葵(岩石下)，马里亚纳海沟，深度9347米 摄影/“奋斗者”号载人潜水器

     Part.8

     八仙过海，各显神通——身怀绝技的深渊生命

     深渊生命主要依靠上层海水沉降下来的有机质维持生命，有些也依赖于来自地球深部物质通过化能合成获得能量。为了适应极端环境，深渊区的生命拥有着不同于地表及浅海生物的生命机制和特殊的代谢途径。

     深渊狮子鱼被认为是地球上栖息最深的脊椎动物，曾在8145米的深度被发现，它的皮肤、肌肉和骨骼都表现出对深海高压的适应性。

    

     狮子鱼群，西菲律宾海盆，深度7731米端足目钩虾——深渊区的主人公之一，其食物明显受控于上层海水的生产力，但凡落入深渊区的生物残骸，都会被其定位、摄食。另外一方面，钩虾也是其他大型捕食者的食物来源。例如，中科院深渊科考队在马里亚纳海沟7400米捕获的狮子鱼经过解剖后，胃部充填着大量形态较为完整的钩虾。此外，钩虾和狮子鱼除了摄食获得能量，肠道内的共生微生物也为他们提供了必需的营养物质及免疫防御。

    

     钩虾，马里亚纳海沟，深度10900米 摄影/“奋斗者”号载人潜水器

     为了适应万米深渊，海参甚至舍弃掉支撑躯干的骨针，把自己变成通体透明的小个子。除了上述宏生物，深渊微生物也是各个身怀绝技。一些微生物在马里亚纳海沟深渊环境中的氮循环、硫循环和能量转化中扮演着重要角色。今年《自然·通讯》的一篇文章通过对马里亚纳海沟13个站位的沉积物分析后，发现沉积物中的优势微生物可以将深渊累积的有机氮转化成氮气，释放到上层水体，可能有助于全球氮元素的平衡。在马里亚纳海沟的沉积物中，科学家们还检测到种类繁多的病毒，这些病毒通过改变微生物的物质能量代谢，从而调节和影响海洋生态系统组成和物质能量循环。另一研究发现，马里亚纳海沟万米海水中存在大量“吃油”的微生物——烃类降解菌，它们能够有效降解烷烃，这表明烷烃可能是万米水体微生物的重要“燃料”。不仅如此，科学家们还在马里亚纳海沟的沉积物中发现了一些“两栖”微生物，兼具有氧和无氧呼吸基因，也就是说，无论在有氧还是无氧环境中都能顽强生存。更让人意外的是，在深渊之下，俯冲带大洋岩石圈内的岩石变化产生的流体孕育着特殊的生命群体，这些生命可能存活在地下14公里处，这或许是地球上“藏”得最深的生命。深渊还有多少未知的生命等着我们去发现？深渊生命与陆地或浅海生命有着怎样的异同和联系？各深渊生命之间有着怎样的关系？深渊生命的环境适应机制是怎样的？深渊区的微生物在全球气候调节中扮演着怎样的角色？关于深渊生命，我们有太多的疑问。解决这些疑问，有利于构建深渊特色物种资源库、基因资源库，为开发深渊生物资源奠定基础。

     Part.9

     最后一方“净土”的丢失——深渊污染

     万米深渊，这个离人类那么遥远的地方，本应是一方净土，然而载人潜水器在深渊处发现了垃圾，如塑料袋、易拉罐、渔网等。通过在马里亚纳海沟取样研究发现，深渊水体、沉积物甚至生物体内都发现了微塑料、POPs、甲基汞等人为污染物。这些污染对深渊生命和全球生态系统会产生怎样的影响？会有什么连锁反应？科学家们也在努力探索中。

    

    

     在深渊海沟发现的垃圾 摄影/“奋斗者”号载人潜水器

     Part.10

     研究地外海洋的试验场——深渊海沟

     深渊海沟作为深海的典型代表，是探索地外海洋世界的试验场。近年来，研究深空的科学家们找到一个新的突破口——深海，他们发现深海中的一些极端环境和木卫二、土卫二的冰下海洋可能状况相似。因此，研究深海极端环境的生命有助于寻找地外海洋中的生命。如今，美国、欧洲、中国深空和深海领域的科学家和工程师正紧密合作，通过对地球深渊极端环境的探索实现将来对地外海洋的现场探测。

     Part.11

     深渊研究利器——载人潜水器

     超高的静水压力给深渊探索带来巨大挑战，受深海观测采样技术的制约，深渊生命过程的研究进展相对缓慢。载人潜水器不仅可以将科学家们带到深渊底部亲身考察，拍摄影像资料，还可以采集水、沉积物、岩石、大生物、微生物等各种样品，这对于研究深海地球科学系统的形成与演化、生命起源与环境适应、生物多样性与气候变化等重大科学问题极其重要，着实为深渊科学研究解决了大难题。

     “奋斗者”名片

     基本参数：

     母船：探索一号

     最大工作深度：11000m

     尺寸：长10.26m，宽3.17m，高4.4m

     重量：36t

     有效载荷：

     200kg(空气中)

     万米深海下潜时间：12h

     可载人数：3人

     水下最大航速：2.5节载人舱内径：1.8m

     观察窗数量：3个

     平均上浮、下潜速率：60 m/min

     “奋斗者”号载人潜水器是国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项支持研制的深海装备，是我国首台具备全球海域载人进入能力的重要装备，也是首台拥有自主知识产权的全海深载人潜水器。2020年11月，“奋斗者”号完成万米海试，创造了10909米的中国载人深潜纪录，中科院深海所积极部署实施全球深渊深潜探索计划(Global Trench Exploration and Dive Program，缩写Global TREnD)。中国-新西兰联合深渊深潜科考航次第一航段科考任务在克马德克海沟的圆满完成，代表Global TREnD计划迈出了坚实的步伐。在未来，科考队将继续发挥“奋斗者”号的深度和技术优势，将我国深渊深潜科考扩展到全球多个典型海沟，展开多国联合的、系统的深渊地质、生命和环境科学多学科综合深潜考察。有了这样的利器，相信不久的将来，深渊海沟的神秘面纱将被一一揭开。

     来源：海洋世界文化无限撰文/供图：孔秀 中科院深海所本文已获转载授权，如需转载请联系原作者文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场

    

    

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