海底地质历史演化模型 -海底地质类型

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导言：

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在茫茫的蔚蓝色的海洋下面，有连绵起伏的山脉，也有宽阔的海盆，蕴藏着巨量的矿产资源和生物基因资源。

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我们为什么要去探索深海

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海洋占地球表面积的71%，有两个月亮和两个火星的表面积加起来那么大，可以说，我们是生活在一个水球上面。在这茫茫的蔚蓝色的海洋下面，其实有连绵起伏的山脉，也有宽阔的海盆，蕴藏着巨量的矿产资源和生物基因资源。

每个国家都有自己200海里的专属经济区，在大陆架和专属经济区之外的区域就属于国际海底，而国际海底的面积也占了地球表面积的49%（图1），也是将近一半的面积，这个区域不属于任何国家，任何国家都没有主权，它里面的资源是属于全人类的共同财产。但是，谁先调查，谁先勘探，谁就有优先开采权，每个国家都可以向国际海底管理区申请矿区，开采之后的一部分必须交给国际社会共享，但是大部分可以属于开采国所有。这就非常值得我们去探索了。

图1 专属经济区和公海示意图

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怎么样去探索

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探索深海需要先进的科考设备，随着技术的进步，我们已经有了拖网，可视抓斗，水下机器人等（图2）。但是还有很多详细的具体的信息们需要近距离去看看。那怎么把科研人员送下去？就需要载人深潜器，就像我们把航天员送上太空一样，我们需要把科学家送入海底。

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图2 海上常规作业设备

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1954年，美国研发了“阿尔文”号，之后法国“鹦鹉螺”号，俄罗斯“和平号”，日本“深海6500”号相继问世。但他们最大的下潜深度是6500米。中国是世界上第五个掌握载人深潜技术的国家，研发了蛟龙号（图3），它的最深下潜深度达到了7062米。2009年研发成功之后，在经过了4年的海试，2013年首次执行科考任务，我有机会参加了它的首次科考（图4）。

图3 蛟龙号载人深潜器和它的初始母船向阳红09船

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图4 蛟龙号首次科考

深潜的目的是什么

载人深潜器有几个方面的应用，最主要的集中在海洋生物和海洋地质。在航次出发前几个月的时间，就会确定好航次的调查任务，在什么海域作业，执行什么样的任务。我参加的航段是在西太平洋的海山深潜，调查的正是我们国家的富钴结壳的矿区，富钴结壳又叫铁锰结壳，主体是铁和锰的氧化物，其中钴的含量很高，主要分布在海山上。具体到我执行的第72次深潜任务，是在采薇海山的西侧斜坡下潜（采薇这个名字是我们国家自主命名的，来源于《诗经·小雅》），到达坡底之后进行一个600米高的爬坡作业，进行斜坡上的富钴结壳分布调查，以及地质取样和生物多样性的调查和取样。在即将到达海山坡底距离30多米时，打开探照灯之后映入眼帘的是灰白色的沉积物，就像到了海底的外太空，顺便说一下我们和外太空也发生过联系，在蛟龙7000米深潜成功的时候，和天上神州九号的航天员进行过海天对话。我之所以能够参与到此次任务是因为我有地质学的背景和相关课题，研究海山形成的课题，我除了采取矿产资源样品和生物样品之外，需要采集岩石样品。这里简单介绍一下岩石的作用。岩石就像地球内部的探针可以用来反演地球内部岩浆作用，大地构造运动也会留下不同类型的岩浆记录，岩石圈的消亡和新生就如同人体的新陈代谢，岩石是我们研究人体时的血液取样，而分析里面的元素含量就如同分析血液里面的红细胞和白细胞。以俯冲带的岩石取样为例，我们可以取到橄榄岩（图5）、辉长岩和玄武岩，我们通过对这些岩石的研究可以推演地质历史上板块的构造演化（图6），建立构造演化模型，而帮助我们认识过去发生了什么。总之，参与航次任务需要有相关的专业背景及相关课题。

图5俯冲带橄榄岩样品及显微镜下矿物照片

图6 地球演化模型示意图

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深潜的过程是怎样的

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在深潜的前三天潜航员就会给你发一个背包，大家可以猜猜这个包里有些什么？吃的？是的，有的，有巧克力和坚果，还有一个毛毯，巧克力和坚果是用来补充能量的，因为作业中没有饭吃，那毛毯用来做什么呢？没错，用来的御寒的。我们在海面是有二十多度，但是海底的平均温度只有一到两度，需要毛毯御寒。载人舱的直径只有2.1米，空间很狭小，里面还有高清拍摄系统和生命支持系统等复杂的设备，是没有卫生间的，所以下潜前一天晚饭开始就不能喝水了，当天早上也只吃了一个煮鸡蛋和几块饼干，也是滴水未进，这样就可以保证一整天的十个小时的作业过程，不用考虑上厕所的问题。

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当时和我一起下潜的是叶聪和傅文韬，傅文韬是主驾驶，坐在中间，叶聪当时是副驾驶，坐在左舷，当时是蛟龙的试验性应用阶段，每个潜次是两个潜航员，一个科学家，我是作为科学家坐在右舷。我们从每个人的名字里取了一个字出来组成了“傅立叶”组合（图7）。

图7“傅立叶”组合

早上八点半入舱，之后A型架用吊揽把我们吊到海面上，“蛙人”再开一个小艇跃到蛟龙的背上，把吊揽解掉，全程是一个无绳无揽的自由下潜。在完成海底作业任务之后，再自由上浮。

下潜5米时，阳光透下来，海水湛蓝湛蓝的，水面是一个一个透澈的凸起，来回的晃荡，泛着白光。50米的时候，窗外的浮游生物像暴雪一样冲我们袭来，一副群魔乱舞、海雪飘飘的景象。

300米的时候窗外就很黑了，但是还能看见机械手。

到350米的时候就有发光生物了，第一只发光生物出现的时候，就像流星一样从我的观察窗前划过，后来有出现了很多的发光生物，他们聚在一起，雪树银花般晶莹，可能受了我们打扰一下子散开去，就像夜空绽放的烟火，真的是一个灿若烟花的海底，非常的美。

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一路的观察取样，看到了很多形态各异的生物。比如粉粉的半透明的海参，它看起来很柔软但是却能抵抗非常大的水压，2700米的海底，压力就是27MPa，270个大气压。还有12腕海参、带刺海参，鲜艳欲滴的海葵、白玫瑰一样的玻璃海绵，六腕海参等生物。有一种像“丝袜”一样的海绵，形态像极了一只长筒袜，但却净白无比，轻盈透亮，如同一丝一丝银线织就，我们给它取了个外号叫做“丝袜海绵”，它一种玻璃海绵，还有蘑菇状的玻璃海绵等（图8）。

图8 海底生物标本

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各种地质和生物样品都取到之后，再抛载上浮。

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除了科研任务之外，我们还做了一个小的科普实验。把泡沫做成的小鱼小熊带到海底去压。它们都变成了右边五分之一的大小。这说明海底的压力是非常大的，同时也说明压力是四周均衡的，因为它们也只有变小，没有变形（图9）。

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图9 用泡沫做的形状在海底压缩前后对比

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海底还有哪些资源？海洋探索未来的前景如何？

在海底不仅只有富钴结壳这一种资源，在海盆还有铁锰结核和稀土资源。铁锰结核结核是生长在深海盆地中的一种重要的海底矿产资源。1872-1876年英国“挑战者”号考察船环球考察时，在摩洛哥的法罗岛西南海底首次采集到了多金属结核。在随后的调查中，人类发现世界大多数海洋普遍分布着多金属结核。但是由于技术手段的限制，大规模的多金属结核调查从20世纪60年代才开始。锰结核呈黑色或者黑褐色（图10），可以存在不同的水深，但在4000-6000m水深的海底最为丰富，富含锰、铁、钴、镍、铜等有用金属元素，具有潜在的经济价值，从而引起人类的重视。

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图10 典型的多金属结核形状（a 连生体状; b菜花状 杨克红拍摄）

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人类在研究海底多金属结核和富钴结壳时就发现这两种矿产资源中蕴含着丰富的稀土元素。国际海底管理局已经组织秘书处完成国际海底富钴结壳和多金属结核地域中稀土元素等级和丰富的技术报告，结果表明令人乐观，为未来稀土开采奠定了基础。不仅如此，人类经过调查，还在深海中发现了一种新型的矿产资源，即富稀土软泥。但在全世界范围内，富钴结壳和多金属结核的稀土含量普遍高于富稀土软泥，而富钴结壳的稀土含量普遍高于多金属结核。

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2011年，日本科学家率先对太平洋2000多个深海沉积物样品进行了稀土元素化学成分研究，认为在太平洋的深海沉积物中富含大量的稀土元素。2013年，在日本南部岛屿附近的北太平洋西部发现了总稀土含量超过5000ppm的深海软泥，确定了未来稀土开采的主要目标。

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与陆上稀土矿床相比，海洋富稀土软泥具有分布以下优势：（1）广泛分布，具有巨大的资源潜力；（2）稀土元素浓度高，重稀土元素显著富集；（3）储层浅，利于相对简单和有经济效益的勘探；（4）放射性元素浓度非常低，如钍和铀；（5）易于通过酸浸提取稀土元素。

此外，在洋中脊还有多金属硫化物资源（图11）。洋中脊热液区除了矿产资源之外，还有神奇的生态系统。这些矿产资源的金属含量很高，尤其是铜和锌的含量，可以达到陆地的六百多倍。然而更重要的是它的生物基因资源，黑暗生物链，有很多难以想象的生命的存在。在幽深的黑暗洋底，还存在一个生命的天堂。在陆地上我们说万物生长靠太阳，但是在深海，没有阳光，没有光合作用，这些生物是靠化能合成的。

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在未来，随着更多深潜器的应用，比如深海勇士号、奋斗者号，蛟龙号也已经进入业务化运行，每个潜次可以携带两名科学家下潜，大大提高了作业效率，越来越多的海底奥秘将一一为人类揭开。欢迎青少年们未来加入海洋科考的行列。

图11 海底主要资源类型及其分布区域示意图

■ 扩展阅读：

女博士的“视界”——第二期《科学文化沙龙》掠影 | 中科院科学传播研究中心

■ 背景简介：本文作者唐立梅，地质学博士，研究方向为海洋地质，自然资源部第二海洋研究所副研究员，自然资源首席科学传播专家，2020典赞·科普中国“十大科学传播人物”，参加2013年蛟龙号首次科考并执行了第72次深潜任务。（浙江省青年高层次人才协会常务理事，曾获2019全国三八红旗手，2014联合国妇女署与网易女性传媒大奖：年度榜样奖，2022金砖国家女性领导力论坛木兰奖等荣誉），风云之声获授权首发。

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