天宮空間站是我國從 2021 年開始建設(shè)的，也是人類目前在軌運行的兩個空間站之一。除了“天宮”，這個太空實驗室之外，我國正在建設(shè)另一座實驗室——它不在浩瀚深空，而在神秘深海。

2025年2月28日，冷泉裝置在廣州南沙正式開工。該裝置由中國科學(xué)院南海海洋研究所牽頭申報并承擔建設(shè)，是我國首個自主研發(fā)的海陸結(jié)合國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，旨在揭示"冷泉"的奧秘。

"冷泉"指的是海底下富含甲烷或其他碳氫化合物的流體，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)或壓力變化的驅(qū)動下，從海底滲漏進入海水的現(xiàn)象。雖然名為"冷泉"，但它的溫度（約2～4℃）與周圍海水相近，"冷"字只是用來區(qū)別于高溫的?深海熱泉?。

冷泉分布極其廣泛，從淺海陸架到深海海溝，從熱帶到極地都能找到它們的蹤跡。現(xiàn)代活動冷泉主要集中在太平洋活動俯沖帶、墨西哥灣和南海北部等區(qū)域。目前，全球已發(fā)現(xiàn)900多個冷泉活動區(qū)，其中我國近海已確認7個冷泉區(qū)，包括南海的"海馬冷泉"。

冷泉通過裂隙和泥火山等通道形成類似"泉眼"的噴口，周圍伴隨著碳酸鹽巖沉積和生物群落聚集。這里形成了以?甲烷、硫化氫?為能量源的化能合成生態(tài)系統(tǒng)，一片真正的"深海綠洲"?。這里棲息著管狀蠕蟲、貽貝類、冷水珊瑚等600多種生物，它們不依賴陽光，而是通過化學(xué)反應(yīng)自養(yǎng)生存，為研究極端環(huán)境下的生命適應(yīng)機制提供了天然實驗室?。

冷泉與天然氣水合物（可燃冰）有著密切關(guān)系。在冷泉氣泡羽流下方，常常存在天然氣水合物富集層。比如，我國南海"海馬冷泉"的淺表層就富含水合物。研究冷泉不僅有助于定位水合物藏區(qū)，推動這種清潔能源的開發(fā)，還可能指示傳統(tǒng)油氣資源的存在。

換句話說，破解"冷泉"之謎將為生命科學(xué)、能源勘探和地球化學(xué)等領(lǐng)域帶來重大突破。無論從近期還是長遠來看，其研究價值都十分顯著。這正是冷泉及其生態(tài)系統(tǒng)一直是國際科研熱點的原因。

眾所周知，收益越大，挑戰(zhàn)往往也越大。建造"海底實驗室"就是如此。

極端環(huán)境是建造海底實驗室的首要挑戰(zhàn)。

首先是壓強問題。深海水壓隨深度線性增加，每10米約增加1個大氣壓。冷泉區(qū)域通常位于?1200米至超過1400米?的深海環(huán)境。比如前面提到的"海馬冷泉"位于西沙海域，水深為?1350-1430米?。要在冷泉區(qū)域建造實驗室，不僅建造難度巨大，建成后還需承受1200～1400個大氣壓。這種壓力有多大？想象一下，相當于2個成年人的體重壓在指甲蓋小的面積上。

其次是腐蝕問題。對金屬來說，深海就像一個裝滿濃鹽水的高壓鍋。高壓不僅影響金屬結(jié)構(gòu)，還會加速腐蝕反應(yīng)。海水中的氯離子會破壞金屬表面的保護膜，導(dǎo)致生銹和孔蝕。海底沉積物中的硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的硫化氫（H?S）會造成"硫化物腐蝕"。此外，某些深海細菌分泌的酸性物質(zhì)也會加劇金屬腐蝕。

第三是能源供應(yīng)和通信挑戰(zhàn)。

在深海中，無論是外部供電、自行發(fā)電還是攜帶電池，都面臨重大困難。以外部供電為例，需要從陸地或浮動平臺鋪設(shè)電纜到深海實驗室。目前全球唯一在運營的水下研究實驗室——美國的“寶瓶宮”（Aquarius Reef Base）采用的就是這種方案。不過“寶瓶宮”僅位于海底19米深處，遠非深海環(huán)境。在深海中，電纜不僅要耐受高壓和鹽水腐蝕，其鋪設(shè)和維護成本也極其高昂。

自發(fā)電方案同樣困難。在深海，太陽能無法使用，只能考慮利用海洋潮流驅(qū)動渦輪機發(fā)電，或利用深海熱液噴口的溫差發(fā)電。但這些技術(shù)目前尚未成熟到可投入使用的程度。

電池方案雖然可行，但存在容量有限、需要頻繁更換的問題，而且在高壓環(huán)境下電池性能會下降。

通信主要面臨"即時性"的挑戰(zhàn)。水聲通信存在延遲高、帶寬低的問題，難以支持高清視頻傳輸。而GPS信號無法穿透海水，導(dǎo)致精準定位困難。

除此之外，建設(shè)海底實驗室還需要考慮深海生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。深海生物生長極其緩慢（如珊瑚需要數(shù)百年形成），設(shè)備部署或采樣可能破壞它們的棲息地。此外，設(shè)備可能攜帶淺海微生物進入深海，干擾原生生態(tài)，因此需要嚴格的滅菌流程。

總的來說，建造海底實驗室的難度不亞于建造"天宮"。

從目前公布的信息來看，這套裝置主要包含“海底實驗室分總體”、“保真模擬分總體”和“保障支撐分總體”三部分，總建設(shè)周期為 5 年。

海底實驗室分總體是裝置的核心，由5個串聯(lián)的鈦合金球體構(gòu)成，長度達 33 米，寬和高均在 7 - 8 米左右，排水量 600 噸，內(nèi)部體積相當于 3 個中國空間站大小。其內(nèi)部配備了完備的生命保障和應(yīng)急逃逸以及高精度傳感器、顯微成像系統(tǒng)和原位采樣設(shè)備，最多可支持 6 人（3 名操控人員、3 名科學(xué)家）在 2000 米深的海底進行連續(xù) 30 天冷泉生態(tài)系統(tǒng)的生物群落（如管狀蠕蟲、菌席）、甲烷滲漏動態(tài)及可燃冰（天然氣水合物）形成過程進行實時原位觀測（畫面補充信息：在研究對象所處的自然環(huán)境中（如深海、極地），對目標參數(shù)進行 ?連續(xù)、動態(tài)、無干擾的監(jiān)測與記錄）與干預(yù)實驗。

海底實驗室分總體

保真模擬分總體是"冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置"在陸地上建立的深海環(huán)境模擬系統(tǒng)。包含冷泉艙和可燃冰艙兩大核心模塊。其中，冷泉艙的球艙內(nèi)徑為 5 米，柱艙內(nèi)徑為 3 米，水體總高度為 15 米，最大工作壓力可達 20 兆帕，相當于海底 2000 米的壓力，可精確復(fù)現(xiàn)冷泉區(qū)的物理化學(xué)條件（如溫度、鹽度、硫化氫濃度）。冷泉艙還支持冷泉生態(tài)系統(tǒng)全生命周期模擬，包括生物群落發(fā)育、甲烷氧化過程及自生碳酸鹽巖形成。

可燃冰艙可模擬可燃冰成藏與分解過程，研究其開采后的環(huán)境效應(yīng)（如甲烷泄漏對海洋酸化的影響），為可燃冰安全開發(fā)提供實驗依據(jù)。

保真模擬分總體相當于在陸地建的海底實驗室。科研人員可根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，對可燃冰形成的物理、化學(xué)和生物過程及其相關(guān)機制、可燃冰開采過程，以及冷泉生態(tài)系統(tǒng)全生命周期的發(fā)育演化進行全方位的仿真模擬。通過將海底實驗"搬到"陸地開展復(fù)刻實驗研究，為深入探究冷泉生態(tài)系統(tǒng)提供了更加便捷、可控的實驗環(huán)境。

保真模擬分總體

保障支撐分總體包括水面保障母船和研發(fā)與智慧管理中心。水面保障母船設(shè)計排水量為9380噸，能夠執(zhí)行600噸級海底實驗室的收放與保障作業(yè)。該母船承擔著為整個研究裝置提供物資補給、人員運輸、數(shù)據(jù)傳輸和動力供應(yīng)（水下供電）等關(guān)鍵保障任務(wù)，確保海底實驗室和各項設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運行。研發(fā)與智慧管理中心則負責冷泉裝置系統(tǒng)的日常運維管理和科學(xué)研究的整體統(tǒng)籌，推動項目高效開展。

保障支撐分總體

整套裝置采用"樣地實驗與陸地模擬相結(jié)合，實現(xiàn)海陸協(xié)同和時空互換"的設(shè)計思路。由于海底實驗受到時間窗口和極端環(huán)境的限制，陸地模擬設(shè)施能與海底實驗室形成互補關(guān)系。這種"時空互換"模式不僅可以延長研究周期，還能擴大實驗參數(shù)范圍——例如模擬百年尺度的冷泉演化過程，或研究極端氣候事件對甲烷釋放的影響。

冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置是全球首個專門研究海底冷泉系統(tǒng)的大科學(xué)裝置，標志著我國在深海科技探索上又一重要里程碑。該裝置的建設(shè)將推動生命科學(xué)、能源勘探和地球化學(xué)等領(lǐng)域的重大突破，不僅為可燃冰等清潔能源的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，還能幫助我們深入理解生命在極端環(huán)境下的適應(yīng)機制。當科學(xué)家在海底實驗室凝視化能合成生命的微光時，他們探索的不僅是深海奧秘，更是人類文明與自然共生的終極答案。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：邢煥秋 科普作者

審核： 夏少紅 中國科學(xué)院南海海洋研究所 冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置工程建設(shè)指揮部 副總指揮/總經(jīng)濟師

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司