北京日報客戶端 | 記者 汪丹
國家文物局、海南省人民政府等單位今年5月21日聯(lián)合發(fā)布我國深??脊殴ぷ髯罱〉玫闹卮筮M展:2022年10月,南海西北陸坡約1500米深度海域發(fā)現(xiàn)兩處明代沉船;今年5月20日,沉船水下永久測繪基點已布放。國家文物局有關負責人表示,這不僅是我國深海考古的重大發(fā)現(xiàn),也是世界級重大考古發(fā)現(xiàn)。
星辰與大海都是人類探索的夢想,相比航天事業(yè)取得的進步,我們?nèi)栽谕M深海的路上摸索。今天,我們請知名科普作者張?zhí)锟苯榻B深海探測對科學發(fā)展和人類文明進步的巨大作用。
(資料圖)
深海探測最接近地球內(nèi)部
現(xiàn)代人對海洋尤其是深海的了解掌握,遠遠不如陸地。這也是探索海洋的意義和動機所在。
深海是指水深超過2000米的海域,占據(jù)地球表面的3/5。深海探測是為了全面研究海洋和地球的奧秘,探測內(nèi)容既有海洋深處的自然狀況,如海底面貌、洋流,也有海底蘊藏的生物和經(jīng)濟資源。
在探索地球奧秘方面,海底可能是最能抵達真相的地方,因為海底距離地球內(nèi)部最近:大陸地殼平均35千米厚,而大洋地殼厚約7千米。世界上最深的馬里亞納海溝(地處西北太平洋的海床)的最大深度為海平面下11034米,距地心6366.4千米,而陸地地表距地心的平均距離是6371千米。
對深海探索可以逐步認識地球的奧秘和龐大的生物多樣性。從20世紀90年代末起,借助自主研發(fā)的以“蛟龍”“海龍”“潛龍”為代表的“三龍”深海裝備體系,中國有20多家機構(gòu)參與大洋生物資源勘探工作。海洋的生物多樣性首先體現(xiàn)在大量的微生物上,中國通過深海探索分離了近1萬株微生物,建立了第一個深海菌種庫,現(xiàn)已庫藏海洋微生物2.2萬株。通過對深海微生物的發(fā)現(xiàn)和分離,中國構(gòu)建了第一個深海微生物宏基因組大片段基因庫,完成了近300株海洋微生物的基因組測序。同時,還創(chuàng)建了完善的深海生物實驗室研究平臺,為海洋生物科學研究提供了有力支撐。
公海之下的深海是目前人們了解得最少、物種最為豐富的海域。研究人員推算,深海棲息的物種多達1000萬種,堪與熱帶雨林媲美。在這1000萬種物種中,絕大多數(shù)尚未被人類發(fā)現(xiàn)。大約98%的海洋生物居住在深海的海床上和3萬至10萬座海底山中,僅在南太平洋上的塔斯曼和珊瑚海的海底山上就發(fā)現(xiàn)了近千個新物種,而且在海底山發(fā)現(xiàn)的物種有15%以上是地區(qū)性的,即在該地域是唯一的。因此,每個尚未取樣的海底山都是未發(fā)現(xiàn)物種的重要資源地。此外,深海古老的珊瑚還可以提供有價值的氣象記錄,以便人類更好地理解全球的氣候變化。
深海考古“拼圖”人類文明
深海考古與深海探測是兩個不同的概念,但可以歸屬于后者。深海探測包含深海中進行的所有科學研究和探索,深??脊艅t是深海探測的一部分,主要是考察人類遺失在海底的器物、財寶、裝備、儀器、貨物等,由此拼接和發(fā)現(xiàn)人類文明的全部面貌。
1945年,日本“阿波丸”號在新加坡搭載了從東南亞一帶撤退的大批日本人,駛向日本的途中在中國福建省牛山島以東海域被美軍擊沉。據(jù)當時的信息透露,“阿波丸”號裝載有黃金40噸(價值約50億美元)、白金12噸,以及工藝品、寶石40箱,還很可能有無價之寶“北京人”頭蓋骨化石。中國從1977年5月開始打撈“阿波丸”號,共有600多名潛水員參加了水下作業(yè),潛水3604人次,撈起錫錠、橡膠、水銀、鈮鉭、云母、光化玻璃等物資共5418噸,總價值5000多萬元人民幣,但沒有發(fā)現(xiàn)“北京人”頭蓋骨。人們推測“北京人”頭蓋骨要么沒有裝在船上,要么是沉船后被洋流沖走或深埋在了海底。這也從一個側(cè)面說明,當時的深海打撈和考古技術還不成熟。但由于這次經(jīng)歷,中國培養(yǎng)了一支海上救撈隊伍,在布場、撤場、潛水作業(yè)、爆破與切割、重力起吊、醫(yī)療保障等方面得到了實際鍛煉。
對于中國深??蒲腥藛T而言,具有突破意義的是2018年馬里亞納海溝深海裝備海試及科考航次?!疤剿饕惶枴鄙詈?疾齑钶d了包括海翼7000米級水下滑翔機、全海深自主遙控水下機器人、全海深透明陶瓷視窗高清攝像系統(tǒng)等9類裝備,對馬里亞納海溝進行深海探測,獲得了三項國際首次、三項國內(nèi)首次成果。比如,在國際上首次在7012米水深處發(fā)現(xiàn)索深鼬鳚屬魚類,這是已知該屬存活的最大深度;在國內(nèi)首次獲取位于帕里西維拉海盆東部海山鏈和馬里亞納弧后張裂區(qū)的巖石樣品,為揭示馬里亞納俯沖帶南部構(gòu)造演化與巖漿作用提供了重要依據(jù)。
去年10月6日至今年3月11日,中國“探索一號”搭載中外科學家先后考察了西南太平洋克馬德克海溝、東南印度洋蒂阿曼蒂那海溝等地??瓶汲醪焦蠢粘鰞蓚€海溝的沉積、巖石和生命分布特征,在克馬德克海溝發(fā)現(xiàn)海底地震誘發(fā)的事件性沉積,制約著深淵生命的有機物供給,同時發(fā)現(xiàn)已知最深的鯨落,深度達5609米。
這些成果意味著,人類對地球自然演化的歷史和生命的形成,將有新的認識??茖W界的主流意見認為,地球上的所有生物都源自同一種實體——一種30億年或40億年前漂浮在海洋的“原始湯”。有機小分子在地球上原始海洋的“原始湯”中產(chǎn)生后,經(jīng)過長期積累和互相作用,形成了有機高分子物質(zhì)——原始蛋白質(zhì)分子和核酸分子,它們是構(gòu)成生物體的最重要物質(zhì)。有機高分子物質(zhì)在海洋中越積越多,構(gòu)成一個獨立的多分子體系,進而演變成具有原始新陳代謝作用和能夠進行繁殖的原始生命。隨著深海研究的推進,海中的微生物和其他生物可能會檢驗這一假說的真?zhèn)巍?/p>
海底探秘的三大手段
無論是探測還是考古,挺進深海都需要科學技術的支撐。一個基本的難題是,海水每加深10米就增加一個大氣壓。在馬里亞納海溝底部,每平方厘米約有一噸的壓力。因此,深海探測需要專門的潛水器、潛水衣,還要防止?jié)撍疁p壓?。ㄖ冈跐撍雀邭鈮合?,當人過快轉(zhuǎn)入地面時,形成氣泡造成靜脈氣栓、肺氣栓等癥狀)。
作為當今探索深海奧秘的三種主要手段,深潛、深鉆、深網(wǎng)共同擔負起了深海探測的重任。其中,深潛是指到達深海現(xiàn)場的能力,并由此實施潛水員和機械探測;深鉆是利用專用鉆探船和鉆探設備,從海底往下鉆探,打撈海底物質(zhì)進行研究;深網(wǎng)是將傳感器放到海底,構(gòu)建海底觀測網(wǎng)絡,進行長期聯(lián)網(wǎng)觀測。
深潛
深潛需要能到達深海甚至水下1萬米的潛水器。最早下潛到馬里亞納海溝的是19世紀50年代由瑞士制造的著名潛水器“的里雅斯特”號,雖然它當時沒有實現(xiàn)在海底航行和作業(yè),但仍然是世界上第一臺到達最深海底的潛水器。目前,世界上最著名的深海考察工具是服務于美國伍茲霍爾海洋研究所的“阿爾文號”, 1977年,“阿爾文號”發(fā)現(xiàn)了海底熱液及其生物群,獲得了人類對海洋和生命起源的新認知。
2010年7月,我國第一臺自主設計和集成研制的載人潛水器“蛟龍?zhí)枴毕聺撋疃冗_到3759米,成為繼美、法、俄、日之后,世界上第5個掌握3500米深度載人深潛技術的國家。2020年10月27日,中國載人潛水器“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功下潛到10058米,創(chuàng)造了中國載人深潛的新紀錄,并采集到一些珍貴樣本。此后,上海交通大學研制了“海龍”系列遙控無人潛水器,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制了“海馬”遙控無人潛水器。
深鉆
深鉆即深海鉆探計劃(DSDP),最早由美國提出,多所大學和海洋研究機構(gòu)組成了地球深部取樣海洋研究機構(gòu)聯(lián)合體(JOIDES),目的是在世界大洋采集沉積巖芯,取得洋底地殼上層的資料。
1968年,環(huán)球海洋鉆探公司建造的“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號”建成,成為深海鉆探計劃的專用鉆探船。通過深海鉆探,科學家驗證了海底擴張學說和板塊構(gòu)造學說。根據(jù)海底鉆探所取得的巖芯,科學家重建了大西洋的海底擴張歷史,提出距今約9000萬年前,南極洲與澳洲、南美洲先后脫離,逐步形成了大西洋。
此后,國際上的深海鉆探計劃又發(fā)展到大洋鉆探計劃(ODP),再到綜合大洋鉆探計劃(IODP),這些計劃的實施推動了大洋中脊系統(tǒng)與海底熱液、冷泉的發(fā)現(xiàn),以及海底礦物資源的勘探與開發(fā),在深海極端環(huán)境、地震機理、深海生物和礦產(chǎn)資源以及海底深部物質(zhì)與結(jié)構(gòu)等科研領域取得了一系列重大成果。
我國于1998年加入國際大洋鉆探計劃。在中國科學家的提議、設計和共同主持下,科研人員到南海實施了四個半鉆探航次,揭示了南海海盆張裂、海底擴張的歷史,使得南海成為全球地質(zhì)研究程度最高的邊緣海之一。
深網(wǎng)
深網(wǎng)指海底觀測網(wǎng),是實時動態(tài)探測海洋的重要工具,其技術基礎是現(xiàn)代傳感器、水下機器人、海底光纖電纜、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等,可以深入到海洋內(nèi)部觀測和認識海洋。它可以實現(xiàn)從海底到海面全天候、長期、連續(xù)、綜合、實時、原位觀測,為海洋科學研究、海上石油天然氣開發(fā)和軍事、災害預警,以及其他海洋應用提供科學數(shù)據(jù)支撐。
2016年,美國耗資3.86億美元的“海洋觀測網(wǎng)”(OOI)計劃啟動運行。OOI是一個長期的科學觀測系統(tǒng),由區(qū)域網(wǎng)、近岸網(wǎng)和全球網(wǎng)三大部分構(gòu)成,其觀測結(jié)果可用于研究洋中脊、海氣交換、氣候變化、大洋循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)、湍流混合、水巖反應、地球動力學、地球內(nèi)部構(gòu)造和生物地球化學循環(huán)等科學研究。
同年,中國科學院聲學研究所在南海海域建成了我國第一個深海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng),突破了海底網(wǎng)節(jié)點及組網(wǎng)、網(wǎng)絡布放與維護、系統(tǒng)控制和原位多參數(shù)探測等關鍵技術,可用于海洋資源探測、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋災害預警以及其他海洋科學研究。
2012年6月27日,“蛟龍”號在西太平洋馬里亞納海溝創(chuàng)造了7062.68米的中國載人深潛紀錄。
深潛助力古沉船考古
根據(jù)官方公布的信息,此次南海沉船其中一處定名為南海西北陸坡一號沉船,發(fā)現(xiàn)的文物以瓷器為主,散落范圍達上萬平方米,推測數(shù)量超過10萬件,根據(jù)出水文物初步判斷為明代正德年間(1506年-1521年);另一處定名為南海西北陸坡二號沉船,發(fā)現(xiàn)大量原木,尺寸相近、碼放整齊,大多經(jīng)過簡單加工,初步研判是從海外裝載貨物駛往中國的古代沉船,時間在明代弘治年間(1488年-1505年)。
“深海勇士”號載人潛水器在一號沉船核心堆積區(qū)西南角布放沉船水下永久測繪基點,這一測繪基點像巨大的鐵錨一樣是固定的,將成為今后開展水下考古記錄發(fā)掘的基準。同時,科研人員還將使用長基線定位技術進行位置標定,以提高水下考古工作和資料記錄的精度與準確性。
我國準備用1年時間分3個階段實施一號、二號沉船遺址考古調(diào)查工作,可以預測,這一工作主要由深潛來完成。有“蛟龍”號、“奮斗者”號和“海龍”“海馬”遙控無人潛水器等先進儀器的幫助,相信這兩處沉船遺址的考古調(diào)查一定會有重大發(fā)現(xiàn)。
總之,深海探測與深海考古是“打撈”人類文明和認識海洋奧秘的重要途徑。我們從深海中獲得的大量發(fā)現(xiàn)和成果,意味著地球演化的歷史、海洋和陸地的變遷,以及從微生物到生物、從魚到人的演化可能都需要重新審視,這不僅關乎人類的文明史,也與地球和宇宙的文明史息息相關。隨著我國深??萍枷驀H先進水平邁進,我們將為全球海洋治理提供更多行之有效的中國智慧和中國方案。