探索神秘的海底
2024-11-26李英菁
2021年4月21日，印度尼西亚一艘潜艇“南伽拉”号（KRI Nanggala）在巴厘岛附近海域执行下潜任务过程中失联，经过5天搜索，“南伽拉”号在海深838米处被发现，53名船员全部遇难。
据专家分析，“南伽拉”号很可能遭遇了内孤立波，发生“掉深”，如同一辆平稳行驶的汽车前方突然出现悬崖。在海水断崖面前，潜艇会像冲出悬崖的车辆一样失去控制，迅速坠向海底，被深海巨大的水压碾碎。
内孤立波是一种特殊的非线性海洋内波，它广泛分布在全球海洋中，波幅可高达240米，宽数公里。其特点是两侧海水间存在密度差，诱发极强的垂向流动，卷动过路的生物、设备、潜艇等，堪称海洋中的“隐形杀手”。一些海洋学家认为，20世纪60年代，两艘美国核潜艇“长尾鲨”号和“天蝎”号沉没事件也极有可能是内孤立波造成的。
海面之下的挑战远不止内孤立波，地震、滑坡、气体喷发、沙波、浊流……“陆地上有的灾害海里也有，陆地上没有的灾害海里还有。”共享航次首席科学家、中国海洋大学教授贾永刚讲道，“不同的是，海底发生的灾害规模往往更为庞大，并伴有连锁次生灾害，其中就包括海啸。”
海洋覆盖了地球表面的70%以上，蕴藏着全球超过三分之一的石油、天然气资源和丰富的金属矿藏，而人类至今只探索了海洋的5%。要想穿越几百米甚至几千米的海水层实现资源开采，人类必须首先直面海洋灾害的挑战。
2020年，中国地质调查局广州海洋地质调查局联合中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所向国家自然科学基金委员会申请海洋地质灾害重大科考共享航次项目。经过4年的努力和准备，这支科考队终于踏上了南海北部海床流体迁移致灾机理重大科学考察实验研究（航次编号：NORC 2024-302）的行程。
海底，充满了孔隙
深夜，广州海洋地质调查局“海洋地质二号”船的仪器房内，共享航次首席科学家助理、中国海洋大学副教授朱超祁正在查看设备的运行情况，屏幕上由船载单波束测深仪传回的一组信号吸引了他的目光。
平稳的海床面上，一串串异常反射信号以约每半小时一次的频率跃起，这组信号仿佛一针兴奋剂，让朱超祁立刻从晕船和连续工作带来的疲惫中清醒过来。
“这是甲烷气体周期性喷发的信号。”他马上意识到。从2018年开始，朱超祁就多次在同一片海域观测到甲烷气体喷发的现象，但囿于时间、海况和设备等种种条件，始终没能找到具体的喷发点。
甲板上，调查人员准备将“海马”号无人遥控潜水器下放到海底。借助“海马”号上携带的探测设备和高清摄像头，朱超祁很可能有机会“亲眼”看到甲烷气体喷发的景象——这正是他们此行研究课题中的重要一环。
海床流体迁移主要指气体和液体在海床内外的传输运移，涵盖从沉积物到海水的广泛过程，是岩石圈、水圈、生物圈物质能量交换中最活跃、最直接的要素。海床流体迁移是海洋灾害发生的诱因之一，海洋灾害也直接影响海床流体迁移，通过对流体迁移的观测，并从中寻找规律，就能总结出流体迁移与海洋灾害之间的双向互动关系。
贾永刚告诉《中国报道》记者，海底充满孔隙，这是流体迁移的基础。海床并不是一块被淤泥完全糊住的、平坦的盖子，与地表一样，这里有平原，有盆地，有绵长的山脉，有幽深的沟谷，也有裂隙和孔洞。在地质活动、压力、重力、水动力和生物活动等内外动力作用下，流体在以海床面为界限的海水层、岩石层等不同位面之间上下运动，就形成了海底热液、海底冷泉、海底底流、浅层气体喷发等流体迁移现象。
在南海北部海域，贾永刚团队根据以往调研成果圈定了一个面积约4万平方公里、地质灾害种类多样的古滑坡区，在项目持续的3年时间里，他们希望通过长期观测，对整个巨型滑坡体不同区域的特点得到比较精确的认识，研究其发展演化规律。
甲烷是天然气的主要成分，海底甲烷气体喷发不仅代表附近海域的地质活动频繁，也意味着海床下极有可能存在丰富的天然气或天然气水合物（可燃冰）矿藏。
谁是危害人类生产生活的海洋元凶？
长久以来，生活在陆地上的人们对海洋灾害的认知普遍停留在海面以上。2011年，“3·11”东日本大地震引发海啸，海浪达到10米以上，海水越过防波堤灌入建筑，造成举世震惊的福岛核电站泄漏事件，成为一代人对海洋灾害最深刻的记忆。
随着人类进军海洋的步伐不断深入，特别是海底电缆铺设和海洋油气开发，海洋灾害对日常生产生活的影响也日益显现。如今，海底电缆成为连接全球通信、电力传输的重要基础设施，尤其是对沿海地区和岛屿来说，海底电缆对居民生活的正常运转至关重要。
2022年11月，受海底火山喷发影响，南太平洋岛国汤加与外界相连的唯一一条海底电缆断裂，电话和网络信号崩溃，造成约10.5万居民断联；2023年2月，马祖地区海底电缆断裂，岛上通信受阻，物资输送不畅，引发当地民众对台湾当局的抗议……
这背后的元凶就是流体迁移，特别是地震、滑坡等大型海底地质灾害发生后产生的海底浊流。浊流通常从高处流向低处，将松动的沉积物卷起，搬运到另一处，重塑海底地貌。浊流裹挟着大量泥沙，密度比周围的普通海水高很多，以摧枯拉朽之势对沿途造成巨大破坏，甚至“切断”强度本足以抵抗地震的海底电缆。
即使是看似柔和的流体迁移现象，也可能对海底工程造成巨大破坏。“例如，当海底输油管线和光缆附近有气体逸出时，会带走周围的沉积物，原本气体填充的空间逐渐塌陷，使管道部分悬空，受力不均。再加上频繁活动的海洋波流，使悬空的管道在震动中逐渐失去强度，最终发生断裂。”青岛海洋地质研究所博士后科研工作站的孙志文向记者详细解释了流体迁移对海底工程的影响。
“这种现象同样适用于海上油气平台。”孙志文说，“为了保持稳固，海上平台的基础必须牢固地植入海底。但由于流体迁移，海底结构的完整性遭到破坏，强度降低，进而可能引发平台倾斜，甚至倾覆事故。”
近年来，我国海洋油气开发加速推进，并于2021年建成了首个水深1500米的自营大型天然气田——“深海一号”，正式迈入超深水油气开发时代。过去的海洋观测谱系主要集中在对水体本身的观测上，要从深海进入顺利过渡到深海开发，保障海底工程安全，防止悲剧再次发生，就必须加大对海底与水体间迁移和互动的观测、研究力度。
一层水，几重天
“海洋地质研究与陆地相比，最大的问题就在于隔了一层海水。”贾永刚说，“不要小看这‘一’层水，里面可是相差几重天。海水覆盖后什么也看不见，陆地上的设备到了海上如果无法使用，那还怎么去了解海底？所以，海底观测对技术装备的依赖性更强。”
针对海底观测需求，近些年，在国家和地方项目的支持下，贾永刚团队自主研发了一系列针对海底地质灾害的高分辨率探测技术和原位长期观测技术。2019年，该团队利用船载调查设备进行观测研究，发现内孤立波的影响范围可以到达深度1500米的深海，造成沉积物的运移，影响海洋环境与海洋工程安全。
“除了要有能在海底观测取样的设备和能将观测设备放到海底的设备，最重要的，还要有能搭载这些设备出海的科考船。”贾永刚补充道。
在贾永刚看来，“海洋地质二号”船续航力强、有宽大的后甲板，配置有DP-2动力定位系统和150吨主动深沉补偿海工吊、A型架、万米光纤绞车和地质绞车、海上水文环境测量等调查设备，非常适合布放回收大型观测设备。此外，船队和技术方法人员的业务能力过硬。所以“海洋地质二号”船成功揽下了这个共享航次。
“海洋地质二号”船的实验室位于船舱一层，这里最繁忙的时候就是每次从海中取回样品后。处理样品、测数据、做实验，为了得到最真实、准确的一手数据，科考队员常常挤在海泥、海水样品中争分夺秒地完成自己的工作。
晚饭时间，孙志文还在忙着测试一截柱状海泥样品的电阻。“通过声学和电阻率交叉测试的方法，就能较为准确地得出这截样品的含水量和气体分布情况，分析出样品的颗粒骨架，研究流体迁移对其造成的影响。”
实验室里最大的一桶海泥样品足有半人高，桶身上写着哈尔滨工业大学（深圳）教授岳中琦的名字。深海泥是深海研究的重要对象，多年来，从微米到纳米级的细颗粒海泥，人们缺乏将其精确分离的技术方法。岳中琦创建的“土细颗粒的水洗尼龙布筛分方法”，可以将从海底取出的沉积物样品精准地分成从0.8微米到63微米以上的25种粒径级配，帮助项目团队更精确地测定海底沉积物中每种颗粒的物料化学性质，并在此基础上进一步拆解不同类型泥土构成的沉积物如何被流体迁移影响。
除了直接取样品试验，要观察海底的动态变化情况，原位观测是必不可少的。本航次，贾永刚团队在不同位置放置了两个“海床基”，上面搭载着各类传感器，一部分向上延伸到海水中，一部分向下扎进泥土层里。温度、盐度、电导率、流速、溶解氧、甲烷、压力、浊度、微生物含量、沉积物孔压……接下来一年，这些数据可以通过声学信号发送给“风筝”一样悬浮在海水里的接收器，再通过接收器直接传回实验室，供团队进行实时的监测、分析。
首航结束后，在该项目持续的3年时间里，贾永刚团队还将对海底流体迁移进行一系列观测与研究，进一步揭示海底地质灾害的发生规律和形成机理，以期实现海洋地质灾害的预测预警和有效防控，更好地保障海底工程地质环境安全。
