【导语】天宫空间站遨游太空，而我国深海的科研探索也未曾停歇。2025年，冷泉生态系统研究装置在广州南沙正式开工，标志着我国在深海科技探索上迈出重要一步。该装置旨在揭示海底“冷泉”的奥秘，其研究价值涉及生命科学、能源勘探和地球化学等多个领域。面(miàn)对(duì)极(jí)端(duān)环(huán)境的挑战，科研(yán)人(rén)员(yuán)将(jiāng)利(lì)用(yòng)这(zhè)一(yī)装置在海底及陆地模拟系统中展开深入研究，探索深海生态系统的奥秘，为人类的清洁能源开发和生命科学研究贡献力量。

天宫空间站是我国从 2021 年开始建设的，也是人类目前在轨运行的两个空间站之一。除了“天宫”，这个太空实验室之外，我国正在建设另一座实验室——它不在浩瀚深空，而在神秘深海。

2025年2月28日，冷泉装置在广州南沙正式开工。该装置由中国科学院南海海洋研究所牵头申报并承担建设，是我国首个自主研发的海陆结合国家重大科技基础设施，旨在揭示"冷泉"的奥秘。

"冷泉"指的是海底下富含甲烷或其他碳氢化合物的流体，在地质结构或压力变化的驱动下，从海底渗漏进入海水的现象。虽然名为"冷泉"，但它的温度（约2～4℃）与周围海水相近，"冷"字只是用来区别于高温的‌深海热泉‌。

冷泉分布(bù)极(jí)其(qí)广(guǎng)泛(fàn)，从(cóng)浅(qiǎn)海(hǎi)陆(lù)架(jià)到(dào)深(shēn)海(hǎi)海(hǎi)沟(gōu)，从(cóng)热(rè)带(dài)到(dào)极(jí)地(de)都(dōu)能(néng)找(zhǎo)到(dào)它(tā)们(men)的(de)踪(zōng)迹(jī)。现(xiàn)代(dài)活(huó)动(dòng)冷(lěng)泉(quán)主要(yào)集中(zhōng)在(zài)太(tài)平(píng)洋(yáng)活(huó)动(dòng)俯(fǔ)冲(chōng)带(dài)、墨(mò)西(xi)哥(gē)湾(wān)和(hé)南(nán)海(hǎi)北(běi)部(bù)等(děng)区(qū)域。目(mù)前(qián)，全球(qiú)已(yǐ)发(fā)现(xiàn)900多(duō)个(gè)冷(lěng)泉(quán)活(huó)动(dòng)区(qū)，其(qí)中(zhōng)我(wǒ)国(guó)近(jìn)海(hǎi)已(yǐ)确(què)认(rèn)7个(gè)冷(lěng)泉(quán)区(qū)，包(bāo)括(kuò)南(nán)海(hǎi)的(de)"海(hǎi)马(mǎ)冷(lěng)泉(quán)"。

冷(lěng)泉(quán)通(tōng)过(guò)裂(liè)隙(xì)和(hé)泥(ní)火(huǒ)山(shān)等(děng)通(tōng)道(dào)形(xíng)成(chéng)类(lèi)似(shì)"泉(quán)眼(yǎn)"的(de)喷(pēn)口(kǒu)，周(zhōu)围(wéi)伴(bàn)随(suí)着(zhe)碳(tàn)酸(suān)盐(yán)岩(yán)沉(chén)积(jī)和(hé)生(shēng)物(wù)群(qún)落(luò)聚(jù)集。这(zhè)里(lǐ)形(xíng)成(chéng)了(le)以(yǐ)‌甲(jiǎ)烷(wán)、硫(liú)化(huà)氢(qīng)‌为(wèi)能(néng)量(liàng)源(yuán)的(de)化(huà)能(néng)合(hé)成(chéng)生(shēng)态(tài)系(xì)统(tǒng)，一(yī)片(piàn)真(zhēn)正(zhèng)的(de)"深(shēn)海(hǎi)绿(lǜ)洲(zhōu)"‌。这(zhè)里(lǐ)栖(qī)息(xi)着(zhe)管(guǎn)状(zhuàng)蠕(rú)虫(chóng)、贻(yí)贝(bèi)类(lèi)、冷(lěng)水(shuǐ)珊(shān)瑚(hú)等(děng)600多(duō)种(zhǒng)生(shēng)物(wù)，它(tā)们(men)不(bù)依(yī)赖(lài)阳(yáng)光(guāng)，而(ér)是(shì)通(tōng)过(guò)化(huà)学(xué)反(fǎn)应(yīng)自(zì)养(yǎng)生(shēng)存(cún)，为(wèi)研(yán)究(jiū)极(jí)端(duān)环(huán)境(jìng)下(xià)的(de)生(shēng)命(mìng)适(shì)应(yīng)机(jī)制(zhì)提(tí)供(gōng)了(le)天(tiān)然(rán)实(shí)验(yàn)室(shì)‌。

冷(lěng)泉(quán)与(yǔ)天(tiān)然(rán)气(qì)水(shuǐ)合(hé)物(wù)（可(kě)燃(rán)冰(bīng)）有(yǒu)着(zhe)密(mì)切(qiè)关系(xì)。在(zài)冷(lěng)泉(quán)气(qì)泡(pào)羽(yǔ)流(liú)下(xià)方(fāng)，常(cháng)常(cháng)存(cún)在(zài)天(tiān)然(rán)气(qì)水(shuǐ)合(hé)物(wù)富(fù)集层(céng)。比(bǐ)如(rú)，我(wǒ)国(guó)南(nán)海(hǎi)"海(hǎi)马(mǎ)冷(lěng)泉(quán)"的(de)浅(qiǎn)表(biǎo)层就富含水合物。研究冷泉不仅有助于定位水合物藏区，推动这种清洁能源的开发，还可能指示传统油气资源的存在。

换句话说，破解"冷泉"之谜将为生命科学、能源勘探和地球化学等领域带来重大突破。无论从近期还是长远来看，其研究价值都十分显著。这正是冷泉及其生态系统一直是国际科研热点的原因。

众所周知，收益越大，挑战往往也越大。建造"海底实验室"就是如此。

极端环境是建造海底实验室的首要挑战。

首先是压强问题。深海水压随深度线性增加，每10米约增加1个大气压。冷泉区域通常位于‌1200米至超过1400米‌的深海环境。比如前面提到的"海马冷泉"位于西沙海域，水深为‌1350-1430米‌。要在冷泉区域建造实验室，不仅建造难度巨大，建成后还需承受1200～1400个大气压。这种压力有多大？想象一下，相当于2个成年人的体重压在指甲盖小的面积上。

其次是腐蚀问题。对金属来说，深海就像一个装满浓盐水的高压锅。高压不仅影响金属结构，还会加速腐蚀反应。海水中的氯离子会破坏金属表面的保护膜，导致生锈和孔蚀。海底沉积物中的硫酸盐还原菌产生的硫化氢（H₂S）会造成"硫化物腐蚀"。此外，某些深海细菌分泌的酸性物质也会加剧金属腐蚀。

第三是能源供应和通信挑战。

在深海中，无论是外部供电、自行发电还是携带电池，都面临重大困难。以外部供电为例，需要从陆地或浮动平台铺设电缆到深海实验室。目前全球唯一在运营的水下研究实验室——美国的“宝瓶宫”（Aquarius Reef Base）采用的就(jiù)是(shì)这(zhè)种(zhǒng)方(fāng)案(àn)。不(bù)过(guò)“宝(bǎo)瓶(píng)宫(gōng)”仅(jǐn)位(wèi)于(yú)海(hǎi)底(dǐ)19米(mǐ)深(shēn)处(chù)，远(yuǎn)非(fēi)深(shēn)海(hǎi)环(huán)境(jìng)。在(zài)深(shēn)海(hǎi)中(zhōng)，电(diàn)缆(lǎn)不(bù)仅(jǐn)要(yào)耐(nài)受(shòu)高(gāo)压(yā)和(hé)盐(yán)水(shuǐ)腐(fǔ)蚀(shí)，其(qí)铺(pù)设(shè)和(hé)维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)也(yě)极(jí)其(qí)高(gāo)昂(áng)。

自(zì)发(fā)电(diàn)方(fāng)案(àn)同(tóng)样(yàng)困(kùn)难(nán)。在(zài)深(shēn)海(hǎi)，太阳能无法使用，只能考虑利用海洋潮流驱动涡轮机发电，或利用深海热液喷口的温差发电。但这些技术目前尚未成熟到可投入使用的程度。

电池方案虽然可行，但存在容量有限、需要频繁更换的问题，而且在高压环境下电池性能会下降。

通信主要面临"即时性"的挑战。水声通信存在(zài)延(yán)迟(chí)高(gāo)、带(dài)宽(kuān)低(dī)的(de)问(wèn)题(tí)，难(nán)以(yǐ)支(zhī)持(chí)高(gāo)清(qīng)视(shì)频(pín)传(chuán)输(shū)。而(ér)GPS信(xìn)号(hào)无(wú)法(fǎ)穿(chuān)透(tòu)海(hǎi)水(shuǐ)，导致精准定位困难。

除此之外，建设海底实验室还需要考虑深海生态系统的脆弱性。深海生物生长极其缓慢（如珊瑚需要数百年形成），设备部署或采样可能破坏它们的栖息地。此外，设备可能携带浅海微生物进入深海，干扰原生生(shēng)态(tài)，因(yīn)此(cǐ)需(xū)要(yào)严(yán)格(gé)的(de)灭(miè)菌(jūn)流(liú)程(chéng)。

总(zǒng)的(de)来(lái)说(shuō)，建(jiàn)造(zào)海(hǎi)底(dǐ)实(shí)验(yàn)室(shì)的(de)难(nán)度(dù)不亚于建造"天宫"。

从(cóng)目(mù)前(qián)公(gōng)布(bù)的(de)信(xìn)息(xi)来(lái)看(kàn)，这(zhè)套(tào)装(zhuāng)置(zhì)主要(yào)包(bāo)含(hán)“海(hǎi)底(dǐ)实(shí)验(yàn)室(shì)分(fēn)总(zǒng)体(tǐ)”、“保(bǎo)真(zhēn)模(mó)拟(nǐ)分(fēn)总(zǒng)体(tǐ)”和(hé)“保(bǎo)障(zhàng)支(zhī)撑分总体”三部分，总建设周期为 5 年。

海底实验室分总体是装置的核心，由5个串联的钛合金球体构成，长度达 33 米，宽和高均在 7 - 8 米左右，排水量 600 吨，内部体积相当于 3 个中国空间站大小。其内部配备了完备的生命保障和应急逃逸以及高精度传感器、显微成像系统和原位采样设备，最多可支持 6 人（3 名操控人员、3 名科学家）在 2000 米深的海底进行连续 30 天冷泉生态系统的生物群落（如管状蠕虫、菌(jūn)席(xí)）、甲(jiǎ)烷(wán)渗(shèn)漏(lòu)动(dòng)态(tài)及(jí)可燃冰（天然气水合物）形成过程进行实时原位观测（画面补充信息：在研究对象所处的自然环境中（如深海、极(jí)地），对目标参数进行 ‌连续、动态、无干扰的监测与记录）与干预实验。

海底实验室分总体

保真模拟分总体是"冷泉生态系(xì)统(tǒng)研(yán)究(jiū)装(zhuāng)置(zhì)"在(zài)陆(lù)地(de)上(shàng)建(jiàn)立(lì)的(de)深(shēn)海(hǎi)环(huán)境(jìng)模(mó)拟(nǐ)系(xì)统(tǒng)。包(bāo)含(hán)冷(lěng)泉(quán)舱(cāng)和(hé)可(kě)燃(rán)冰(bīng)舱(cāng)两(liǎng)大(dà)核(hé)心(xīn)模(mó)块(kuài)。其(qí)中(zhōng)，冷(lěng)泉(quán)舱(cāng)的(de)球(qiú)舱(cāng)内(nèi)径为(wèi) 5 米(mǐ)，柱(zhù)舱(cāng)内(nèi)径为(wèi) 3 米(mǐ)，水(shuǐ)体(tǐ)总(zǒng)高(gāo)度(dù)为(wèi) 15 米(mǐ)，最(zuì)大(dà)工(gōng)作(zuò)压(yā)力(lì)可(kě)达(dá) 20 兆(zhào)帕(pà)，相(xiāng)当(dāng)于(yú)海(hǎi)底(dǐ) 2000 米(mǐ)的(de)压(yā)力(lì)，可(kě)精(jīng)确(què)复(fù)现(xiàn)冷(lěng)泉(quán)区(qū)的(de)物(wù)理(lǐ)化(huà)学(xué)条(tiáo)件(jiàn)（如(rú)温(wēn)度(dù)、盐(yán)度(dù)、硫(liú)化(huà)氢(qīng)浓(nóng)度(dù)）。冷(lěng)泉(quán)舱(cāng)还(hái)支(zhī)持(chí)冷(lěng)泉(quán)生(shēng)态(tài)系(xì)统(tǒng)全生(shēng)命(mìng)周(zhōu)期(qī)模(mó)拟(nǐ)，包(bāo)括(kuò)生(shēng)物(wù)群(qún)落(luò)发(fā)育(yù)、甲(jiǎ)烷(wán)氧(yǎng)化(huà)过(guò)程(chéng)及(jí)自(zì)生(shēng)碳(tàn)酸(suān)盐(yán)岩(yán)形(xíng)成(chéng)。

可(kě)燃(rán)冰(bīng)舱(cāng)可(kě)模(mó)拟(nǐ)可(kě)燃(rán)冰(bīng)成(chéng)藏(cáng)与(yǔ)分(fēn)解(jiě)过(guò)程(chéng)，研(yán)究(jiū)其(qí)开(kāi)采后(hòu)的(de)环(huán)境(jìng)效(xiào)应(yīng)（如(rú)甲(jiǎ)烷(wán)泄(xiè)漏(lòu)对(duì)海(hǎi)洋(yáng)酸(suān)化(huà)的(de)影(yǐng)响(xiǎng)），为(wèi)可(kě)燃(rán)冰(bīng)安(ān)全开(kāi)发(fā)提(tí)供(gōng)实(shí)验(yàn)依(yī)据(jù)。

保(bǎo)真(zhēn)模(mó)拟(nǐ)分(fēn)总(zǒng)体(tǐ)相(xiāng)当(dāng)于(yú)在(zài)陆(lù)地(de)建(jiàn)的(de)海(hǎi)底(dǐ)实(shí)验(yàn)室(shì)。科(kē)研(yán)人(rén)员(yuán)可(kě)根(gēn)据(jù)观(guān)测(cè)数(shù)据(jù)，对(duì)可(kě)燃(rán)冰(bīng)形(xíng)成(chéng)的(de)物(wù)理(lǐ)、化(huà)学(xué)和(hé)生(shēng)物(wù)过(guò)程(chéng)及(jí)其(qí)相(xiāng)关机(jī)制(zhì)、可(kě)燃(rán)冰(bīng)开(kāi)采过(guò)程(chéng)，以(yǐ)及(jí)冷(lěng)泉(quán)生(shēng)态(tài)系(xì)统(tǒng)全生(shēng)命(mìng)周(zhōu)期(qī)的发育演化进行全方位的仿真模拟。通过将海底实验"搬到"陆地开展复刻实验研究，为深入探究冷泉生态系统提供了更加便捷、可控的实验环境。

保真模拟分总体

保障支撑分总体包括水面保障母船和研发与智慧管理中心。水面保障母船设计排水量为9380吨，能够执行600吨级海底实验室的收放与保障作业。该母船承担着为整个研究装置提供物资补给、人员运输、数据传输和动力供应（水下供电）等关键保障任务，确保海底实验室和各项设备持续稳定运行。研发与智慧管理中心则负责冷泉装置系统的日常运维管理和科学研究的整体统筹，推动项目高效开展。

保障支撑分总体

整套装置采用"样地实验与陆地模拟相结合，实现海陆协同和时空互换"的设计思路。由于海底实验受到时间窗口和极端环境的限制，陆地模拟设施能与海底实验室形成互补关系。这种"时空互换"模式不仅可以延长研究周期，还能扩大实验参数范围——例如模拟百年尺度的冷泉演化过程，或研究极端气候事件对甲烷释放的影响。

冷泉生态系统研究(jiū)装(zhuāng)置(zhì)是全球首个专门研究海底冷泉系统的大科学装置，标志着我国在深海科技探索上又一重要里程碑。该装置的建设将推动生命科学、能源勘探和地球化学等领域的重大突破，不仅为可燃冰等清洁能源的开发提供科学依据，还能帮助我们深入理解生命在极端环境下的适应机制。当科学家在海底实验室凝视化能合成生命的微光时，他们探索的不仅是深海奥秘，更是人类文明与自然共生的终极答案。

本文为·创作培育计划扶持作品
作者：邢焕秋 科普作者

审核： 夏少红 中国科学院南海海洋研究所 冷泉生态系统研究装置工程建设指挥部 副总指挥/总经济师

出品：中国科协科普部

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