今日人类探测海啸的能力接近完善

四项重塑海洋科研的核心技术竞速深海探索

深海探索竞速：四项重塑海洋科研的核心技术

深海钻探船、海底传感器、改造复用的海底互联网光缆，正助力科学家勘测地球上最后一片未完整测绘的区域。

马里亚纳海沟周边海底地形计算机模拟图

人类对海底的测绘精细度，远不及火星地表。

海洋深处是科学探索的终极前沿地带之一。人类通过目视勘测探明的海底面积不足0.001%，但海洋学是解析全球气候、海洋生态系统以及地球深部地质活动（包括地震与次生海啸）的关键学科。

如今一批新兴技术应运而生，包括先进深海钻探设备、海底地震传感器，以及将海底通信光缆改造为巨型地震监测网络的技术，有望揭开深海诸多未解之谜。

《自然》杂志梳理了这些工具的工作原理，以及它们能够解答的地球科学核心难题。

 测绘地幔活动

板块构造运动的驱动力是地幔对流——地壳下方以固态岩石为主、体积占地球80%以上的地幔层持续翻滚涌动。但地幔内部完整地质活动机制，至今仍有大量谜团。

科研人员借助海底地震仪（OBS） 测量不同岩石密度对地震波传播的影响，以此绘制地幔对流活动图谱；这类仪器依靠电池供电，可在海底连续工作一年及以上。

伦敦大学学院地震学家安娜·费雷拉表示，海底地震观测证实地幔岩石运动“就像熔岩灯”。她解释道：“好比一口锅里沸腾的糖浆，锅里盛有多种密度各不相同的糖浆。”

温度极高的地幔热柱（局部温度高于周边的固态地幔岩体）会形成大洋火山链，冰岛、夏威夷群岛的火山群均由此诞生。

配图：科研人员将一台海底地震仪从科考船投放至海中

海底地震仪是研究地幔的核心设备，图中设备正被投放入海。

上世纪90年代的开创性研究主要聚焦太平洋海域，如今科学家正将观测范围拓展至全球各大洋。其中名为“上涌流（UPFLOW）”的项目，正在分析费雷拉团队部署在大西洋亚速尔群岛、加那利群岛、马德拉群岛周边的海底地震仪采集的数据。

另一项研究中，这套海底监测设备还在地质灾害应急中发挥了关键作用。2022年3月，亚速尔群岛的圣若热岛频发地震，学界担忧火山即将喷发。费雷拉团队紧急在岛屿周边布设6台海底地震仪，精准测绘火山下方岩浆活动轨迹。

最终火山并未喷发。该研究论文共同作者、伦敦大学学院地震学家斯蒂芬·希克斯介绍：“岩浆一度上升至距离地表仅1公里处，随后活动停滞。”

 向地幔深处钻探

长久以来，科学家渴望探明地球深部构造。一大核心科研难题是：钻穿地壳底部的莫霍洛维奇不连续面（莫霍面），获取人类首份未受污染的地幔原始岩样。

2024年末下水的中国超深水钻探船“梦想号”，承载了学界极高期待，有望首次直接采集地幔样本。“梦想号”最大钻探深度可达海平面以下11000米，钻探能力超越全球所有现役科考船。

荷兰乌得勒支大学古海洋学家彼得·比尔2024年末受邀前往广州参加学术研讨会，登船参观后，对船上完备的实验室与配套设施印象深刻。他评价：“船上配备了海洋科考所需的全部设备，甚至还有更多拓展配置。”

配图：中国超深水钻探船“梦想号”停靠港口航拍图

科研团队计划利用深海钻探船“梦想号”采集地球地幔岩石样本。

 水下水听器预警海啸

海啸可自大洋一端爆发，跨洋抵达对岸后造成毁灭性灾害。英国卡迪夫大学应用数学家乌萨马·卡德里及其团队研发了一套海洋监测技术，可在海啸巨浪登陆前数小时，预判海啸是否会造成破坏、受灾具体区域。

这套技术依托水听器（水下拾音麦克风） 工作：水听器能够捕捉海啸发源地产生的低频声波。卡德里团队搭建数学模型，结合水听器监测数据模拟海啸波浪在全球海域的传播路径。卡德里介绍：“这套软件的核心优势是，可在30秒内完成全球海域的海啸演算。”

关键优势在于：水下声波的传播速度是海啸海浪的三倍，声波会比海啸提前数小时抵达监测水听器。这能为沿海地方政府争取宝贵时间，组织低洼地带居民疏散避险。

海底光缆

科研人员找到了一种探测海底地壳地震活动的方法——依托长达数十万千米、作为互联网传输命脉的水下光纤。

德国波茨坦亥姆霍兹地球科学中心的地球物理学家及其团队，早在2018年就首次证实，现有海底光缆网络可用于监测地震波。这项技术最初为潜艇探测研发，名为分布式声学传感（DAS），原理是利用光纤玻璃内部每隔数米就存在的微小结构缺陷。

当地震波沿线拉扯光缆时，射入光纤的光线碰到这些缺陷后，反射回岸的时间会和正常状态产生细微偏差。岸上的分布式声学传感设备借此就能追踪地震波沿海底传播的全过程。雷克雅未克大学地震学家瓦拉·约尔莱夫斯多蒂尔评价：“这套技术能实现监测效果，实在令人惊叹。”

新泽西州萨米特市诺基亚贝尔实验室光通信研究员米卡埃尔·马祖尔表示，分布式声学传感技术迅速席卷整个地球科学界。但该技术仅能在近海区域使用，原因是海底光缆每隔约100千米就设有水下信号中继器放大光信号，会中断光纤传感链路。

马祖尔团队近期提出一套拓展方案，让该技术可覆盖数千千米深海光缆。方案复用中继器内原本用于定位光缆破损点位的光纤旁路线路。

研究团队利用一条连接夏威夷与加利福尼亚、总长4400千米的海底光纤开展试验，成功捕捉到去年俄罗斯堪察加半岛8.8级大地震产生的地震波。尽管这套拓展方案无法达到原版分布式声学传感米级的精细探测精度，但仅依靠现有光缆、无需额外加装任何水下设备，就能实现百米级分辨率追踪地震波运动。

支持单位：