八年沉潜，光耀全球——跟着“南海深部计划”走近南海生命史

海孕育了生命，也汇通着世界，更是一片蕴藏“宝藏”的深蓝。在这颗21世纪的蓝色星球上，人类正不遗余力地探索、开发以及争夺着海洋资源。而当前中国的经济已发展成为高度依赖海洋的外向型经济，我们对这片深蓝有着无比的渴求。2012年12月，中共十八大提出了“海洋强国”战略：我们要提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。而在这一战略提出的前一年，我们启动了“南海深部计划”。

南海，四千里纵贯南北，两千里横跨东西，它的自然海域面积约为350万平方公里，其中中国领海总面积达到了约210万平方公里，是我国近海中面积最大、水深最深的海区。它油气矿产资源丰饶，也吞吐着磅礴的海洋能量，是港口航运的聚集场，也是珊瑚礁等热带生态系统的分布区。与此同时，当我们站在科学研究的角度去俯瞰那片集中了全球75%边缘海盆地的西太平洋时，里面的南海就如同皇冠上的明珠般璀璨夺目，因为它作为我国三大边缘海之一，是西太平洋中规模最大、最具有代表性的边缘海盆地。而就眼下来说，无论是我们对它集中在周边的浅层开发，还是整个科学界对于它深层机理的揣测，都不足够帮助人类真正揭开南海深部的奥秘。

始于2011，收官于2018的“南海深部计划”，其“野心”就是要把南海最深处的秘密探个明白。它的全名叫“南海深海过程演变”重大研究计划，是国家自然科学基金重大研究计划，也是我国海洋领域第一个大型基础研究计划，总共立项60个（重点51项，培育9项），全国参加单位32个，参与人员700多人次。该计划旨在采用一系列新技术探测海盆，揭示南海的深海过程及其演变，再造边缘海的“生命史”，从而为边缘海的演变树立起系统研究的典范。

这一大计划的功勋科学家们，在八年沉潜之后，也走入了公众的视野。2019年8月14日，“南海深部计划”指导专家组组长、中科院院士汪品先领衔一众深海研究科学家齐聚同济大学“南海深部计划成果汇报会”，将八年来的重大研究成果展示给公众。因为是面向社会，面向媒体，汇报会上的科学家们都拿出了做科普的本领，将精心选出的具备传播潜质的成果以故事化的表达呈现并解读给大家。这些故事围绕深海盆的形成演变、深海沉积以及海水的生物地球化学系统三个主题展开，它们也是“南海深部计划”的三大组成部分。正如汪院士所说，南海深部计划的设计是通过多学科的共同探索解剖一只“麻雀”，从三方面揭示一个边缘海的“生命史”：深海盆的形成演变为其“骨”，深海沉积及所含的环境信息为其“肉”，海水的生物地球化学系统为其“血”（图1）。

跟随着这些科学家们的讲述，我们穿过了几千万年的浩瀚海洋史，惊叹于当代中国科研人在南海深处所再现出的那些壮阔与奇伟。其中最令人叹服的科研成果无疑是在南海的海盆成因与气候演变这两方面所取得的颠覆性进展以及水碳循环方面所做的先驱性工作。

南海不是“小大西洋”

海洋之“骨”在海盆，海盆源于陆地裂谷，而研究的标准就在大西洋。南海的海盆成因，也就是20世纪80年代以来一直占据主流的欧美学派所认为的：南海就是小了一号的大西洋，它俩的海盆成因并无二致，都是地幔岩石圈在长期拉张之下变弱，然后破裂，涌出岩浆冷凝成玄武岩，化作大洋地壳。这一口碑扎实的欧美系理论需要一个扎实的实证支持：大洋和大陆地壳的连接处要有长期削蚀的地幔岩。但在“南海深部计划”之前的学术界，还没有钻井能达到那个深度去获得最有力的证据。

南海深部计划的团队通过国际竞争，在2017到2018年间争取到了367/368/368X三个航次的南海大洋钻探，检验了大西洋模型的普适性。钻探所得的结果出人意料，科学家们钻出了玄武岩，而非地幔岩（图2）。他们还发现大陆岩石圈张裂之初就有玄武岩涌出，很快就转到海底扩张并形成了大洋地壳。这些发现都足以推翻南海是“小大西洋”的理论。

图1 南海深部研究计划的三大组成部分

图2 南海大洋钻探结果否定了原有假设：洋陆过渡带基底并非蛇纹岩化的地幔岩。下方为按照大西洋模式剖面解释的示意图，左上方为钻探揭示的基底岩性

最后的结论就是大西洋和南海有着两种完全不同的岩石圈：大西洋张裂的是超级大陆内部坚固的岩石圈，南海张裂的却是在太平洋板块俯冲带相对软弱的岩石圈。乍一听略有所似，其实是两种根本不同的海盆形成机制，前者是“板内裂谷”，后者是“板缘裂谷”。

气候演变“低纬驱动”

人类对气候演变的研究起步于大冰期的发现，而20世纪地球科学的重大发现之一就是地球运行轨道的微小变化就能造成冰期旋回。这一发现让人们可以用北半球高纬度地区受到的太阳辐射量变化，成功解释近百万年来冰盖涨缩的周期性，而冰盖涨缩变化又通过北大西洋深层水的形成，引领着全球的气候变化。由此产生的深海沉积氧同位素曲线，已经成为全大洋地层年龄对比的标准。

但是1999年的大洋钻探，却在南海沉积速率最高的一口井中发现它的沉积氧同位素曲线偏离了全球标准（图3），按传统观点这属于地层记录不全。但是在经过了对这些南海之“肉”的多项精确测试分析和其他钻孔的反复比较后，科学家们发现这种偏离是季风区域的共同特点，地层并不缺失。这种季风区气候周期的特点反映了太阳辐射量在低纬地区的周期变化。于是他们基于南海的研究提出了气候演变的“低纬驱动”观点，指出高纬区冰盖大小的变化和低纬区季风降雨的变化，其驱动力的周期性有所不同，换句话说就是低纬区降水周期的变化并不由高纬冰盖决定。

其实太阳辐射量集中在低纬区，低纬过程是气候干湿、旱涝灾害的源头，但长期以来不受重视，人们的注意力集中在北半球的高纬冰盖上。南海研究还进一步表明：低纬海区更大的变化不在表层、而在于次表层水；轨道周期不但有万年等级的冰期旋回，还有40万年季风气候的长周期，当前的地球就处在长周期的低谷期，在全球气候变化的长期预测中应当注意这一点。

水与碳的循环

与前两个在南海的“骨”与“肉”里钻探出的颠覆性成果并列的，是对南海的“血”的“首次造访”。世界上的边缘海很多，但目前仅有南海深水海盆地中的水、碳循环由“南海深部计划”集中进行了首次系统观测研究。太平洋深部的水通过2 600米深的巴士海峡进入南海，造成了南海的“深水瀑布”和三层环流结构，通过实测和模拟的结合，研究者们对大洋和大陆因素的相互作用取得了较为系统的认识。另一方面，他们也在碳循环研究方面取得突出成果，从南海提出的微生物碳泵，已经成为全球大洋碳循环研究的热点之一；而碳、氮循环相互关系的成果，也给国际上该领域的研究带来了不小的影响。

深潜南海之底

除了上述的三大成果，“南海深部计划”在这八年里还取得了很多其他富有前沿性的成果，让我们眼中的南海深处变得清晰与明亮。让我们再次跟随着钻探船钻入南海之底。

图3 最近30万年的两类海洋氧同位素曲线。A.南海表层水； B.大洋底层水。箭头提示两者的显著差异

图4 南海北部深潜航次图片

南海形成的关键在于它那片中央水深4 000多米、面积46万平方公里的玄武岩海底。是什么时候有岩浆从地幔喷出，造就南海盆地的呢？在“南海深部计划”执行之前，整个学术界对此缺乏直接证据，所以研究者们的观点无法统一。

2014年，大洋钻探349航次在南海4 000多米水深的海盆内，在三个站位利用深钻取回了玄武岩，测试结果显示东部海盆（约3 300万年前形成）先于西部海盆（约2 300万年前形成）形成；之后进行的深部地球物理探测发现南海的玄武岩海底已经有一大片向东俯冲到了菲律宾群岛下面。据此，可以判断南海的形成是从东往西推进的，而1 000多万年前的南海比现在几乎大一倍。

我们再把目光投向它的深部海流。为了揭示南海深部海流的流动方式，科学家们采用了目前唯一可行的办法——投放锚系进行实测。经过历时多年的数百次深海潜标实测，证实南海具有逆时针方向的西部深边界流。

再来看一看海底的深海过程。多年前人们就发现了海底存在水合物和冷泉生物群。而现在，通过多次深潜航次，人们有了更多神奇的发现（图4），包括深海海山上成片的锰结核、海底的古热液活动、西沙深处和深海海山上大片的冷水珊瑚林等。其中冷水珊瑚林的发现在东南亚海域尚属首次。

结合近年来海底高分辨率地形制图揭示的泥火山、麻坑、海沟等复杂地形，南海深部的一派活跃景象呈现在眼前：在通盘漆黑的深海海底，有着自上而下、自下而上的双向物质流和能量流，而海底的沉积矿物，与生命活动还存在着相互作用。

交融与变通，在南海的不同凡响

如果要找一个词语来形容“南海深部计划”的科学研究特色，用“多元交融”毫不为过。

一方面，它的多元在于众多学科在南海大计划中的交叉碰撞。南海深部研究的庞杂让科学在客观上跨越了古今界限、海陆界限、地球和生命科学的界限，让科学家们在主观上跨界合作，追求共同的答案。一些新的认识，如碳循环长周期的“溶解有机碳假说”就是在这样的“跨界”中迸发的火花。这八年的学科交叉使得该领域形成了多学科门类、跨时空尺度的研究队伍，为我国海洋科学带来了新意。

另一方面，它的交融也体现在卓有成效的国际合作上。不论是大洋钻探还是室内分析，抑或是“全球季风”等新概念的推进，研究中的诸多重要环节都汇聚了国际合作者们的共同努力。与此同时，整个研究计划始终明确贯穿着一个以我为主的特点。可以毫不含糊地说：南海深部取得的科学进展，是在中国科学界主持下取得的，中国也就此掌握了南海科学上的主导权。

除了多元交融的研究特色，整个团队在探索过程中所展现的锐意进取的态度和敢想敢打的“变通”，也值得大书特书。以深海盆成因的研究为例，团队原计划是探索“海底扩张的年代与过程”，可结果却拓展到了追溯大陆岩石圈的破裂，从“确定年龄”变为“探索原因”，从“海底扩张”变为“大陆破裂”，这种“变通”带来的惊喜超乎想象，惊喜到重构了南海的海盆形成理论。

抓住有利时机，及时修改计划，提升科学目标，“变通”之源其实就是科研团队强大的探索决心与热情，在强大主观能动性的驱动下，所有成员都可以专注与“沉潜”，这份专注让他们拥有了高度的敏锐和应变，那么“变通”也就顺理成章，而其结果就是学术上的突破。发现国际通用模型并不适用于南海，于是提出了边缘海张裂的全球性新概念；发现南海的古气候记录并不符合高纬度地区决定全球气候的传统观念，于是提出了“气候演变的低纬驱动”概念；既然蛟龙号和深海勇士号国产深潜器下水了，那就把“深潜”这个本不见于立项任务书的工作添加到计划中。

立足南海，放眼全球

“南海深部计划”取得的许多进展使中国占据了南海研究的领先身位，一些重大突破甚至挑战了欧美学界的老传统。这看起来是我们中国自然科学转型的一声前哨。我们的科学需要转型，从单一的原料输出转型为具备自主深加工的能力，从“紧跟”转型为“挑战”。

而西方学术圈的那些传统观点也提醒着我们，在地球科学这样具有区域性的学科里，我们应当以南海为“抓手”，力争建立自己的学派。立足南海，放眼全球，我们可以努力使南海成为海洋科学基础研究的国际实验室，成为深海研究的基地。依托它去揭示一系列基本过程，去形成并验证一系列假说，去揭开西太平洋边缘海之谜，让南海成为国际边缘海研究的典范。