深海大洋科考前沿及进展

20 世纪80 年代以来,世界发达国家海洋高新技术的发展与应用和以美国“深海大洋钻探计划”为代表的国际性海洋地学重大计划的实施,促进了海洋科学的全面发展,并取得一系列重要科技成果。尽快进入深海大洋的前沿,不仅是我国海洋科学,也是整个地球系统科学的战略需要。我国目前深海基础研究力量还处于薄弱的阶段,加之探索深海的技术、仪器、设备与装备相对落后,迫切需要采取有力措施,加大研发能力,需要海洋科技加快实现从支撑为主向创新引领型为主的转变,争取尽快使我国海洋科技水平进入世界先进行列。但随着我国自主研发深海探测技术的提升,我国21 世纪的深海大洋科学考察,形成了以“三龙”体系——载人HOV“蛟龙”、ROV“海龙”、AUV“潜龙”等深海探测和浅、中深钻取样设备为代表的技术装备,成为深海探查的新利器,为我国勘查海底矿产资源提供了有力的支撑。

现代海洋高新探测技术

研究海底深部过程是研究地球表层与深部之间相互作用的切入点,其中洋中脊的热液、冷泉活动及其相关的暗能量生物群落,是海洋系统中新发现的重要环节。热液来自洋壳深部上涌的含金属元素的岩浆与海水。探索发现洋中脊不仅有富含硫化物> 350℃的高温热液“黑烟囱”,还有100℃ ~200℃的中温热液“黄烟囱”和40℃ ~90℃的低温热液“白烟囱”。除热液之外,还有冷泉和大洋板块俯冲带与海底烃类溢出口。深海热液所含的能量和水分具有重要的资源价值。深海多金属矿床的形成不仅为陆上的成矿理论研究提供了现代比较,海底多金属硫化物矿床作为未来战略资源,是当前各国在深海领域竞逐的对象。比热液、冷泉更为轰动的科学发展,是热液区和冷泉生物群。那里犹如沙漠中的一片绿洲,热液区成为新物种发现的热点;冷泉生物群落也有其一套完整的生命体系,那里的生物居然能在无光合作用下,依靠甲烷、硫化氢等还原性物质自养存活。进入21 世纪以来,天基、空基、岸基、海面、水下、海床基的观测平台共同构成人类对海洋的立体式观测,将对海洋的观测由点、线及面整合起来。科考船、深潜器和“海洋空间站”是人类间接/ 直接/ 现场探测深海大洋的基本手段。卫星与实地观测相结合,是整个地球观测的主导方向。遥感技术具有覆盖广、信息量大等诸多优势,是常规观测所不能替代的手段。目前正在建设的“海底观测网”,更是将从根本上改变人类探索和认识海洋的途径,它相当于将观测站和实验室建在海底。世界各个国家目前正在加大对深海资源开采的投入,国际海底资源活动呈现出多元化、复杂化和争夺激烈的态势:海底矿区申请增速明显,申请形式趋于多元化。

与国际先进水平相比,我国深海矿产资源开发能力严重不足。一是深海采矿技术发展滞后。虽然3 种矿产资源矿区申请获批(注:2015.7.20 国际海底管理局核准了中国五矿集团公司申请的东太平洋海底多金属结核资源勘探矿区。我国成为拥有3 个矿种4 个区块的国家),也签署了勘探合同,但至今尚未进行海上试采,主要原因就是缺乏深海采矿技术和相关的装备。二是深海采矿技术发展机制不顺。长期以来,我国的深海采矿技术缺乏明确的国家重大任务的专项支持,也未获得相关企业的重视和投入,导致了我国深海采矿技术发展的滞后,也影响了深海采矿工程技术研发人才队伍的形成和稳定。中国大洋协会依照勘探合同开展区域内的调查,可以促进我国深海高新技术产业的发展,以此带动和促进有关深海技术装备研制迈上新台阶,为我国未来开发深海矿产资源做好前期准备。我们应考虑到未来矿区勘探和环境评价需求,首先要继续加大资源勘探和环境调查及评价工作的支持力度,其次着眼未来商业开采能力的培育,大力发展深海技术装备,提升海洋资源开发整体能力,特别是深海资源开发能力。以自主研发为主,继续重点支持发展深海观测和探测装备、深海水下机器人及钻探设备等高技术装备,以深海高技术装备支撑未来矿区勘探开发和环境评价的需求。我国目前在深海探测技术的攻关也已经取得了一些瞩目的成就。

目前,中国拥有大洋综合调查船“大洋一号”、“向阳红10 号”、“海洋六号”、“科学号”、“探索一号”和极地科考船“雪龙”号等,并配有各种先进的探测仪器、设备和装置。于20 世纪90 年代初开始了深海大洋、南北极综合科学考察和大洋矿产资源、深海生物基因资源及环境调查研究。近15 年来自主研制了一批海底探查新装备,如沉积物捕获器(浅水≤ 200m、深水≥ 3000m);水下拖曳式多道伽玛能谱仪;海底大地电磁探测系统(4 套仪器作业水深分别为166m、230m、280m、1050m);20~30m 长岩心重力活塞常规和保压取样器(水深703m 处,取获17.11m 长柱状岩心,取芯率达91.3%);ST-6000m 深海拖曳观测系统(装有水下电视摄像、照相、测高仪等)。2013 年,执行大洋第29 航次调查(5~10 月)的“海洋六号”,使用自主研发的深海全液压浅层岩心取样钻机进行“深海浅钻”,从约1000m 的水下某平顶山钻获一段长28cm 的结壳岩心样品,在9 个站位钻获富钴结壳样品厚度普遍超过8cm。自主研发的中深孔岩心取样钻机在技术改进后,在2014 年大洋34 航次中的3 个站位4 个钻孔,钻进11.56m,取芯2.7m,有效缩短了作业时间,提高了取芯效率。

深海浅钻取样(上)、中深钻取样(下)

中国深潜运载技术的研发起步较晚,但近20 年来发展较快,在多种深潜器研发方面取得了实质性的进展和突破,已基本具备研制各种类型深潜器和水下机器人的能力。在常压载人潜水器(ADS)方面,最早研制成功可下潜水深300m 的QSZ- Ⅰ型潜水器。在此基础上又研制成OSZ- Ⅱ型。它既可用作观察型载人潜水器,也可作观察型遥控水下机器人使用。2009 年研制成功的3500m“海龙”号深海观测和取样型ROV,是我国目前下潜深度最大、作业能力最强的水下机器人,重3.45t、长3.17m、宽1.81m、高2.24m。2002 年正式启动研制首台自主集成的载人7000m 潜水器“蛟龙”号,于2010 年7 月在南海海域经36 次下潜由50m、300m、1000m、3000m 直至第37 次下潜到3759m,创造了水下和海底作业9 个小时3 分钟的纪录。2011 年7 月,“蛟龙”号在东太平洋“中国多金属结核矿区”五次成功下潜深海, 连续突破4027m、5057m、5180m、5184m、5188m 水深纪录,5000m 海试成功,意味着“蛟龙”号可以到达全球超过70% 的海底进行作业。2012 年6 月,“蛟龙”号赴太平洋马里亚纳海域冲击7000m 的设计最大水深纪录,共下潜6 次,第五次下潜创7062m 纪录,7000m 级海试完美收官。“蛟龙”在技术上拥有三个优势:一是具有先进的近底自动航行和悬停定位功能;二是具有高速水声通讯功能;三是充油银锌蓄电池容量大,可保证水下足够作业时间。2013 年6~9 月,大洋第31 航次(“蛟龙”号首个试验性应用),在南海下潜“冷泉区”,在东北太平洋多金属结核勘探合同区和西北太平洋采微、采杞海山区进行钴结壳、生物多样性和空间分布调查研究。本航次共完成38 个站位常规调查、下潜21 次,有10 位科学家和2 名工程技术人员成为“蛟龙”的首批乘客。共计带回了珊瑚、海参、海葵等71 种390 只生物、161 枚结核、8 块结壳、32 块岩石和180kg 沉积物样品。全部所取得的生物、地质、矿产样品和视频的数量是历次大洋科考取得最多的一个航次,实现了“蛟龙”号从海试走向科学应用的跨越。2016 年大洋第37 航次,“蛟龙”号在第一航段分别在西北太平洋富钴结壳区和雅浦海沟下潜作业,取得了丰硕的成果:(1)采到多种类型的地质、生物和海水样品;(2)获取了大量海底视频、照片及环境基线数据;(3)提升了对维嘉海山区富钴结壳分布的认识;(4)初步查明维嘉海山与采薇海山巨型底栖生物分布具有联通性;(5)初步查明了雅浦海沟北段岩石和沉积物分布特征,发现了玄武岩、辉长岩和橄榄岩3 种类型的岩石,这与区域构造背景相符合。

3500mROV“海龙”号(左)、7000m 载人HOV 潜水器—“蛟龙”号(右)

在无人水下机器人(AUV)方面,国家863 计划从1990 年起先后研制了可下潜水深1000m 和6000m 样机。1997 年中俄合作研制的CR-01 水下机器人(6000m);2003 年第二套6000m 水下机器人(CR-02),经对太平洋进行多金属结核调查。我国6000m 无人无缆深潜器(AUV)“潜龙一号”在完成南海海试后,于2013 年大洋第29 航次(5~10 月),由“海洋六号”开展海上试验性应用。它可完成海底微地形地貌精细探测、底质判断、海底水文参数测量和海底多金属结核丰度测定等任务。在东太平洋作业区(水深>5000m)连续3 次成功下潜,水下作业时间总计近30 个小时,获取64GB 声学数据,数据质量优良,潜器设备性能正常。2014 年1 月底,“海龙2”号(ROV,3000m)首次在西南印度洋1×104km2 的多金属硫化物勘探合同区成功实施无人缆控潜水作业,通过水下机器人的观测,扩大了两个热液硫化物的分布范围。“潜龙一号”和“海龙2”号成功迈出了试验性应用的第一步,对深潜器的各项功能进行了综合性验证,取得初步成功,也创下我国自主研制水下无人无缆潜器深海作业的新纪录。它将成为今后深海资源勘查的实用化深海装备。“潜龙一号”完成了实用化改造,突破了总体集成、深海导航与定位、布放回收、深海探测等关键技术问题,并首次开展了深海近底地形地貌、浅地层结构、海底流场和海洋环境参数的综合精细调查应用。2015 年先后完成2 次湖上和3 次海上试验,还圆满执行两次大洋应用任务,取得了丰硕的科考成果。

6000m“潜龙一号”(AUV)

2015 年“ 潜龙二号”(AUV,4500m,图 7)完成了研制,成功进行了 2次湖上和1 次海试,累计下潜162 次。其中在南海海试中成功下潜15 个潜次,最大下潜深度4446m,连续两次完成大深度近海底31 个小时最大续航力试验,获取了大量的声学、光学和水文探测数据。

4500m“潜龙二号”(AUV)

在深海大洋领域,中国拥有的先进深海技术及仪器装备已跻身世界前列。先后在东北太平洋CC 区获得联合国海底管理局(ISA)批准一块7.5×104km2的多金属结核优先开采矿区(1999 年)。至今,“大洋一号”、“海洋四号”和“海洋六号”在太平洋、大西洋和印度洋共进行31 个航次调查,除对深海盆地的结核和海山区的钴结壳进行调查评价外,还在三大洋洋脊两侧共发现海底热液和热液硫化矿点30 多处,其中第22 航次(2010 年12 月8~11 日)发现16 个海底热液区(南大西洋5 处、东太平洋11 处)。该航次使用国产仪器设备综合锚系浮标观测系统、拖曳式资源综合探测系统及中深孔岩心取样机,从西太平洋某礁水下2550m 采到砾状结壳;从东太平洋海隆1647m 水下获得了海底岩心;从南太平洋洋脊2562m 采集了玄武岩,还使用抓斗从2901m 的海底抓到一块重达500kg 以黄铁矿和闪锌矿为主的硫化物巨块样品。第30 航次第二航段,“大洋一号”于2014 年2 月18 日,在位于我国西南印度洋多金属硫化物勘探合同区的第8 个作业站位中,通过电视抓斗成功抓获了3 大块柱状碳酸盐和一段碳酸盐“白烟囱”体,表明该区域发育有热液硫酸盐。2015 年,“大洋一号”、“海洋六号”、“向阳红09 号”、“向阳红10 号”执行了大洋第31~36 共6 个航次,先后在西南印度洋、东北太平洋、西太平洋开展矿产资源、稀土资源、环境及生物多样性调查评价。在我国多金属硫化物勘探合同区新圈定19 处矿化异常区,加深了对硫化物资源分布及其成矿作用的认识;在东北太平洋多金属结核合同区的重点区域完成了加密取样;在西太平洋富钴结壳合同区开展了全方位的立体环境观测;在勘探技术方法上进行了积极探索,进一步完善了海底硫化物矿化异常区圈定探测技术方法,在调查技术方面取得了一系列新进展。2016 年6 月22 日~8 月12 日,“探索一号”科考船赴西太平洋马里亚纳海沟探测地球最深处的奥秘。该船搭载的许多核心深海科研设备和探测“神器”均为我国自主研发。如万米级自主遥控潜水器“海斗”号、深渊着陆器“天涯”、号“海角”号、万米级原位试验系统“原位实验”号、9000m 级深海海底地震仪、7000m 级深海滑翔机等。我国自主研制的“海斗”号无人潜水器最大潜深达到10767m,创造最大下潜及作业深度纪录。我国成为继日、美两国之后,第三个拥有研制万米级无人潜水器能力的国家。此外,自主研制的水下滑翔机下潜深度达到5751m,创最大下潜深度纪录;国产地震仪工作深度也首次突破了7000m,并采集到马里亚纳海沟一次大于7.7 级的天然地震信号。此次科考成功获得了2 条9000m 级和2 条万米级水柱的温盐深数据,深度序列完整的海底沉积物样本,以及深度序列完整的马里亚纳海沟水样。

“探索一号”与“海斗”号潜水器

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