南海是全球最大的边缘海，也是我国最重要的深海区。2011年，国家自然科学基金委立项启动“南海深部计划”，经过来自全国32家单位、700多人次科学家共同努力，取得了一系列新发现。
在南海深部计划的指导下，我国科学家分别运用载人或遥控深潜器，针对南海深海盆中的部分海山开展了4个科学探测航次，在南海首次发现了较大面积的高丰度铁锰结核分布区、“南溟”古热液区和惊人的冷水珊瑚生态林。
这些新发现是什么样子的？又意味着怎样的重大突破？周怀阳教授等人作出了解读。
尽管过往以来，国内外已有大量针对南海海底的调查研究航次，但是由于受到调查手段分辨率的限制，人们对南海海山的实际了解相当粗略。
运用载人或遥控深潜器，针对南海海山等科学目标，我国在南海先后开展了7000 m水深载人深潜器“蛟龙号”首个应用性试验航次、搭载租借加拿大国家科学深潜中心的无人深潜器“ROPOS”的“嘉庚”号科考船遥控深潜航次与两个4500 m水深载人深潜器“深海勇士”号科考航次，对部分南海海山开展了局部的精细调查研究。
南海深部计划4个下潜航次下潜观察采样地点
01南海海山上高丰度大面积分布铁锰结核的发现及意义
铁锰结核（也称多金属结核）是现代海洋沉积的一种特殊产物，以极度富集铁和锰的氧化物和氢氧化物为特征。因为其中含有较高含量的具有潜在经济价值的铜、镍、钴和稀土等有用金属元素，加上其巨大的资源量，被人们当作陆地同类金属资源枯竭后潜在的替代性资源。
国内外以往针对南海海底的多次调查航次中，有采到过铁锰结核或结壳，但因数据有限，国内部分专家认为这些样品与分布在太平洋、印度洋和大西洋等世界大洋的海底铁锰结核不同，甚至不能被称为普遍意义上的铁锰结核。
根据对世界大洋铁锰结核100多年以来的研究，一般认为，在众多影响铁锰结核生长或赋存的因素中，沉积速率较低是铁锰结核出现最主要的影响因素之一，作为大陆边缘海的南海，其沉积速率比大洋的要高2~3个数量级，在南海怎么会出现铁锰结核？如果有的话，铁锰结核在海底是怎么样分布的？
第一次真切地观测到南海海底的铁锰结核是在2013年6月中国自主研发的7000 m载人深潜器“蛟龙”号执行“南海深部计划”任务科考航次期间。这个航次也是“蛟龙”号工程试验成功之后的首个应用性试验航次。
在南海海盆众多的海山中，蛟龙海山算是一个很小的海山，在“蛟龙”号下潜之前尚是一座无名小海山。该海山仅比周围4000 m左右水深的海盆海底高500~600 m，由呈东北—西南向排列的一高一低两个小山头构成，西南方向上较高山头的水平直径也只有约5 km。
“蛟龙”号在蛟龙海山及其周围一共开展了4次下潜，在蛟龙海山3500 m水深的主峰破火山口峡口和3300 m水深的山顶阶地及其附近发现了大量成片分布的铁锰结核。
图 | 蛟龙海山上成片密集分布的铁锰结核
注：左上插图是ROPOS遥控机器人的机械手操作网兜进行结核采样的近照，土黄色部分为海洋正常沉积物
这些铁锰结核大多呈圆形或椭圆形、直径为6~15 cm不等，赋存于沉积物上面，结核表面可见微薄层或零星沉积物。结核覆盖率高达30%~50%，完全可与太平洋多金属结核潜在资源区的结核高丰度值相媲美。
2018年“ROPOS”遥控深潜航次期间，在蛟龙海山上又开展了2次下潜，基本摸清了铁锰结核在蛟龙海山主峰破火山口峡口和山顶附近的分布边界，蛟龙海山上铁锰结核密集分布的范围大约有50万m2。
不仅如此，“ROPOS”还访问了南海海盆中的其他9 座海山，发现在“蛟龙”海山西面的“玳瑁”海山1700m左右水深的山坡附近约1500 m长的范围内有大片密集分布的铁锰结核出现。
总的来说，南海海山上的结核均主要为水成成因结核，即围绕核心十分缓慢地生长形成结核的成矿物质直接来源于上覆海水。
南海结核的含锰矿物组成主要为水羟锰矿，结核内碎屑物质（Al、Si等组分）含量较高。南海结核主要成矿元素（Fe、Mn、Cu、Co、Ni等）含量介于世界上其他大洋和边缘海的铁锰结核含量之间。
值得注意的是，南海结核中Th、Pb、Ce等元素含量明显高于其他海区，稀土元素含量也高于除菲律宾海外的其他海区。
初步研究还表明，南海海山结核的生长速率也基本接近深海大洋海山基岩上的水成型结壳（1.95~4.41 mm/Ma）。
尽管对铁锰结核的研究已经有100多年的历史，但有关铁锰结核的形成机制及其分布等方面的一些根本问题至今仍没有得到真正解决。
相对东太平洋CC区广大面积分布的结核或西太平洋海山上的铁锰结核来说，南海海山结核的存在，除有一定的潜在金属资源价值和生长环境记录意义之外，更重要的是，让人们可以像解剖一只小小的麻雀一样，为这些关键问题的解决提供一个难得的机会。
同时，本项发现也为中国正在研发中的深海铁锰结核开采设备提供了离中国本土最近、水深较浅的绝佳海试地点。
02南海龙西海山“南溟”古热液区的发现及初步研究
以热液沉淀物（烟囱、丘体等）和热液羽流等为标志的现代海底热液活动的发现和研究是20世纪下半叶海底科学最重要的研究进展之一。海底热液活动的研究对地球内外能量和物质循环、生命起源和深部生物圈、金属资源勘探等方面都有十分重要的意义。
尽管南海海底已经不存在现代意义上的火山活动，但因为南海深海盆海底及海山基本上都是由深部岩浆喷发冷凝形成的火山岩构成，在南海海底及海山上应该曾经发生过大量由深部岩浆或其他热源驱动形成的热液活动，而且，这些热液活动也应该是南海海底形成过程的重要组成部分之一。
在2018年南海“ROPOS”遥控深潜航次中，在南海古扩张中心附近的龙西海山的顶部（水深2900~3000 m左右）发现了“南溟”古热液区。
图 | 南海龙西海山“南溟”热液区位置、热液沉淀物丘形态、采样及样品照片
（a）龙西海山山顶（水深3019 m）的“南溟”热液区（长度>700 m）中的热液丘（黑点），白线为ROV航迹（; b) 龙西海山及其“南溟”热液区（红 星）在南海的位置；（c）一个热液丘的形态（白黄色为已经采过样部分）；（d）热液样品照片；（e）ROV机械手在一个热液丘上采样；（f）ROV机械手采短柱状热液沉淀物样品
在观察到的长约700 m的范围内密集出现了至少16个形态多样的热液沉淀物丘体。这些丘体都高出海底火山岩基岩或者基岩上薄层沉积物一定的高度，大多数丘体呈圆丘状或不规则圆丘状，最大的热液沉淀物丘体高约1 m、水平直径有几十厘米至一米多，少数丘体呈破碎的长条形，像风化倒坍的烟囱。
采集到的热液丘样品都呈现出低温（<120℃）热液沉积的特征，主要为Fe-Si氧化物和氢氧化物组合的无定形矿物或矿物集合体。
图 | “南溟”热液区低温热液沉淀物的SEM及EDS分析结果
一般认为，这些Fe-Si组合构成的丝缕状结构形态与不同习性的热液铁氧化物菌的代谢活动有关。此外，局部样品还含有较多的10Å 锰酸盐矿物（钡镁锰矿）和以 Fe-Si 为主要成分呈小薄片状的热液成因绿脱石。通过U-Th（3个样品）和14C（4个样品）两种方法，获得“南溟”热液沉淀物的年龄大致为 5200-14300a。
“南溟”热液丘上很薄的水成型铁锰结壳盖层以及局部热液沉淀物中非常高的磷含量似乎也支持这个测年结果，即“南溟”热液区的热液活动较为年轻、热液活动历时也较长。
在南海针对洋壳的大洋钻探已经证实，约16 Ma之前，南海岩浆活动形成的洋壳已停止扩张，在“南溟”热液区这么年轻的热液活动同位素年龄、这么大范围分布的热液沉淀物丘，不仅说明在古扩张中心的龙西海山的形成年龄可能比较年轻，而且意味着，此处有比较长时间的岩浆活动、或者海底深部的异常热供应维持了相当长的时间。
在龙西海山的发现，可能只是南海热液活动的冰山一角。
不仅在龙西海山上，可能还有因为本次航次时间限制或者已被沉积物掩埋原因，我们没能观测到的其它更多热液丘、热液烟囱甚至高温的热液硫化物的存在，而且，在南海的其他海山上，也应该能够发现更多不同特征和活动时间的热液活动产物。
对南海热液活动的持续调查与研究，将为全面认识南海海盆的形成历史和物质循环机制、认识边缘海深部生物圈和地幔性质等揭开新的华章。
03南海冷水珊瑚林生态系统的发现
冷水珊瑚不仅是一个重要的深海生态系统，还是中-深层海水环境变迁良好的记录载体。
2018年，利用“ROPOS”遥控深潜器和“深海勇士”号载人深潜器，首次在南海发现成规模生长的冷水珊瑚生态系。
图 | “ROPOS”遥控潜器和“深海勇士”号载人潜器拍摄的南海冷水珊瑚种属
2019年，“深海勇士”号载人深潜器航次又在西沙海域的冷水珊瑚林开展了系统的研究。
南海冷水珊瑚主要发育在800~1800 m上下的中深水区，在3000~3700 m水深的海山上也有发现。
观测发现，南海珊瑚林生长密度较高，100 m2面积内发现的珊瑚有20~140株，部分站位甚至可以达到180株。南海的冷水珊瑚以软珊瑚目中的竹节柳珊瑚、丑柳珊瑚和花柳珊瑚为主，也包括部分石珊瑚目品种。珊瑚林为游泳和爬行的海洋动物包括章鱼、海星等提供了栖居地。
南海冷水珊瑚生态系统的研究将为人们深入认识海洋生物泵和深海碳循环及其历史演化开辟一个崭新的领域。
受航次时间和深潜器行进速度的限制，在深潜器已到过的大多数海山上，实际观测和采样的路线一般只有不到10 km的一条。在完全黑暗的深海中，海水对可见光的吸收十分强烈，现有深潜器上的灯光仅能看清深潜器前方和左右一二十米远的物体。
也就是说，科学家至今的发现仅仅揭开了南海神秘面纱的一隅，还有许多的海山和地方等待着人类目光的触及。运用深潜器等新技术对南海海底的新发现再次证谬了“对南海海底的了解已差不多”的论调。
本文作者：周怀阳，朱启宽，季福武，杨群慧作者简介：周怀阳，同济大学海洋与地球科学学院，教授，研究方向为海洋地质地球化学。论文全文发表于《科技导报》第18期
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