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編者按：

2022年11月25日，“奮斗者”號全海深載人潛水器圓滿完成首次中國-新西蘭聯(lián)合深淵深潛科考航次第一航段任務，返回新西蘭奧克蘭港。在第一航段中，“奮斗者”號全海深載人潛水器下潛作業(yè)16次，有14次作業(yè)超過6000米水深，其中2次為萬米級，采集了豐富的深淵宏生物、巖石和沉積物樣品，為深入理解深淵的生命演化與適應機制、深淵沉積環(huán)境演變以及板塊俯沖與物質(zhì)交換通量提供了重要的支撐。

首次中國-新西蘭聯(lián)合深淵深潛科考航次完成克馬德克海溝第一航段科考任務

人的一生，經(jīng)歷胚胎期→嬰兒期→兒童期→青春期→青年→中年→老年，最后走向死亡，生老病死，自然規(guī)律。你知道嗎？海洋也會經(jīng)歷相似的過程，胚胎期→幼年期→青壯期→衰落期→殘留期→消亡期，這個過程被稱為威爾遜旋回（Wilson cycle），深淵海溝作為這個過程中的產(chǎn)物，是研究深淵生命演化及適應性、深淵環(huán)境演變及資源環(huán)境效應、深淵構(gòu)造活動和地質(zhì)演變等重大科學問題的絕佳場所。

相由心生——板塊構(gòu)造學說

我們常說一個人相由心生，外在由內(nèi)在決定。對于地球表面的基本地貌，也可以用這個詞來形容。

地球由內(nèi)而外分為地核、地幔和地殼。地殼在橫向上分為陸殼和洋殼，地幔在垂向上分為上地幔和下地幔，上地幔的頂部和地殼構(gòu)成了巖石圈，巖石圈在橫向上分為大陸巖石圈和大洋巖石圈，大陸巖石圈的厚度一般比大洋巖石圈大，密度一般比大洋巖石圈小。

在上地幔的上部、巖石圈的底部，有一層很關(guān)鍵的物質(zhì)，叫軟流圈，可塑性很強，基本上呈全球性分布，是巖漿的發(fā)源地。軟流圈的平均密度比上覆大洋巖石圈的小，比大陸巖石圈的大，頂面起伏不平，這造成上覆巖石圈嚴重失穩(wěn)，在側(cè)向上分成大小不一的板塊，這些板塊漂浮在軟流圈之上作大規(guī)模橫向運動，碰撞、擠壓或分離，繼而形成地球表面的基本地貌。

當大陸板塊和大洋板塊相撞時，大洋板塊因其密度大，會俯沖到大陸板塊之下，這里往往形成匯聚板塊邊緣，也就是俯沖帶，這里聚集了全球90%的地震和火山活動，其中板塊匯聚的邊界處地形最低，稱之為海溝。當兩個大陸板塊相撞時，常形成巨大的山脈，如喜馬拉雅山。在板塊張裂分離的地區(qū)，常形成裂谷和海洋，東非大裂谷、大西洋就是這樣形成的。板塊邊緣成為地質(zhì)活動（巖漿、地震、變質(zhì)、變形、沉積等）最強烈的地帶。

小知識：全球主要分為七大板塊，即太平洋板塊、歐亞板塊、北美洲板塊、南美洲板塊、非洲板塊、印澳板塊以及南極洲板塊。其中太平洋板塊幾乎完全是在海洋，其余六大板塊都包括有大塊陸地和大面積海洋。大板塊還可劃分成若干次一級的小板塊。

海這一輩子——威爾遜旋回

洋殼盆地（可以簡單理解為海洋）并非永恒存在，一般都在經(jīng)歷開裂、擴張、收縮、閉合的發(fā)展過程。洋殼盆地產(chǎn)生在分裂的大陸巖石圈之間。大陸巖石圈在水平方向上彼此分離與拼合運動的一次全過程就是威爾遜旋回，這也是海洋從誕生到消亡的過程，起始和終結(jié)可以用胚胎期→幼年期→青壯期→衰落期→殘留期→消亡期來表達，相對應的實例為東非裂谷→紅海亞丁灣→大西洋→太平洋→地中海→喜馬拉雅山。

（1）胚胎期

大陸巖石圈在區(qū)域應力作用下，首先在上部的陸殼構(gòu)造薄弱帶發(fā)生張裂作用，形成大陸裂谷。裂谷處的斷裂帶是現(xiàn)代火山與地震的強烈活動帶，但未形成海洋環(huán)境，例如東非大裂谷；

（2）幼年期

陸殼繼續(xù)開裂，熔融的地幔物質(zhì)大規(guī)模上涌，局部已經(jīng)出現(xiàn)洋殼，原來的裂谷變成狹窄的洋盆，例如紅海、亞丁灣；

（3）青壯年期

狹窄的洋盆繼續(xù)擴張，發(fā)展成開闊的大洋。大洋的中部為洋脊，上涌的巖漿形成新的洋殼，向兩側(cè)不斷增生，發(fā)育的洋殼堆積巨厚的海相沉積物，典型代表是大西洋；

（4）衰落期

大洋中脊雖然繼續(xù)擴張增生，但洋殼在擴張過程中不斷失熱、變冷、變重，而穩(wěn)定大陸邊緣被巨厚的沉積物覆蓋，地內(nèi)熱量不易散失，因而不斷受熱膨脹、變輕。在密度和巖石力學性質(zhì)差異較大的區(qū)域產(chǎn)生斷裂，較重的洋殼俯沖到較輕的洋殼或陸殼之下，進入地幔而熔融，這個位置被稱為俯沖帶。**在俯沖帶內(nèi)，兩個板塊之間形成海溝，成為海洋里最深的單元。**俯沖帶的上覆板塊形成島弧，火山和地震頻發(fā)。海洋面積逐漸縮小，現(xiàn)代實例就是太平洋；

（5）殘留期

大洋板塊進一步俯沖，洋殼海域逐漸縮小，兩側(cè)陸殼地塊相互逼近，其間僅殘留小型洋殼盆地，例如地中海；

（6）消亡期

大陸相碰，海洋消失，使大陸邊緣原有的沉積物強烈變形隆起成山，例如喜馬拉雅山脈，阿爾卑斯山脈。

沒有規(guī)律的規(guī)律——萬物有道

板塊在軟流圈上運動、相互作用，洋盆的開啟與閉合，成就了一個個海洋的生命。海洋的壽命從2000萬年至幾億年不等，并無一定規(guī)律性，這與深部構(gòu)造過程、陸殼的擴散速率、消亡邊界的板塊俯沖速率、被動大陸邊緣特征等諸多因素有關(guān)。雖然這個過程叫“威爾遜旋回”，但是裂解的大陸不可能重新閉合，即使重新閉合，也不可能再在原處裂開，從這個意義上說不具有旋回性。由于陸地總面積相對穩(wěn)定，當海洋進入收縮階段，同時也意味著其他海洋的擴大或新生。生物有些類似，單個的生物會衰老死亡，通過繁殖，又會有新的勃勃生機的生命，一代一代繁衍下去。

與人類相似，海洋也有生命周期，周期的長短由多種因素決定，一個生命的結(jié)束又會以新的生命所接續(xù)。同樣，天體例如太陽、地球等也處于不斷的運動之中，具有壽命，那么宇宙呢？宇宙之外呢？

海溝，作為全球最深處，當大洋兩側(cè)板塊相撞擠壓上拱，可能成為全球的最高點。

學習地質(zhì)的其中一點好處就是，地質(zhì)學家能站在更宏觀更久遠的尺度去看問題，滄海桑田，海沽石爛，不僅僅是那一點點浪漫與感慨，更蘊含著深厚的哲理與智慧，值得我們一生去品味和追尋。

觸摸地球最深處—— 深淵海溝

全球主要深淵海溝分布圖

（紅色五角星標記的海溝為首次中國-新西蘭聯(lián)合深淵深潛科考航次第一航段下潛區(qū)域）

在“威爾遜旋回”的衰落期和殘留期，大洋中脊底部巖漿房發(fā)育，不斷上涌生成新的洋殼，洋殼向兩側(cè)推開，逐漸冷卻，密度變大。密度較大的洋殼俯沖到較輕的洋殼或陸殼下，兩個板塊交匯在海底形成海溝。

深淵海溝通常指超過6000米水深的海底槽型地貌，是地球地表地貌單元的重要組成部分。全球超過6000米的海溝有37條，5條分布在大西洋、4條分布在印度洋，而處于衰落期的西太平洋最多，有28條，其中包括了5個萬米級深淵，從北到南依次為：千葉-堪察加海溝、馬里亞納海溝、菲律賓海溝、湯加海溝和克馬德克海溝，被譽為“地球第四級”的馬里亞納海溝深度達10909米，是全球最深的區(qū)域。首次中國-新西蘭聯(lián)合深淵深潛科考航次第一航段下潛作業(yè)的克馬德克海溝位于太平洋南部克馬德克群島以東，與湯加海溝相接，長約1200千米，最大深度10047米，因太平洋板塊沉入印度-澳洲板塊形成。

海溝系統(tǒng)主要指海溝及其附近水圈和巖石圈之間相互作用的海底邊界層界面。當然，研究海溝并不等同于簡單地研究這個界面。深淵海溝與上層海洋、海底之下存在著廣泛的物質(zhì)和能量交換，涉及到多個圈層的物質(zhì)和能量循環(huán)。海溝黑暗無光、靜水壓力超高、水體交換緩慢、食物供給匱乏、生命機制奇特、海底地形復雜、構(gòu)造地質(zhì)活躍，這些特征贏得了構(gòu)造學、地質(zhì)學、生物學、藥學、物理海洋學、生態(tài)學、環(huán)境學、化學、氣候?qū)W、甚至航天等領(lǐng)域的科學家們的關(guān)注。

俯沖工廠——俯沖帶

海溝指示俯沖帶的存在，全球活動俯沖帶的總長度約為43500千米，與火山島弧的總長度大致相同。

俯沖帶被形象地比擬為俯沖工廠，工廠的原材料便是俯沖板塊，包含了洋底沉積物、火成巖洋殼和巖石圈地幔部分，這些物質(zhì)在俯沖過程中隨著壓力、溫度的升高，釋放出水和揮發(fā)物，流體和沉積物經(jīng)過“加工”后形成巖漿，通過火山島弧或弧后區(qū)返回大陸，并伴隨流體/氣體釋放、地震等現(xiàn)象，這些流體、氣體、巖漿等物質(zhì)便是工廠的產(chǎn)品。經(jīng)過俯沖工廠加工后殘留物持續(xù)俯沖到地幔更深處，進行脫水、脫碳等作用參與深部水循環(huán)、碳循環(huán)、巖石循環(huán)，再通過火山噴發(fā)等現(xiàn)象反饋大氣圈。

俯沖工廠是地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、地幔等圈層之間物質(zhì)和能量交換的焦點地區(qū)，幾乎關(guān)聯(lián)到地球的所有圈層，是地球系統(tǒng)運行和演化的關(guān)鍵一環(huán)。俯沖工廠運作引發(fā)了全球大部分的地震、海嘯和火山爆發(fā)，給人類帶來了深重的災難。因此，研究俯沖系統(tǒng)的物質(zhì)能量循環(huán)、地震的觸發(fā)機制等顯得尤為重要。

伊豆-小笠原-馬里亞納弧體系位于西太平洋，由太平洋板塊俯沖到菲律賓板塊之下形成，擁有完整的溝-弧-盆體系和清晰的演化歷史，是研究俯沖工廠體系相關(guān)過程的理想研究對象。該體系內(nèi)的馬里亞納海溝作為俯沖工廠的淺表表現(xiàn)和全球最深處，是研究俯沖工廠的一個重要窗口。

顛覆認知——生命起源的重新考量

“萬物生長靠太陽”一直被當作地球生命能量來源的至理名言，當然也包括海洋生命。人們一直認為，淺海生物的能量來源是靠海洋表層的藻類、植物、海洋細菌通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化儲存起來，繼而被海洋食草動物食用，食草動物再被食肉動物食用，依次形成食物鏈；而深海生物的能量來源則依賴于淺海動物的糞便、尸體、有機碎片。總之，能量之始為太陽能。那么，地球上最早的生命是否也靠太陽能生存呢？

1979年，“阿爾文”號載人潛水器在2500米深的海底黑煙囪區(qū)發(fā)現(xiàn)了異常繁茂的生命景象，重塑了人們對生命起源的認識。

黑煙囪、海葵、蝦，西南印度洋熱液區(qū)，深度3312米

攝影/“深海勇士”號載人潛水器

作為全球的最深處，深淵海溝具有高壓、無光、低溫、寡營養(yǎng)的特征，一度被認為是生命的禁區(qū)。我們很難想象馬里亞納海溝底部1100個大氣壓下居然還有生命存在。然而，探索未知、超越認知邊界正是科學家們要干的事兒。近些年，在各國深淵研究計劃的支持下，科學家們使用深拖、抓斗、沉積柱采樣器、生物誘捕器、著陸器、潛標、載人或無人潛水器等技術(shù)手段，重點在西太平洋的萬米級海溝開展了科考工作，取得了一系列刷新認知的成果。深海深淵，不光有生命，而且還不少呢！

換一種活法——深淵生命

深淵海溝“V形”地貌的半封閉性和漏斗效應，促使其成為海洋沉積物的天然聚集區(qū)。沉積物富含難降解的有機物和火山物質(zhì)，是微生物活動的活躍區(qū)，孕育著豐富而獨特的生命形式。海溝及其周邊的復雜地形，使得不同深度的洋流復雜多變，并誘生了海底生態(tài)環(huán)境的多樣性。海溝在洋底并非暢通無阻，而是被一些洋底高原或海嶺分成不連續(xù)的若干段，每段的延伸方向發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折，深淺不一，不同段落的海溝里的生物有相同或相近的種類，也有大量不同的種類。隨著海水深度的增加，一般大型生物和高等動物會越來越少。無論在平面還是垂向上，深淵生物群落表現(xiàn)出了特有的區(qū)域?qū)傩浴?/p>

深淵海溝，不僅存在種類繁多的微生物，如細菌、古細菌、真菌、病毒，還有大量宏生物，如魚類、棘皮動物、刺胞動物、海綿動物、節(jié)肢動物、軟體動物等。2021年，“奮斗者”號載人潛水器在對馬里亞納海溝的科考中發(fā)現(xiàn)，在萬米深淵，生活著大量鉤蝦、海參、海葵、多毛類等生物。

琵琶魚， 克馬德克海溝， 深度5736米

攝影/“奮斗者”號載人潛水器

稀有深海海星，克馬德克海溝，深度6700米

攝影/“奮斗者”號載人潛水器

鼬鳚鰻魚，克馬德克海溝，深度6500米

攝影/“奮斗者”號載人潛水器

一塊堅硬的石頭成為海星、?？⑿∩汉?、海綿和海鞘共同的家，克馬德克海溝，深度6124米 攝影/“奮斗者”號載人潛水器

海星，馬里亞納海溝，深度9580米

海葵，馬里亞納海溝，深度9254米

多毛類，馬里亞納海溝，深度7120米

海綿，西菲律賓海盆，深度7464米

海參，馬里亞納海溝，深度10812米

?？R里亞納海溝，深度9000米

一排海葵（巖石下），馬里亞納海溝，深度9347米

攝影/“奮斗者”號載人潛水器

八仙過海，各顯神通——身懷絕技的深淵生命

深淵生命主要依靠上層海水沉降下來的有機質(zhì)維持生命，有些也依賴于來自地球深部物質(zhì)通過化能合成獲得能量。為了適應極端環(huán)境，深淵區(qū)的生命擁有著不同于地表及淺海生物的生命機制和特殊的代謝途徑。

深淵獅子魚被認為是地球上棲息最深的脊椎動物，曾在8145米的深度被發(fā)現(xiàn)，它的皮膚、肌肉和骨骼都表現(xiàn)出對深海高壓的適應性。

獅子魚群，西菲律賓海盆，深度7731米

端足目鉤蝦——深淵區(qū)的主人公之一，其食物明顯受控于上層海水的生產(chǎn)力，但凡落入深淵區(qū)的生物殘骸，都會被其定位、攝食。另外一方面，鉤蝦也是其他大型捕食者的食物來源。例如，中科院深淵科考隊在馬里亞納海溝7400米捕獲的獅子魚經(jīng)過解剖后，胃部充填著大量形態(tài)較為完整的鉤蝦。此外，鉤蝦和獅子魚除了攝食獲得能量，腸道內(nèi)的共生微生物也為他們提供了必需的營養(yǎng)物質(zhì)及免疫防御。

鉤蝦，馬里亞納海溝，深度10900米

攝影/“奮斗者”號載人潛水器

為了適應萬米深淵，海參甚至舍棄掉支撐軀干的骨針，把自己變成通體透明的小個子。

除了上述宏生物，深淵微生物也是各個身懷絕技。一些微生物在馬里亞納海溝深淵環(huán)境中的氮循環(huán)、硫循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中扮演著重要角色。今年《自然·通訊》的一篇文章通過對馬里亞納海溝13個站位的沉積物分析后，發(fā)現(xiàn)沉積物中的優(yōu)勢微生物可以將深淵累積的有機氮轉(zhuǎn)化成氮氣，釋放到上層水體，可能有助于全球氮元素的平衡。

在馬里亞納海溝的沉積物中，科學家們還檢測到種類繁多的病毒，這些病毒通過改變微生物的物質(zhì)能量代謝，從而調(diào)節(jié)和影響海洋生態(tài)系統(tǒng)組成和物質(zhì)能量循環(huán)。

另一研究發(fā)現(xiàn)，馬里亞納海溝萬米海水中存在大量“吃油”的微生物——烴類降解菌，它們能夠有效降解烷烴，這表明烷烴可能是萬米水體微生物的重要“燃料”。

不僅如此，科學家們還在馬里亞納海溝的沉積物中發(fā)現(xiàn)了一些“兩棲”微生物，兼具有氧和無氧呼吸基因，也就是說，無論在有氧還是無氧環(huán)境中都能頑強生存。

更讓人意外的是，在深淵之下，俯沖帶大洋巖石圈內(nèi)的巖石變化產(chǎn)生的流體孕育著特殊的生命群體，這些生命可能存活在地下14公里處，這或許是地球上“藏”得最深的生命。

深淵還有多少未知的生命等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)？深淵生命與陸地或淺海生命有著怎樣的異同和聯(lián)系？各深淵生命之間有著怎樣的關(guān)系？深淵生命的環(huán)境適應機制是怎樣的？深淵區(qū)的微生物在全球氣候調(diào)節(jié)中扮演著怎樣的角色？關(guān)于深淵生命，我們有太多的疑問。解決這些疑問，有利于構(gòu)建深淵特色物種資源庫、基因資源庫，為開發(fā)深淵生物資源奠定基礎(chǔ)。

最后一方“凈土”的丟失——深淵污染

萬米深淵，這個離人類那么遙遠的地方，本應是一方凈土，然而載人潛水器在深淵處發(fā)現(xiàn)了垃圾，如塑料袋、易拉罐、漁網(wǎng)等。通過在馬里亞納海溝取樣研究發(fā)現(xiàn)，深淵水體、沉積物甚至生物體內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了微塑料、POPs、甲基汞等人為污染物。這些污染對深淵生命和全球生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生怎樣的影響？會有什么連鎖反應？科學家們也在努力探索中。

在深淵海溝發(fā)現(xiàn)的垃圾

攝影/“奮斗者”號載人潛水器

研究地外海洋的試驗場——深淵海溝

深淵海溝作為深海的典型代表，是探索地外海洋世界的試驗場。近年來，研究深空的科學家們找到一個新的突破口——深海，他們發(fā)現(xiàn)深海中的一些極端環(huán)境和木衛(wèi)二、土衛(wèi)二的冰下海洋可能狀況相似。因此，研究深海極端環(huán)境的生命有助于尋找地外海洋中的生命。如今，美國、歐洲、中國深空和深海領(lǐng)域的科學家和工程師正緊密合作，通過對地球深淵極端環(huán)境的探索實現(xiàn)將來對地外海洋的現(xiàn)場探測。

深淵研究利器——載人潛水器

超高的靜水壓力給深淵探索帶來巨大挑戰(zhàn)，受深海觀測采樣技術(shù)的制約，深淵生命過程的研究進展相對緩慢。載人潛水器不僅可以將科學家們帶到深淵底部親身考察，拍攝影像資料，還可以采集水、沉積物、巖石、大生物、微生物等各種樣品，這對于研究深海地球科學系統(tǒng)的形成與演化、生命起源與環(huán)境適應、生物多樣性與氣候變化等重大科學問題極其重要，著實為深淵科學研究解決了大難題。

“奮斗者”名片

基本參數(shù)：

母船：探索一號

最大工作深度：

11000m

尺寸：長10.26m，寬3.17m，高4.4m

重量：36t

有效載荷：

200kg（空氣中）

萬米深海下潛時間：

12h

可載人數(shù)：3人

水下最大航速：2.5節(jié)

載人艙內(nèi)徑：1.8m

觀察窗數(shù)量：3個

平均上浮、下潛速率：

60 m/min

“奮斗者”號載人潛水器是國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項支持研制的深海裝備，是我國首臺具備全球海域載人進入能力的重要裝備，也是首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全海深載人潛水器。2020年11月，“奮斗者”號完成萬米海試，創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛紀錄，中科院深海所積極部署實施全球深淵深潛探索計劃（Global Trench Exploration and Dive Program，縮寫Global TREnD）。中國-新西蘭聯(lián)合深淵深潛科考航次第一航段科考任務在克馬德克海溝的圓滿完成，代表Global TREnD計劃邁出了堅實的步伐。在未來，科考隊將繼續(xù)發(fā)揮“奮斗者”號的深度和技術(shù)優(yōu)勢，將我國深淵深潛科考擴展到全球多個典型海溝，展開多國聯(lián)合的、系統(tǒng)的深淵地質(zhì)、生命和環(huán)境科學多學科綜合深潛考察。

有了這樣的利器，相信不久的將來，深淵海溝的神秘面紗將被一一揭開。

信息來源：

本文轉(zhuǎn)載自 孔秀.海溝的前世今生——為什么深海研究要瞄準海溝？[EB/OL].“海洋世界文化無限”公眾號，2022-12-16.

撰 文/供 圖：孔 秀 中科院深海所

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