2021年1月26日，国际著名地学杂志《Geology》在线发表我室钟广法教授与合作者中科院深海科学与工程研究所彭晓彤研究员的研究论文：“Transport and accumulation of plastic litter in submarine canyons—The role of gravity flows”。该文报道了过去3年通过“深海勇士”号载人深潜考察在西沙北海底峡谷（图1）所获得的关于深海底栖大塑料垃圾（macro-plastics）分布与搬运机制方面的新发现。
图1 （A）南海西北部海底地形、海流分布及西沙北海底峡谷位置示意图（底图据广州海洋地质调查局，2015）；（B）西沙北海底峡谷水深等值线图，示深潜路径分布；（C）海底沉积物柱状样粒度分析结果。
西沙北海底峡谷中，底栖大塑料垃圾的分布主要表现为以下两种形式（图2-3）：一是分散状；二是聚集成为垃圾堆。统计分析表明，底栖塑料垃圾的分布具有高度的不均匀性，高达89%的塑料垃圾集中分布在该峡谷中游3个大冲坑中。垃圾堆的长度为2–61 m，平均宽度和平均高度分别介于0.5–8 m和0.1–1.2 m之间（图2）。在大漂砾或其他地形突起附近，塑料垃圾集中分布在其上游侧（图2I-K），可见高角度~近直立状、长轴平行于流向、扁平面逆流倾斜的叠瓦状排列（图2C-D），指示明显的顺流重力流搬运特征。此外，多数垃圾堆在冲坑中并未分布在冲坑底部的最深处，而是在冲坑下游逆流倾斜的斜坡部位。这种特殊的分布样式可以用超临界浊流动力学理论加以合理解释，即从冲坑上游陡坡带倾泻下来的高速超临界浊流，在到达坡底冲坑最深处时发生水跃（hydraulic jump），之后转变为低速亚临界流，从而导致垃圾大量堆积在冲坑下游逆流倾斜的斜坡带上。冲坑底部沉积物的粒度分析表明，谷底沉积物主要由泥质粉砂夹砂质粉砂浊流沉积组成，为上述解释提供了沉积学证据。
图2 （A-B）多波束地形图，示塑料垃圾堆在冲坑1（A）和冲坑2（B）中的分布。（C-M）典型塑料垃圾堆的深潜照片：（C）冲坑1垃圾堆20，bg为位于该垃圾堆下游翼的一大袋垃圾；（D）C中垃圾堆特写，显示大袋垃圾上游呈叠瓦状分布的片状塑料垃圾；（E-F）冲坑1中塑料与角砾的混合堆积，解释为碎屑流沉积；（G-H）最大垃圾堆（冲坑2垃圾堆17）中段特写，黄色圈出部分为高达5-6米高的树形大垃圾集合体；（I-L）2019年和2020年潜次拍摄到的同一垃圾堆（冲坑2垃圾堆15）的形状和垃圾组份的变化；bo为4-5米高的大漂砾，垃圾堆位于该漂砾上游侧；（K）冲坑2垃圾堆37，位于地形突起（to）上游侧；（L-M）冲坑2最大垃圾堆17下游段。白色箭头代表推测的流体流动方向。垃圾堆位置见图2A-B。
此项研究具有以下三方面的意义：（1）底栖塑料垃圾占海洋塑料垃圾的70%以上，是海洋污染物的主要来源，但其在海底的搬运和扩散机制并不清楚。前人提出了内潮、浊流等多种假说，但确切的证据仍很缺乏。本文通过载人深潜考察获得的关于底栖塑料垃圾的分布样式及其变化，为深海塑料垃圾的重力流搬运假说提供了重要证据。（2）深海底流活动不易观测，大塑料垃圾作为一种特殊的人造沉积物，具有天然沉积物所不具备的特点，如鲜艳的颜色、特殊的形状、较大的粒径（数十厘米甚至更大）和较低的密度，因此可以作为一种潜在的示踪剂，用于重建或追溯现代深海底流活动。（3）本文所发现的可以用流体动力学加以合理解释的深海底栖塑料垃圾的非均匀、聚集式分布特点，为未来监测乃至清理深海大塑料垃圾提供了可能。
图3 载人深潜断面上分散状垃圾和垃圾堆的分布特点。（A-D）过冲坑1的峡谷横断面T1-T4；（E）过冲坑1的峡谷纵断面L1；（F-I）过冲坑2的峡谷横断面T5-T8；（E）过冲坑2的峡谷纵断面L2。L.D.为垃圾密度；nlps为每桢图像上分散状垃圾的件数；AHDSL为高密度（>4 nlps）分散垃圾分布区。断面位置见图2A-B。
该项研究得到国家自然科学基金项目（91028003, 41676029和41876049）和国家重点研发计划（2016YFC030490）资助。
原文链接：https://doi.org/10.1130/G48536.1