下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
“挑战者号”19世纪20万里的长征，航线长度相当于绕地球三圈，结果给海洋科学留下了极为丰富的知识财富：证实了全大洋深部水冷，确证了最深海也有动物分布，发现了大西洋中脊和马里亚纳海沟，虽然这些地形含义的解读还得等上100年。总之，这是19世纪成就最大（虽然并不是规模最大）的科学航次。要说规模，19世纪最大的科学考察是1838—1841年美国的威尔克斯航次（Wilkes Expedition），动用了6艘船、300多人，“挑战者号”只有200多人。但是威尔克斯航次抱有强烈的政治和经济目的，虽然为美国开发其西边的太平洋海域和南极洲取得了重大进展，却没有像瞄准深海科学的“挑战者号”航次那样，为世界科学作出历史贡献。
但是，“挑战者号”航行也给海洋科学留下了一种不正确的概念，以为深水海底是个平静世界。早期人类以为深海是个没有光线、没有生命、没有运动的“三无”世界，现在证明除了“没有光线”，其他都是错误观念。不过几千米深的海底还会有什么运动，当时确实难以设想。“挑战者号”在三大洋海底取样，采到的不是深海黏土就是生物软泥，造成了陆架之外全是细粒沉积、深海海底一片静寂的错觉。按当时的概念：沉积颗粒从海面上掉下去，像陆地降雨那样到达海底后，就不再有任何运动，深海是地球上一切过程的终点。与此同时，发现沉积物有一条深度界线：水深大约4500m以上的海底，是以浮游有孔虫和颗石类壳体为主的灰白色碳酸盐质软泥，以下是红褐色的黏土，所含生物骨骼以硅藻、放射虫之类的硅质壳体为主，两者之间红白反差强烈，被喻为“海底雪线”（图2.3）。这是一项海洋沉积学的重大发现，因为碳酸盐在深海低温高压条件下化学溶解，灰白色的碳酸盐质生物骨骼不能保存，“海底雪线”在今天说来就是“碳酸盐补偿面”，是深海碳酸盐保存的下限。
图 2.3 “海底雪线”——深海碳酸盐沉积和红黏土的界线。
“挑战者号”在大洋深水盆地发现的细颗粒沉积垂直分带，确实反映了海底的宁静环境，但是以为深海底下都同样平静，那就是一种错觉。打破这种错觉的是半个世纪以后加拿大岸外发生的地震。1929年11月18日傍晚，加拿大纽芬兰岸外发生7.2级地震，掀起的海底沉积物沿着陆坡下滑，不但造成海底滑坡，还激起了海啸，切断了海底电缆。这次地震和海啸，卷起了2万km 2 面积上的海底沉积物，形成饱含泥沙的高密度海水，作为重力流以 60—100km/h的速度下滑，造成百余立方千米体积的巨型滑坡。地震2小时20分钟之后发生的海啸，激起了高达13m的巨浪，海啸波还跨越大西洋，直击葡萄牙海岸。值得格外注意的是几千米深处的海底电缆，1860年正式开通的大西洋越洋通信电缆，西端就在纽芬兰岸外，这次地震海啸切断了12根电缆，并且留下了一个谜团：较浅的6根电缆先随着地震一道切断，而其他6根却是在后来的13小时7分钟里，由北向南逐根切断（图2.4上），为什么不是一起切断呢？
电缆逐根切断的原因，过了20年才得到解释：原来这是地震海啸造成的重力流由北向南向深处流动，一路上切断电缆的结果，这就是现在沉积学里所说的浊流（turbidity current）。重力流裹卷海底沉积物时不分粗细，但是沉降时却是粗粒沉积物在先，形成的地层上细下粗，呈现出浊流沉积特有的递变层理（图2.4下）。这项发现的意外收获是解答了地质学上的一项不解之谜。意大利亚平宁山脉的岩层里，早就见到过这种上细下粗的递变层理，取了名字叫“复理石”（flysch），但是想不出来什么样的机制会产生这种怪层理。这一来真相大白，原来“复理石”就是地质时期里深海的浊流沉积。
图 2.4 深海浊流。上：1929 年加拿大大浅滩 7 级地震诱发浊流，切断 12 根大西洋通信电缆；下：浊流沉积过程和形成递变层理的示意图。
现在知道海底滑坡相当普遍，也是沉积物从陆地跨过陆坡进入深海的几种基本机制之一，它不仅会切断海底电缆，还会引起海啸，是造成海底重大灾害的一大祸害。已知规模最大的海底滑坡是挪威岸外的斯图尔加滑坡，体积3000km 3 的沉积物，移动距离800km，受影响的陆坡面积达95 000km 2 。好在那次滑坡发生在8200年前，谈不上人类社会的灾害，真的深海灾害我们留到第六章再谈。这里只想说，深海底下可以有规模惊人的灾难发生。但是除了这类特殊事件，海洋深处平时是不是也有剧烈的海水运动？有，这种运动的线索来自照片。
图 2.5 西北大西洋水深4750—4950m处拍摄的海底照片（1981/1982年）。左：冲刷痕；右：波痕。
从1960年代开始，学术界就注意到西北大西洋加拿大岸外，水深四五千米的海底照片上，居然有波浪和冲刷的痕迹（图 2.5）。但是深水海底，从哪里来的浪？唯一的可能就是深海底下有海流，而验证的唯一办法是现场检测。第一章里我们谈到过“深海西部边界流”，加拿大岸外深海照片上记录的，会不会就是这种海流造成的波痕？
为了检测深海海流的存在，欧美科学家设计了专门的仪器设备，在加拿大岸外4800—4900m深的平坦海底，选了一块2km×4km的海底，从1978年起进行了7年连续观测。结果发现深海真的也会发生“风暴”：平均每年8—10次，每次延续2—20天，突然有高速的海流发生，最大流速可达15—40cm/s，可以冲刷海底沉积，掀起高浓度的悬移物，改变海底的面貌。这次简称为“HEBBLE计划”的深海观测确证了“深海风暴”的存在，开启了研究深海沉积学的实测方向。