首幅全景海底地形圖的成型

張涵科，顏冰

①國防科技大學 軍事基礎教育學院，長沙 410073；②國防科技大學 氣象海洋學院，長沙 410073

從大陸漂移說和海底擴張說基礎之上發(fā)展起來的板塊構造說是地球科學領域的革命性理論。然而，魏格納在1912年首次提出大陸可以漂移時卻遭到了學術界強烈的反對，并且在此后的幾十年里大陸漂移說一直被認為是天方夜譚的“另類學說”。關于大陸漂移說的爭論，很大程度上是當時人們對占地球表面積70%以上的海底地形一無所知造成的。雖然我們現(xiàn)在知道海底地貌像陸地一樣，有高高聳起的山脈，有比大峽谷深數(shù)倍的海溝，也有像地板一樣平坦的深海平原。但是，在海底地形圖誕生之前，由于地球上97%的水都覆蓋在海底之上，人類難以窺其真貌。在人類探索海底的過程中， Marie Tharp(1920—2006)和Bruce Heezen(1924—1977)兩位科學家值得被人們銘記，他們從20世紀50年代開始數(shù)十年如一日地觀測研究海底，并在1977年繪制出世界上第一張完整的海底地形圖，顛覆了人類對海底的認知，為板塊構造說提供了“硬核”證據[1]。

1 海底地形圖的誕生過程

1.1 早期的探索與積累

早在19世紀中期，人類就已經拉開探測海底的序幕，麻繩、鉛錘甚至炮彈都是早期測量海底深度時用的工具。當時最具代表性的人物是美國海軍圖械庫的Matthew Fontaine Maury (1806—1873)，他使用麻繩、鉛錘等工具測量海底深度，獲得了200組最大水深可達1 000英尋(1英尋≈1.828 8 m)的測量數(shù)據，并于1847年編繪北大西洋的等深線圖。他發(fā)現(xiàn)北大西洋洋底中心有一片高高隆起的區(qū)域[2]，將其稱之為海豚洋隆(dophin rise)，也就是后來Marie Tharp等人發(fā)現(xiàn)的大西洋中脊(mid-Atlantic ridge)。與M. F. Maury同時期的海底探測科學家還有英國的Charles Wyville Thomson (1830—1882)，于1872—1876年領導了一次名垂史冊的環(huán)球航行——“挑戰(zhàn)者號”環(huán)球航行(Challenger Expedition)。他曾數(shù)次穿越大西洋，并在所經過的航線中每隔100英里(1英里=1 609.334 m)進行一次測深，使用的工具僅僅是一根長麻繩上拴著重200磅(1磅=453.592 37 g)的鉛錘。C. W. Thomson測量后發(fā)現(xiàn)，M. F. Maury所說的海豚洋隆兩側的水溫有明顯的不同，并將其歸因于海底存在一道屏障阻擋了底層海水的流通。C. W. Thomson的測量結果雖然在某種程度上表明大西洋中心確實有類似高原一樣隆起的地形，但是很難得知海底的那道屏障到底是一座崎嶇蜿蜒的深?！案呱健?，還是一個平坦廣闊的深?！案咴?。

人們真正開始認識到大西洋中心那片隆起的“高原”實際上是蜿蜒崎嶇的山地，起因于1925—1927年德國科學家進行的一次海上氣象探測[3]。隨著回聲探測技術的出現(xiàn)，調查方式有了很大的改進，德國科學家采用“秒表法”(stopwatch)向海底發(fā)出聲學信號，并記錄信號從發(fā)出至反射回探測船的時間，以此計算深度。他們每隔20～25英里就進行一次探測，不僅測量深度，還對海底的鹽度、水溫、洋流等進行了探測，并獲得海量數(shù)據。對于這些用德語發(fā)表的數(shù)據，人們更多地關注了水溫、鹽度方面的信息，而其中有關大洋深度的數(shù)據很多年都沒有人研究，因此這一階段的海底探測對認識海底地形沒有根本性改變。

第二次世界大戰(zhàn)結束后，全世界再次掀起海底探測熱潮。1947年，哥倫比亞大學地質學系教師Maurice Ewing博士進行了一次巡回演講，旨在尋找專業(yè)知識豐富、能夠出海航行的人才來協(xié)助他從事海洋調查工作。在演講中，他展示了在百慕大洋隆(Bermuda rise)南部獲得地震折射波剖面圖的過程：探測人員在全速行駛的船上向海底投擲并引爆炸彈，然后采集炸彈的回聲反射數(shù)據，用這種方法直接獲得穿過沉積層直至海底的剖面圖。這次演講深深地吸引了當時正在愛荷華州立大學地質學專業(yè)讀本科的Bruce Heezen，因此當Ewing博士詢問他是否愿意一起去大西洋中心探險時，Heezen毫不猶豫地答應了，并以協(xié)助Ewing研究的名義正式加入海底探測隊伍。

Marie Tharp加入海底探測的過程則沒有那么順利。當時女性讀書求學面臨的阻礙遠遠大于男性，Tharp中學階段就曾輾轉于20多所學校。在1943年獲得俄亥俄州立大學音樂和英語學士學位之后，她獲得了一個去密歇根大學進修地質學的機會。這個專業(yè)本來只對男性開放，但是由于戰(zhàn)爭，名額出現(xiàn)空缺，Tharp才得到這個非常難得的機會。1944年她獲得碩士學位之后，又于1948年在塔爾薩大學獲得了數(shù)學學士學位。畢業(yè)后她在Ewing博士的項目中承擔一些數(shù)據處理和草圖繪制的工作，加入Ewing和Heezen的小團隊后，她才開始專門起草和繪制海底剖面圖。

1.2 洋中脊的發(fā)現(xiàn)

關鍵技術的突破對整個研究起至關重要的作用。第二次世界大戰(zhàn)期間，Ewing在美軍從事科研工作，但并未服役，他和同事共同研制出可以連續(xù)發(fā)射聲波的回聲探測器。戰(zhàn)后Ewing將回聲探測器應用到海底探測中，這樣海水深度探測就可以全天候、無間斷地進行。1948—1950年，Tharp和Heezen四次搭載Atlantis號探測船航行于大西洋中心，進行了成千上萬次深度測量。與之前的間斷性探測不同，這次測量可以說是沒有“放過”海底的任何一個角落，得到的是完整、連續(xù)的海底深度數(shù)據。非常有趣的是，因為這臺探測器功率太高，當船上電力系統(tǒng)不穩(wěn)定時它就會停止工作，甚至如果有人打開冰箱就有可能斷電，這時就會得到一個海底無限深的數(shù)據。

這次航行測得了數(shù)以萬計的海底深度數(shù)據。面對這些海量的數(shù)據，Heezen在規(guī)范了測深圖表繪制的標準后，把一系列后續(xù)整理和歸納的工作就交給Tharp，由她負責繪制成完整、高精度、能體現(xiàn)細節(jié)的圖表，并據此繪制出一系列海底的剖面圖。1952年，在專心處理這些數(shù)據后，Tharp按照Heezen和Ewing的要求繪制出6幅橫跨大西洋的海底剖面圖。在這6幅圖中，大西洋中脊在北美洲和歐洲之間、南美洲和非洲之間無比清晰地展現(xiàn)出來。每幅剖面圖中，大西洋中脊的形狀和輪廓都保持了驚人的相似性。Tharp還注意到，大西洋中脊的軸心位置除個別山脈外，絕大多數(shù)海底山脈都存在一個“V”形凹痕。據此，她猜測這些“V”形凹痕代表了大西洋中脊的頂部存在一個沿著中脊軸線蜿蜒曲折延伸的裂谷[4]。

當Tharp把她的發(fā)現(xiàn)告訴Heezen時，Heezen卻認為這是無稽之談，并直言她的發(fā)現(xiàn)聽起來太像大陸漂移說了。大陸漂移說在當時可以說是科學界的“另類學說”，幾乎所有人都認為它是不可信的。Heezen甚至戲稱Tharp的發(fā)現(xiàn)為“婦人之見”(girl’s talk)。但是，Tharp堅持自己的立場，始終認為洋中脊當中的裂谷是真實存在的，大陸漂移說也是成立的。地球深處物質從裂谷處涌出來形成洋中脊，將洋底一分為二，這恰好印證了洋中脊是大陸漂移的產物。Tharp和Heezen誰都不能說服對方，最終決定用全新的方式畫一幅不同于傳統(tǒng)等深線圖的海底地形圖，就像是將海水抽干后對暴露出來的海底畫的俯視圖。由于當時積累的航測數(shù)據不夠多，大西洋底的很多區(qū)域還是探測的盲區(qū)，因此他們的圖不足以反映海底的全貌，更不能成為支持洋中脊存在和大陸漂移說的關鍵證據。但是，這種新的畫圖方法令Tharp和Heezen很滿意，因為它可以更直觀地反映海底的每一處地形。之后，Tharp繼續(xù)用這種方法繪制地形圖，Heezen則繼續(xù)負責收集數(shù)據。

1.3 另一項關鍵證據

在Tharp一邊處理Heezen帶回的大量數(shù)據，一邊繪制海底地形圖時，Heezen參與的另一項調查為日后的研究提供了關鍵的證據。1929年，海底發(fā)生的一次地震導致大西洋中鋪設的電纜嚴重損壞，有關部門希望Heezen能通過科學計算給出重新鋪設電纜的最佳位置。Heezen雇傭美術學院的聾啞學生Howard Foster協(xié)助他在地圖上繪制出海底地震震中的位置。在那個沒有電腦的年代，F(xiàn)oster只能通過紙和筆徒手繪制、記錄數(shù)萬次的地震，而地震震中的位置有時只能確定在方圓幾百里的范圍內，數(shù)據往往很不準確。好在數(shù)據十分豐富，所繪制出的圖對地震的分布描述相對準確。Heezen注意到沿著大西洋中脊，地震震中的排列非常密集，幾乎是連續(xù)的。這個發(fā)現(xiàn)本身并不新奇，因為在1944年Beno Gutenberg和Charles F. Richter就已經繪出一條相似的淺海地震帶。當Heezen想進一步研究這些震中的排列時，他把這張震中分布圖和Tharp的海底地形圖重合在一起觀察(應Heezen的要求，所有有關海洋的圖表大小、規(guī)格都是統(tǒng)一的)，發(fā)現(xiàn)一連串的震中不偏不倚、整整齊齊地排列在洋中脊的裂谷中。Heezen開始接受洋中脊存在裂谷的事實，而此時距離Tharp向他提出這個觀點已經過去了8個月。這個發(fā)現(xiàn)極大地激起Tharp和Heezen的研究興趣，Gutenberg和Richter的研究也顯示全球像大西洋中脊這樣的地震帶不止一條。Heezen猜測若干條這樣的洋脊構成一個遍布全球、龐大的“海底山脈”系統(tǒng)，大西洋中脊可能僅僅是其中的一條。于是，他們利用地震和裂谷的相關性大膽地猜測凡是有密集地震記錄的海域都存在海底裂谷，比如密密麻麻的震中分布顯示在狹長的亞丁灣也可能會有裂谷存在，甚至東非大裂谷也可能是海底裂谷在陸地上的延伸。

大陸上的裂谷直觀可見，但是海底的裂谷即便有地震帶的佐證，其形態(tài)僅展現(xiàn)在當時很有限的幾組剖面圖上，很難確定剖面圖上的“V”形裂口是否為制圖過程中的誤差或巧合。這些剖面圖到底能不能真實地反映裂谷的特征？Heezen認為東非大裂谷可能是一個關鍵的突破口，他讓Tharp收集關于東非大裂谷的地震、地形資料，用以往的方法在地圖上標注東非大裂谷中發(fā)生過的地震的震中位置，將畫出的幾組剖面圖和之前洋中脊的剖面圖進行比對，希望能通過尋找陸上裂谷和海底裂谷的相似性來進一步印證他們的猜測。結果不出所料，東非大裂谷和洋中脊的裂谷不僅在剖面圖上顯示出很高的相似性，地震震中的分布也驚人一致。通過這樣的類比研究，Heezen確信洋中脊存在裂谷的事實，而且他與Tharp更加相信在地球上有蜿蜒連綿、橫跨陸地海洋的“裂谷系統(tǒng)”[5]。

1.4 第一幅海底地形圖

1953年，Tharp開始致力于繪制大西洋的海底地形圖。對于數(shù)據豐富的北大西洋，她重新歸納了Heezen帶回的數(shù)據；對于數(shù)據比較稀缺的南大西洋，她采用了上文所提的德國科學家在1925—1927年間獲得的海上探測數(shù)據。這些數(shù)據雖然比較老舊，精度也有限，但是也足以揭示洋中脊的確貫穿了大西洋，延伸到南大西洋，洋中脊確有裂谷的存在。不同的是，南部的洋脊窄而崎嶇，北部的洋脊相對寬而低緩一些。與此同時，Tharp注意到來自其他國家海洋調查團隊的新航測數(shù)據也顯示，印度洋[6]、阿拉伯海、紅海和亞丁灣也存在脊狀海底山脈。美國海軍探險隊在東太平洋也發(fā)現(xiàn)了一個巨大的南北走向的海底山脊系統(tǒng)。當時，Tharp設想若能收集足夠多的數(shù)據就可以繪制出全球的海底地形圖，海底的種種特征就會栩栩如生地展現(xiàn)在世人眼前，橫貫全球的洋中脊系統(tǒng)也能一目了然地體現(xiàn)在一幅圖上。這種想法令她更加專注于眼前的工作，日復一日、專心致志地進行繪圖工作(圖1)。

圖1 伏案工作的Marie Tharp (圖片來自：https://marietharp.ldeo.columbia.edu/about-marie-tharp)

在1956年的美國地球物理聯(lián)盟年會上，Heezen宣布了他與Tharp關于大洋中脊的發(fā)現(xiàn)。當時學術界大多數(shù)人對他們的發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度，很大一部分原因是這個發(fā)現(xiàn)太像大陸漂移說了，甚至他的導師Ewing也開始不相信他們的研究結果了，這使Tharp和Heezen很難繼續(xù)開展這個方向的研究。Tharp開始明白繪制的海底地形圖的重要性，他們太需要一張圖來展示裂谷到底在哪里、形狀如何、向哪里延伸。在大家都對大陸漂移說持有懷疑態(tài)度之時，一幅海底地形圖能體現(xiàn)他們研究的意義，讓世人相信他們的發(fā)現(xiàn)。

終于在1957年，他們出版的第一幅北大西洋海底地形圖在學術界引起很大的轟動。而后，Heezen在普林斯頓大學做了一次關于海洋中裂谷系統(tǒng)的報告，用地球儀粗略地展示世界各地的洋中脊及裂谷，此時他與Tharp的研究成果已經得到了更多人的認可。1959年美國地質學會重新印制了這幅圖，使這張圖的流傳更加廣泛。同年舉辦的國際海洋大會上，曾經不相信他們研究成果的Jacques Cousteau展示了他用水下攝影機拍攝的大西洋海底裂谷的影像。至此，他們的研究得到了學術界的廣泛認可。

1.5 從一片海洋到另一片海洋

步入20世紀60年代，逐漸豐富起來的海底測深數(shù)據，不僅分擔了Heezen的航測壓力，而且Tharp通過整合這些數(shù)據進行相互印證，大大提高了制圖的準確性。這段時間他們工作的重心在南大西洋[7]，以Heezen在Vema號調查船上取得的數(shù)據為基礎，綜合國際水道測量組織開發(fā)的通用大洋水深制圖取得的數(shù)據和德國科學家早期進行的那次海上氣象調查的數(shù)據，他們在1961年出版了南大西洋的海底地形圖。

本來Tharp和Heezen打算下一步研究地中海，但是因為當時迫切需要一幅印度洋的海底地形圖來幫助規(guī)劃國際印度洋遠征，所以他們把目光轉向印度洋[8]。在這段時期，他們的研究并不順利，因為Heezen和Ewing之間產生了非常尖銳的矛盾，Heezen被禁止使用研究所里的調查船出海，甚至連之前獲得的數(shù)據Heezen都無法使用，Tharp則被Ewing解雇了。這些困難沒有阻止他們的研究進程，Heezen積極地和全球其他調查機構建立聯(lián)系，希望能乘坐他們的調查船出海調查，并以個人名義重新雇傭Tharp，幫助他繼續(xù)繪制海底地形圖。

1964年，美國《國家地理》雜志聘請Tharp和Heezen為顧問繪制印度洋海底地形圖，與他們一起工作的還有一位來自奧地利的以擅長畫高山全貌圖著稱的畫家Heinrich Berann。在繪制印度洋海底地形圖的過程中，他們得到國際上很多調查機構的幫助。即便是處于美蘇冷戰(zhàn)期，Heezen仍然從蘇聯(lián)科學家那里得到了ОЬ號和Vityaz號調查船取得的高質量的印度洋海底測深數(shù)據。除了這些，他們還得到日本科學家在開普敦和南極洲之間獲得的探測資料，并且收集了來自英國、澳大利亞、南非的數(shù)據以及美國的其他幾所研究機構的零星數(shù)據。他們沿用之前的制圖風格與方法對印度洋海底的全景進行繪制。1967年，他們三人發(fā)表了印度洋底的全景圖。

1973年，Heezen向美國海軍提交繪制世界海底地形圖項目的提案。他們這次基本沿用了之前的繪圖方法和風格，但是簡化了一些工作以適應繪制世界海底地形圖所要求的更小的比例尺。與此同時，Heezen和Tharp對多年積累下來的大量數(shù)據進行了整理、檢查和修正，對數(shù)據有所欠缺的海域繼續(xù)開展巡航調查。進入20世紀70年代，世界海洋調查活動空前頻繁，而他們的工作相較以往要簡單得多。不同于之前大西洋、印度洋海底地形圖的繪制主要依靠Heezen出海探測的數(shù)據，此次世界海底地形圖繪制所用的數(shù)據不僅限于Heezen出海探測的數(shù)據，還有美國海軍提供的潛艇測深數(shù)據。Heezen甚至還獲得登上美國海軍核潛艇的許可。豐富的數(shù)據來源，不僅很大程度上減少了Heezen的工作量，同時也使Tharp的繪圖精度得到空前提高。終于Tharp和Heezen在發(fā)表大西洋海底地形圖20年后，1977年出版了《世界海底地圖》(World Ocean Floor Map)。令人惋惜的是僅僅幾個月后，Heezen搭乘NR-1號潛艇在冰島附近調研大西洋中脊時，因心臟病突發(fā)不幸去世。1983年，Tharp從哥倫比亞大學退休，之后在紐約開了一家地圖制作公司繼續(xù)她的制圖生涯。1997年，美國國會圖書館評選Tharp為20世紀最偉大的四位制圖師之一；2004年哥倫比亞大學設立了以她名字命名的獎學金，旨在為世界各地的女性科學家提供在哥倫比亞大學深造的機會。

圖2 世界海底地圖(圖片來源：http://hdl.loc.gov/loc.gmd/g9096c.ct003148)

2 繪圖方法

Tharp和Heezen生活的年代科技不夠發(fā)達，加之海上調查情況多變，即便同一艘調查船所獲得的數(shù)據質量也是參差不齊的。在繪制海底地形圖之前，Tharp會把數(shù)據分成三類：①高精度連續(xù)數(shù)據；②精度不太高的連續(xù)數(shù)據；③低質量數(shù)據。Tharp大多使用前兩類數(shù)據，除非數(shù)據極度短缺，否則不使用第三類數(shù)據。

Tharp制圖的步驟主要有以下幾步[2]：第一步，將原始數(shù)據包括探測船的經緯度坐標、從回聲探測儀開始工作起所記錄的時間和與之相對應的深度數(shù)據，整理成表格；第二步，繪制以距離為橫坐標(比例尺為1∶1 000 000)、以深度為縱坐標的深度表和以經度為橫坐標、緯度為縱坐標的探測船進行回聲探測的航跡圖(比例尺為1∶5 000 000)；第三步，在航跡圖的基礎上將深度表中地形特征沿著航跡繪制出來，即整合第二步中兩張圖表上的信息繪制地形圖。地形圖和航跡圖的比例尺同為1∶5 000 000，不同的是，地形圖的垂直方向上Tharp將垂直特征以20∶1的比例夸大顯示。Tharp按照這個步驟一條航跡接著一條航跡地繪制，最終“拼接”出海底的全貌。值得一提的是，作為女性，Tharp從來沒有獲得過登上調查船的機會，一直在實驗室默默地、辛勤地制圖。

3 科學意義

Tharp和Heezen繪制的首幅《世界海底地圖》是系統(tǒng)性的研究成果，具有劃時代的意義，是人類在海洋調查領域邁出的關鍵一步，而他們的貢獻也遠不只是直觀地反映了海底的地形。首幅海底全景圖在當時顛覆了人類對海底地形的認知，并且對之后人類開展海洋調查研究，以及海底擴張、板塊構造等理論的形成影響極其深遠。

Tharp和Heezen的工作讓世人首次看清了海底全貌，證明海底不是空空如也、一馬平川，而是像陸地一樣形態(tài)各異、波瀾壯闊。他們不僅幾十年如一日地繪制海底地形圖，作為地質學家他們將海底分為大陸邊緣、大洋盆地和大洋中脊三大類地質單元。在此基礎上，他們又細分了23個次級地質單元，并對其特征及分類依據分別加以闡述[9]。他們所建立的這套分類體系準確、詳實，對海底特征概括全面，至今仍在沿用，為海洋地質調查奠定了良好的基礎。

Tharp和Heezen研究成果的意義在于海底全景圖不僅為大陸漂移說提供了直接證據，而且進一步引出海底擴張說和板塊構造理論[9]。他們兩人的研究可謂“撬動了地質學的基石”，真正意義上顛覆了人類對地球的認知。自Tharp發(fā)現(xiàn)大西洋中脊開始，Tharp和Heezen的研究就在為大陸漂移說提供源源不斷的證據。他們可謂一直在與當時學術界的主流觀點“唱反調”，并最終獲得認可。如果說大西洋中脊存在的證據不夠充分，他們就把整個大西洋海底畫成了地圖；如果說大西洋中脊僅是巧合，他們便繪制了印度洋的海底地形圖；如果這樣還不足以說服學術界，他們干脆就把整個世界的海底繪制成圖！最令人佩服和尊敬的是，Tharp和Heezen始終立場堅定，當連Heezen的導師Ewing都不理解、不支持時，他們仍能沉住氣想方設法堅持研究，盡全力把真實的海底樣貌公之于眾。

《世界海底地圖》在地學領域意義重大，但受當時技術所限此圖也存在一定的局限性。汪品先院士在《深海淺說》[11]一書中談到：“(此圖在)大洋中脊的位置、大西洋和西南印度洋中脊‘鱷魚背’形狀的粗糙形態(tài)都是對的，但是東太平洋和東南印度洋的中脊完全不同，并沒有那種‘鱷魚背’的粗糙，而是來自當時作者的想象。”實際上，采用聲吶制圖測線間距寬，面對如此巨大的海洋面積，測量完全覆蓋必然不可能。即使在今天我們采用重力場衛(wèi)星和回聲測深相結合的方法，絕大部分海底仍然缺少詳細的地形圖。

4 結束語

回首人類探測海底的歷程，從最早的麻繩、鉛錘、炸彈，到今天先進的重力場衛(wèi)星、潛艇以及各種樣式的探測儀器，雖然時間不算悠久，但是過程不可謂不曲折。Tharp和Heezen數(shù)十年的堅守令人肅然起敬，他們?yōu)榈刭|學和海洋科學發(fā)展作出了卓越的貢獻。人類對海底的好奇心從未減弱，展望未來，隨著研究技術和手段的日新月異，對海底的探測將永不停歇。

(2021年11月15日收稿)■