探索神秘的海底

2021年4月21日，印度尼西亞一艘潛艇“南伽拉”號（KRI Nanggala）在巴厘島附近海域執行下潛任務過程中失聯，經過5天搜索，“南伽拉”號在海深838米處被發現，53名船員全部遇難。

據專家分析，“南伽拉”號很可能遭遇了內孤立波，發生“掉深”，如同一輛平穩行駛的汽車前方突然出現懸崖。在海水斷崖面前，潛艇會像沖出懸崖的車輛一樣失去控制，迅速墜向海底，被深海巨大的水壓碾碎。

內孤立波是一種特殊的非線性海洋內波，它廣泛分布在全球海洋中，波幅可高達240米，寬數公里。其特點是兩側海水間存在密度差，誘發極強的垂向流動，卷動過路的生物、設備、潛艇等，堪稱海洋中的“隱形殺手”。一些海洋學家認為，20世紀60年代，兩艘美國核潛艇“長尾鯊”號和“天蝎”號沉沒事件也極有可能是內孤立波造成的。

海面之下的挑戰遠不止內孤立波，地震、滑坡、氣體噴發、沙波、濁流……“陸地上有的災害海里也有，陸地上沒有的災害海里還有。”共享航次首席科學家、中國海洋大學教授賈永剛講道，“不同的是，海底發生的災害規模往往更為龐大，并伴有連鎖次生災害，其中就包括海嘯?！?/p>

海洋覆蓋了地球表面的70%以上，蘊藏著全球超過三分之一的石油、天然氣資源和豐富的金屬礦藏，而人類至今只探索了海洋的5%。要想穿越幾百米甚至幾千米的海水層實現資源開采，人類必須首先直面海洋災害的挑戰。

2020年，中國地質調查局廣州海洋地質調查局聯合中國海洋大學、自然資源部第一海洋研究所向國家自然科學基金委員會申請海洋地質災害重大科考共享航次項目。經過4年的努力和準備，這支科考隊終于踏上了南海北部海床流體遷移致災機理重大科學考察實驗研究（航次編號：NORC 2024-302）的行程。

海底，充滿了孔隙

深夜，廣州海洋地質調查局“海洋地質二號”船的儀器房內，共享航次首席科學家助理、中國海洋大學副教授朱超祁正在查看設備的運行情況，屏幕上由船載單波束測深儀傳回的一組信號吸引了他的目光。

平穩的海床面上，一串串異常反射信號以約每半小時一次的頻率躍起，這組信號仿佛一針興奮劑，讓朱超祁立刻從暈船和連續工作帶來的疲憊中清醒過來。

“這是甲烷氣體周期性噴發的信號?！彼R上意識到。從2018年開始，朱超祁就多次在同一片海域觀測到甲烷氣體噴發的現象，但囿于時間、海況和設備等種種條件，始終沒能找到具體的噴發點。

甲板上，調查人員準備將“海馬”號無人遙控潛水器下放到海底。借助“海馬”號上攜帶的探測設備和高清攝像頭，朱超祁很可能有機會“親眼”看到甲烷氣體噴發的景象——這正是他們此行研究課題中的重要一環。

海床流體遷移主要指氣體和液體在海床內外的傳輸運移，涵蓋從沉積物到海水的廣泛過程，是巖石圈、水圈、生物圈物質能量交換中最活躍、最直接的要素。海床流體遷移是海洋災害發生的誘因之一，海洋災害也直接影響海床流體遷移，通過對流體遷移的觀測，并從中尋找規律，就能總結出流體遷移與海洋災害之間的雙向互動關系。

賈永剛告訴《中國報道》記者，海底充滿孔隙，這是流體遷移的基礎。海床并不是一塊被淤泥完全糊住的、平坦的蓋子，與地表一樣，這里有平原，有盆地，有綿長的山脈，有幽深的溝谷，也有裂隙和孔洞。在地質活動、壓力、重力、水動力和生物活動等內外動力作用下，流體在以海床面為界限的海水層、巖石層等不同位面之間上下運動，就形成了海底熱液、海底冷泉、海底底流、淺層氣體噴發等流體遷移現象。

在南海北部海域，賈永剛團隊根據以往調研成果圈定了一個面積約4萬平方公里、地質災害種類多樣的古滑坡區，在項目持續的3年時間里，他們希望通過長期觀測，對整個巨型滑坡體不同區域的特點得到比較精確的認識，研究其發展演化規律。

甲烷是天然氣的主要成分，海底甲烷氣體噴發不僅代表附近海域的地質活動頻繁，也意味著海床下極有可能存在豐富的天然氣或天然氣水合物（可燃冰）礦藏。

誰是危害人類生產生活的海洋元兇？

長久以來，生活在陸地上的人們對海洋災害的認知普遍停留在海面以上。2011年，“3·11”東日本大地震引發海嘯，海浪達到10米以上，海水越過防波堤灌入建筑，造成舉世震驚的福島核電站泄漏事件，成為一代人對海洋災害最深刻的記憶。

隨著人類進軍海洋的步伐不斷深入，特別是海底電纜鋪設和海洋油氣開發，海洋災害對日常生產生活的影響也日益顯現。如今，海底電纜成為連接全球通信、電力傳輸的重要基礎設施，尤其是對沿海地區和島嶼來說，海底電纜對居民生活的正常運轉至關重要。

2022年11月，受海底火山噴發影響，南太平洋島國湯加與外界相連的唯一一條海底電纜斷裂，電話和網絡信號崩潰，造成約10.5萬居民斷聯；2023年2月，馬祖地區海底電纜斷裂，島上通信受阻，物資輸送不暢，引發當地民眾對臺灣當局的抗議……

這背后的元兇就是流體遷移，特別是地震、滑坡等大型海底地質災害發生后產生的海底濁流。濁流通常從高處流向低處，將松動的沉積物卷起，搬運到另一處，重塑海底地貌。濁流裹挾著大量泥沙，密度比周圍的普通海水高很多，以摧枯拉朽之勢對沿途造成巨大破壞，甚至“切斷”強度本足以抵抗地震的海底電纜。

即使是看似柔和的流體遷移現象，也可能對海底工程造成巨大破壞?！袄?，當海底輸油管線和光纜附近有氣體逸出時，會帶走周圍的沉積物，原本氣體填充的空間逐漸塌陷，使管道部分懸空，受力不均。再加上頻繁活動的海洋波流，使懸空的管道在震動中逐漸失去強度，最終發生斷裂?！鼻鄭u海洋地質研究所博士后科研工作站的孫志文向記者詳細解釋了流體遷移對海底工程的影響。

“這種現象同樣適用于海上油氣平臺?！睂O志文說，“為了保持穩固，海上平臺的基礎必須牢固地植入海底。但由于流體遷移，海底結構的完整性遭到破壞，強度降低，進而可能引發平臺傾斜，甚至傾覆事故?！?/p>

近年來，我國海洋油氣開發加速推進，并于2021年建成了首個水深1500米的自營大型天然氣田——“深海一號”，正式邁入超深水油氣開發時代。過去的海洋觀測譜系主要集中在對水體本身的觀測上，要從深海進入順利過渡到深海開發，保障海底工程安全，防止悲劇再次發生，就必須加大對海底與水體間遷移和互動的觀測、研究力度。

一層水，幾重天

“海洋地質研究與陸地相比，最大的問題就在于隔了一層海水?！辟Z永剛說，“不要小看這‘一’層水，里面可是相差幾重天。海水覆蓋后什么也看不見，陸地上的設備到了海上如果無法使用，那還怎么去了解海底？所以，海底觀測對技術裝備的依賴性更強?！?/p>

針對海底觀測需求，近些年，在國家和地方項目的支持下，賈永剛團隊自主研發了一系列針對海底地質災害的高分辨率探測技術和原位長期觀測技術。2019年，該團隊利用船載調查設備進行觀測研究，發現內孤立波的影響范圍可以到達深度1500米的深海，造成沉積物的運移，影響海洋環境與海洋工程安全。

“除了要有能在海底觀測取樣的設備和能將觀測設備放到海底的設備，最重要的，還要有能搭載這些設備出海的科考船。”賈永剛補充道。

在賈永剛看來，“海洋地質二號”船續航力強、有寬大的后甲板，配置有DP-2動力定位系統和150噸主動深沉補償海工吊、A型架、萬米光纖絞車和地質絞車、海上水文環境測量等調查設備，非常適合布放回收大型觀測設備。此外，船隊和技術方法人員的業務能力過硬。所以“海洋地質二號”船成功攬下了這個共享航次。

“海洋地質二號”船的實驗室位于船艙一層，這里最繁忙的時候就是每次從海中取回樣品后。處理樣品、測數據、做實驗，為了得到最真實、準確的一手數據，科考隊員常常擠在海泥、海水樣品中爭分奪秒地完成自己的工作。

晚飯時間，孫志文還在忙著測試一截柱狀海泥樣品的電阻?！巴ㄟ^聲學和電阻率交叉測試的方法，就能較為準確地得出這截樣品的含水量和氣體分布情況，分析出樣品的顆粒骨架，研究流體遷移對其造成的影響。”

實驗室里最大的一桶海泥樣品足有半人高，桶身上寫著哈爾濱工業大學（深圳）教授岳中琦的名字。深海泥是深海研究的重要對象，多年來，從微米到納米級的細顆粒海泥，人們缺乏將其精確分離的技術方法。岳中琦創建的“土細顆粒的水洗尼龍布篩分方法”，可以將從海底取出的沉積物樣品精準地分成從0.8微米到63微米以上的25種粒徑級配，幫助項目團隊更精確地測定海底沉積物中每種顆粒的物料化學性質，并在此基礎上進一步拆解不同類型泥土構成的沉積物如何被流體遷移影響。

除了直接取樣品試驗，要觀察海底的動態變化情況，原位觀測是必不可少的。本航次，賈永剛團隊在不同位置放置了兩個“海床基”，上面搭載著各類傳感器，一部分向上延伸到海水中，一部分向下扎進泥土層里。溫度、鹽度、電導率、流速、溶解氧、甲烷、壓力、濁度、微生物含量、沉積物孔壓……接下來一年，這些數據可以通過聲學信號發送給“風箏”一樣懸浮在海水里的接收器，再通過接收器直接傳回實驗室，供團隊進行實時的監測、分析。

首航結束后，在該項目持續的3年時間里，賈永剛團隊還將對海底流體遷移進行一系列觀測與研究，進一步揭示海底地質災害的發生規律和形成機理，以期實現海洋地質災害的預測預警和有效防控，更好地保障海底工程地質環境安全。