探索「地球第四極」

中科院南海海洋研究所派出的科考隊成員準備將地震儀投放到海溝深處。 受訪者供圖

馬里亞納海溝的「挑戰者深淵」深達10900多米，是全世界海洋最深之處，它被稱為「地球第四極」。若是把8 8 48米的珠穆朗瑪峰放進去，還露不出頭。近日，中科院南海海洋研究所「馬里亞納海溝科考計劃」首航凱旋，在國際上首次實施了穿越「挑戰者深淵」的高精度綜合地震等實驗。首航為攻關「地球第四極」的成因、深海溝大地震與海嘯的過程以及深海極端環境等重大科學問題獲取了重要數據。

為什麼要探索「地球第四極」？如何在全球最深處進行地震實驗？如何從萬米深海底取回樣品？南都專訪了「馬溝計劃」首席科學家林間。

在海洋最深處做精密「C T掃描」

「馬溝計劃」是中科院南海海洋研究所主導的特批項目，在全球最深的馬里亞納海溝實施以海洋地質與地球物理為主的多學科綜合實驗。

「馬溝計劃」的首席科學家、中科院南海海洋研究所特聘研究員林間介紹，科考隊於2016年11月19日從廣州出海，駛向「地球第四極」，歷時38天，12月26日歸來，海上總航程超過1萬多公里。「從珠江口到南海，穿過巴士海峽，直奔馬里亞納海溝。」

首航中，南海海洋研究所的孫金龍博士任船上首席科學家，來自科研院所、高校共13個單位近40名科研人員參加了首航科考。

科考隊4次橫跨全球最深的「挑戰者深淵」，在國際上首次成功實施了穿越「地球第四級」的高精度綜合地震實驗，在海底布放了長期地震監測陣列，成功採集了海底火山岩石、微生物與沉積物等珍貴樣品，獲得了大量的海洋溫度、鹽度、流速及湍流微結構等第一手資料。

「首航打中了靶心」。林間說，「這是國際上第一次給『地球第四極』做精密『CT掃描』，這次中國科學家領先了一步，對研究地球深海溝的成因、地震與海嘯以及極端環境等具有重要的科學意義。」

為何要探索「地球第四極」？

林間解釋，地球就像一隻巨大的「圓蛋」，其「蛋殼」由一系列板塊拼接而成，包括歐亞板塊、太平洋板塊、印度洋板塊等。就像冰山在海上漂移一樣，這些巨大的板塊也會緩慢漂移，有時每年能走好幾厘米，跟我們指甲的生長速度一樣快。

如果兩個板塊碰撞，「兩者相撞，重者居下」，較重的板塊就會俯衝下沉到較輕的板塊之下，「擠」出一條深海溝。「挑戰者深淵」就是古老而沉重的太平洋板塊俯衝下沉到較輕的菲律賓海板塊之下，被「擠」出來的。

「全世界的海溝總長5萬多公里，是萬里長城的好幾倍」，而在西太平洋的海溝尤其多，包括馬里亞納、日本、琉球、馬尼拉海溝等。

「挑戰者深淵」位於馬里亞納海溝的南端，深達10900多米，為地球之極。為什麼「挑戰者深淵」這麼深？是什麼巨大的力量將太平洋板塊往下拽？海溝與大地震及海嘯的關係如何？這些都是科學家們關注的前沿科學問題。「就像想要知道喜馬拉雅山為什麼這麼高一樣，這次我們去探索『地球第四極』的成因。」林間說。

下一航次今年六七月開展

為期五年的「馬里亞納海溝計劃」，預計在今年六七月開展第二航次。「下次的科考會有更廣泛、更深入的實驗，探索重要的國際前沿科學問題。」

從認知大地震與海嘯的機制，到研究極端環境下的生命，海溝研究就像其他科學一樣，不斷獲得新認識並造福人類。

林間認為，海溝研究目前很多地方還是空白。「多少年來都是跟著國際跑，這次超跑了一段，這也很正常。中國科學家們有望在海洋地球科學領域越來越多地領跑。」

揭秘

為什麼是馬里亞納海溝？

有記錄以來還未發生過超8級的地震

世界上超大地震幾乎都發生在海溝。林間介紹，海溝的大地震通常也引起大海嘯。他舉例，1960年智利9.5級地震是有史以來記錄到的最強地震，而2004年的蘇門答臘9.2級地震、2011年的日本9.0級地震都觸發了災難性的大海嘯。

但令科學家們不解的是，從有地震記錄的100多年以來，馬里亞納海溝還沒有發生超過8級的大地震。9級地震強度是8級地震的30多倍，那為何同在西太平洋，北邊的日本海溝會產生9級地震，而南邊的馬里亞納海溝卻沒有？是因為100多年的記錄太短嗎？還是因為其他特殊的地質原因使得馬溝不會發生大地震？

這次科考的重頭戲便是地震實驗。

海底地震實驗怎麼做？

放地震儀，每80秒打一次人工「空氣炮」

地震實驗的重頭戲怎麼演？這裡最重要的「道具」便是海底地震儀。深入海底幾千到一萬多米，對任何一種儀器來說，最緊要是抗壓。「如果抗壓強度不夠，儀器就會失靈，甚至爆炸。」

在南海海洋所的實驗室內，放置著幾十個能抗高壓的海底地震儀，橘紅色塑料球體內包裹密封的抗壓玻璃球，內置有電池、聲學通訊器、感測器等。「每個球價格約20萬元，相當於一台帕薩特車的價格。」孫金龍博士笑著說。

從船上將地震儀「大球」投放到海溝深處，儀器便在海底開始記錄地球震動。回收時，「大球」接收到船上發射的聲學信號，便會自動脫離海底，「乖乖」返回水面。

在「挑戰者深淵」區域，科考隊布放了由30多台地震儀組成的「透視地球」陣列，最深放到8137米處，為目前的國際紀錄。

為給地球做「CT掃描」，科學家們每隔80秒往海里放一次「空氣炮」。林間解釋，海底地震儀記錄到人工產生的地震波，就能給地球最外層的20多公里做「CT掃描」，勾畫出海底下地球淺層的斷裂、火山等的細微結構。

「『挑戰者深淵』附近的地震記錄非常漂亮，數據海量，科學家們正在抓緊時間分析處理。」林間說。

科學家們將一部分地震儀留在海底，等待下個航次回收。這些長期「駐紮」在大洋深處的地震儀，每時每刻記錄著全世界各地的地震，其長期積累的資料，可以用來給地球更深處做「CT掃描」。

如何在海底「另類」取樣？

首次開展自主研發的深海無纜取樣實驗

腦洞大開一下，如何在1萬米深海取回樣品？這一次，科考隊首次開展了自主研發的深海無纜取樣實驗，用來採集海底火山岩石、微生物以及沉積物等珍貴樣品。

傳統的有纜取樣就像「木桶打水」一樣，在一條幾千米長的鋼纜末端裝上海底採樣裝置。但這種傳統方法受到纜繩長度以及複雜海底環境等限制，在深海溝處取樣尤其困難。「現在發展的技術可以不依靠鋼纜了。」

「金蟬脫殼一般」。林間形容，整套裝置包括內、外套管，一起砸到海底取樣，外管留在海底，帶上樣品的內管則通過浮球裝置自動浮到海面。「浮球上有小旗幟，有亮燈，並發出無線電信號，浮上來後我們便能撈到。」

省去長而笨重的鋼纜，這是概念上的創新。據悉，這一無纜取樣系統的第一期目標為水深7000米，而二期取樣水深將達到全海深。取樣系統設計了多級解鎖裝置，保證在複雜惡劣的深海也能取得較高的採樣成功率。

如何在海底深處測地球磁場？

近海底深拖進行地磁測量，以提高精度

科考隊還完成了橫跨「挑戰者深淵」以及馬里亞納海溝上盤裂谷的深拖地磁測量。

「傳統方法是用船拖著儀器在海面上走，這次則將儀器盡量往海底放。越往海底走，地球磁場的信號就越清晰。」林間形容，「跟戴上眼鏡一樣，可以看得更清楚。」

海底有很多含磁性的岩石，會產生磁場。剛發生海底火山岩漿噴發的地方，磁場尤其強烈。這次海底深拖實驗就是高精度地測量地球磁場。

科考隊還對馬溝進行了其他測量，獲得了大量的海洋溫度、鹽度、流速以及湍流微結構等第一手資料。

出品：

南方都市報科學新聞工作室

主持：陳養凱

采寫：

南都記者 賀蓓