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2019-09-05 06:56方銀霞
科學(xué)24小時(shí) 2019年6期
方銀霞
地球是個(gè)藍(lán)色的水球，海洋占地表面積的70%以上。由于巨厚的海水對(duì)光線的吸收作用，探索深海的難度非常大，其中約95%的深海大洋從未被人類所涉足，充滿了未知與神秘。因此，我們對(duì)深海的了解遠(yuǎn)不及宇宙深空。
近半個(gè)世紀(jì)以來，探究深海的活動(dòng)推動(dòng)了整個(gè)地球科學(xué)的發(fā)展，并加速了多學(xué)科交叉研究。深海海底生物資源豐富，但其生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，需要人類社會(huì)予以特別的重視與保護(hù)。深海所擁有的巨量水體和熱容量，使其在地球氣候系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。同時(shí)，深海蘊(yùn)藏的海底礦產(chǎn)資源和生物基因資源，是人類未來的資源寶庫。因此，深海大洋是人類亟待填補(bǔ)的認(rèn)知空白，也是國家資源和安全保障之所系。
深海大洋是人類探索海洋的科學(xué)前沿
深海海底是地球系統(tǒng)中海洋巖石圈、水圈、生物圈相互作用最為活躍的區(qū)域，也是物質(zhì)循環(huán)、能量傳輸?shù)闹匾獔?chǎng)所。近半個(gè)世紀(jì)以來，地球科學(xué)和海洋科學(xué)的兩次重大突破主要發(fā)生在海底，分別是20世紀(jì)60年代末驗(yàn)證了板塊構(gòu)造理論和20世紀(jì)70年代確立了地球軌道驅(qū)動(dòng)冰期旋回的米蘭科維奇理論。這兩次重大突破把地質(zhì)學(xué)從陸地?cái)U(kuò)展到全球，讓地球系統(tǒng)科學(xué)進(jìn)入了新階段。
20世紀(jì)70年代末，海底熱液系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家不僅找到了正在形成中的多金屬“活”礦床，而且找到了地球深部與表層相互聯(lián)系的渠道。通過深海探測(cè)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)熱液系統(tǒng)不但支持著依靠硫細(xì)菌化合作用能量、與光合作用無關(guān)的“黑暗食物鏈”，而且通過海水在熱液中的循環(huán)將上地幔的元素輸向大洋，在地質(zhì)時(shí)間尺度上改變著地球的表面系統(tǒng)。
近年來，在數(shù)千米深海底下數(shù)百米深處的地層中，廣泛發(fā)現(xiàn)由古菌與細(xì)菌組成的“深部生物圈”。這些依靠新陳代謝多樣性分類的原核生物，從地層深處的成巖過程到高溫的火山玄武巖中都能發(fā)現(xiàn)。它們的發(fā)現(xiàn)不僅極大地?cái)U(kuò)展了地球上生物圈的范圍，而且使地質(zhì)界重新評(píng)價(jià)原來算作“無機(jī)”化學(xué)作用的地質(zhì)過程，使得地球科學(xué)與生命科學(xué)在微生物和生物地球化學(xué)的層面上，形成了新的交叉點(diǎn)。
當(dāng)前受到世界關(guān)注的“全球變化”研究，都只是根據(jù)地球表層系統(tǒng)中的部分過程、在較短的時(shí)間尺度內(nèi)所作的推論。而深海探索的新發(fā)現(xiàn)卻表明了全球變化中“碳循環(huán)”的關(guān)鍵過程，無論是水層中溶解的有機(jī)碳，還是海底以下的“深部生物圈”，都沒有被納入地球“碳循環(huán)”的模型，這是以往研究忽視的重要環(huán)節(jié)。
深海大洋是人類未來的資源寶庫
進(jìn)入21世紀(jì)，人類面臨著人口膨脹、資源短缺和環(huán)境惡化這三大難題。出路在哪里？答案就是海洋。我們要向海洋拓展活動(dòng)空間，向海洋要資源，海洋是人類未來重要的資源寶庫。
首先要談的是海水資源。我們知道海水是咸的，那是因?yàn)楹Ｋ缓芏嗟牡V物質(zhì)。海水的平均鹽度是35‰，里面溶解有80多種元素。在這些元素里，有些含量比較高，比如我們平時(shí)食用的鹽有很大一部分就是從海水里提煉出來的。如果把海水里的礦物質(zhì)全部提煉出來的話，光食鹽就可以達(dá)到3770億噸，鎂也有1800多億噸。除了海水資源，海洋里還有魚、蝦、貝殼、珊瑚等海洋生物資源。據(jù)科學(xué)家調(diào)查統(tǒng)計(jì)，海洋植物和動(dòng)物大概有20萬種以上。其中，海洋動(dòng)物占絕大多數(shù)，大概有18萬種。大海每年為人類提供了大概有6億噸的海產(chǎn)品，其中蛋白質(zhì)占總量的22%。
其次，不得不提的就是深海生物基因資源。說到海洋生物，就不能不說一下“陽光生物圈”與“黑暗生物圈”。大家知道，萬物生長要靠太陽，陽光是基礎(chǔ)能量，植物通過光合作用吸收二氧化碳，把它轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳、葡萄糖和淀粉，植食性動(dòng)物又以植物為食，然后就形成了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。但大家很少了解的是，除了“陽光生物圈”，還有一個(gè)于20世紀(jì)70年代首次發(fā)現(xiàn)的“黑暗生物圈”。在這個(gè)獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境中，微生物非常豐富卻可以不依賴陽光。這些生物能夠在惡劣的條件下生長，它本身肯定具有一些非常獨(dú)特的基因，而這些基因就是科學(xué)家研究的對(duì)象，也必定值得人類開發(fā)利用。
最后，海洋里還蘊(yùn)藏著許多的礦產(chǎn)資源。在1000米水深范圍以內(nèi)且靠近陸地的區(qū)域，就能夠找到天然氣水合物資源，俗稱“可燃冰”?！翱扇急庇靡桓鸩窬湍鼙稽c(diǎn)燃，有望成為未來重要的后續(xù)能源。
在深海盆地4000～5000米深的地方能發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核，它富含鐵、汞、銅、鎳等金屬元素，估計(jì)總儲(chǔ)量有1.5～3萬億噸，比陸地上現(xiàn)已探明的那些金屬資源儲(chǔ)量要高得多。此外，在大洋海山上分布著大片的富鈷結(jié)殼，大洋中脊生產(chǎn)著多金屬熱液硫化物，這些深海礦產(chǎn)資源蘊(yùn)藏量巨大。
深海資源，早期僅有發(fā)達(dá)國家和部分海洋大國關(guān)注，近年來發(fā)展中國家也加入了深海礦產(chǎn)資源勘查和圈礦的行列。深海資源的探礦海域日益擴(kuò)大，新資源的發(fā)現(xiàn)也倍受世人關(guān)注，人們?cè)缙诙嚓P(guān)注多金屬結(jié)核資源，現(xiàn)已轉(zhuǎn)向多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼和深海稀土等多種資源。
深海大洋是各國參與全球海洋治理的重要領(lǐng)域
隨著人類對(duì)資源需求的不斷增加，陸地上的資源供給越來越乏力，一些國家和國際礦業(yè)公司正以極大的熱情瞄準(zhǔn)深海礦產(chǎn)資源的探測(cè)與開采。讀者可能會(huì)想，現(xiàn)在深海探測(cè)程度還這么低，投巨資到那么深的海底去采礦合算嗎？其實(shí)，我們所關(guān)心的不僅僅是采礦這么一個(gè)簡(jiǎn)單的問題，深海采礦已經(jīng)成為宣誓國家存在、維護(hù)國家海洋權(quán)益的一個(gè)重要方式。1982年通過的《聯(lián)合國海洋法公約》中規(guī)定：國際海底區(qū)域（國家管轄范圍以外的大洋底部）及其資源是人類共同繼承的財(cái)產(chǎn)，全世界人人都有份。本著“誰有能力誰先開采”的原則，世界各國開始了對(duì)海底采礦權(quán)的爭(zhēng)奪。目前，國際海底區(qū)域的海底資源采礦權(quán)歸國際海底管理局管理，各締約國依據(jù)相應(yīng)的探礦規(guī)章制度，可以自由去做科學(xué)調(diào)查與研究，并向國際海底管理局提出礦區(qū)申請(qǐng)。截至目前，我國已經(jīng)在國際海底區(qū)域申請(qǐng)了4個(gè)礦區(qū)，包括東太平洋2個(gè)多金屬結(jié)核礦區(qū)、西太平洋1個(gè)富鈷結(jié)殼礦區(qū)和西南印度洋1個(gè)多金屬硫化物礦區(qū)。
此外，環(huán)境保護(hù)正成為深?；顒?dòng)的新領(lǐng)域和海洋強(qiáng)國競(jìng)爭(zhēng)的新舞臺(tái)。2012年，聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展大會(huì)敦促國際社會(huì)建立《聯(lián)合國海洋法公約》框架下的海洋生物多樣性保護(hù)協(xié)議。深海保護(hù)區(qū)建設(shè)也成為深?；顒?dòng)的新領(lǐng)域。2011年，環(huán)北大西洋15個(gè)國家倡議設(shè)立的大西洋公海保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)宣布生效。2016年，由新西蘭-美國聯(lián)合提議的羅斯海公海保護(hù)區(qū)宣告設(shè)立。發(fā)達(dá)國家和國際組織從各自利益出發(fā)，相繼提出了一系列有關(guān)公海保護(hù)區(qū)建設(shè)模式、選區(qū)準(zhǔn)則及管理制度的提案。海洋生態(tài)保護(hù)與深海資源勘查一樣，正成為世界各國進(jìn)入深海和參與全球海洋治理體系建設(shè)的又一重要領(lǐng)域和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
總之，深海探測(cè)是我們?nèi)祟愑篮愕氖姑?，開發(fā)和利用深海空間是人類謀求未來生存與發(fā)展最現(xiàn)實(shí)的選擇，是21世紀(jì)國際政治經(jīng)濟(jì)秩序變革的焦點(diǎn)之一，也是我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的必然選擇。我們絕不能放棄這么一大片的深海大洋。
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深海大洋是人類探索海洋的科學(xué)前沿
深海海底是地球系統(tǒng)中海洋巖石圈、水圈、生物圈相互作用最為活躍的區(qū)域，也是物質(zhì)循環(huán)、能量傳輸?shù)闹匾獔?chǎng)所。近半個(gè)世紀(jì)以來，地球科學(xué)和海洋科學(xué)的兩次重大突破主要發(fā)生在海底，分別是20世紀(jì)60年代末驗(yàn)證了板塊構(gòu)造理論和20世紀(jì)70年代確立了地球軌道驅(qū)動(dòng)冰期旋回的米蘭科維奇理論。這兩次重大突破把地質(zhì)學(xué)從陸地?cái)U(kuò)展到全球，讓地球系統(tǒng)科學(xué)進(jìn)入了新階段。
20世紀(jì)70年代末，海底熱液系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家不僅找到了正在形成中的多金屬“活”礦床，而且找到了地球深部與表層相互聯(lián)系的渠道。通過深海探測(cè)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)熱液系統(tǒng)不但支持著依靠硫細(xì)菌化合作用能量、與光合作用無關(guān)的“黑暗食物鏈”，而且通過海水在熱液中的循環(huán)將上地幔的元素輸向大洋，在地質(zhì)時(shí)間尺度上改變著地球的表面系統(tǒng)。
近年來，在數(shù)千米深海底下數(shù)百米深處的地層中，廣泛發(fā)現(xiàn)由古菌與細(xì)菌組成的“深部生物圈”。這些依靠新陳代謝多樣性分類的原核生物，從地層深處的成巖過程到高溫的火山玄武巖中都能發(fā)現(xiàn)。它們的發(fā)現(xiàn)不僅極大地?cái)U(kuò)展了地球上生物圈的范圍，而且使地質(zhì)界重新評(píng)價(jià)原來算作“無機(jī)”化學(xué)作用的地質(zhì)過程，使得地球科學(xué)與生命科學(xué)在微生物和生物地球化學(xué)的層面上，形成了新的交叉點(diǎn)。
當(dāng)前受到世界關(guān)注的“全球變化”研究，都只是根據(jù)地球表層系統(tǒng)中的部分過程、在較短的時(shí)間尺度內(nèi)所作的推論。而深海探索的新發(fā)現(xiàn)卻表明了全球變化中“碳循環(huán)”的關(guān)鍵過程，無論是水層中溶解的有機(jī)碳，還是海底以下的“深部生物圈”，都沒有被納入地球“碳循環(huán)”的模型，這是以往研究忽視的重要環(huán)節(jié)。
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首先要談的是海水資源。我們知道海水是咸的，那是因?yàn)楹Ｋ缓芏嗟牡V物質(zhì)。海水的平均鹽度是35‰，里面溶解有80多種元素。在這些元素里，有些含量比較高，比如我們平時(shí)食用的鹽有很大一部分就是從海水里提煉出來的。如果把海水里的礦物質(zhì)全部提煉出來的話，光食鹽就可以達(dá)到3770億噸，鎂也有1800多億噸。除了海水資源，海洋里還有魚、蝦、貝殼、珊瑚等海洋生物資源。據(jù)科學(xué)家調(diào)查統(tǒng)計(jì)，海洋植物和動(dòng)物大概有20萬種以上。其中，海洋動(dòng)物占絕大多數(shù)，大概有18萬種。大海每年為人類提供了大概有6億噸的海產(chǎn)品，其中蛋白質(zhì)占總量的22%。
其次，不得不提的就是深海生物基因資源。說到海洋生物，就不能不說一下“陽光生物圈”與“黑暗生物圈”。大家知道，萬物生長要靠太陽，陽光是基礎(chǔ)能量，植物通過光合作用吸收二氧化碳，把它轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳、葡萄糖和淀粉，植食性動(dòng)物又以植物為食，然后就形成了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。但大家很少了解的是，除了“陽光生物圈”，還有一個(gè)于20世紀(jì)70年代首次發(fā)現(xiàn)的“黑暗生物圈”。在這個(gè)獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境中，微生物非常豐富卻可以不依賴陽光。這些生物能夠在惡劣的條件下生長，它本身肯定具有一些非常獨(dú)特的基因，而這些基因就是科學(xué)家研究的對(duì)象，也必定值得人類開發(fā)利用。
最后，海洋里還蘊(yùn)藏著許多的礦產(chǎn)資源。在1000米水深范圍以內(nèi)且靠近陸地的區(qū)域，就能夠找到天然氣水合物資源，俗稱“可燃冰”?！翱扇急庇靡桓鸩窬湍鼙稽c(diǎn)燃，有望成為未來重要的后續(xù)能源。
在深海盆地4000～5000米深的地方能發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核，它富含鐵、汞、銅、鎳等金屬元素，估計(jì)總儲(chǔ)量有1.5～3萬億噸，比陸地上現(xiàn)已探明的那些金屬資源儲(chǔ)量要高得多。此外，在大洋海山上分布著大片的富鈷結(jié)殼，大洋中脊生產(chǎn)著多金屬熱液硫化物，這些深海礦產(chǎn)資源蘊(yùn)藏量巨大。
深海資源，早期僅有發(fā)達(dá)國家和部分海洋大國關(guān)注，近年來發(fā)展中國家也加入了深海礦產(chǎn)資源勘查和圈礦的行列。深海資源的探礦海域日益擴(kuò)大，新資源的發(fā)現(xiàn)也倍受世人關(guān)注，人們?cè)缙诙嚓P(guān)注多金屬結(jié)核資源，現(xiàn)已轉(zhuǎn)向多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼和深海稀土等多種資源。
深海大洋是各國參與全球海洋治理的重要領(lǐng)域
隨著人類對(duì)資源需求的不斷增加，陸地上的資源供給越來越乏力，一些國家和國際礦業(yè)公司正以極大的熱情瞄準(zhǔn)深海礦產(chǎn)資源的探測(cè)與開采。讀者可能會(huì)想，現(xiàn)在深海探測(cè)程度還這么低，投巨資到那么深的海底去采礦合算嗎？其實(shí)，我們所關(guān)心的不僅僅是采礦這么一個(gè)簡(jiǎn)單的問題，深海采礦已經(jīng)成為宣誓國家存在、維護(hù)國家海洋權(quán)益的一個(gè)重要方式。1982年通過的《聯(lián)合國海洋法公約》中規(guī)定：國際海底區(qū)域（國家管轄范圍以外的大洋底部）及其資源是人類共同繼承的財(cái)產(chǎn)，全世界人人都有份。本著“誰有能力誰先開采”的原則，世界各國開始了對(duì)海底采礦權(quán)的爭(zhēng)奪。目前，國際海底區(qū)域的海底資源采礦權(quán)歸國際海底管理局管理，各締約國依據(jù)相應(yīng)的探礦規(guī)章制度，可以自由去做科學(xué)調(diào)查與研究，并向國際海底管理局提出礦區(qū)申請(qǐng)。截至目前，我國已經(jīng)在國際海底區(qū)域申請(qǐng)了4個(gè)礦區(qū)，包括東太平洋2個(gè)多金屬結(jié)核礦區(qū)、西太平洋1個(gè)富鈷結(jié)殼礦區(qū)和西南印度洋1個(gè)多金屬硫化物礦區(qū)。
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總之，深海探測(cè)是我們?nèi)祟愑篮愕氖姑?，開發(fā)和利用深海空間是人類謀求未來生存與發(fā)展最現(xiàn)實(shí)的選擇，是21世紀(jì)國際政治經(jīng)濟(jì)秩序變革的焦點(diǎn)之一，也是我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的必然選擇。我們絕不能放棄這么一大片的深海大洋。
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