神秘的海洋奇观

李忠东

印度洋中部有个巨大的“重力洞”

卫星照片显示，地球看似是一个完美的球体，但实际上并非绝对的圆球，位于南北两极周围的区域更平坦，赤道周围凸起。重力是由地球对物体的吸引力而引起的，由于地球的自转和地球形状的不规则，造成各处的重力有所差异，其中赤道处最小，两极最大。重力除了与地球球心的距离相关外，还与地球内部的物质密度有关。如果某处比周围其他地方的密度大，重力相应就会增大；倘若比周围区域密度小，重力也相应减小。表现在海面上就会造成海水在某些地方隆起，又在某些地方凹陷下去，由此形成的略有起伏的不规则曲面被称作“大地水准面”。

1948年，荷兰地球物理学家费宁·梅内斯在船上进行重力测量时发现，印度洋“大地水准面”是地球上最显著的重力异常区域之一。此后，其他科考船的科考和轨道卫星测量都证实了这一点。重力异常指某个特定区域的实际观测值与理论值存在偏差，可能偏高，称为“正异常”；也可能偏低，称为“负异常”。印度洋“大地水准面”低点的中心位于印度南端西南约1200千米处，直径约3000千米。这个覆盖面积超过300万平方千米的重力异常区域，并不是一个物理意义上的“洞”（重力负异常）。它排走了大量海水，使中心区域海平面陡然下降了106米。

那么，印度洋上的“重力洞”是如何形成的呢？多年来，科学家们一直试图解释这种地质现象的起源。印度科学研究所地球物理学家阿特雷伊·戈什和博士生德班詹·帕尔组成的研究团队，结合地面传感器和轨道卫星进行局部重力测量，比较了19种计算机模拟海洋表面不同重力拖曳的场景，通过重建过去1.4亿年的板块构造运动来追踪“重力洞”的起源。然后，研究团队使用地震断层成像模型，利用地震波获取地球内部三维图像，发现这一地区上中地幔的低密度巨型异常物质是造成重力小的根本原因。

最终，研究团队提出了一个令人信服的解释：大约在2000万年前，地球深处的岩浆柱开始在上地幔内扩散，上升到了印度洋下方，由于岩浆比固体岩石密度小，形成了巨大的“重力洞”。尽管“重力洞”覆盖范围广阔，且海平面低于平均水平，但并不会造成什么影响。如果乘船进入这个区域，会发现海面逐渐向下倾斜，但在离开该区域之后，船只又再次随着海面上升，回到了一般水平的高度。

“重力洞”排空了大量海水，使中心区域海平面陡然下降106 米

大西洋海底藏着大片淡水

在近海发现淡水的记录，最早可追溯至19世纪。当时，美国佛罗里达州不时有渔民报告，海平面上有淡水涌出，他们认为这些淡水是从深海升上来的。20世纪60年代，美国地质调查局在新泽西州海岸钻探了一连串的垂直井，以寻找砂矿和其他资源。但令人不解的是，他们意外发现了含盐量远低于海水的淡水。2015年9月，哥伦比亚大学拉蒙特·多尔蒂地球观测站的地球物理学家凯瑞·基，与马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的地质学和地球物理学高级科学家罗布·埃文斯，踏上了“马库斯·朗塞特号”科学考察船。他们使用电磁接收器对新泽西州南部沿海和马萨诸塞州玛莎葡萄园岛进行了为期10天的调查，寻找埋藏在大陆架之下沉积物中的近海地下水层。他们之所以选择这两个地点，是因为石油公司报告说在这两个地方发现了含水层。低盐浓度淡水是比淡水更有效的电磁波导体，因此沿海岸部署的电磁接收器使研究人员能够获知神秘含水层的范围。

研究团队推断该含水层由有渗透性的沉积物包裹，分布在马萨诸塞州到新泽西州沿海海床以下200～400米范围内，从海岸线延伸到离岸最远约90千米的大陆架边缘。它跨越至少350千米的美国大西洋沿岸，包含约2800立方千米含盐量远低于海水的淡水，比北美洲五大淡水湖之一的安大略湖容量还要多。如果海底含水层位于地表之上，那么可以形成一个面积约为3.9万平方千米的湖泊。

美国东北部沿海大陆架下存在一个庞大的含水层

含水层包含约2800 立方千米的低盐度地下水，比北美洲五大淡水湖之一的安大略湖容量还要多

研究发现，越临近含水层核心区域的水含盐量越低（低于千分之一），而在边缘地带的水含盐量为千分之十五，相当于海水含盐量的一半。这表明随着时间的推移，含水层的淡水会逐渐与海水混合。虽然含水层的淡水被抽出来后，大多数情况下都需要脱盐，但海水淡化工厂很容易就能把它们转化为人类可饮用的淡水。不像含鹽量千分之三十左右的海水，淡化成本至今依然很高。

那么，海底庞大的含水层从哪里来的？研究人员解释，有一部分是近2万年前冰川融化后埋藏的“水化石”（很长时间不参与外界水循环的那部分被封存的水）。在冰河世纪，地球上大量的淡水变成了冰川，覆盖了地球上的广大区域，海平面也因此下降了。冰川时代结束后，冰川融化而成的淡水就被上涨的海水困在了海底。

另一部分淡水源自陆地地下水的持续渗透。当沿海陆地出现降雨时，雨水可以渗入含水层并穿过高渗透性的岩石，然后从地下经过海岸线流入海底。要想实现这种长距离流动，同时保持淡水的低盐度，海洋含水层的上方要有一个不具渗透性的盖层——一个通常由紧密结实的黏土质岩石组成的地层。这种黏土质岩石在松散时可以容纳大量的水，但一旦被压实就会变得几乎不可渗透。因此，这种盖层可以防止海底含水层中密度较低的淡水“逃离”海底。

研究人员指出，世界上许多海岸线下可能存在含水层，比想象中的储量还大。海底含水层将成为未来世界的重要淡水资源，有助于防止干旱并减轻未来几年气候变化的影响。

太平洋“冷舌”影响全球气候

根据科学家多年来建立的气候模型，温室气体排放量的增加将使海水变暖。从全球平均地表温度到北极冰雪融化，气候模型在各种重大问题上的预测一直很准确。然而，在太平洋从厄瓜多尔海岸向西延伸数千千米的一片长舌状海域，过去30年中一直在变冷，与预测的结果恰恰相反。这片海域跨越地球赤道周长的四分之一，科学家将它称为太平洋“冷舌”。

早在1997年，美国哥伦比亚大学研究员理查德·西格曾提出警告：赤道地区的太平洋正在变冷，这是气候模型并未呈现的趋势。自那以来，海洋表面温度数据证实了西格的猜测。东太平洋（靠近美洲）海面的平均温度一直比西太平洋（靠近亚洲）海面低5°C或6°C，在1980年至2019年间，这一温差扩大了约0.5°C。

位于热带地区的太平洋海域被称为“热带太平洋”，对全球的气候有重要作用。要想了解它对大气层中不断增加的温室气体作出了何种反应，是一项巨大的挑战。例如，每隔3～5年，太平洋就會从拉尼娜现象（赤道地区的表层水温相对较低）转向厄尔尼诺现象（赤道地区的表层水温高于平均水平）。这些变化使得人们很难梳理出长期趋势。研究人员首次发现太平洋“冷舌”时，将其归因于该地区的极端变化，但属于自然变化。

气象学家们一致认为，太平洋“冷舌”极大地影响着海洋—大气二氧化碳循环和全球气候，厄尔尼诺和拉尼娜等气候事件都受其影响和直接控制。它可能将决定美国加利福尼亚州是否会遭遇持续性干旱、澳大利亚是否会遭遇更致命的山火，还将影响印度季风的强度，以及“非洲之角”发生饥荒的可能性，甚至可以通过微调地球大气层对不断增加的温室气体排放的敏感度，来改变全球气候变化的幅度。

如果按照目前的趋势持续下去，那么，太平洋“冷舌”可能会将气候模型预测的全球变暖幅度降低30%，这也就是到21世纪末全球平均气温上升1.3°C与上升1.9°C之间的差异。最重要的是，在这两种情况下，进入大气层的温室气体排放量是相同的。

美国科罗拉多大学博尔德分校副教授佩德罗·迪内齐奥将太平洋“冷舌”称作“气候科学中最重要的未解之谜”，因为迄今尚未弄清楚这一变冷现象的原因。这意味着不知它何时会停止，或是否会突然转化为变暖的趋势。作为气候模型的最后一大块拼图，把太平洋“冷舌”拼上去，才能更准确地描绘气候和人类生活将发生怎样的变化。

太平洋和大西洋海水缓慢相融

占地表面积32%的太平洋是地球上的第一大洋。太平洋从南极大陆海岸一直延伸到白令海峡，西边是亚洲、大洋洲，东边是美洲，平均深度为4028米，地球最深处的马里亚纳海沟就位于太平洋西部海床。和太平洋相邻的大西洋则是世界上第二大洋，占地表面积的20%，平均深度为3627米，最深处是深达9219米的波多黎各海沟。大西洋呈“S”形，且被赤道拦腰“斩断”，分成北大西洋和南大西洋。

太平洋和大西洋相邻，可是在南美洲智利和南极洲之间的德雷克海峡交界处，却出现了一个奇怪的现象：太平洋的海水和大西洋的海水并没有融合在一起，而是呈现一条明显的分界线。为什么会出现这样的现象呢？

研究发现，首先，与海水中的盐度（测量溶解在水体中的盐的数量）有关。大西洋蒸发量较高，海水里含的盐分更多，盐度约为千分之三十七，所以呈浑浊的深蓝色。太平洋大多位于地理的热带辐合区（南北两半球信风气流形成的辐合地带），蒸发相对较少，有许多淡水河流流入，南极冰川融化后冰水也全部流入太平洋，降雨量充沛，海水的盐分被稀释，因此颜色相对比较浅。

其次，与海水的密度相关。密度决定着海洋的水位差。巴拿马运河位于太平洋一侧的水位要比大西洋高出近50厘米，这与太平洋每立方厘米的表层海水密度比大西洋低约0.001克有关。再加上太平洋经常刮信风，这就让海面倾斜，使得太平洋与大西洋交汇一侧的海平面比较高。

太平洋“冷舌”跨越地球赤道周长的四分之一

颜色较浅的是太平洋海水，颜色较深的是大西洋海水

最后，海域的地形结构也会影响两大海域的融合。若海洋底部是山脉的水域，海平面会相对高一些。若是盆地区域，则会使得大洋水位低一些。地球在自转时，会产生地转偏向力，加上原本两大洋所处的经纬度不同，受地转偏向力以及风力的影响，这两大洋之间的水位也产生了一定的落差。这样一高一低，就导致两片海域很难融合。

虽然从远处看，差异明显的海水颜色在两大洋交汇处形成了交界线，但两大洋的海水并非真的不会相融。只是由于这两大洋各自的体量都过于庞大，两边的海水之间存在诸多差异，使得海域之间海水的自然扩散融合过程十分缓慢，看起来就没那么明显，因而出现了看似海水相连却不相融的奇观。

两大洋的海水并非真的不会相融，自然扩散融合过程十分缓慢，看起来就没那么明显

马里亚纳海沟吞噬海水

马里亚纳海沟形成已有6000万年，是已知的地球最深处。它位于菲律宾东北、马里亚纳群岛附近的太平洋底，北起硫磺岛、西南至雅浦岛附近，北有阿留申、千岛、小笠原等海沟，南有新不列颠阿和新赫布里底等海沟。马里亚纳海沟全长2550千米，呈弧形，平均宽70千米，最深处达6000～11000米，是地球上环境最恶劣的区域之一。从20世纪60年代开始，多支探险队前往马里亚纳海沟，进行了海洋地质、地球物理和生物学方面的研究，试图解开它的秘密。2020年11月10日8时12分，中国“奋斗者号”载人潜水器在马里亚纳海沟成功坐底，坐底深度10909米。

2015年，人们监聽到海沟有一个不同于以往任何生物发出的诡异且持续的声波。研究发现，这个诡异的声音其实就是大量的水流声，而这水流声来自那些不断被吞噬的海水。据测算，海沟每年吞噬的海水多达30亿吨，近百万年的时间里吞噬的海水总计高达3000万亿吨。

研究证实，马里亚纳海沟吞噬海水主要有两个原因：一是海沟所处的位置非常特殊，位于亚欧板块和太平洋板块的交界处。由于两个板块剧烈碰撞，地壳运动频繁，不断有新的岩浆从地球内部冒出，形成了许多火山口和热液喷口，同时导致了海底地形的不断变化。这些喀斯特地貌和裂隙都为海水提供了通道，促使海水快速流入海沟。

二是海沟的深度使得其中的水压极大，而且温度和盐度等物理化学性质与一般海水存在明显差异。当正常海水进入海沟后，会受到地球内部高温、高压等因素的影响，加速流动和循环。加上海沟地形的复杂性，海水在流动过程中会发生涡流、旋涡和湍流等复杂的物理现象，使得海水快速抵达海底。

大量的海水被海沟吞噬，使得当地海水的流动和循环变得更加复杂，对海洋生态系统产生了长期的影响，对巨型无脊椎动物、盲鳗和深海虾等物种的生存造成潜在的威胁，影响生物多样性。在被吞噬的过程中，海水中所含的大量盐分和微生物可能会带入深海，从而干扰海洋环流、改变全球温度分布，对全球气候产生影响。此外，还可能导致海底地壳不断下降，甚至引发地震和海啸等自然灾害。

那么，马里亚纳海沟被吞噬的海水都去了哪儿呢？研究发现，被吞噬的海水一部分被储存在地幔中，另一部分流到地壳中，经过长时间的复杂循环以及各种地壳运动后，又重新回到海洋或地面。这些新生的海水会通过地球内部的深层水文循环，重新进入海洋。兜兜转转，这些被吞噬的海水最后还是回到了大海，海平面始终没有下降。

在太平洋和大西洋，像马里亚纳海沟一样吞噬海水的大型海沟不在少数， 有20多处，吸收的海水量不可想象。海水下渗和地下水循环是复杂的过程，对全球海水循环、地下水系统和海洋沉积等方面产生了重大影响。马里亚纳海沟吞噬海水的现象，展露了地球深部水文循环的一部分。科学家通过观察和研究这一现象，可以更好地理解地球的水循环和地下水系统，为地球科学研究、水资源管理和环境保护提供重要的参考。与此同时，进一步研究地壳运动和地震的机制，可以对未来的海啸预警作出更准确的预测。