海底地质样本采集工具 -海底地质构造

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「深海诱惑」

海的下面，是一个陌生的世界。那里幽暗神秘，似乎很容易去，却又非常难以到达。正是这个看似矛盾的特点，使得深海充满了诱惑，让无数探险家心醉神迷。

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主笔｜袁越

临时受命转动一台地球仪，闭着眼睛扔一只飞镖上去，你有71%的概率扎中海洋。你坐船来到这个被飞镖选中的地点，那里海拔为零，气压760毫米汞柱，举目四望，一片蓝色汪洋单调无趣。但这是地球跟你玩的一个捉迷藏，只要你勇敢地跳下水去，你将发现一个完全不同的深海世界，那里生机勃勃，充满诱惑。2020年11月19日，海洋生物学家贺丽生博士就来到了这样一个地点。这里位于关岛西南大约300公里的洋面上，初看上去和其他那71%的大海没有什么两样，但水下却暗藏玄机。如果你从这里跳下水去一沉到底，你将到达位于海平面以下1.1万米的“挑战者深渊”。这是马里亚纳海沟的最南端，是目前已知的地球表面最深处，因此也被称为地球的第四极。

贺丽生博士处理采集的海底生物

如果你想去另外那三极，也就是北极、南极和珠峰，你必须付出艰苦的努力，还不一定能成功。但你只要想办法到达北纬11°22.4′、东经 142°35.5′这个地方，朝水里扔一块石头，它一定能到达地球的第四极，似乎非常容易。但是，因为海水比空气重很多，每下潜10米，静水压就将增加一个大气压。普通船壳材料承受不了这样大的压力，所以目前世界上最先进的核潜艇的最大下潜深度也就只有600米左右，距离目的地还远着呢。海底1.1万米处的静水压约为1100个大气压，大致相当于每平方厘米需要承受1.1吨的压力，只有用特殊材料制成的潜水器才能把人安全地送到那样深的地方，这就是为什么“挑战者深渊”是最后一个被人类征服的地球极点。最早到达“挑战者深渊”的是一个美国人和一个瑞士人，他俩于1960年1月23日驾驶“的里雅斯特号”载人潜水器成功坐底马里亚纳海沟，创造了人类深潜的世界纪录。但那次深潜的唯一目的就是破纪录，两名潜航员只在沟底待了 20分钟就上浮了，几乎什么都没有看到。在那之后长达半个多世纪的时间里，人类再也没有光顾此地，直到2012年加拿大电影导演詹姆斯·卡梅隆花自己的钱制造了一台万米级载人潜水器，让自己成为第三个到过地球第四极的人。

“的里雅斯特号”载人潜水器

作为对比，2012年之前已有12个人踏上过月球的土地了。卡梅隆虽然很想顺便搞搞研究，但他驾驶的那台“深海挑战者号”载人潜水器也是为破纪录而建造的，并不是真正的作业型载人潜水器，在科研上没有什么作为。2018年，美国富翁维克多·瓦斯科沃出钱建造了第三台万米级载人潜水器“限制因子号”，深海作业能力大大提高。但瓦斯科沃的初衷还是为了破纪录，科研只是附带功能，因此这台潜水器在操作性能上还是打了一些折扣的。

美国富翁维克多·瓦斯科沃准备进入“限制因子号”潜水器

中国直到2002年才正式开始研制大深度载人潜水器，但我们只用了不到20年的时间就研制成功了“蛟龙号”、“深海勇士号”和“奋斗者号”这三台载人潜水器，完成了载人深潜的三级跳。2020年10月，“奋斗者号”来马里亚纳海沟进行第二阶段海试，连续7次下潜至万米深的海底，圆满完成了预定的工程测试任务。按照计划，当年11月19日将进行第8次，也是返航前的最后一次下潜，海试团队决定安排一个应用潜次，并邀请一位真正的科学家参加，贺丽生幸运地被选中了。“上船之前我根本不知道自己要下潜，因为原定给我安排的任务就是处理潜航员采回来的样本，并为样本采集地点的选择做些指导工作。”贺丽生回忆说，“直到下潜前两天他们才通知我，确实有点意外。后来很多人问我怕不怕，如果我从来没上过船，突然问我这个问题，我可能会想一想，但我已经跟‘蛟龙号’和‘深海勇士号’下去过好几次了，最深下到过6000多米。这次跟‘奋斗者号’的海试团队朝夕相处，看他们一次次地下潜，一次次地改进，心里非常有底，‘害怕’这个词在别人问到我之前，我连想都没有想过。”

“奋斗者号”是中国研发的万米级载人潜水器

因为事先没有准备，衣服没有带对，贺丽生穿着一件借来的棉坎肩钻进了“奋斗者号”的载人舱。很难想象这样的事情会发生在载人航天领域，这就是两者最大的区别。载人深潜的技术难点主要集中在潜水器的研发上，一旦研制成功，执行下潜任务的技术难度要比载人航天低很多，任何身体健康的人只要经过简单的培训就可以跟着下了。“奋斗者号”看上去像是一辆超大号的装甲运兵车，但载人舱只是一个内径1.8米左右的钛合金球，一次装3个人略微有点挤，但还是可以接受的。那天担任主驾驶的是潜航员叶延英，他是中科院深海所潜航员团队的队长，经验十分丰富，“奋斗者号”首次万米下潜就是他担任的主驾驶；副驾驶名叫王治强，也是深海所潜航员团队里一名经验丰富的成员。

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深海所技术员在讨论“奋斗者号”的维护工作（居中的是叶延英，袁越 摄）

虽然那次深潜配备了两名潜航员，但这是海试时的特殊安排，将来执行任务时只需一名潜航员操纵潜水器就够了，载人舱内的另外两个位置都可以留给科学家。多年的国际科研实践表明，载人深潜作业的最佳配置就是一名驾驶员带两名科学家，这样的搭配方式工作效率最高。相比之下，“限制因子号”的载人球舱小了很多，每次最多只能允许两人同时下潜，比“奋斗者号”少了一人，工作效率大打折扣。载人球舱的舱门关闭后，技术人员用母船上的A架把“奋斗者号”吊放到海里，然后蛙人乘坐一艘橡皮艇登上潜水器，解开A架的挂钩，让“奋斗者号”自由漂浮在海面上。整个过程摇晃得挺厉害，贺丽生感觉有点头晕，好在蛙人动作熟练，不到5分钟就搞定了。潜水器的各项参数检查无误并收到母船的指示后，驾驶员叶延英打开压载水箱的注水阀门，把海水灌进去，“奋斗者号”便在重力的作用下开始下沉，很快就消失不见了。深入大海沉入水下50米之后，“奋斗者号”就不再摇晃了，而是按照设计者的要求以提前计算好的速度螺旋式下潜，下潜速度大约为每秒1米，和老式居民楼里那种普通电梯的升降速度差不多。为了节约宝贵的能源，载人潜水器都是采用这种无动力自主下潜的方式沉入海底的。下潜过程中，两位潜航员一直在不停地监视和记录各项参数，但科学家贺丽生基本上无事可做，她便蹲下身子，把脸贴在观察窗上往外看。虽然她已经下潜过好几次了，但大海对她来说还是具有无限的吸引力。其实贺丽生至今尚未潜过水，是个标准的“旱鸭子”。她是北京顺义人，本科毕业于北京医科大学，2003年转去香港大学做基础研究，拿到了生物化学博士学位。因为导师的关系，贺丽生博士后选择研究海洋生物，主攻藤壶的附着机制，希望能研制出无毒的友好型抗污损化合物。正是在研究藤壶的过程中，贺丽生对海洋生物发生了兴趣。“大陆的海洋生物学研究主要集中在水产养殖和育种这块，一般老百姓一提到海洋动物就问好不好吃，很少有人对海洋动物的分子机制感兴趣，更别说深海生物了。”贺丽生告诉我，“不过，探索未知是科学家的天性，以前我们根本不知道深海里有生物，通过海底拖网才发现深海里有很多鱼，有种狮子鱼居然能够生活在8000多米深的海底！我现在最感兴趣的问题就是生命的极限在哪里，深海就是研究这个问题的最佳地点之一。” 0 P% x/ i3 ^( y

“阿尔文号”潜水器（摄于2014年）

作为一种陆地哺乳动物，人类对于生命的理解其实是相当片面的。大多数人只对自己看得见摸得着的陆生生物感兴趣，只有生活在海边的人才会因为觅食的原因而潜入大海。但在现代科学诞生之前，即使是靠海而生的渔民们也只知道浅海里有鱼可捞，对深海的情况一无所知。直到19世纪中期，科学家们都还相信深海是个没有生命的幽暗世界，没什么值得一看的东西，因为当时的科学家根本没有能力到达深海。感谢“奋斗者号”，贺丽生只花了3分多钟就越过了200米这条分界线，从表层“阳光带”进入了中层“暮色带”。这里的阳光极其微弱，无法支持光合作用，所以海洋从这里开始便成了动物们的天下。动物们依靠从表层落下的海雪为食，生长速度极其缓慢。因为下潜过程没有开照明灯，贺丽生看不清动物们的身体轮廓，却能看见一颗颗“流星”从窗前一闪而过。那是各种发光生物发出的荧光，它们在漆黑的海底创造了一个五彩斑斓的世界。虽然窗外的风景很诱人，但贺丽生并没有一直看下去。一来她必须跪坐着透过观察窗去看，时间长了腿受不了；二来下潜所需时间是非常长的，这一点相信很多人都没有意识到。其实只要稍微计算一下就可以知道，“奋斗者号”要花3个小时的时间才能下到万米深的海底。下潜过程中舱内的灯都是关着的，只靠仪器的显示屏来照明。大家可以试着想象一下3个人坐在一个没有灯的小电梯里不停地下降3个小时，那滋味肯定不怎么好受。值得一提的是，载人潜水器在下潜过程中只能依靠声学通信系统和母船保持联系，没法使用无线电等基于电磁波的通信方式，这是因为水对电磁波的吸收能力太强了。事实上，这就是为什么水下200米就几乎没有光的原因，因为光也是电磁波的一种。声波在水中虽然可以传得很远，但传播速度慢、信息载量小，远不如电磁波好用，这一点是载人深潜和载人航天的另一个重要区别。同理，基于地球同步卫星的GPS定位系统在深海里也不能工作，潜水器只能借助母船发出的声信号进行定位和导航。随着下潜深度的不断增加，周围海水的温度逐渐下降，到4000米时降到了最低点，大约只有2℃左右。因为人体会散发热量，所以舱内的温度还能维持在17℃左右，一件棉坎肩足以御寒。但载人球舱是钛合金做的，导热性能比其他非金属材料要好多了，踩上去体感很凉，所以潜航员都穿着两层厚袜子，有的潜航员甚至会准备一双毛茸茸的棉拖鞋。温度降低容易让人产生尿意，这个问题曾经是靠尿不湿来解决的，但因为沾了水的尿不湿又冷又沉，穿在身上很不舒服，后来改成了尿袋。为了照顾隐私，舱内准备了一个帘子，需要时可以遮挡一下。大便就比较麻烦了，只能要求潜航员在下潜的前一天注意一下自己的饮食。说到饮食，母船上的食堂会为每位潜航员准备一份简单的午餐，米饭面条什么的，用保温桶装好带下去。像这种万米深潜，光是下潜和上浮过程加起来就要花6个小时，再加上6个小时的海底工作时间，以及下潜前和上浮后的准备时间，潜航员会有14个小时吃不上正经饭。不过因为每次下潜都有很多事情要做，潜航员们经常想不起来吃饭，正好也避免了上大号的烦恼。当然了，普通的深潜不会花这么长的时间，因为全球海洋的平均深度约为3700米，像“奋斗者号”这样的载人潜水器只需一个半小时就可以坐底了。但是，别看海洋平均只有3000多米深，考虑到其巨大的表面积，全球海洋的总体积高达13.7亿立方公里，占地球表面可供生物生存的总空间的95%。换句话说，我们平时肉眼所能见到的只是地球生物圈的极小一部分，深海才是地球生命最广阔的舞台。如果不考虑地球内部的碳储存的话，海洋还是地球表面最大的碳汇。目前全球海洋每年吸收大约26亿吨碳，约占人类活动总排放量的31%。这个吸收力度已经比20世纪的平均值高出4倍了，不太可能再增加了。另外，溶于水中的过量二氧化碳会使海洋酸化，导致珊瑚礁和其他有壳类海洋动物的大面积死亡，所以大气二氧化碳浓度的增加无论如何都不是一件好事情。总之，无论从哪个角度来看，深海都是关乎人类未来命运的关键所在。深海诱惑经过3个小时孤独而又漫长的下潜之后，“奋斗者号”距离海底只有大约80米了。主驾驶叶延英抛掉两块压载铁，并通过向耐压可调水舱里注水或者排水的方式对潜水器的浮力进行微调，使之以接近零浮力的状态缓缓坐底。贺丽生幸运地成为全球第三个下到过“挑战者深渊”的女性，同时也是全球第二名到达过如此深度的生物学家。瓦斯科沃曾经在2019年送两名女探险家和一位生物学家下到过“挑战者深渊”，贺丽生紧随其后，同样创造了历史。据统计，此次“奋斗者号”马沟海试一共有11人下到过“挑战者深渊”，如果再算上2012年之前的那3个人，以及瓦斯科沃团队的8人，那么贺丽生就是全球第22位成功到达地球第四极的人。按照官方记录，此次“奋斗者号”海试所到达的最深点是海平面以下10909米，比“限制因子号”报出的10928米少了19米，但这很可能是因为测量方法不同而导致的误差。“10909米那次我是主驾驶，这个深度是用最专业的深度计测出来的，精度为万分之一。同样的深度，用测量精度差一些的温盐深传感器（CTD）测得的结果是10935米，两者相差26米。”负责制造载人潜水器的中国船舶重工集团公司第702研究所的潜航员张伟告诉我，“实际上，两家潜水器在选择潜点之前都用多波束声呐反复测量过，大家选择的应该都是同一个地方。”

走进702所，就能看见3个完全按照原样复制的载人潜水器模型（袁越 摄）

不过，贺丽生根本没有时间去想这些“世俗”的事情，她完全被马里亚纳海沟独特的气质吸引住了。“快坐底的时候，我们3个人突然都不说话了，大概是被深海的这种宁静感染了。记得我当时最大的感受就是：这里怎么这么安静啊！那种安静所带来的神秘感和庄严感很可能只有下到过海底的人才能体会。”贺丽生回忆说，“我趴在观察窗口往外看，发现这里的生物真的非常多！记得我看到过几只钩虾，以及很多海参，还发现了不少多毛类生物。”海底深渊是地球上最为极端的生态环境，无论是动物还是微生物都是其他地方所没有的，具有很高的研究价值。贺丽生的主要任务之一就是采集海底生物样本，可惜最终结果不尽如人意。“这里的海参跟我们之前看到的海参差别很大，它们个头不大，身体是透明的，机械手刚碰到，它就漂走了，非常难取。”贺丽生回忆说，“再加上那天央视组织了一场水下直播，占用了一些时间，最后我们只采了几件岩石和沉积物样品，以及半条海参，相当遗憾。” 

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图表：昭君 糯糯

有意思的是，同一条海沟，不同专业背景的人有着不同的回忆。“万米海沟黑漆漆一片，即使在光照条件下能见度也只有20多米，对一般人来说并不好看。”曾经三次下到过“挑战者深渊”的张伟对我说，“沟底的海参也并不好看，而且密度不一，有的地方搜索半天都看不到一只，有的地方每隔几米就能看到一只。钩虾就更少见了，一般都是用食饵来引诱，在采样篮里放上一条鱼或者半只鸡，不到20分钟就能吸引来几十只钩虾。我感觉它们似乎还挺聪明的，先不着急吃，而是在周围转几圈，像是在搞侦察，直到它们感觉安全了才上去撕咬，而且互相之间也不抢食，秩序井然。”张伟最想去的地方并不是深渊海沟，而是海底热液喷口。那地方不但有源源不断的热液从海底涌出，喷口周围还能看到很多色彩鲜艳的动物，而且个头都相当大。事实上，热液喷口及其周边生态系统是迄今为止深海生物学领域的最大发现，此前大家完全没有意识到海底存在着这样一个完全依靠化学能来提供基础能量的生态系统。这项发现甚至有可能改写生命起源理论，最新的意见认为，地球上最早的生命很可能就是在海底碱性热液喷口附近进化出来的化能自养型微生物。同样下过三次“挑战者深渊”的叶延英则对沟底的地质状况印象深刻。“我们一般会先在海沟的中间坐底，然后再以大约1节（1.85公里/小时）的速度在沟底巡游，碰到岩壁后再掉头往回开，直到碰到另一侧的岩壁。”叶延英回忆说，“马沟两边的岩壁非常陡，几乎直上直下，一眼望不到头，视觉效果相当震撼。山脚下还能看到很多大石头，和陆地上开矿炸山后滚下来的石头差不多。”海洋生态学家驾驶名为“Nadir”的潜水器在美国东北峡谷和海山海洋国家纪念公园进行海底探测陆地上最深的雅鲁藏布大峡谷，最深处约为6000米，只有“挑战者深渊”的一半左右，这是因为两者的成因截然不同。雅鲁藏布大峡谷是喜马拉雅造山运动和江水的冲刷合力形成的，属于陆壳的范畴，而马里亚纳海沟则是太平洋板块撞上菲律宾板块后向下俯冲的结果，是洋壳消亡的地方。陆壳和洋壳是地壳的两种形态，后者远比前者更加活跃。如果我们把海水全部抽干，把洋壳完全暴露出来的话，我们肯定会惊讶于海底世界的宏伟壮观。那里有长达6万多公里的山脉（洋中脊），总长度超过5万多公里的海沟和海槽，以及大约10万座高度超过1000米的海山，它们绝大多数都是火山爆发后的产物，因为地球上超过80%的火山位于海底。从地质学的角度来看，因为洋底和地幔的距离更近，所以深海才是研究地质学的最佳地点。事实上，地质学最核心的板块构造学说正是通过对深海海底的研究而逐渐成型的。换句话说，深海研究不但改写了生物学，而且改写了地质学。这两门学科互有交集，合起来帮助我们更好地了解了地球，更深入地理解了生命。结语在海底工作了6个小时之后，叶延英再次抛掉两块压载铁，“奋斗者号”以相同的速度开始上浮，3小时后回到了海面，顺利地结束了这次马沟海试之旅。这次成功的海试让中国成为全世界第二个有能力把人送入海洋最深处的国家，而“奋斗者号”则是目前世界上已知的深渊作业能力最强的载人潜水器。地球上深度超过6000米的所谓“海斗深渊”（Hadal Zone）一共有37个，大部分都没有被人类亲自考察过，原因就是缺乏合适的潜水器。如今我们有了“奋斗者号”，起码理论上已经具备了去那些地方一探究竟的条件。放眼全球，至今尚未被人类勘探过的陆地已经非常少了，但仍有超过80%的海底属于科学的盲区，从来没有被详细地研究过。历史告诉我们，真正的创新往往来自于探索未知，但这就需要冒一定的风险。西方人在这方面开了个好头，接下来是不是应该轮到中国人了呢？我们在工具上似乎已经做好了准备，就看我们在心理上是否调整到位，身体上敢不敢站出来领跑了。来自深海的诱惑，值得我们朝这个方向努力。封面动画设计：黄罡更多精彩报道详见本期新刊「深海诱惑」点击下图，一键下单本期更多精彩| 封面故事 | 8 L6 q$ T( ]! v

深海诱惑（袁越）

载人潜水器的前世今生（袁越）

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