观点 地学

神秘河,在海床上激流涌动

亚得里亚海上的猪 发表于  2014-03-16 09:00

有许多条神秘的河流,在海床上奔涌,可以将互联网冲散。图片来源:《新科学家》

(文/Katia Moskvitch)在博斯普鲁斯海峡的下方,流淌着一条神秘河。它有河岸,有急流,有的地方有1千米宽。如果它在陆地上蜿蜒流动,那么以每秒奔流的水量之多,它将仅次于亚马孙河、刚果河、长江和奥里诺科河,成为世界上的第六大河。可是,当一条条大船穿过海峡在马尔马拉海和黑海之间往来行驶的时候,船上的水手根本不知道下方还有一条河流存在。这条暗河在他们脚下70米的地方静静地流淌,一直流到大陆架的边缘,然后消失在大洋的深渊之中。

这条暗河没有名字,但这并不说说明它独一无二。地球上还有大量水下河在洋底纵横流淌,其中一些长数千千米、宽数十千米、深度也达到数百米。它们是这颗行星的动脉,就是它们将沉积物运到大海深处,并携带着氧气和营养滋润深海的生灵。此外,它们还从岸上带来有机物质并埋入海底,这好像也对地球的碳循环起到了关键作用。

这些水下河的运动方式一直是一个谜,因为卫星侦察不到这么深的水下,水面的声纳和雷达也帮不了多少忙。不过现在,潜水艇的观测和实验室的研究终于在这些水下的神秘河上打开了一扇窗户。研究的结果将惠及大众,无论是气候学家、通信公司还是石油公司,都能从中得到好处。

如果将地球上的海洋抽干,你就会发现,这些水下河已经在海底切割出了迷宫般的沟渠,它们叫做“深海水道”(abyssal channels)。乍一看,在这些水道中奔腾的河流也许和地上的没有两样,但实际上,它们更加接近雪崩、沙尘暴,或者火山碎屑流。它们的毁灭性力量对于通信缆线是一大威胁;正是那些蜿蜒海底的电缆将我们的声音、数据和网络流量传送到了大洋彼端。美国新罕布什尔大学海岸和大洋绘图中心的詹姆斯·加德纳(James Gardner)指出:“如果将一根缆线悬挂到一条深几百米、宽几千米的水道上,那么一旦有水下河流过,电缆就会断裂。”

今天,通信公司在铺设缆线之前都要勘察洋底,希望避开深海水道。斯图亚特·威尔逊(Stuart Wilson)在英国的全球海洋系统公司(Global Marine Systems)担任缆线工程经理,照他的说法,如果一条水道的河岸十分陡峭,横跨它的缆线就会悬在水中,这样尤其容易被捕鱼设备和船锚在无意间钩坏;而如果将缆线铺设到水下河里,它们又会为像吉他弦一般剧烈振动,并与河岸碰擦磨损。

铺设缆线的公司并不是向来就知道水下有河流涌动的,对这些河流的破坏作用也一度没有知觉。1858年8月16日,维多利亚女王给美国总统布坎南发去电报,祝贺第一条横跨大西洋的电缆铺设成功。在那时,地中海和红海的海底已经弯弯曲曲地分布了好几条电报线。幸运的是,船员在将它们放下海床时,并不知道水下还有那样危险的河流。在之后几十年的时间里,好运也一直陪伴着他们。

但是,到了1929年11月18日下午5点02分,一切都变了。当时,加拿大纽芬兰南部海外250千米处发生了一场强烈地震,震度为7.2级。地震虽然剧烈,在陆地上造成的损失却极小——总共只有几根烟囱倒塌,几条道路被小型滑坡堵住而已。

然而,海底就是另外一番景象了:发生在大浅滩的这场地震触发了一条地下河。大约200立方千米的沉积物沿着一道斜坡滚落,它们冲断了12条洋底电报线,使得加拿大沿海通信中断。接着又有海啸冲上岸边,造成了28人遇难。

把断线画上地图

起初,人们都把电缆的断裂归罪于地震本身。一直要到20年后,研究者才找到真正的元凶。美国哥伦比亚大学的地质学家布鲁斯·希曾(Bruce Heezen)和莫里斯·尤因(Maurice Ewing)分析了大浅滩的地震数据,并记下了每一条海底电缆断裂的地点和时间。他们的结论是,地震使沉积物沿着大陆架向下滚动,泥土和海水的混合物以极高的速度横扫海床,将那里的缆线一根根折断。希曾和尤因的计算显示,这股“浊流”的速度达到了每小时100千米。它从震中出发,沿着大陆斜坡狂奔600千米之远,一路在海床上凿出河岸。

其实在希曾和尤因之前,地质学家就已经怀疑洋底有纵横分布的水道了。在上世纪30年代末至40年代,粗略的水下绘图就已经发现了大陆边缘由于侵蚀产生的深深裂纹,就仿佛大峡谷在陆地上刻出的裂纹一样。那时的地质学家就认为,这些地貌可能是由富含沉积物的浊流在水下侵蚀产生的。但是,要等到希曾和尤因的研究问世,他们才得以了解这些浊流本身由何种力量触发和塑造。

到了今天,浊流仍然在海底摧折缆线。这些缆线承载着全世界95%的电话、互联网和数据信号,一旦断裂,就会造成整片地区和外界中断联系。2006年,中国台湾附近的一场地震就引发了一股剧烈的浊流,使得全岛在短时间内通信中断。这场地震中至少有16条电缆断裂,在整个东南亚都造成了大乱。 

海面之下有这样的危局,我们对地球上深海水道绘制的地图,居然比不上火星和金星上的“运河”精确,这一点是颇使人意外的。加德纳这样解释:“我们需要几百年的航行时间才能把这些水道全部找出来画上地图。这要等到将来,等到有了大量互相配合的遥控装置才能办到。”但出人意料的是,海底缆线的断裂,却往往会告诉缆线公司一条他们此前没有发现的水道。

将水道画上地图不容易,理解它们就更难了。有一点说来奇怪,那就是这些水下河流居然也会“干涸”,就像陆地上的河流在遭遇干旱时的表现一样。当然了,里面的水还是很多的,只是没有泥沙流过。如果再要重启浊流,就需要强大的外力推动才行。这个外力可以是一次地震,也可以是在一座峡谷顶端堆积的沉积物、因为承受不起自身的重量而崩塌下来。

外力还可以是一条流进大海的陆地河。以刚果河为例,在流入大西洋时,它的河水中已经富含了沉积物。这些沉积物体量之大,完全可以在流经的海床上刻出一条深海水道,并由此制造出一条深入大洋的水下河。同样的原理,中国的黄河在翻滚着冲入小浪底水库时,也制造出了这样一条水道:黄河中的沉积物使得河水比水库里的水更加稠密――如果你坐在水库中央的一条船上,就能俯瞰黄河之水从身下流过了。

虽然大多数深海水道似乎都是由陆上的河流形成的,究其源头也可以追溯到陆上,有一些水道却是在大洋中心发现的。加德纳长期在太平洋上从事测绘,他发现在远离陆地的海域也有巨大的水道存在。“要解释它们为什么在那里很难,”他说,“反正它们就是在那里。”

无论造访的是大洋还是湖泊,泥泞迅捷的浊流都是个狡猾的顾客。美国弗吉尼亚理工大学的地质学家布莱恩·罗曼司(Brian Romans)说:“研究者曾经在浊流中放置仪器,想检测它们的速度和沉积物的浓度,但浊流一般会将仪器一股脑摧毁。”

不过,有一条水下河的习性比同类友善,那就是博斯普鲁斯海峡下方的那道巨流。它不像大多数地下河那样泥泞,其中裹挟的也不是沉积物,而是一股咸水,盐度比地中海流入马尔马拉海的海水要高许多。这使得这道巨流比周围的黑海水致密,而较高的密度又使它沉到了海床上。英国利兹大学的沉积物学家杰夫·皮卡尔(Jeff Peakall)指出,这条水下河的构成虽然和一般的海底浊流不同,但两者在动力学上并无二致。再加上它流经的区域海水较浅,研究起来也就比较方便了。

博斯普鲁斯海峡下方的那条河流,如果按每秒通过的水量而言,可以跻身世界大河之列。图片来源:《新科学家》

流过弯道

2010年,皮卡尔带着一条水雷形状的潜水艇前往博斯普鲁斯,2013年7月又去造访了一次。他的团队第一次记录下了一条深海水道中潜流的详细数据,他们为自己的发现惊讶不已:首先,这条水道如同一条受到惊扰的响尾蛇一般扭曲宛转。当然了,陆地上的河流也会根据地貌和地质的不同或曲或直,但是水下河这样表现,意义就非同一般了。皮卡尔已经分析了世界各地的深海水道,他的结论是,“凡是扭曲的那些都接近赤道,一旦到了两极,就都是直的了。”

这是为什么呢?皮卡尔怀疑幕后操纵的是科里奥利力,物体如果在一个旋转的参考系中运动,就会被这种力带偏。科里奥利力对地球的大气和海洋循环影响巨大,没有了它,我们就不会有飓风和湾流了。这种力的作用在高纬度地区最大,往赤道方向则逐渐减小。那么,科里奥利力是否对浊流造成了影响呢?

由于无法对不同的深海水道做直接考察,皮卡尔转而在实验室里展开研究。他的两位合作者马修·威尔斯(Matthew Wells)和雷默·科苏(Remo Cossu)都出身于加拿大的多伦多大学。3人一起将一只2米长的水箱安放在一张旋转台上,并在水箱中灌满了水。在水箱的底部,他们用丙烯酸制作了一条蜿蜒的水道,并在其中注入一股稠密的盐水,以模仿泥泞的海底浊流。然后,他们以不同的速度旋转水箱,来模仿地球在不同纬度的自传,并观测盐水在水道中的流动情况。

他们的发现显示,水下河的行为和地上河有着截然的分别。无论在水下还是地上,河水在流过弯道的时候都受到一组合力的控制。在地面上主要是离心力和重力:当河水快速流过弯道,离心力将水流往外推,重力则将水流往下拉。

但是,对于水下的浊流,3位研究者却发现,科里奥利力也起到了作用。要理解这一点,不妨想想一块水下的砖头要比在陆地上时轻了多少。那是因为水中向上的浮力部分抵消了砖头上向下的重力。

同样的道理,浊流受到的重力也会被周围海水的浮力所减弱。当水的重量不再是浊流的主要受力,科里奥利力就会发挥比陆地上大得多的作用。它会将浊流推向一边,并造成左右两边的巨大高度差。

流向的变化导致水下河的形态跟着发生了变化,对泥沙的沉积也变得不同。由于科里奥利力在两极处较大,所以在合力的作用之下,那里的水下河也比在赤道附近流得更直。

皮卡尔还指出,海底的那些之字形水道也和陆地上的那些有很大不同。在陆地上,当河水经过弯道流向下游,合力会使接近河床的河水由弯道的外侧向内侧流动,而接近水面的河水则会由内侧向外侧流动。但是在水下河,各种力的平衡就有所不同了。皮卡尔说:“水下河的行为和地面正好相反,这一点相当的奇妙。”

水下河还有其他特性:地面河流不会一直待在同一个地方,它们不断侵蚀河岸,河道始终在泛滥平原上缓缓左右移动。水下的河道却不会这样,它们一旦“曲折”到了一定的程度,就会在同样的位置上不断下切几百米。

寻找和研究深海水道并不全是为了科学,它背后还有强大的经济动力。石油公司在海上寻找挖掘点的时候,他们的目标都是海床以下2到4千米的古代水道。当年这些水道活跃的时候,浊流带来了泥沙。而现在,这些沙粒都成了容器,它们的细孔中固定着石油和天然气。这些石油和天然气都是从更深的泥层中升上来的,它们都是由几千年前的古代动植物腐烂之后所产生。

BP石油公司的沉积物学家麦克·梅耶尔(Mike Mayall)介绍说,在找到一条水道之后,“我们对其中填充的沉积物的知识就变得十分重要了”。地震数据的积累能够帮助我们掌握沉积物的性质。有了现代技术,石油公司就能看清泥沙的分布,有些地方的分辨率可以达到十米以下。

还有就是全球碳循环的问题。从陆地源源不绝流向深海的有机物质,可能在碳循环中扮演着重要角色。尽管海床上的生物会吃掉这些有机物质的一部分,其他部分却会在海底沉积层中掩埋,永远不会再进入大气。罗曼司表示:“这是眼下的一个研究热点。大家都想算出有多少碳是运到海里掩埋了、掩埋的速度是多少、这对全球碳循环又有什么影响。”更好地了解深海水道,有助于更加精确地模拟气候。

每次有潜水艇潜入水下河流,我们的知识就会增加几分。每次有一条河流在实验室中得到模拟,我们的了解就会深入几分。水下河流正在揭开自己的秘密,速度缓慢,但是实实在在。

 

编译自:《新科学家》,Cryptic river: The torrents that flow on the seabed

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热门评论

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全部评论(45)
  • 1楼
    2014-03-16 10:09 漫.

    那些海底流就像精灵一样,虽然是无意识,却充满了精力,是活着的。

    来自果壳精选

    [2] 评论
  • 2楼
    2014-03-16 11:10 ilongshan
    引用文章内容:如果它在陆地上蜿蜒流动,那么以每秒奔流的水量之多,它将仅次于亚马孙河、刚果河、长江和奥里诺科河,成为世界上的第六大河。

    应该是第五大河吧?

    [1] 评论
  • 3楼
    2014-03-16 14:35 硅基雪狐

    大千世界,无奇不有

    [0] 评论
  • 4楼
    2014-03-16 15:13 马甲与小号
    引用@coolono 的话:应该是第五大河吧?


    从下面那幅图来看,应该是漏了恒河。

    [1] 评论
  • 5楼
    2014-03-16 16:22 素食者

    神秘又神奇!
    大海最神秘了,哪天大刘会写一部海底河的长篇小说呢?

    [1] 评论
  • 6楼
    2014-03-16 17:15 ilongshan
    引用@马甲与小号 的话:从下面那幅图来看,应该是漏了恒河。

    好吧,我没有看清楚。谢谢指出啊!

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-03-16 18:15 艾天赐
    引用@北落师门b 的话:这些海底河既然是大自然创造出来的,肯定是对大自然自身有益处的啊。星空和海洋,真是令人着迷。

    ???对大自然有益处是什么意思?我怎么听不懂?

    [2] 评论
  • 8楼
    2014-03-16 18:26 水晶crystal

    和洋流的区别主要在哪儿?他在海底,洋流在海面?

    [1] 评论
  • 9楼
    2014-03-16 18:40 jswxdzc

    我居然想到了那部小说……

    [0] 评论
  • 10楼
    2014-03-16 19:12 三体-青铜时代_3363
    引用@北落师门b 的话:这些海底河既然是大自然创造出来的,肯定是对大自然自身有益处的啊。
    星空和海洋,真是令人着迷。
    引用@aitianci 的话:
    ???对大自然有益处是什么意思?我怎么听不懂?

    +1

    来自果壳网移动版
    [0] 评论
  • 11楼
    2014-03-16 21:25 donizyo
    引用@北落师门b 的话:这些海底河既然是大自然创造出来的,肯定是对大自然自身有益处的啊。星空和海洋,真是令人着迷。

    同理可得,陨石、地震、火山爆发都是对大自然自身是有益的

    [0] 评论
  • 12楼
    2014-03-16 21:52 _A_C_E_B_

    按我们的讲师说的地转偏向力应该是会增加河道的扭曲直至形成牛轭湖,那应该是说河道在赤道应该比在两极更平直一些,那没什么这里会不一样呢?

    [0] 评论
  • 13楼
    2014-03-16 21:59 dbwo

    文章里作者漏了恒河,给我们带来他不识数的假象

    [9] 评论
  • 14楼
    2014-03-16 22:53 云舞空城 地质学博士生

    海底河流的形容不够确切,海底泥石流要好很多

    来自果壳网移动版
    [15] 评论
  • 15楼
    2014-03-16 23:16 PHOENIX1723

    赞16楼……
    最近看的McGrawhill的《Earth revealed》里面,第三章就讲到了这种大陆坡缘的海底湍流——裹挟着各种泥沙石头的暗流从坡顶流下(据说平均时速能达到60km/h,快的有100km/h),所以……
    要不改名叫海底黄河也不赖,都是一碗水,半碗……

    [1] 评论
  • 16楼
    2014-03-16 23:30 曹小喵回来了 科幻迷,天文爱好者,地质学研究生
    引用@云舞空城 的话:海底河流的形容不够确切,海底泥石流要好很多


    但是我想过……这玩意和陆地上的泥石流又不一样……应该更类似于雪崩或者沙尘暴……

    [0] 评论
  • 17楼
    2014-03-17 00:55 黄暴

    说了半天不还是说的浊流?

    来自山寨果壳.wp
    [0] 评论
  • 18楼
    2014-03-17 02:21 弟大物勃君

    海底深渊也许有世界

    来自果壳网移动版
    [0] 评论
  • 19楼
    2014-03-17 06:59 银河帆影
    引用@国产零零七 的话:有许多条神秘的河流,在海床上奔涌,可以将互联网冲散。图片来源:《新科学家》==这图,不是很直观?可以将互联网冲散?==可以将互联网光缆冲散?

    这张图不像水下河,怎么看都觉得应该是个“水下龙卷风”。

    [0] 评论
  • 20楼
    2014-03-17 08:25 毛骡 金属材料学博士

    如果能熟记每条水道或者简单的探测方式,远洋就可以不受淡水限制了……

    [0] 评论
  • 21楼
    2014-03-17 09:25 黏液君 果树学博士生

    如果你坐在水库中央的一条船上,就能俯瞰黄河之水从身下流过了。——要看!

    [0] 评论
  • 22楼
    2014-03-17 09:54 Maisie兔子喵 全科医师

    看的似懂非懂,好抽象啊

    [0] 评论
  • 23楼
    2014-03-17 12:10 变化者甜儿

    看不懂那图呢,不是长江第三大么,怎么图里只有第五呢?

    [0] 评论
  • 24楼
    2014-03-17 12:21 石田千梓
    引用@变化者甜儿 的话:看不懂那图呢,不是长江第三大么,怎么图里只有第五呢?

    平时说长江第三是指长度仅次于尼罗河和亚马孙河,这里显示的是流量

    [0] 评论
  • 25楼
    2014-03-17 12:35 官明彦
    引用@变化者甜儿 的话:看不懂那图呢,不是长江第三大么,怎么图里只有第五呢?


    恒河这里的流量肯定是恒河+雅鲁藏布江,

    [0] 评论
  • 26楼
    2014-03-17 15:18 北夜枫

    华莱士人鱼的专用通道

    来自果壳精选

    [0] 评论
  • 27楼
    2014-03-17 15:37 双刀剁馅儿
    引用@云舞空城 的话:海底河流的形容不够确切,海底泥石流要好很多

    不一样的,海底河流就是浊流,它的动力学性质还要受到环境水流(ambient flow)的影响,比如这里说的有效重力减少

    [0] 评论
  • 28楼
    2014-03-17 16:43 妞Kay

    (+_+)?

    [0] 评论
  • 29楼
    2014-03-17 17:31 wangxin0113
    引用@云舞空城 的话:海底河流的形容不够确切,海底泥石流要好很多


    河流确实不好,偏指陆相。泥石流给人映象是分选差,迅速沉降,和abyssal channels还是有点差别。

    @双刀剁馅儿 说的就是浊流也可以推敲一下,浊流的范围也有点大。

    目前我听办公室另一个项目讨论时称“浊积水道”,一般直接说水道就完事了(和扇体、朵叶体对应)。

    捉急水道。。。


    要深入讨论的话我就得去找找文献了.....

    [0] 评论
  • 30楼
    2014-03-17 18:59 云舞空城 地质学博士生
    引用@双刀剁馅儿 的话:不一样的,海底河流就是浊流,它的动力学性质还要受到环境水流(ambient flow)的影响,比如这里说的有效重力减少

    泥石流和浊流作为两种重力流 既有共同点 也有不同点~
    不过人们普遍知道泥石流是什么 而不知道浊流是什么

    [0] 评论

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