本文刊載于《中國(guó)科學(xué)院院刊》2022年第7期專題“海洋觀測(cè)探測(cè)與安全保障技術(shù)” 原文標(biāo)題《深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與對(duì)策》

張 鑫1* 李超倫2 李連福1

1 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所

2 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所

深海極端環(huán)境塑造了特殊的生命過(guò)程，資源潛力巨大，對(duì)其探測(cè)與研究是國(guó)際地球科學(xué)前沿，但深海嚴(yán)苛的高壓環(huán)境極大地限制了深海采樣及探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。深海原位探測(cè)技術(shù)可以在不改變被測(cè)物位置及狀態(tài)的條件下，獲取深海樣品的組分及含量信息，因此被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到深海極端環(huán)境的研究工作中。深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)擁有廣闊的前景，但作為一種新興的探測(cè)技術(shù)仍需解決諸多科學(xué)難題。文章總結(jié)了國(guó)際和國(guó)內(nèi)深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展，在分析當(dāng)前我國(guó)深海極端環(huán)境研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出未來(lái)我國(guó)深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)發(fā)展對(duì)策。

1 深海極端環(huán)境特征及其研究?jī)r(jià)值

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深海環(huán)境

深海通常指水深大于?1000?m?的海域，占全球海洋體積的?75%，是地球上最為重要的極端環(huán)境之一，它具有物理上（如溫度、輻射、壓力等）和化學(xué)上（如鹽度、pH、氧含量等）的極端。深海環(huán)境（也稱“深海極端環(huán)境”）是由多因子共同塑造的一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)，擁有深海平原、海山、熱液、冷泉及海斗深淵等特殊環(huán)境，導(dǎo)致海底地形、理化因子的劇烈變化。從地球系統(tǒng)科學(xué)的理念來(lái)看，深海底部是地球各圈層（巖石圈、水圈、生物圈）之間相互作用，相互依賴和相互影響最為頻繁，最為活躍的地區(qū)。

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深海探測(cè)技術(shù)

深海探測(cè)技術(shù)是針對(duì)有關(guān)深海資源、構(gòu)成物、現(xiàn)象與特征等資料和數(shù)據(jù)的采集、分析及顯示的技術(shù)，是深海開(kāi)發(fā)前期工作的重要技術(shù)手段。隨著深海調(diào)查船、鉆探船、深海探測(cè)儀器、無(wú)人/載人/遙控深潛器、海底觀測(cè)網(wǎng)的相繼問(wèn)世，在深海極端環(huán)境、地震機(jī)理、深海生物和礦產(chǎn)資源，以及海底深部物質(zhì)與結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域取得了一系列重大進(jìn)展。如海底擴(kuò)張與板塊學(xué)說(shuō)的提出，從深海鉆探計(jì)劃（DSDP）到大洋鉆探計(jì)劃（ODP）再到綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP）的實(shí)施，大洋中脊系統(tǒng)與海底熱液、冷泉的發(fā)現(xiàn)，以及海底礦物資源的勘探與開(kāi)發(fā)等，對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和社會(huì)的發(fā)展起到了重要的作用。

2 深海極端環(huán)境探測(cè)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)深海極端環(huán)境探測(cè)技術(shù)的不足

當(dāng)前，對(duì)深海熱液、冷泉噴口區(qū)流體地球化學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確探測(cè)仍存在困難。先取樣后實(shí)驗(yàn)室分析的傳統(tǒng)探測(cè)方法存在諸多缺陷，例如：深海熱液、冷泉流體樣品中的溶解氣體會(huì)隨著溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)的改變而迅速逃逸，使得實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果遠(yuǎn)低于其真實(shí)濃度。即使是采用較為先進(jìn)的保壓采樣技術(shù)也不可避免溫度變化和持續(xù)不斷的微生物反應(yīng)等因素對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的干擾。同時(shí)，由于水下潛器平臺(tái)負(fù)載限制，保真流體采樣器上攜帶的采樣瓶數(shù)量有限，較低的采樣成功率大大影響到對(duì)深海熱液、冷泉區(qū)噴發(fā)流體的探測(cè)效率。

國(guó)內(nèi)外深海極端環(huán)境探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外情況

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深海原位探測(cè)裝置

針對(duì)傳統(tǒng)方式在深海熱液、冷泉系統(tǒng)釋放氣體探測(cè)中面臨的技術(shù)難題，國(guó)外多家機(jī)構(gòu)研發(fā)了針對(duì)深海溶解氣體的原位探測(cè)裝置。挪威?Kongsberg?集團(tuán)開(kāi)發(fā)的系列?CO2、CH4?傳感器，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研發(fā)了用于探測(cè)高溫?zé)嵋簢娍诹黧w?H2S?濃度、H2?濃度、pH?等參數(shù)的電化學(xué)傳感器，美國(guó)哈佛大學(xué)等研制了深海原位質(zhì)譜分析儀，美國(guó)蒙特雷灣水族館研究所研發(fā)出世界上第一臺(tái)深海原位激光拉曼光譜儀（DORISS）。

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海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)

美國(guó)、加拿大、日本等老牌海洋強(qiáng)國(guó)憑借在海洋領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，紛紛投入巨資構(gòu)建海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。加拿大組建了加拿大海底觀測(cè)網(wǎng)（ONC），美國(guó)啟動(dòng)海洋觀測(cè)網(wǎng)（OOI）建設(shè)，歐洲構(gòu)建了多學(xué)科海底及水體觀測(cè)系統(tǒng)（EMSO），日本建設(shè)了地震和海嘯海底觀測(cè)密集網(wǎng)絡(luò)（DONET）、DONET?2、日本海溝海底地震海嘯觀測(cè)網(wǎng)（S-net）等海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

國(guó)內(nèi)情況

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深海原位探測(cè)裝置

中國(guó)海洋大學(xué)研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套深海自容式激光拉曼光譜（DOCARS）探測(cè)系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所開(kāi)發(fā)了拉曼光譜插入式探針（RiP）測(cè)量系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)了國(guó)際上首臺(tái)以紫外激光作為激發(fā)光源的深海拉曼光譜儀，成功通過(guò)了在馬里亞納海溝進(jìn)行的?7000?m?海試驗(yàn)證 。為解決深、遠(yuǎn)海長(zhǎng)時(shí)間序列的海底原位觀測(cè)技術(shù)難題，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制了“海洋之眼”深海著陸器和深海長(zhǎng)期多通道拉曼光譜原位探測(cè)系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制了“天涯”“海角”“萬(wàn)泉”及“冷泉”等著陸器。中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所研制了深海原位實(shí)驗(yàn)室搭載有多套高性能傳感探測(cè)設(shè)備，包括深海微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）氣相色譜儀、深海光譜儀、深海質(zhì)譜儀等。

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海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)

“十一五”期間，在“863”計(jì)劃的資助下，同濟(jì)大學(xué)等高校開(kāi)展了海底長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究?！笆濉逼陂g，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所聯(lián)合研制了“南海海底觀測(cè)實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”。2012?年，在“863”計(jì)劃的支持下，由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所牽頭，正式啟動(dòng)了“海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)”建設(shè)，分別在我國(guó)南海和東海建設(shè)海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

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水下運(yùn)載平臺(tái)

中船重工集團(tuán)公司七〇二所、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位聯(lián)合攻關(guān)，研制了?7000?m?級(jí)載人潛水器“蛟龍”號(hào)?！笆濉焙汀笆濉逼陂g，我國(guó)又啟動(dòng)了“深海勇士”號(hào)和“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器及其關(guān)鍵技術(shù)的研制工作。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制了“海翼”、“潛龍”、“探索”、“海星”、“海斗一號(hào)”等一系列水下無(wú)人運(yùn)載平臺(tái)。上海交通大學(xué)研制了“海龍”系列遙控?zé)o人潛水器，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制了“海馬”遙控?zé)o人潛水器等。

深海極端環(huán)境探測(cè)技術(shù)的需求及其發(fā)展趨勢(shì)

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需求

深海極端環(huán)境的物理、化學(xué)、生物過(guò)程特殊，其原位探測(cè)技術(shù)研究涉及深海裝備研發(fā)、技術(shù)體系建立、綜合探測(cè)平臺(tái)建設(shè)，是一個(gè)科學(xué)與技術(shù)緊密結(jié)合的研究領(lǐng)域。正是因?yàn)樯詈O端環(huán)境的復(fù)雜性，獲取深海物理、化學(xué)、生物等過(guò)程的高精度數(shù)據(jù)依賴于研發(fā)適于深海極端環(huán)境的高靈敏度、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)序的聲、光、電、磁、熱原位探測(cè)或分析技術(shù)。

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趨勢(shì)

國(guó)際上深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為：

1.體系化，基于體系化建設(shè)的深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)有助于獲取多學(xué)科、多尺度、立體化和長(zhǎng)時(shí)序的深海探測(cè)數(shù)據(jù)；

2. 協(xié)同化，利用人工智能、環(huán)境感知和通信控制等新興技術(shù)使原位探測(cè)裝備協(xié)同化作業(yè)，可以提高原位探測(cè)的效率，降低深海極端環(huán)境探測(cè)成本；

3.智能化，虛擬代理、決策管理、深度學(xué)習(xí)和生物特征識(shí)別等人工智能技術(shù)與深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)相結(jié)合。

3 我國(guó)深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)發(fā)展對(duì)策

針對(duì)當(dāng)前國(guó)際深海領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，圍繞深海研究的特點(diǎn)，補(bǔ)齊我國(guó)在深海極端環(huán)境原位探測(cè)領(lǐng)域的短板，才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際深海極端環(huán)境前沿科學(xué)研究領(lǐng)域占得一席之地。本文具體提出以下?4?點(diǎn)建議。

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提高深海研究支撐平臺(tái)能力

提高水下運(yùn)載平臺(tái)的載重、穩(wěn)定性和作業(yè)精度，豐富電力、網(wǎng)絡(luò)、液壓接口類型，改善深海運(yùn)載平臺(tái)的深海極端環(huán)境適應(yīng)能力。提升海洋模擬設(shè)施的深海模擬能力，豐富深海極端環(huán)境模擬場(chǎng)景，從深海極端環(huán)境研究科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，做到深海原位探測(cè)與室內(nèi)模擬的緊密結(jié)合。

2

加快推進(jìn)深海長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

加快推進(jìn)深海移動(dòng)工作站、深?？臻g站、深海實(shí)驗(yàn)室等新一代海洋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，以及深?？臻g站配套保障船和水下運(yùn)載器的研發(fā)，加強(qiáng)基于深海實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展長(zhǎng)期原位探測(cè)和深海原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系建設(shè)。

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提升深海原位探測(cè)裝置性能

著重提高深海原位拉曼光譜儀、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀等原位測(cè)量設(shè)備的檢測(cè)精度、穩(wěn)定性和適應(yīng)能力；從研制高密度電池、原位發(fā)電技術(shù)、智能控制系統(tǒng)、防附著系統(tǒng)角度提高深海著陸器平臺(tái)的工作時(shí)長(zhǎng)和穩(wěn)定性。

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優(yōu)化資源配置模式和管理體制

加強(qiáng)海洋相關(guān)的科學(xué)研究單位與傳統(tǒng)運(yùn)載平臺(tái)和觀測(cè)設(shè)備研制單位間合作，提高技術(shù)體系研發(fā)效率；鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)海底原位觀測(cè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展國(guó)際合作，提升我國(guó)在深海原位觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際影響力，引領(lǐng)國(guó)際深海極端環(huán)境科學(xué)研究的發(fā)展。

張?chǎng)?中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員。國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，主要從事深海原位探測(cè)技術(shù)和方法研究，作為第一完成人研制了世界首臺(tái)高溫?zé)嵋毫黧w拉曼光譜原位探測(cè)系統(tǒng)。主持中國(guó)科學(xué)院、科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等單位的10余項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目。獲得中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、山東青年五四獎(jiǎng)?wù)?、中?guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)、中國(guó)海洋工程科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)等。

文章源自：張?chǎng)?李超倫,李連福.深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與對(duì)策.中國(guó)科學(xué)院院刊,2022,37(7):932-938.

DOI：10.16418/j.issn.1000-3045.20220627003