南海探测
——我们在海底发现了什么

周怀阳 杨位迪

我国“南海深部计划”

2011—2018 年，我国自然科学基金重大研究计划“南海深部计划”用了 8 年时间，研究南海的构造和岩浆活动、沉积与古海洋学、生物与地球化学三大主题，充分运用深潜、深钻和深网三大技术，研究南海作为一个边缘海的生命史。

深潜技术发展至今，设备多种多样，但主要分为载人和无人两种。载人深潜器可以带人下潜，获得如身临其境的感受，但载人深潜器要靠一同带下去的电池维持工作，过一段时间必须回到海面上的母船进行充电或者更换电池，还需要配备乘员的维生系统。而无人（遥控）深潜器应是今后的主要发展方向，它无需人员维生设备，自动化程度更高，作业能力更强，在深海工作时间更长，可以负载的科学装备可以更多并更多样。

在 2013 年我国“蛟龙号”首次科学下潜“开门红”基础上，2018 年，“南海深部计划”进入冲刺阶段，分别借助加拿大“ROPOS”遥控深潜器和我国“深海勇士号”载人深潜器开展了两个航次的下潜科考工作。

不载人的ROPOS遥控深潜器与载人深潜器一样，也装备了两个具备7种功能的机械手，操作员通过模拟器在母船上远程控制。在水下的深潜器通过连接母船的电缆获得电力，接受命令，开展工作。它有很强的续航能力，理论上，母船在海上待多久，深潜器就可以在海底工作多久。

ROPOS遥控深潜器机械手的抓力达 250 千克，是目前最强大的机械手。深潜器本体前部配有前视、俯视等多个摄像头，其前视性能是目前世界上最好的，可以为我们传回海底的高清照片和视频。水下采样及其他作业，不仅要依靠遥控潜水器出众的能力，还需要操作员精巧的控制。当我们需要采集微生物样本时，遥控潜水器可使用类似吸尘器的采集管精准地将目标样本吸集到样品罐中。用机械手来抓取海星、海参等一些大的海底生物样品时，既不能太用力把样品抓烂，又不能太轻太松免得让样品溜掉。依靠操作员高超的控制能力，机械手既能夹碎坚硬的碳酸岩，又能轻轻地夹起易碎的海绵。

载人航次选定的是西沙海区。最令人高兴的是我们在甘泉台地发现了珊瑚林，竹珊瑚有像竹子一样的枝节，拉直了有 5 米长，随着水流像海底上的鞭子一样扬来扬去。除此之外还有柳珊瑚、金柳珊瑚，都非常漂亮。它们都属于冷水珊瑚（图 2-1），和热带海区表层靠阳光生长的珊瑚完全不一样。如竹珊瑚，它的顶端是软的，有很细可以卷起来的骨头，仔细看的话可以发现，竹珊瑚的骨头是分节的，分节处白色的是方解石，最上方的一朵朵小花才是珊瑚虫。珊瑚虫会将海雪中的营养物质吃进去，这么多竹珊瑚形成了一个“树林”。海雪是上层生物掉下来的排泄物或者尸体，这些冷水生物需要找一个水流较为强烈的地方，期望吃到尽可能多的东西。冷水珊瑚的生长不需要阳光，但非常缓慢，一年长不到 1厘米，它在温度为几摄氏度的水中就可以生长，有时会长得很大。这次发现珊瑚群对于南海深部生态系统的研究有很大的价值，如果将珊瑚骨骼切开能发现它像树轮一样，是很好的海洋环境记录者。

我们要探寻南海的海底世界，除了深潜还有两种方法，分别是海底观测网和大洋钻探。利用海底观测网的基本思路是将设备放在海底，类似海底的“气象站”，设备将数据传回办公室，进行长期连续的高分辨率实时观测。我国已立项要建造两张大的观测网（图 2-2）。大洋钻探则是向地球内部进军的一种方式。陆地的地壳有几十千米厚，而深海海底的地壳最薄的地方只有几千米。大洋钻探的最终目标是要打穿地壳进入地幔。

最新发现：南海的前世今生

2018 年 4 月 17 日至 5 月 16 日，“嘉庚号”科考船在南海进行了为期一个月的科学考察，它是“南海深部计划”的冲刺项目。此次遥控深潜计划使用了厦门大学最新打造的“嘉庚号”科考船，并租用加拿大遥控无人深潜器ROPOS进行下潜探测。执行这次计划的有来自国内 9 个大学和研究所的 22 位科学家，他们共同完成了采样、处理样品、记录、研究等工作，并实现了国内第一次海底直播的科普工作。无人深潜器在深海中边走边观察，一般速度约为每小时 900 米。在水下最长的一次，深潜器沿一座大海山的山坡观察了十几千米，因为要不时停下来采样，总共花了 33 个小时。此次“南海深部计划”共做了 33 次下潜，访问了南海中南部的 10 座海山，除了海况原因和机器原因耽误了两天半时间外，基本都在昼夜不停地高强度工作或者航渡，尽管这个航次的工作在南海那么大范围内只如蜻蜓点水一般，但还是取得了一些重要的发现，超出了预期，可以引发很多后续的思考和研究。

“嘉庚号”科考船长77.70米，宽16.24米，是中国深远海科研主力船之一。

此次航行带给科学家惊喜的发现有：

曾经的火山与热液活动

从此次访问的 10 座海山来看，南海水深超过 600 米的海下应都是由火山岩构成的。这里曾经有大量的火山活动，形成了这些海山。这些火山岩被称为枕状熔岩，和夏威夷火山熔岩属于一个大类，都是玄武岩（图2-3）。海底深处上来的岩浆温度约 1240℃，而周围海水的温度约 2℃，岩浆遇到海水就如同淬火。我们看到的枕状形貌实际上是岩浆流淌的痕迹，岩浆流表层快速冷凝，形成火山玻璃硬壳，像鸡蛋壳一样，里面的岩浆从硬壳底下再冒出来，再冷却，在连续流动与不断冷却过程中形成一个个枕体，即典型的枕状熔岩。这些枕状熔岩的形成时间迄今已有几个至几十个百万年，在漫长的地质历史时期，大自然界的构造运动可以将其切割开来，让我们看到它们内部的放射状构造，如同露出来的一朵朵菊花一般（图 2-4）。

除了常见的枕状熔岩外，我们此次在南海还发现了深海很少见的柱状节理，这是当时火山口的岩浆，还没有溢出到海底就碰到上面的海水，高温时的岩浆是塑性的，冷凝后变成脆性，在张力作用下，形成一个个六边形或者五边形（图 2-5）。

我们还可以看到，一些岩石表面长着毛，其实这些全都是海洋生物。

深海营养物质匮乏，生物除了利用上层水体中沉降下来的物质外，也可以依靠海底基底提供的养分。在这个航次中，我们还在南海首次发现了深海古热液。热液区范围很小，一般只有 100 至 300 米长。在几千米的深海找热液口，尤其是古热液口特别难，因此，此次发现古热液非常幸运。我们发现，古热液丘表面和火山岩的表面一样，也覆盖了薄薄的铁锰结壳，说明热液活动早已经停止了。由一个一个古热液丘构成的古热液区至少有 700 多米长。汪品先院士将这个古热液区取名为“南溟古热液区”。我们将标本拿回实验室做了初步分析后确定，此次发现的古热液烟囱的成分主要是低温（温度低于 100℃）热液沉淀形成的硅、铁、锰、磷等。

目前南海最大的铁锰结核区

人类发现海底铁锰结核差不多已有 100 多年的时间，在太平洋、印度洋等海区都发现过铁锰结核。这次下潜我们看到了南海迄今为止最大的铁锰结核区，远看密密麻麻，镜头拉近后能看到在沉积物表面这些铁锰结核的一些细节（图 2-6）。为什么在那个地方会有结核？为什么结核会留在沉积物的表面？目前这些还是科学难题。在结核采样过程中，有时用机械手去抓，有时用网兜去收。我们要比较同一区域中结核的大小、内部结构、成分、形成时间上有没有变化。另外，我们还利用海流计测了结核区海底的底流流速。我们在前面下潜时将测流设备放下去，十几天后，在我们返航经过时再回收，得到了十几天的海底底流流速资料。这也是我国在这样的深度、这样的环境里第一次开展这类测量。

现在仍然十分动荡的海底

一般来说，在巨大的压力下，深海水的流动是很慢的，每秒只有 3至 5 厘米，非常安静。但是这次令我们非常惊讶的是，我们发现，在南海北部的几个地方，海底十分动荡，哪怕 1000 多米水深的地方都能看到强流引起的大沙波（图 2-7）。为了开展物理海洋和沉积海洋学的研究，科学家们准备了有刻度的标尺插入海底，20 天后发现，整个位置都动了，原来的峰变成了谷，原来的谷变成了峰。这又是沉积学家们没有想到的。根据峰谷的形状以及位置变化，可以推测水流的方向与强度。

深部生物圈的窗口

南海至今没有发现活动的热液。不过南海有许多活动的冷泉，冷泉与热液一样，也是深部生物圈的窗口。我们此次在 1200 米深的南海北部看到了主要由贻贝（平额深海偏顶蛤）、“白瓷蟹”（柯氏潜铠虾）等构成的活动冷泉生物群落。和地面依靠阳光的食物链不一样，这些冷泉生物的能量基础来源于冷泉中的甲烷、硫化氢和氢气，微生物利用这些气体进行化能合成制造有机物，而我们肉眼可见的这些大型冷泉生物则是以这些微生物为食，整个食物链体系被称为黑暗食物链（图 2-8）。我们看到，甲烷并不是在一个固定的地方冒泡，一个地方冒一会儿后就不冒了，可能是深部没有气了或者被什么东西堵住了，但冷泉生物都很聪明，会向着甲烷气体密集的地方移动。虾跑得很快，而贻贝移动很慢，因此我们可以依靠寻找虾的密集区来找到甲烷释放的高值区。上到海底的甲烷被氧化成二氧化碳，二氧化碳和水体里面的钙结合形成冷泉碳酸盐。

此次南海之行带来了太多的惊喜。例如，我们还看到了一种烟灰蛸属的章鱼，因其可爱的外形被称为“小飞象”章鱼（图 2-9），以及一米多长的海蛇尾。我们还看到了外形各异的深海海绵。有一类玻璃海绵，其体内富含大量硅质的骨针，手摸上去甚至会有些刺痛。它们一天可以过滤相当于几个泳池的水，吸收水中的有机质和氧气，因此它们需要生活在水流通畅的地方。其中最有趣的是“偕老同穴”，常有一对俪虾共生于海绵中，俪虾在年幼时钻入海绵的体腔，生活于其中既安全又能获取食物，但随着身体长大它们也永远被困在海绵中，繁殖出的后代会随海流离开，去寻找“新家”。

但是令人非常遗憾的是，我们每一次下潜都能看到或多或少的垃圾（图 2-10），有时是一箱垃圾，甚至一船的垃圾被扔在海里。有一次我们用机械手抓到一个蛋壳，里面的有机物质已经没有了，充填了沙子。还有许多塑料垃圾，上面长了许多依靠垃圾生活的菌群。我们对它们进行了采样，希望科学家利用这些样品分离培养出可分解塑料的细菌。

与深海精灵面对面

冷泉生态系统

冷泉生态系统和我们所认识的普通生态系统不一样。在这里，所有生物的能量基础都来自冷泉释放的甲烷、硫化氢和氢气。这里的贻贝和虾等大生物大都是所谓的共生生物，即是与其体内微生物互相依赖的生物。这些微生物依靠甲烷、硫化氢和氢气等进行化能合成。如果近看的话，在虾的身上通常还有很多绒毛，这种立体结构给微生物提供了很多附着空间，它们只需待在适合微生物生活的甲烷气体泄露区域附近，就可以让微生物在绒毛间生长，之后只要刮一刮身体就能进食了。

如果甲烷气体不再释放，柯氏潜铠虾（图 2-11）就会去寻找新的甲烷释放区域，而那些无法移动的冷泉生物（如平额深海偏顶蛤）则只能因为共生微生物无法生存而饿死。蜘蛛蟹则是捕食者，它往往会在四周游荡，搜寻从海面上掉下来的、周围死掉的以及一切可以抓到的生物。

海山上的生物

陆地上，山越高，山上的生物就越少。但在海里，海山越高生物反而越多，这是因为越高越靠近海面，就可以接收到更多来自海表真光层的有机质能量。我们这次在海山上看到了海葵，它们的触须伸得非常长，任何飘过的食物它都不会放过，还能看到很多海参，它们不停将富含细菌或者有机质的沉积物吸收进消化道，从中获取食物，再将不能消化的沉积物排泄出来，形成了一圈一圈的粪团。继续往海山顶上走，我们能看到更加丰富的生物，如海百合、红珊瑚、虾、海参、海胆等。

沉积物上我们还能看到许多生物遗迹，这些是怎么形成的呢？生物遗迹实际上是各种生物在上面行动留下的“脚印”。比如海参，不同的海参走出来的“路”是不一样的，它们留下的脚印也是不一样的；再如海胆会拱一条很宽的路出来，在行动时海胆还常常将一些贝壳、碎屑裹在身上。我们在海山上还发现了其他种类的海胆、海参，还有海蛇尾、海葵等。

透过高分辨率的摄像头，我们能细致地观察深海生物的行为，如海螯虾是如何返回洞穴的，扁蛛蟹是如何行走的等。

热闹的南海生物

在这次科考过程中，我们看到了各种各样的生物，它们共同构成了南海的生态圈，十分热闹。除了那些大型的深海生物，海水中还有许多内眼难以分辨的微小生物，那就是浮游生物，受限于以往放大摄影设备的性能，人们平时只能看到甲醛固定的标本，它们并不好看，但它们在活着的时候其实有着非常亮丽的颜色，这种差别大家通过观察市场上活虾和死虾就能直观了解。浮游生物是一群随波逐流的流浪者，一般个体微小，却是海洋生态系统中不可缺少的重要一环，甚至供养着地球上体型最大的动物——蓝鲸（其主要的食物来源就是南极磷虾，这是南大洋海域重要的浮游动物）。

我们还能在海面上看到很多生物，比如飞鱼（图 2-12），它们将身体摆成一个S形后弹出海面进行滑翔，待接近水面时通过快速摆动尾鳍获得动力再次滑翔，海面平静时，往往可以滑翔三四次才会落水。我们还能看到海豚，夜晚潜水器升水时，强大灯光系统吸引了许多鱿鱼，聪明的海豚借此大快朵颐。