揭开海底冷泉的神秘面纱

近几十年来，随着各种深海探测工具的不断问世，人类对海洋的认识也迅速从二维发展到三维、四维，海洋的神秘面纱被逐渐揭开。如今，海底深处的特殊环境——海底冷泉成了海洋科学领域的研究热点。

1983年，美国科学家在墨西哥湾的佛罗里达陡崖3200多米深的海底确定了第一个冷泉。1984年，美国科学家在俄勒冈州岸边俯冲区又发现了甲烷渗透流，之后在太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋活动和被动大陆边缘1400米~3500米深处发现了数十个海底冷泉。2002年，广州地球化学研究所研究员陈多福首次将冷泉这一概念引进中国，并将“Cold Seep”翻译成“冷泉”。

在自然演化过程中，海底沉积物随着时间的推移，不断变厚，下层沉积物承受的重力负荷越来越大，松软的沉积物仿佛被压路机碾压过，变得越来越夯实。海底的岩层或沉积物不是严丝合缝的，就如同海绵一样，在重力负荷的挤压下，海绵中的缝隙也在不断变小，这时海绵中的水被挤了出来，这就是沉积物空隙缩小产生的以低密度流体和甲烷为代表的烃类气体。低密度的流体产生的向上的浮力为气体的运移开辟了通道。另一方面，地层中气体的聚集有利于地层的“保暖”，使地层温度升高，高温有利于有机物质的分解，从而进一步产生烃类气体。在这种情况下，来自地层中的不同成分、不同温度的流体和气体沿着缝隙从海底向海水中喷溢，地层中喷溢出的气体以甲烷或其他高分子量的烃类气体为主，这样就形成了海底冷泉。其实，海底冷泉的温度与周围海水温度相近，约2℃～4℃。海底冷泉常呈线性产出，主要集中在海底断层和裂隙较发育地区。

我们为什么要研究和寻找海底冷泉？说到这一问题，我们不得不提到学名为天然气水合物的“可燃冰”。可燃冰是在海底低温高压情况下，把天然气包裹在神奇的冰状晶格下的一种固体结晶物质。可燃冰最早发现于1778年，但可燃冰存在的最初证据是1967年勘查钻孔中提取的饱和天然气水合物的岩芯。在标准大气压下，1立方米的可燃冰可产生160立方米的甲烷气和0.8立方米的水。海底冷泉蕴藏的天然气水合物在动态平衡中会不断分解并释放出甲烷气体，这些气体通过断层、裂隙等运移通道进入海水中后，会以气泡的形式向上运移，从而形成气泡羽流。在冷泉喷口处用高清摄像机观测，冷泉喷口处因为气泡羽流的存在，海水如同煮沸的热水一般在“咕噜咕噜”冒泡。海底冷泉形成的气泡羽流同海底天然气水合物的分布密切相关，在气泡羽流区下部往往可以发现富含天然气水合物的海底沉积层。因此科研人员研究和调查海底冷泉成因机制、分布特点等，对于海洋天然气水合物的地质调查以及其他相关资源的地质调查有很大帮助。

在茫茫大海上，我们不可能通过水下摄像机观测海底冷泉的气泡羽流。出于声学探测的物理尺度和经济性，目前国内外科研人员都普遍采用声学探测成像的方法进行海底冷泉地质调查。2017年11月7日，中国地质调查局青岛海洋地质研究所“海底冷泉拖曳式快速成像设备研制及应用”项目海上调查团队结束了长达2个多月的海底冷泉探测成像实验和渤、黄海海底冷泉外业调查工作。调查团队采集了大量的海底声学探测图像，并在渤海水域发现了海底冷泉喷口。

海底冷泉拖曳式快速成像系统是由青岛海洋地质研究所栾锡武研究员的海底冷泉课题团队以及哈尔滨工程大学和国家海洋技术中心共同研发的，在拖曳条件下能够实现海底冷泉的快速成像，可以通过声学图像辨识海底冷泉的位置、冷泉气泡群的宽度、高度与形态。该系统经过探测方法理论研究、仿真验证、设备研制以及海上试验后，在黄、渤海开展了试验性应用调查，并在渤海海域成功探测到“羽状流”气幕，进一步证实了研制设备探测结果的准确度及声学综合探测技术在冷泉探测方面的可靠性。

海底冷泉是一个广泛分布的自然现象，在北海、波罗的海、黑海、北大西洋、墨西哥湾、日本海、南海海槽、印度洋和西南太平洋已发现了900多个冷泉活动区。我国已经初步确认的近海冷泉区主要有7个，东海仅发现冲绳海槽1个冷泉区；南海海域分布6个，包括台西南海域、东沙群岛西南海域、东沙群岛东北海域、神狐海域、南沙海槽和西沙海槽海区。

值得一提的是，海底冷泉滋养了特殊的深海生态系统。在冷泉区，生物不依赖光合作用，而是靠甲烷、硫化氢等还原性化学物质自养，它们是一套独特的生命体系，因此冷泉生物系统是指示海底冷泉非常直接的标志。人类习惯了大海海底沙漠般的存在，而冷泉生物的发现却让科学家们眼前一亮，它很可能蕴藏着一座宝贵的生物基因库，也因此被誉为海底“沙漠中的绿洲”。

总之，海底冷泉的研究与海域油气、水合物勘探、全球气候变化和极端条件下的生物群落等密切相关，借助于海底冷泉的专用“CT”，我们可以更好地认识海洋，探寻海底宝藏。□

（作者单位：自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所）