2011-2018年，国家自然科学基金委员会设立“南海深部过程演变”重大研究计划，同时推动实施了三次半的大洋钻探航次，使南海进入国际深海研究的前列，在深海盆洋陆相互作用、边缘海盆地的板缘张裂和气候演变的低纬驱动等3方面取得了突破性进展，挑战了源自西欧、北大西洋的传统观念。深海探索的进展，确立了中国在南海科学上的引导地位，下一轮的深入研究可望将南海建成世界海洋科学的天然实验室，进一步提升中国在海洋基础研究中的国际地位。

中国南海是一个半封闭、深海盆、多岛屿（海山）、多连通的边缘海，南海深层水十分活跃，更新时间快，具有典型的南海深层环流特征。综述了目前海洋学家对南海深层水的认知，厘清了南海深层水的来龙去脉，并阐述了南海深层环流的特色。

深海风暴是高悬浮颗粒浓度水体在深海近海底的快速运动，能够损坏甚至摧毁一切障碍物，改变海底地形，影响深海底栖生态环境，但对其发生过程和沉积记录的认识尚缺乏原位观测研究。选择南海东北部台湾岸外高屏海底峡谷堤岸，通过布放锚系原位观测了2016年9月一次由浊流活动引发深海风暴的沉积物弥散发生过程，发现其表现为近海底悬浮颗粒浓度快速增加，并伴随温度升高和盐度降低。研究认为，深海风暴的沉积物弥散是海底峡谷沉积纹层形成的主要动力过程。

基于多年观测研究，南海CO₂源汇及其时空格局的总体特征是：南海海盆是大气CO₂的弱源区，年均海-气CO₂通量为2.1±0.3 mmol·m^-2·d^-1；而南海北部陆架是碳汇区，年均CO₂通量为-2.2±3.5 mmol·m^-2·d^-1；南海总体上每年向大气释放的碳量为1330万±1880万t。由于南海位于陆地-大洋交界带，存在多个界面过程，根据物质交换发生的不同界面，可将南海海盆和北部陆架视为大洋主控型边缘海（OceMar）和河流主控型陆架海（RiOMar）。这两类系统分别接受大洋和河流输入的外源无机碳和营养盐，经由一系列动力过程进入真光层后同时被生物消耗，无机碳和营养盐之间的“竞争”最终决定CO₂源汇格局。在南海海盆，无机碳相对过剩，部分以CO₂形式向大气释放，即为源；而在南海北部陆架，无机碳相对不足，系统需从大气补充CO₂，即为汇。南海碳循环机理及其框架对于更好地理解全球其他陆架边缘海系统具有重要的借鉴意义。

南海深部计划与国际大洋钻探航次取得了一系列创新进展与重大突破：1）发现南海陆缘岩石圈减薄之初未出现地幔蛇纹岩出露，且岩浆迅速出现；2）新提出南海不是“小大西洋”，而是“板缘张裂”盆地，与经典的大西洋型“板内张裂”陆缘模式不同；3）揭示南海受到俯冲带的强烈控制，提出俯冲诱发地幔上涌并影响南海岩浆活动。

南海中部存在巨大的中南断裂将南海海盆分割为东-西两部分，至少自1亿年以来，在沉积环境与沉积厚度、洋陆边界的属性与特征、大陆破裂的时代、岩浆活动的来源与程度、减薄大陆架和大陆坡的宽度、洋壳年龄与磁性层结构、磁异常条带特征、岩石化学等诸多方面都存在巨大差异，它们主要受控于早期地质构造背景的差异、东西部大陆减薄伸展速率的变化以及海底扩张的构造环境的不同，并深刻影响了之后的区域沉积分区和沉降特征。

南海存在两种火山岩：洋中脊玄武岩（MORB）和洋岛玄武岩（OIB）。国际大洋发现计划（IODP）第349、367、368、368X航次在南海海盆的成功钻取，获得了南海初始扩张（~34 Ma）和停止扩张（~15-16 Ma）前的洋壳样品。南海东部、西南次海盆及北缘洋-陆过渡带代表海盆发展的不同阶段，具有不同的地幔潜能温度、物质组成和洋脊扩张速度，因此产生的洋中脊玄武岩成分差异显著。南海地区在扩张晚期及停止扩张之后存在大规模地幔上涌，与其周缘地区的持续俯冲有关，产出的海山OIB不同于地幔柱活动产生的火山链。南海虽小，但蕴含的信息异常丰富，是窥探地球深部难得的天然窗口。

南海在距今34 Ma之前的始新世从陆地变为海洋，古水深不断加深，至距今24 Ma之前的中新世/渐新世之交，由于T60构造运动，南海海盆整体进入深海环境。但是，自中新世以来随着吕宋岛弧向欧亚板块碰撞，南海海盆的半封闭程度在距今10.0、6.5、3.0和1.2 Ma之前加剧，导致南海深部海水只能来自巴士海峡海槛深度2600 m以浅的太平洋。此后，巴士海峡两侧的南海与太平洋深部海水交换，由于全球海平面变化，呈现冰期/间冰期模式。

珠江在早渐新世仅是涉及华南沿海地区的小河；到晚渐新世，向西延伸到云贵高原前缘地带；到中新世，现代珠江流域格局初步形成。证据显示，南海北部还发育过一条源自南海西部隆起区的大型水系-昆莺琼古河，后淹没在南海之中，但在南海的沉积充填过程中扮演了重要角色。南海北部水系及沉积环境的重建，对于深刻认识南海新生代早期古地理特征以及该地区的油气勘探均具有重要意义。

依据大洋钻探井及地震剖面资料，定量确定南海同扩张期和后扩张期深海盆沉积充填差异及沉积物来源变化。研究显示，南海深海盆自渐新世（32 Ma）开始形成，随着南海二次扩张海盆范围逐渐扩大，海盆内主要充填火山碎屑角砾岩及火山灰，碳酸盐岩、超微化石软泥，泥质粘土、粉砂质粘土、泥岩及粉细砂岩。深海盆充填主要沉积物为晚中新世（11.6Ma）以来的陆源碎屑沉积，丰富陆源碎屑的供给与南海闭合过程中同期区域构造事件（如青藏高原快速隆升、菲律宾板块俯冲）密切相关，也与晚中新世以来东亚季风增强以及源区强烈的风化剥蚀有关。

南海碳酸盐台地分布自早中新世开始发育，至中中新世达到鼎盛，再到晚中新世大量台地被淹没而逐渐消亡。从分布看，南海碳酸盐台地具有南早北晚、东早西晚的发育规律；从堆积速率看，中中新统速率最大。控制这些台地的诞生、发育演化和消亡的因素十分复杂，可能包括构造活动、相对海平面的变化、陆源碎屑物质输入变化、古海洋环境变化。

南海深海底部浊流地貌十分发育。陆坡区有大量的海底峡谷，部分峡谷的谷底、越岸区或出口部位分布有超临界流成因的大型沉积物波和周期阶坎底形。多数峡谷在陆坡脚的出口处并未形成像样的海底扇，而深海平原中却保有高丰度的浊流沉积。这可能暗示，南海峡谷浊流的能量较高，即使在经历陆坡脚的减速之后仍有足够的能量维持其沿平缓的深海平原作较长距离的搬运。浊流地貌的出现大多始于晚中新世，其成因与南海及周缘强烈的构造活动有关。

在国家自然科学基金委重大研究计划“南海深部计划”指导下，于2013-2019年期间，分别运用载人或遥控深潜器，针对南海深海盆中的部分海山开展了4个科学探测航次，在南海首次发现了大面积的高丰度铁锰结核分布区、“南溟”古热液区和惊人的冷水珊瑚生态林。这些发现不仅为深入认识南海不同时空尺度演化的复杂过程及相互作用开辟了新的研究领域，还探索实践了中国海洋高新技术发展与前沿基础科学研究紧密结合并相互促进的高效创新研究模式。

南海北部陆缘深水区由于陆缘地壳的强烈伸展减薄，形成了多个宽深断陷所构成的盆地群，发育多种类型烃源岩和大型储集砂体。大型盆地、广泛分布的多类型烃源岩、高-变地温场的耦合共控，奠定了深水油气资源的物质基础。大型供给水系、构造地貌、相对海平面升降的相互作用，形成3种类型的沉积体系，控制了深水区大型储集体的发育和展布，但高热流加速了深水沉积物压实和成岩作用。南海北部陆缘深水油气勘探前景广阔，烃源岩、有效储层以及热流3因素的复杂多变，决定了油气勘探中机遇与挑战并存。

渔业捕捞及商业航运活动的塑料排放是南海深海塑料污染的主要来源。南海深海微塑料污染始于20世纪80年代，具有明显陆源输入的特征，陆架近岸区域微塑料污染严重。陆坡深海峡谷是塑料/微塑料向深海盆地输运的主要通道，近底浊流在输运中发挥了重要作用。综述了南海海底塑料垃圾深潜研究的最新进展，首次提出了深海塑料垃圾生态系统的概念。