高豐度鐵錳結核，古熱液區，冷水珊瑚生態林……不過南海海底的冰山一角罷了

南海是全球最大的邊緣海，也是我國最重要的深海區。2011年，國家自然科學基金委立項啟動「南海深部計劃」，經過來自全國32家單位、700多人次科學家共同努力，取得了一系列新發現。

在南海深部計劃的指導下，我國科學家分別運用載人或遙控深潛器，針對南海深海盆中的部分海山開展了4個科學探測航次，在南海首次發現了較大面積的高豐度鐵錳結核分布區、「南溟」古熱液區和驚人的冷水珊瑚生態林。

這些新發現是什麼樣子的？又意味著怎樣的重大突破？周懷陽教授等人作出了解讀。

儘管過往以來，國內外已有大量針對南海海底的調查研究航次，但是由於受到調查手段解析度的限制，人們對南海海山的實際了解相當粗略。

運用載人或遙控深潛器，針對南海海山等科學目標，我國在南海先後開展了7000 m水深載人深潛器「蛟龍號」首個應用性試驗航次、搭載租借加拿大國家科學深潛中心的無人深潛器「ROPOS」的「嘉庚」號科考船遙控深潛航次與兩個4500 m水深載人深潛器「深海勇士」號科考航次，對部分南海海山開展了局部的精細調查研究。

南海深部計劃4個下潛航次下潛觀察採樣地點

01南海海山上高豐度大面積分布鐵錳結核的發現及意義

鐵錳結核（也稱多金屬結核）是現代海洋沉積的一種特殊產物，以極度富集鐵和錳的氧化物和氫氧化物為特徵。因為其中含有較高含量的具有潛在經濟價值的銅、鎳、鈷和稀土等有用金屬元素，加上其巨大的資源量，被人們當作陸地同類金屬資源枯竭後潛在的替代性資源。

國內外以往針對南海海底的多次調查航次中，有採到過鐵錳結核或結殼，但因數據有限，國內部分專家認為這些樣品與分布在太平洋、印度洋和大西洋等世界大洋的海底鐵錳結核不同，甚至不能被稱為普遍意義上的鐵錳結核。

根據對世界大洋鐵錳結核100多年以來的研究，一般認為，在眾多影響鐵錳結核生長或賦存的因素中，沉積速率較低是鐵錳結核出現最主要的影響因素之一，作為大陸邊緣海的南海，其沉積速率比大洋的要高2~3個數量級，在南海怎麼會出現鐵錳結核？如果有的話，鐵錳結核在海底是怎麼樣分布的？

第一次真切地觀測到南海海底的鐵錳結核是在2013年6月中國自主研發的7000 m載人深潛器「蛟龍」號執行「南海深部計劃」任務科考航次期間。這個航次也是「蛟龍」號工程試驗成功之後的首個應用性試驗航次。

在南海海盆眾多的海山中，蛟龍海山算是一個很小的海山，在「蛟龍」號下潛之前尚是一座無名小海山。該海山僅比周圍4000 m左右水深的海盆海底高500~600 m，由呈東北—西南向排列的一高一低兩個小山頭構成，西南方向上較高山頭的水平直徑也只有約5 km。

「蛟龍」號在蛟龍海山及其周圍一共開展了4次下潛，在蛟龍海山3500 m水深的主峰破火山口峽口和3300 m水深的山頂階地及其附近發現了大量成片分布的鐵錳結核。

圖 | 蛟龍海山上成片密集分布的鐵錳結核

註：左上插圖是ROPOS遙控機器人的機械手操作網兜進行結核採樣的近照，土黃色部分為海洋正常沉積物

這些鐵錳結核大多呈圓形或橢圓形、直徑為6~15 cm不等，賦存於沉積物上面，結核表面可見微薄層或零星沉積物。結核覆蓋率高達30%~50%，完全可與太平洋多金屬結核潛在資源區的結核高豐度值相媲美。

2018年「ROPOS」遙控深潛航次期間，在蛟龍海山上又開展了2次下潛，基本摸清了鐵錳結核在蛟龍海山主峰破火山口峽口和山頂附近的分布邊界，蛟龍海山上鐵錳結核密集分布的範圍大約有50萬m2。

不僅如此，「ROPOS」還訪問了南海海盆中的其他9 座海山，發現在「蛟龍」海山西面的「玳瑁」海山1700m左右水深的山坡附近約1500 m長的範圍內有大片密集分布的鐵錳結核出現。

總的來說，南海海山上的結核均主要為水成成因結核，即圍繞核心十分緩慢地生長形成結核的成礦物質直接來源於上覆海水。

南海結核的含錳礦物組成主要為水羥錳礦，結核內碎屑物質（Al、Si等組分）含量較高。南海結核主要成礦元素（Fe、Mn、Cu、Co、Ni等）含量介於世界上其他大洋和邊緣海的鐵錳結核含量之間。

值得注意的是，南海結核中Th、Pb、Ce等元素含量明顯高於其他海區，稀土元素含量也高於除菲律賓海外的其他海區。

初步研究還表明，南海海山結核的生長速率也基本接近深海大洋海山基巖上的水成型結殼（1.95~4.41 mm/Ma）。

儘管對鐵錳結核的研究已經有100多年的歷史，但有關鐵錳結核的形成機制及其分布等方面的一些根本問題至今仍沒有得到真正解決。

相對東太平洋CC區廣大面積分布的結核或西太平洋海山上的鐵錳結核來說，南海海山結核的存在，除有一定的潛在金屬資源價值和生長環境記錄意義之外，更重要的是，讓人們可以像解剖一隻小小的麻雀一樣，為這些關鍵問題的解決提供一個難得的機會。

同時，本項發現也為中國正在研發中的深海鐵錳結核開採設備提供了離中國本土最近、水深較淺的絕佳海試地點。

02南海龍西海山「南溟」古熱液區的發現及初步研究

以熱液沉澱物（煙囪、丘體等）和熱液羽流等為標誌的現代海底熱液活動的發現和研究是20世紀下半葉海底科學最重要的研究進展之一。海底熱液活動的研究對地球內外能量和物質循環、生命起源和深部生物圈、金屬資源勘探等方面都有十分重要的意義。

儘管南海海底已經不存在現代意義上的火山活動，但因為南海深海盆海底及海山基本上都是由深部巖漿噴發冷凝形成的火山巖構成，在南海海底及海山上應該曾經發生過大量由深部巖漿或其他熱源驅動形成的熱液活動，而且，這些熱液活動也應該是南海海底形成過程的重要組成部分之一。

在2018年南海「ROPOS」遙控深潛航次中，在南海古擴張中心附近的龍西海山的頂部（水深2900~3000 m左右）發現了「南溟」古熱液區。

圖 | 南海龍西海山「南溟」熱液區位置、熱液沉澱物丘形態、採樣及樣品照片

（a）龍西海山山頂（水深3019 m）的「南溟」熱液區（長度>700 m）中的熱液丘（黑點），白線為ROV航跡（; b) 龍西海山及其「南溟」熱液區（紅 星）在南海的位置；（c）一個熱液丘的形態（白黃色為已經採過樣部分）；（d）熱液樣品照片；（e）ROV機械手在一個熱液丘上採樣；（f）ROV機械手採短柱狀熱液沉澱物樣品

在觀察到的長約700 m的範圍內密集出現了至少16個形態多樣的熱液沉澱物丘體。這些丘體都高出海底火山巖基巖或者基巖上薄層沉積物一定的高度，大多數丘體呈圓丘狀或不規則圓丘狀，最大的熱液沉澱物丘體高約1 m、水平直徑有幾十釐米至一米多，少數丘體呈破碎的長條形，像風化倒坍的煙囪。

採集到的熱液丘樣品都呈現出低溫（<120℃）熱液沉積的特徵，主要為Fe-Si氧化物和氫氧化物組合的無定形礦物或礦物集合體。

圖 | 「南溟」熱液區低溫熱液沉澱物的SEM及EDS分析結果

一般認為，這些Fe-Si組合構成的絲縷狀結構形態與不同習性的熱液鐵氧化物菌的代謝活動有關。此外，局部樣品還含有較多的10Å 錳酸鹽礦物（鋇鎂錳礦）和以 Fe-Si 為主要成分呈小薄片狀的熱液成因綠脫石。通過U-Th（3個樣品）和14C（4個樣品）兩種方法，獲得「南溟」熱液沉澱物的年齡大致為 5200-14300a。

「南溟」熱液丘上很薄的水成型鐵錳結殼蓋層以及局部熱液沉澱物中非常高的磷含量似乎也支持這個測年結果，即「南溟」熱液區的熱液活動較為年輕、熱液活動歷時也較長。

在南海針對洋殼的大洋鑽探已經證實，約16 Ma之前，南海巖漿活動形成的洋殼已停止擴張，在「南溟」熱液區這麼年輕的熱液活動同位素年齡、這麼大範圍分布的熱液沉澱物丘，不僅說明在古擴張中心的龍西海山的形成年齡可能比較年輕，而且意味著，此處有比較長時間的巖漿活動、或者海底深部的異常熱供應維持了相當長的時間。

在龍西海山的發現，可能只是南海熱液活動的冰山一角。

不僅在龍西海山上，可能還有因為本次航次時間限制或者已被沉積物掩埋原因，我們沒能觀測到的其它更多熱液丘、熱液煙囪甚至高溫的熱液硫化物的存在，而且，在南海的其他海山上，也應該能夠發現更多不同特徵和活動時間的熱液活動產物。

對南海熱液活動的持續調查與研究，將為全面認識南海海盆的形成歷史和物質循環機制、認識邊緣海深部生物圈和地幔性質等揭開新的華章。

03南海冷水珊瑚林生態系統的發現

冷水珊瑚不僅是一個重要的深海生態系統，還是中-深層海水環境變遷良好的記錄載體。

2018年，利用「ROPOS」遙控深潛器和「深海勇士」號載人深潛器，首次在南海發現成規模生長的冷水珊瑚生態系。

圖 | 「ROPOS」遙控潛器和「深海勇士」號載人潛器拍攝的南海冷水珊瑚種屬

2019年，「深海勇士」號載人深潛器航次又在西沙海域的冷水珊瑚林開展了系統的研究。

南海冷水珊瑚主要發育在800~1800 m上下的中深水區，在3000~3700 m水深的海山上也有發現。

觀測發現，南海珊瑚林生長密度較高，100 m2面積內發現的珊瑚有20~140株，部分站位甚至可以達到180株。南海的冷水珊瑚以軟珊瑚目中的竹節柳珊瑚、醜柳珊瑚和花柳珊瑚為主，也包括部分石珊瑚目品種。珊瑚林為遊泳和爬行的海洋動物包括章魚、海星等提供了棲居地。

南海冷水珊瑚生態系統的研究將為人們深入認識海洋生物泵和深海碳循環及其歷史演化開闢一個嶄新的領域。

受航次時間和深潛器行進速度的限制，在深潛器已到過的大多數海山上，實際觀測和採樣的路線一般只有不到10 km的一條。在完全黑暗的深海中，海水對可見光的吸收十分強烈，現有深潛器上的燈光僅能看清深潛器前方和左右一二十米遠的物體。

也就是說，科學家至今的發現僅僅揭開了南海神秘面紗的一隅，還有許多的海山和地方等待著人類目光的觸及。運用深潛器等新技術對南海海底的新發現再次證謬了「對南海海底的了解已差不多」的論調。

本文作者：周懷陽，朱啟寬，季福武，楊群慧

作者簡介：周懷陽，同濟大學海洋與地球科學學院，教授，研究方向為海洋地質地球化學。

論文全文發表於《科技導報》第18期

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