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独家揭秘|中国科学家如何征服地球“第四极”,还在这里做高精度实验

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shazhiju 发表于 2019-1-24 21:45:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
它地处西太平洋,与珠穆朗玛峰、南极、北极齐名,被称为“地球第四极”;  
但它比珠峰还“高”,1951年,英国皇家海军船测到它的深度有10900米,后又有10911米的新记录;  
它很神秘,底部的水压是标准大气压的1000倍,但科学家居然发现海沟深处有鱼虾活动……  
它就是马里亚纳海沟的“挑战者深渊”(ChallengerDeep)。  
科学家们说,马里亚纳海沟的故事就是地球的故事。因为它的火山岩石、微生物与沉积物都留下了许多“密码”,“讲述”地球演化的故事,“透露”地震、火山与海啸的信息。
“马沟计划”科研团队向深海投放宽频带地震仪。受访者供图


“马沟计划”科研团队向深海投放沉积物采样装置。受访者供图

2016年12月26日,中国科学院南海海洋研究所(以下简称“南海海洋所”)实验3号科考船圆满完成“马里亚纳海沟计划(以下简称“马沟计划”)”首航科考任务。首航中,科学家们克服了冬季太平洋“浪大流急”的挑战,4次横跨全球最深的“挑战者深渊”,完成了几十项科考任务,成功实施了国际上首次穿越“地球第四极”的高精度综合地震实验。  
日前,马沟计划的科考专家接受了南方日报记者独家专访,进行了解密。  

马沟计划首席科学家林间向记者介绍“马沟计划”。南方日报记者 张梓望 摄

读取地球“密码”:人们迄今没发现比马沟更深的地方  
马沟计划的首席科学家是中科院南海海洋所的林间特聘研究员。他介绍,科考队于11月19日从广州出发,历时38天,海上总航程超过一万公里。南海海洋所的孙金龙任首航首席科学家、曾信任科考队长,来自科研院所、高校共13个单位近40名科研人员参加了首航科考。

马沟计划首席科学家中科院南海海洋所林间特聘研究员。南方日报记者 张梓望 摄

为何有此远征?林间说,最直接的原因就是,科学重要性与好奇心!因为迄今为止,人们没有发现世界上有比马沟更深的地方。  
“喜马拉雅山为何这么高?是因为印度大陆板块往北漂移撞上了欧亚大陆板块,导致隆起。简言之,世界上最高的地方是大陆与大陆撞出来的。那海沟呢?”林间进一步解释,马里亚纳海沟也是撞出来的。  
科学家认为,“两者相撞,重者在下”。海洋板块与大陆板块碰撞时,偏重的海洋板块便俯冲到大陆板块之下。当海洋板块与海洋板块相撞时,其中更老的板块往下俯冲,在碰撞处形成深海沟堑。马里亚纳海沟,就是因为古老而巨大的太平洋板块,插入到相对较年轻的菲律宾海板块之下而形成的。  
“全球的海沟有五万公里之长,相当于万里长城的好几倍。马里亚纳海沟全长2500公里,最深之处即为‘挑战者深渊’。为什么‘地球第四极’这么深,是个谜,也是此次远征的重要科学目标。”林间说,此次,科考队克服了冬季太平洋浪大流急等海况困难,4次横跨“挑战者深渊”,完成了几十项科考任务。  
本次实验所研究区域示意图。南方日报记者 张梓望 摄

在科学家们看来,马沟的故事就是地球的故事。此次科学家们成功采集了火山岩石、微生物及海底沉积物等珍贵样品,获得了海洋研究的第一手资料。这都是地球给我们的“密码”,讲述着地球演化的故事,透露着地震、火山与海啸的信息。  
“地球留给我们的密码,无处不在,亟待破解。举个例子,我们在马里亚纳海沟发现了火山碎屑片,这很可能意味着这里曾经爆发过海底火山。”孙金龙说。  

马沟是“福地”?  这里没有记录过八级以上的大地震  
研究海沟地震,是此次科考的重头戏。  
中科院南海海洋所的实验室放置着几十个地震仪,每个看似篮球大小。“一个就相当于一台帕萨特车的价格,得20万元呢!”孙金龙笑着说。它们是此次科考的神奇武器。有了它们,科考队才成功实施了国际上首次穿越“挑战者深渊”的高精度综合地震实验。  
“马沟计划”中所使用的宽频带地震仪。南方日报记者 张梓望 摄

为何要研究海沟地震?林间解释,因为海沟的地震有特殊性,超大地震可能引起大海啸,造成死伤。“2004年的苏门答腊大地震(9.2级),2011年的东日本大地震(9.0级)都是世界前十的超大地震,造成灾难性的海啸。日本是多地震之国,防震做得好,地震本身造成的伤亡较少,但还是低估了海啸带来的威胁。”  
有意思的是,自有记录以来,马里亚纳海沟没有发生过八级以上的大地震,但在它北边的日本海沟却产生过九级地震。“九级地震强度是八级地震的30多倍。为什么同一个地带,北边会产生超大地震,南边却没有?所以,我们在‘挑战者深渊’区域布放了几十个台次的地震仪阵列,最深被放置到8137米处,聆听地球内部的声音。”林间说。  
科研团队进行实验。受访者供图

马里亚纳海沟为何至今没有八级以上地震?林间分析这有两种可能性。第一,发生大地震的时候未到。因为一个九级地震可能需要积累能量一千年,而人类记录地震的时间只有100多年。另一种可能性是,因为某种未知的地质原因,马里亚纳海沟不会发生大地震,是块“福地”。“我们活不到1000岁,但仍可研究海沟地震的规律。”林间说。由于数据是海量的,科研团队如今还在进一步处理中。  
海这么深,怎么看透地球内部?林间解释,我们先把地震仪投放到海底,再每隔一分半钟往海里打空气炮,产生人为的地震波。“海底地震仪记录到地震波就可以给地球浅层作CT了。”  
2016年12月26日,中国科学院南海海洋研究所(简称南海海洋所)实验3号科考船圆满完成“马里亚纳海沟计划(马沟计划)”首航科考任务,顺利返航广州新洲码头。南方日报记者 张梓望 摄

孙金龙说,为了对地球更深处作CT,如今还有多台地震仪留在马里亚纳海沟聆听全世界各地的地震。“地震越大,时间越久,CT成像的精度越高。”目前,科学家们已经计划今年6、7月开展马里亚纳海沟第二航次了。  
“挑战者深渊”为何最深?  有股力量把它往下拽  
到马里亚纳海沟科考,科学家们已准备多年了。  
20多年来,多国科学家利用海底声呐,对马里亚纳海沟进行了高精度的三维地形测量。2012年,林间和张帆博士等对整个马里亚纳海沟千姿百态的地形进行了深入的科学研究,发现海沟的深度与宽度都变化显著,比如海山处的海沟比较浅,而位于南边的“挑战者深渊”却最深。  
科学家还留意到一个有趣的现象——海底裂缝。林间说,“板块向下运动,变形弯曲,海底地表就会产生一系列的裂缝,就像掰巧克力时上面有裂缝一样,我们称之为张裂断层。”林间团队的周志远博士等青年科学家发现,“挑战者深渊”附近的断层最多。为什么会这样呢?  
“我们推测这个区域有股特别大的力量把太平洋板块往下拽,但不确定这股力量从哪来。”林间说,此次科考队就是为了探索这股神秘的“下拽”之力,通过为地球“第四极”做CT,解读地球深部结构,希望从中找到答案。

【人类探测地球“第四极”历史】
●1960年1月
人类首次看见了马里亚纳海沟的真实模样。科学家乘坐“的里雅斯特”号深海潜水器,成功下潜至马里亚纳海沟底进行科学考察,并在海沟深处看到一条比目鱼和一只小红虾在游动。  
●1995年  
人们在日本“海沟号”传回的图像中还看到,在万米深的茶色海底泥土上,有一些白色的像海参一样的生物在蠕动。  
●2012年3月  
美国好莱坞著名导演詹姆斯·卡梅隆独自乘坐潜艇“深海挑战者”号,下潜近11千米,探底西太平洋马里亚纳海沟。他也成为单枪匹马潜至这一“地球最深处”的第一人。  
●2012年6月  
“蛟龙号”在马里亚纳海沟成功下到了7062米的深度,创下中国载人深潜记录。“蛟龙号”在第五次海试中发现了丰富多样的生物。潜航员用诱饵来吸引深海中的动物。  
●2016年  
一个多国研究小组宣布在地球上最深的马里亚纳海沟底下深处发现了高度活跃的微生物群落,这里位于海平面之下近11千米的深度,科学家的分析结果认为马里亚纳海沟底部生活着非常活跃的微生物,它们栖息在沉积物沟槽中。  
●未来
曾任“蛟龙号”载人潜水器第一副总设计师的崔维成透露,2020年,“彩虹鱼”号深潜器将挑战11000米马里亚纳海沟,实现人类历史上第三次载人探底,这将是中国人首次实现载人探底深渊极限。  
【参考资料】
1.刘方兰,杨胜雄,邓希光,曲佳。2013。“马里亚纳海沟‘挑战者深渊’最深点水深探测”。《海洋测绘》。33(5):49-52。  
2.杨先碧。“神秘的马里亚纳海沟”。《科学之友:上》,2012年第九期。  
3.中国新闻网2014。“白色怪鱼潜伏海下8000米,刷新世界最深鱼类纪录”,2012-12-22。  
4.Fan Zhang,Jian Lin,Wenhuan Zhan,Variations in oceanic plate bending along the Mariana trench,Earth and Planetary Science Letters,401,206-214,2014。  
5.Zhiyuan Zhou,JianLin,MarkD·Behn,and Jean-ArthurOlive,Mechanism for normal faulting in the subducting plate at the Mariana trench,Geophysical Research Letters,42,4309-4317,2015。  
(感谢李淑博士、实习生张婷对本文的贡献)

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