首幅全景海底地形图的成型

张涵科，颜冰

①国防科技大学 军事基础教育学院，长沙 410073；②国防科技大学 气象海洋学院，长沙 410073

从大陆漂移说和海底扩张说基础之上发展起来的板块构造说是地球科学领域的革命性理论。然而，魏格纳在1912年首次提出大陆可以漂移时却遭到了学术界强烈的反对，并且在此后的几十年里大陆漂移说一直被认为是天方夜谭的“另类学说”。关于大陆漂移说的争论，很大程度上是当时人们对占地球表面积70%以上的海底地形一无所知造成的。虽然我们现在知道海底地貌像陆地一样，有高高耸起的山脉，有比大峡谷深数倍的海沟，也有像地板一样平坦的深海平原。但是，在海底地形图诞生之前，由于地球上97%的水都覆盖在海底之上，人类难以窥其真貌。在人类探索海底的过程中， Marie Tharp(1920—2006)和Bruce Heezen(1924—1977)两位科学家值得被人们铭记，他们从20世纪50年代开始数十年如一日地观测研究海底，并在1977年绘制出世界上第一张完整的海底地形图，颠覆了人类对海底的认知，为板块构造说提供了“硬核”证据[1]。

1 海底地形图的诞生过程

1.1 早期的探索与积累

早在19世纪中期，人类就已经拉开探测海底的序幕，麻绳、铅锤甚至炮弹都是早期测量海底深度时用的工具。当时最具代表性的人物是美国海军图械库的Matthew Fontaine Maury (1806—1873)，他使用麻绳、铅锤等工具测量海底深度，获得了200组最大水深可达1 000英寻(1英寻≈1.828 8 m)的测量数据，并于1847年编绘北大西洋的等深线图。他发现北大西洋洋底中心有一片高高隆起的区域[2]，将其称之为海豚洋隆(dophin rise)，也就是后来Marie Tharp等人发现的大西洋中脊(mid-Atlantic ridge)。与M. F. Maury同时期的海底探测科学家还有英国的Charles Wyville Thomson (1830—1882)，于1872—1876年领导了一次名垂史册的环球航行——“挑战者号”环球航行(Challenger Expedition)。他曾数次穿越大西洋，并在所经过的航线中每隔100英里(1英里=1 609.334 m)进行一次测深，使用的工具仅仅是一根长麻绳上拴着重200磅(1磅=453.592 37 g)的铅锤。C. W. Thomson测量后发现，M. F. Maury所说的海豚洋隆两侧的水温有明显的不同，并将其归因于海底存在一道屏障阻挡了底层海水的流通。C. W. Thomson的测量结果虽然在某种程度上表明大西洋中心确实有类似高原一样隆起的地形，但是很难得知海底的那道屏障到底是一座崎岖蜿蜒的深海“高山”，还是一个平坦广阔的深海“高原”。

人们真正开始认识到大西洋中心那片隆起的“高原”实际上是蜿蜒崎岖的山地，起因于1925—1927年德国科学家进行的一次海上气象探测[3]。随着回声探测技术的出现，调查方式有了很大的改进，德国科学家采用“秒表法”(stopwatch)向海底发出声学信号，并记录信号从发出至反射回探测船的时间，以此计算深度。他们每隔20～25英里就进行一次探测，不仅测量深度，还对海底的盐度、水温、洋流等进行了探测，并获得海量数据。对于这些用德语发表的数据，人们更多地关注了水温、盐度方面的信息，而其中有关大洋深度的数据很多年都没有人研究，因此这一阶段的海底探测对认识海底地形没有根本性改变。

第二次世界大战结束后，全世界再次掀起海底探测热潮。1947年，哥伦比亚大学地质学系教师Maurice Ewing博士进行了一次巡回演讲，旨在寻找专业知识丰富、能够出海航行的人才来协助他从事海洋调查工作。在演讲中，他展示了在百慕大洋隆(Bermuda rise)南部获得地震折射波剖面图的过程：探测人员在全速行驶的船上向海底投掷并引爆炸弹，然后采集炸弹的回声反射数据，用这种方法直接获得穿过沉积层直至海底的剖面图。这次演讲深深地吸引了当时正在爱荷华州立大学地质学专业读本科的Bruce Heezen，因此当Ewing博士询问他是否愿意一起去大西洋中心探险时，Heezen毫不犹豫地答应了，并以协助Ewing研究的名义正式加入海底探测队伍。

Marie Tharp加入海底探测的过程则没有那么顺利。当时女性读书求学面临的阻碍远远大于男性，Tharp中学阶段就曾辗转于20多所学校。在1943年获得俄亥俄州立大学音乐和英语学士学位之后，她获得了一个去密歇根大学进修地质学的机会。这个专业本来只对男性开放，但是由于战争，名额出现空缺，Tharp才得到这个非常难得的机会。1944年她获得硕士学位之后，又于1948年在塔尔萨大学获得了数学学士学位。毕业后她在Ewing博士的项目中承担一些数据处理和草图绘制的工作，加入Ewing和Heezen的小团队后，她才开始专门起草和绘制海底剖面图。

1.2 洋中脊的发现

关键技术的突破对整个研究起至关重要的作用。第二次世界大战期间，Ewing在美军从事科研工作，但并未服役，他和同事共同研制出可以连续发射声波的回声探测器。战后Ewing将回声探测器应用到海底探测中，这样海水深度探测就可以全天候、无间断地进行。1948—1950年，Tharp和Heezen四次搭载Atlantis号探测船航行于大西洋中心，进行了成千上万次深度测量。与之前的间断性探测不同，这次测量可以说是没有“放过”海底的任何一个角落，得到的是完整、连续的海底深度数据。非常有趣的是，因为这台探测器功率太高，当船上电力系统不稳定时它就会停止工作，甚至如果有人打开冰箱就有可能断电，这时就会得到一个海底无限深的数据。

这次航行测得了数以万计的海底深度数据。面对这些海量的数据，Heezen在规范了测深图表绘制的标准后，把一系列后续整理和归纳的工作就交给Tharp，由她负责绘制成完整、高精度、能体现细节的图表，并据此绘制出一系列海底的剖面图。1952年，在专心处理这些数据后，Tharp按照Heezen和Ewing的要求绘制出6幅横跨大西洋的海底剖面图。在这6幅图中，大西洋中脊在北美洲和欧洲之间、南美洲和非洲之间无比清晰地展现出来。每幅剖面图中，大西洋中脊的形状和轮廓都保持了惊人的相似性。Tharp还注意到，大西洋中脊的轴心位置除个别山脉外，绝大多数海底山脉都存在一个“V”形凹痕。据此，她猜测这些“V”形凹痕代表了大西洋中脊的顶部存在一个沿着中脊轴线蜿蜒曲折延伸的裂谷[4]。

当Tharp把她的发现告诉Heezen时，Heezen却认为这是无稽之谈，并直言她的发现听起来太像大陆漂移说了。大陆漂移说在当时可以说是科学界的“另类学说”，几乎所有人都认为它是不可信的。Heezen甚至戏称Tharp的发现为“妇人之见”(girl’s talk)。但是，Tharp坚持自己的立场，始终认为洋中脊当中的裂谷是真实存在的，大陆漂移说也是成立的。地球深处物质从裂谷处涌出来形成洋中脊，将洋底一分为二，这恰好印证了洋中脊是大陆漂移的产物。Tharp和Heezen谁都不能说服对方，最终决定用全新的方式画一幅不同于传统等深线图的海底地形图，就像是将海水抽干后对暴露出来的海底画的俯视图。由于当时积累的航测数据不够多，大西洋底的很多区域还是探测的盲区，因此他们的图不足以反映海底的全貌，更不能成为支持洋中脊存在和大陆漂移说的关键证据。但是，这种新的画图方法令Tharp和Heezen很满意，因为它可以更直观地反映海底的每一处地形。之后，Tharp继续用这种方法绘制地形图，Heezen则继续负责收集数据。

1.3 另一项关键证据

在Tharp一边处理Heezen带回的大量数据，一边绘制海底地形图时，Heezen参与的另一项调查为日后的研究提供了关键的证据。1929年，海底发生的一次地震导致大西洋中铺设的电缆严重损坏，有关部门希望Heezen能通过科学计算给出重新铺设电缆的最佳位置。Heezen雇佣美术学院的聋哑学生Howard Foster协助他在地图上绘制出海底地震震中的位置。在那个没有电脑的年代，Foster只能通过纸和笔徒手绘制、记录数万次的地震，而地震震中的位置有时只能确定在方圆几百里的范围内，数据往往很不准确。好在数据十分丰富，所绘制出的图对地震的分布描述相对准确。Heezen注意到沿着大西洋中脊，地震震中的排列非常密集，几乎是连续的。这个发现本身并不新奇，因为在1944年Beno Gutenberg和Charles F. Richter就已经绘出一条相似的浅海地震带。当Heezen想进一步研究这些震中的排列时，他把这张震中分布图和Tharp的海底地形图重合在一起观察(应Heezen的要求，所有有关海洋的图表大小、规格都是统一的)，发现一连串的震中不偏不倚、整整齐齐地排列在洋中脊的裂谷中。Heezen开始接受洋中脊存在裂谷的事实，而此时距离Tharp向他提出这个观点已经过去了8个月。这个发现极大地激起Tharp和Heezen的研究兴趣，Gutenberg和Richter的研究也显示全球像大西洋中脊这样的地震带不止一条。Heezen猜测若干条这样的洋脊构成一个遍布全球、庞大的“海底山脉”系统，大西洋中脊可能仅仅是其中的一条。于是，他们利用地震和裂谷的相关性大胆地猜测凡是有密集地震记录的海域都存在海底裂谷，比如密密麻麻的震中分布显示在狭长的亚丁湾也可能会有裂谷存在，甚至东非大裂谷也可能是海底裂谷在陆地上的延伸。

大陆上的裂谷直观可见，但是海底的裂谷即便有地震带的佐证，其形态仅展现在当时很有限的几组剖面图上，很难确定剖面图上的“V”形裂口是否为制图过程中的误差或巧合。这些剖面图到底能不能真实地反映裂谷的特征？Heezen认为东非大裂谷可能是一个关键的突破口，他让Tharp收集关于东非大裂谷的地震、地形资料，用以往的方法在地图上标注东非大裂谷中发生过的地震的震中位置，将画出的几组剖面图和之前洋中脊的剖面图进行比对，希望能通过寻找陆上裂谷和海底裂谷的相似性来进一步印证他们的猜测。结果不出所料，东非大裂谷和洋中脊的裂谷不仅在剖面图上显示出很高的相似性，地震震中的分布也惊人一致。通过这样的类比研究，Heezen确信洋中脊存在裂谷的事实，而且他与Tharp更加相信在地球上有蜿蜒连绵、横跨陆地海洋的“裂谷系统”[5]。

1.4 第一幅海底地形图

1953年，Tharp开始致力于绘制大西洋的海底地形图。对于数据丰富的北大西洋，她重新归纳了Heezen带回的数据；对于数据比较稀缺的南大西洋，她采用了上文所提的德国科学家在1925—1927年间获得的海上探测数据。这些数据虽然比较老旧，精度也有限，但是也足以揭示洋中脊的确贯穿了大西洋，延伸到南大西洋，洋中脊确有裂谷的存在。不同的是，南部的洋脊窄而崎岖，北部的洋脊相对宽而低缓一些。与此同时，Tharp注意到来自其他国家海洋调查团队的新航测数据也显示，印度洋[6]、阿拉伯海、红海和亚丁湾也存在脊状海底山脉。美国海军探险队在东太平洋也发现了一个巨大的南北走向的海底山脊系统。当时，Tharp设想若能收集足够多的数据就可以绘制出全球的海底地形图，海底的种种特征就会栩栩如生地展现在世人眼前，横贯全球的洋中脊系统也能一目了然地体现在一幅图上。这种想法令她更加专注于眼前的工作，日复一日、专心致志地进行绘图工作(图1)。

图1 伏案工作的Marie Tharp (图片来自：https://marietharp.ldeo.columbia.edu/about-marie-tharp)

在1956年的美国地球物理联盟年会上，Heezen宣布了他与Tharp关于大洋中脊的发现。当时学术界大多数人对他们的发现持怀疑态度，很大一部分原因是这个发现太像大陆漂移说了，甚至他的导师Ewing也开始不相信他们的研究结果了，这使Tharp和Heezen很难继续开展这个方向的研究。Tharp开始明白绘制的海底地形图的重要性，他们太需要一张图来展示裂谷到底在哪里、形状如何、向哪里延伸。在大家都对大陆漂移说持有怀疑态度之时，一幅海底地形图能体现他们研究的意义，让世人相信他们的发现。

终于在1957年，他们出版的第一幅北大西洋海底地形图在学术界引起很大的轰动。而后，Heezen在普林斯顿大学做了一次关于海洋中裂谷系统的报告，用地球仪粗略地展示世界各地的洋中脊及裂谷，此时他与Tharp的研究成果已经得到了更多人的认可。1959年美国地质学会重新印制了这幅图，使这张图的流传更加广泛。同年举办的国际海洋大会上，曾经不相信他们研究成果的Jacques Cousteau展示了他用水下摄影机拍摄的大西洋海底裂谷的影像。至此，他们的研究得到了学术界的广泛认可。

1.5 从一片海洋到另一片海洋

步入20世纪60年代，逐渐丰富起来的海底测深数据，不仅分担了Heezen的航测压力，而且Tharp通过整合这些数据进行相互印证，大大提高了制图的准确性。这段时间他们工作的重心在南大西洋[7]，以Heezen在Vema号调查船上取得的数据为基础，综合国际水道测量组织开发的通用大洋水深制图取得的数据和德国科学家早期进行的那次海上气象调查的数据，他们在1961年出版了南大西洋的海底地形图。

本来Tharp和Heezen打算下一步研究地中海，但是因为当时迫切需要一幅印度洋的海底地形图来帮助规划国际印度洋远征，所以他们把目光转向印度洋[8]。在这段时期，他们的研究并不顺利，因为Heezen和Ewing之间产生了非常尖锐的矛盾，Heezen被禁止使用研究所里的调查船出海，甚至连之前获得的数据Heezen都无法使用，Tharp则被Ewing解雇了。这些困难没有阻止他们的研究进程，Heezen积极地和全球其他调查机构建立联系，希望能乘坐他们的调查船出海调查，并以个人名义重新雇佣Tharp，帮助他继续绘制海底地形图。

1964年，美国《国家地理》杂志聘请Tharp和Heezen为顾问绘制印度洋海底地形图，与他们一起工作的还有一位来自奥地利的以擅长画高山全貌图著称的画家Heinrich Berann。在绘制印度洋海底地形图的过程中，他们得到国际上很多调查机构的帮助。即便是处于美苏冷战期，Heezen仍然从苏联科学家那里得到了ОЬ号和Vityaz号调查船取得的高质量的印度洋海底测深数据。除了这些，他们还得到日本科学家在开普敦和南极洲之间获得的探测资料，并且收集了来自英国、澳大利亚、南非的数据以及美国的其他几所研究机构的零星数据。他们沿用之前的制图风格与方法对印度洋海底的全景进行绘制。1967年，他们三人发表了印度洋底的全景图。

1973年，Heezen向美国海军提交绘制世界海底地形图项目的提案。他们这次基本沿用了之前的绘图方法和风格，但是简化了一些工作以适应绘制世界海底地形图所要求的更小的比例尺。与此同时，Heezen和Tharp对多年积累下来的大量数据进行了整理、检查和修正，对数据有所欠缺的海域继续开展巡航调查。进入20世纪70年代，世界海洋调查活动空前频繁，而他们的工作相较以往要简单得多。不同于之前大西洋、印度洋海底地形图的绘制主要依靠Heezen出海探测的数据，此次世界海底地形图绘制所用的数据不仅限于Heezen出海探测的数据，还有美国海军提供的潜艇测深数据。Heezen甚至还获得登上美国海军核潜艇的许可。丰富的数据来源，不仅很大程度上减少了Heezen的工作量，同时也使Tharp的绘图精度得到空前提高。终于Tharp和Heezen在发表大西洋海底地形图20年后，1977年出版了《世界海底地图》(World Ocean Floor Map)。令人惋惜的是仅仅几个月后，Heezen搭乘NR-1号潜艇在冰岛附近调研大西洋中脊时，因心脏病突发不幸去世。1983年，Tharp从哥伦比亚大学退休，之后在纽约开了一家地图制作公司继续她的制图生涯。1997年，美国国会图书馆评选Tharp为20世纪最伟大的四位制图师之一；2004年哥伦比亚大学设立了以她名字命名的奖学金，旨在为世界各地的女性科学家提供在哥伦比亚大学深造的机会。

图2 世界海底地图(图片来源：http://hdl.loc.gov/loc.gmd/g9096c.ct003148)

2 绘图方法

Tharp和Heezen生活的年代科技不够发达，加之海上调查情况多变，即便同一艘调查船所获得的数据质量也是参差不齐的。在绘制海底地形图之前，Tharp会把数据分成三类：①高精度连续数据；②精度不太高的连续数据；③低质量数据。Tharp大多使用前两类数据，除非数据极度短缺，否则不使用第三类数据。

Tharp制图的步骤主要有以下几步[2]：第一步，将原始数据包括探测船的经纬度坐标、从回声探测仪开始工作起所记录的时间和与之相对应的深度数据，整理成表格；第二步，绘制以距离为横坐标(比例尺为1∶1 000 000)、以深度为纵坐标的深度表和以经度为横坐标、纬度为纵坐标的探测船进行回声探测的航迹图(比例尺为1∶5 000 000)；第三步，在航迹图的基础上将深度表中地形特征沿着航迹绘制出来，即整合第二步中两张图表上的信息绘制地形图。地形图和航迹图的比例尺同为1∶5 000 000，不同的是，地形图的垂直方向上Tharp将垂直特征以20∶1的比例夸大显示。Tharp按照这个步骤一条航迹接着一条航迹地绘制，最终“拼接”出海底的全貌。值得一提的是，作为女性，Tharp从来没有获得过登上调查船的机会，一直在实验室默默地、辛勤地制图。

3 科学意义

Tharp和Heezen绘制的首幅《世界海底地图》是系统性的研究成果，具有划时代的意义，是人类在海洋调查领域迈出的关键一步，而他们的贡献也远不只是直观地反映了海底的地形。首幅海底全景图在当时颠覆了人类对海底地形的认知，并且对之后人类开展海洋调查研究，以及海底扩张、板块构造等理论的形成影响极其深远。

Tharp和Heezen的工作让世人首次看清了海底全貌，证明海底不是空空如也、一马平川，而是像陆地一样形态各异、波澜壮阔。他们不仅几十年如一日地绘制海底地形图，作为地质学家他们将海底分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三大类地质单元。在此基础上，他们又细分了23个次级地质单元，并对其特征及分类依据分别加以阐述[9]。他们所建立的这套分类体系准确、详实，对海底特征概括全面，至今仍在沿用，为海洋地质调查奠定了良好的基础。

Tharp和Heezen研究成果的意义在于海底全景图不仅为大陆漂移说提供了直接证据，而且进一步引出海底扩张说和板块构造理论[9]。他们两人的研究可谓“撬动了地质学的基石”，真正意义上颠覆了人类对地球的认知。自Tharp发现大西洋中脊开始，Tharp和Heezen的研究就在为大陆漂移说提供源源不断的证据。他们可谓一直在与当时学术界的主流观点“唱反调”，并最终获得认可。如果说大西洋中脊存在的证据不够充分，他们就把整个大西洋海底画成了地图；如果说大西洋中脊仅是巧合，他们便绘制了印度洋的海底地形图；如果这样还不足以说服学术界，他们干脆就把整个世界的海底绘制成图！最令人佩服和尊敬的是，Tharp和Heezen始终立场坚定，当连Heezen的导师Ewing都不理解、不支持时，他们仍能沉住气想方设法坚持研究，尽全力把真实的海底样貌公之于众。

《世界海底地图》在地学领域意义重大，但受当时技术所限此图也存在一定的局限性。汪品先院士在《深海浅说》[11]一书中谈到：“(此图在)大洋中脊的位置、大西洋和西南印度洋中脊‘鳄鱼背’形状的粗糙形态都是对的，但是东太平洋和东南印度洋的中脊完全不同，并没有那种‘鳄鱼背’的粗糙，而是来自当时作者的想象。”实际上，采用声呐制图测线间距宽，面对如此巨大的海洋面积，测量完全覆盖必然不可能。即使在今天我们采用重力场卫星和回声测深相结合的方法，绝大部分海底仍然缺少详细的地形图。

4 结束语

回首人类探测海底的历程，从最早的麻绳、铅锤、炸弹，到今天先进的重力场卫星、潜艇以及各种样式的探测仪器，虽然时间不算悠久，但是过程不可谓不曲折。Tharp和Heezen数十年的坚守令人肃然起敬，他们为地质学和海洋科学发展作出了卓越的贡献。人类对海底的好奇心从未减弱，展望未来，随着研究技术和手段的日新月异，对海底的探测将永不停歇。

(2021年11月15日收稿)■