科学观测实例

由于OOI在2016年6月才全面建成运营，目前巨量观测数据还在校正和处理过程中，很多观测成果尚未发表。本节略举一二，以展示海底观测网巨大的科学价值和应用前景。

1.5.1 Axial海底火山喷发

Axial海山是全球海洋历史上第一个被纳入海底观测网直接观测的海底火山。该火山在1998年喷发过一次。2011年4月6日，该海山顶部再次发生火山喷发，喷发熔岩跨火山口海底3km，并沿着东侧裂隙带延伸至少10km（图1-26）。由于产生的地震信号微弱，这次火山喷发并没有被美国国家地震台网监测到，直到2011年7月，美国NOAA组织的航次直接拍照火山喷发后的奇妙场景。火山喷发是炽热的岩浆在地下大量聚集所引起的。岩浆从地球深处喷涌而出，迅速填满火山下面的一个储液槽。当压力变得太大时，储液槽就像气球一样破裂，使岩浆喷出，海床落下，直至储液槽重新开始注入岩浆。这个循环是短暂的，但有规律可循。研究人员根据附近的海床正在快速抬升，2014年9月就预测到Axial火山将在2015年再次爆发。对于OOI来说，这是一个绝佳的时机，为此急切希望OOI计划能够尽快建成，可以第一次向人类展示海底火山爆发的现场直播。2014年，该项目完成了将Axial火山缆系观测节点上包括地震仪、压力和温度传感器、质谱仪在内的仪器连接到通往岸边的脐带电缆的工作。如果这座火山爆发，OOI科学家做好实时捕捉的准备。果不其然，2015年4月23日，也就是在华盛顿大学和其他研究机构铺设完成OOI区域缆系观测网仅仅几个月之后，水下地震仪就检测到了Axial海底火山下方巨大的地震峰值信号，小规模地震开始以每天近8000次的速率进行，比之前增加了将近10倍，预示着位于俄勒冈海岸300英里（482.8km），水深约1600m的海底火山即将喷发。

图1-26 Axial海山地形斜视图

2011年的火山喷发给火山口地形带来巨大的改变，地形跨火山口延伸3km（白色线）并向南沿着隆起系统扩展。橘色点代表由于火山喷发后产生“吹雪”的位置（Kelley， 2014）

图1-27 OOI区域网Axial海山顶部缆系水下观测节点布放的仪器（a）及拍摄到的火山喷发后的景象（b）

在接下来的24小时内，在观测网上所布放的仪器共记录了约8000次的余震。之后，地震突然消失，同时压力传感器所记录的信号也显示压力显著降低，而在过去几年中，压力传感器所显示的压力数据一直在持续增加。科学家对地震数据进一步分析，发现在Axial火山北部侧面检测了很多小的地震，水听器也同样记录到了类似的信号。华盛顿大学William Wilcock教授认为这很可能是由于下方岩浆脱气后所引起的地震。十分遗憾地是，由于负责数据管理和传播的“信息基础设施”项目工作进程一再推迟，这次绝佳的海底火山喷发场景并未实现现场直播。正如华盛顿大学海洋学家John Delaney所说：“如果大自然母亲再等上三个月，一切都将尽收眼底。”

2015年7月，以华盛顿大学Deborah Kelley教授为首席科学家的科研团队乘考察船来到Axial火山，依据观测网所提供的准确信息，找到新喷发形成的岩石，并利用ROV拍摄了非常好的枕状熔岩，新鲜的熔岩厚度超过40层楼高，而且热的流体仍然从海底裂隙中喷出，同时夹杂着大量的白色矿物和菌席。幸运的是，科学家们发现他们所布放的仪器设备无一受到损坏。除了地震仪和压力传感器外，在观测网上还连接有其他仪器，包括测量地面倾斜、水温、溶解氧浓度和化学物质组分的仪器，还有一些设备和传感器可采集并分析微生物DNA，采集不同深度的水体样品。Kelley教授希望能找到地震、火山喷发和在这些极端环境中生存的微生物之间的关联，而这有可能为我们解释地球上生命起源以及其他星球上是否存在生命提供有价值的线索。

1.5.2 墨西哥湾流暖涡流入侵陆架坡折

早在2006年，科学家们通过卫星图像，观测到了一个狭长的墨西哥湾暖涡环（warm-corering）沿着大陆架边缘入侵，从马萨诸塞州延伸数百千米到达远处的哈特拉斯角（图1-28），后续的卫星图像资料显示2007—2014年冬季和春季发生了五个类似的入侵事件。很多科学家对这种入侵现象感到非常吃惊：因为通常情况下，墨西哥湾流海水温暖且密度轻，和大陆架冰冷的海水不会发生大规模的入侵。要解决这个谜团需要科学家进一步深入的观测研究。可是传统的卫星遥感只能观测到海洋表面现象，无法获取表层以下海水入侵过程的相关数据。

图1-28 卫星图显示墨西哥湾暖涡流环（warm-corering）（红色）入侵大陆架（蓝色） （Zhang，Gawarkiewicz， 2015）

幸运的是，2014年4月，OOI近岸网先锋阵列布放的滑翔机对该海域进行了大断面准实时监测，获取了2014年4月—5月的三维温度、盐度、密度剖面数据，直观地显示了暖涡流环垂向结构的时空变化特征（图1-29）。

图1-29 OOI近岸网先锋阵列滑翔机在2014年4月25—28日和5月8—13日期间观测到的温度、盐度变化图（Zhang，Gawar-kiewicz，2015）

科学家们将墨西哥湾暖涡流入侵陆架坡折现象命名为“皮诺丘的鼻子入侵”（Pinocchio's Nose Intrusions，PNI），并认为是由于温暖的水体在陆架坡折段产生的锋面造成的。但Zhang&Gawarkiewicz（2015）认为PNI是一种假象，理由是若入侵是由于陆架坡折处的锋面过程造成的，那么这种过程只可能发生在海表的浅薄层。但通过分析先锋阵列布放的滑翔机采集的观测数据，显示这次入侵深度达100m水深，几乎延伸到海底。究其原因，一般认为海水密度受盐度控制，陆架水要比远岸陆坡水更淡，因此陆架水盐度要比远岸陆坡水低。然而，在PNI事件期间，由于陆架水和远岸陆坡入侵海水存在巨大的温度差异（约25—30华氏度），陆架水却比远岸陆坡水密度还要大。墨西哥湾水流温暖，所以海水的密度受温度控制，入侵的海水盐度虽高，但是密度却小。形成于深海的旋转暖涡环最终会与墨西哥湾流分离，沿着西北方向流向更浅的大陆坡。暖涡环的外侧首先到陆坡，然后受抬升的海底挤压。一旦到陆架，它们沿着陆架边缘流向西北方，形成了鼻子的形状。最后，入侵延伸停止，薄的细流从“鼻子”的北侧出来渗入陆架上更深的地方。

由于湾流海水具有高温、低营养盐等特征，来自湾流涡环的海水将对陆架坡折海域的生物地球化学过程和生态系统产生重要的影响，可能改变局地海洋生物的迁徙或者降低渔业生产量。具体来讲，PNI过程可能会促进春季幼鱼的迁移，如美国鳗鱼可穿越陆架坡折障碍，到达陆架上，然后游向沿海河口，这对鳗鱼的生长和繁殖至关重要。因为幼年鳗鱼在PNI的作用下，可以从热带产卵场游到河口和美国东北岸边的淡水栖息地，可以避免在墨西哥湾水流入侵到陆架过程中被冲刷走，从而提高成活率。但是对于其他物种，这种入侵由于会携入低营养的墨西哥湾表层水，抑制冷的、密度大的富营养水上涌，从而减少区域性生物生产率，导致不能成为富饶的渔场。