[基础知识] 认识深海

本帖最后由 finepengzl 于 2013-9-16 15:11 编辑 地球的表面71%被海水覆盖，而海洋的平均水深是3800米，其中超过2000米的深海区占海洋面积的84%。巨厚的海水，使人类认识深海底部非常困难，以至于在人类早就踏上月球的今天，仍然无法在深海洋底留下足迹。但是人类对深海的兴趣，远未减退，这不仅仅是由于好奇心的驱使，更重要的是深海与人类的命运息息相关。在已经过去的二十世纪里，人类所取得的科技进步足以惊天地泣鬼神。然而随发展而来的环境恶化、资源枯竭，又驱使人类在“保护地球”的同时，去寻求新的发展余地、生存空间。海洋，就是有待我们开发的对象。 早期的地质工作者，往往是通过对陆地湖盆观察来想象深海底部的情形：认为深海是地球表面运动的归宿——陆地被剥蚀的产物最终沉积在深海海底，不再移动，因此洋底平坦而沉积巨厚；因为波浪的运动不会影响到深层海水以及缺乏对深海水动力学的认识，因此认为深海水体停滞不动；由于数百米水深已无阳光和氧气，所以没有生命而死气沉沉……所有这些误会随着深海探测技术的发展，已经一个一个地被消除，在此本文介绍一些对深海的新认识，以飨读者。 海底地形二十世纪早期以前，海洋测深受到技术的限制，使用的是重锤法测量海深，由于测深点寥若晨星，洋底的确显得平坦而单调。直到二十世纪二十年代，德国“流星号”考察船在南大西洋首次使用回声测深仪，才使海底地形测量成为可能。运用这种新技术，在南大西洋中部铺设电缆时发现了大西洋中脊。同时，在陆架、陆坡的测量中又发现了海底大峡谷。但是直到二次大战，人们仍然相信深海洋底是平坦而缺乏地形起伏的。由于反潜艇的战斗需要，测深技术得迅速发展。六十年代晚期的大洋立体地貌图和深潜考察，进一步改进了对海底地形的了解，对于洋底扩张学说的建立有过重要意义。近年来，海底测深和旁测声纳技术的进展，海底三维计算机制图技术的推进，尤其是运用多波束扫描技术的海底精确制图，已经使海底地形测量进入了高分辨率的新阶段。 从高精度的海深图上看，洋底地形起伏远陆地强烈。海底最深处远远超过珠穆朗玛峰的海拔高度，达11034m，位于在马里亚纳海沟，1960年瑞士工程师Jacques Piccard和美国海军上尉Don Walsh乘“Trieste”号深潜器下到谷底，创下了人类深潜记录。海底陆坡坡度有时可达35~90º，极为陡峭。洋底最显著的地形是贯穿各大洋、总长8万公里的大洋中脊系统，这些中脊平均水深2500m，高出周围的洋盆1000~3000m，中脊中央还有深一、二公里的裂谷，地形复杂、起伏强烈。洋中脊和洋底还被断裂带切割，而断裂带最大可造成4000m的地形反差。更为壮观的是边缘海沟，可以长达数千公里，沟壁陡峻，沟底深邃。另外还有十分独特的是洋底火山，如从夏威夷到天皇海岭的一系列海山，是太平洋板块在地幔柱顶端热点之上移动的轨迹。 海底“风暴”二十世纪三十年代的偶然事件，揭示了洋底并不寂静。当时横跨大西洋连接欧美大陆的数条海底电缆被依次切断，人们才意识到洋底也存在洋流的运动，割断电缆的“元凶”被称为浊流。后来人们发现，浊流其实是深海中比较普通的现象，它的流速可达每小时40~55km，最远可以流动千余公里。 浊流只局限有明显坡度的海区，而六十年代的研究发现，在没有明显坡度的深海海底，也可以有平行等深线的水流，流速可达5cm/秒，通过海底照相，可以在5000米水深的海底看到它所产生的波痕。这种水流是由于不同地区的海水存在密度差异而造成的。通常这种水流比较稳定，但有时会突然增强，平均延续3~5天，最大底层流速可达40cm/秒，导致突发性的海底沉积物搬运，这被称为“海底风暴”。“海底风暴”可以使洋底淤泥泛起，“风暴”平息后再重新堆积，这时大部分物质可能已经被搬移至他处了。 当人们以为海底只有堆积，没有水流扰动、冲刷的时候，很容易想到这是处理核废料的最佳选择：人类把有害的垃圾送了深渊，只有不断埋葬而永世不得“翻身”，似乎是万全之计。深海底流的发现，表明洋底并不太平，因此各国政府已经制定了法律禁止这类遗祸子孙的事件发生。 深海热液1977年，美国“阿尔文”号深潜器下到东太平洋中隆2500m水深的加拉帕戈斯裂谷，发现了正在喷出热液的洋底“黑烟囱”。所谓热液，就是原来比较冷的海水沿裂隙进入洋中脊的地壳，由于这里的地壳是地球上最薄的地方，海水可以继续渗入数公里深处的地幔处，并发生物质发生交换，被地幔加热后返回到海底，由于高温（300~400ºC）而比重轻（才0.7g/cm3）、富含硫化物，这种热液的喷出速度高达每秒数米，就如黑烟一般，尉为奇观。热液喷出后，遇到了冷的海水而迅速降温，所带出的矿物质结晶而形成烟囱状，由于富含硫化物而呈黑色，高度可达十米，耸立于洋底。这些“烟囱”迅速生长、也很快倒下，形成一片金属硫物矿床。这是今天正在形成着的活金属矿床，是深海海底的一种资源，同时它为地质时期的热液矿床成矿机制提供了现代模型，对成矿理论研究具有重要的科学价值，同时对理解地球内部与表层能量和物质交换有着重要意义。 热液生物群热液作用最令人感兴趣的地方可能并不是作为矿产资源，而是这里的深海生物群落。当年“阿尔文”号深潜器发现“黑烟囱”的同时，看到了这种独特的生物群，我们称之为“热液生物群”。其实“深海无生命论”早在十九世纪六十年代就已经不攻自破，因为当时需要把洋底电缆拖上来修理，结果发现电缆上竟然生长着很多附着生物。但直到二十世纪六十年代，人们依然认为深海生物十分稀少，主要是因为此前主要是通过水下摄影的方法来调查数千米深处的海底生物。后来人们改进了深水取样设备，可以把海底表层的岩石和沉积物原封不动地取上来，才发现深海底部决非“沙漠”，生物多样性之高简直就是“热带雨林”，只不过生物个体过于细小，被以往的研究所忽视而已。热液生物群的发现则更是石破天惊，不仅是因为生物的密度比周围海底高一万倍到十万倍，主要是在于这种生物群所赖以生存的能量来源。 热液生物群中最有趣的就是3米长的蠕虫管子，这些蠕虫既没有口也没有消化器官，全靠硫细菌提供营养。在这二千多米的深海海底根本没有阳光，不可能进行光合作用，而且温度高、压力大，硫细菌从热液中取得地热的能量，支持着这种特殊的热液动物群，除蠕虫外还有瓣鳃类、螃蟹等等。而且热液动物的新陈代谢特别快，远远高于靠阳光生长的生物群，以致个体较大。这样，深海研究的结果发现今天地球上有两类生物群、两种食物链：一类是我们习惯的靠外源能量即太阳能支持的，在常温和有光的环境下靠光合作用产生有机质；另一类则是靠地球内源能量即地热支持，在高温和黑暗的环境下靠化合作用维持。这两类生物群的能量来源和合成有机质的机理完全不同，可能提示了我们地球上生物起源的途径。在地球演化的早期大气属于还原性，不可能有靠光合作用的生物群，类似于现在热液生物群、依靠地球内热的生物也许是当时地球上唯一的生命。 深部生物圈前面所谈到的硫细菌密密麻麻地分布在“黑烟囱”表面，是热液生物群生存的基础，但这种细菌不仅仅发现在热液区，在深海海底以下数百米处也能存活，构成了“深部生物圈”。早在二十世纪二十年代，就有人提出，油田地层水中的硫化氢与重碳酸根可能是地层中细菌还原硫酸根的产物；二次大战后，也有人对海底以下沉积层中的微生物过程作过研究。但几十年来一直以为地下深处发现的微生物无非是地下水采样时的污染，而生物的活动只能限于接近地表或海底的沉积中。直到七十年代末和八十年代初，美国地调所和环保局要调查地下水的质量，美国能源部要交代埋藏核物质地下设置的安全程度，才开始认真对待地下微生物群存在与否的问题。在陆地上的钻探表明在地下2800m、地温已高达75ºC的深处还有细菌存活，而在北海海底3000m深处的油田和阿拉斯加北陆坡的油井中，也都发现有热液细菌生存，能够适应上百摄氏度的高温。现在洋底以及大陆的大部分钻井中都已经发现这种细菌和微生物的存在，而且有不少属于共同类型，这意味着地下深部生物圈应当是横跨海陆，具有全球规模。这一我们以前闻所未闻的生物圈一分庞大，有人估算在全球洋底以下的生物量可能相当于地球表层生物圈总量的1/10之多！这类在极端条件下生存的微生物群，有的可能已经有数百万年的高龄，长期处在休眠状态，无论在生物学理论或者生物技术实践中都有着极为诱人的前景。 气体水合物近来在在深海的又一发现是气体水合物，也许与人类未来的关系更为密切，因为它可能成为本世纪的新能源。 气体水合物是一种象冰一样的神奇固体。我们知道，水在结冰时会形成晶格，这时如果有一定的压力，那么这个晶格可以把一个甲烷分子固定在里面，这就是气体水合物。对气体水合物的研究表明，它只能存在于温度低于7ºC、压力高于50个大气压的条件下，一旦温度和压力条件发生改变，水合物立刻分解成为水和甲烷气体。在陆坡海底下数百米深处刚好满足这种条件，过深则因地热作用会变气体。一个体积的水合物可以释放出164个体积的甲烷，因此采集水合物的技术要求非常高。几年前从美国东海岸已经首次采集到了水合物样品。 很多国家都在支持气体水合物的研究，初步的探测表明，美国东南大陆边缘约十万平方公里的海底可以储有四百亿吨甲烷。有人估计，全球可望有十万亿吨的碳呈这种形式储藏，相当于全部其他矿物燃料含碳量的两倍，这也许会解决由于石油资源耗尽而引发的“燃眉之急”。 但是气体水合物不可忽视的效应是它对全球气候的影响。甲烷是一种高效率的温室气体，比CO2的效率高十倍以上，如果海底温度或压力稍有变化，气体水合物就可能把大量甲烷呈气态逸出输入大气，造成全球气候快速变暖。因此在开发利用气体水合物之前，我们必须认真研究气体水合物对全球环境的作用。

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