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标题: 深海非常情况原位探测技术研究现状与对策 [打印本页]

作者: 尽千帆 时间: 2023-1-1 15:36
标题: 深海非常情况原位探测技术研究现状与对策
深海非常情况特征及其研究价值
深海情况。深海通常指水深大于1000m的海疆，占环球海洋体积的75%，是地球上最为重要的非常情况之一，它具有物理上（如温度、辐射、压力等）和化学上（如盐度、pH、氧含量等）的非常。深海情况（也称“深海非常情况”）是由多因子共同塑造的一个统一系统，拥有深海平原、海山、热液、冷泉及海斗深渊等特别情况，导致海底地形、理化因子的剧烈变化。从地球系统科学的理念来看，深海底部是地球各圈层（岩石圈、水圈、生物圈）之间相互作用，相互依赖和相互影响最为频仍，最为活跃的地域。
深海探测技术。深海探测技术是针对有关深海资源、构成物、现象与特征等资料和数据的收罗、分析及显示的技术，是深海开辟前期工作的重要技术本领。自20世纪60年代至今，深海探测技术迅速发展。调查船、钻探船、深海探测仪器、无人/载人/遥控深潜器、海底观测网等相继问世，在深海非常情况、地震机理、深海生物和矿产资源，以及海底深部物质与布局等范畴取得了一系列巨大希望。1872—1876年，英国科学调查船“挑战者”号划时代的科学考察揭开了近代深海大洋调查研究的序幕。但直到近几十年，深海研究才取得革命性的巨大突破。如海底扩张与板块学说的提出，从深海钻探操持（DSDP）到大洋钻探操持（ODP）再到综合大洋钻探操持（IODP）的实验，大洋中脊系统与海底热液、冷泉的发现，以及海底矿物资源的勘探与开辟等，都对科学和社会的发展起到了重要的作用。
热液。1977年，科学家在东太平洋加拉帕斯裂谷发现了当代热液喷口，以及在温度高达几百度的热液喷口处仍存活的大量生物群落（含细菌、古菌、真菌等），被以为是20世纪后期最明显的科学发现之一。与其相关的资源、情况题目和“黑暗食物链”生命过程也成为当前深海研究的焦点，并取得了一系列成果。
冷泉。冷泉即海底自然气渗漏，它的主要身分包罗水、碳氢化合物（甲烷和石油）、硫化氢等化合物，海底冷泉的温度与周边海水温度相近。对深海冷泉生态系统的研究是继20世纪末对热液生态系统研究热潮以来的又一个重要的范畴。冷泉区生长着管状蠕虫、蛤类、贻贝类、海星、海胆、海虾、珊瑚等生物。这些生物的体内和体表存在大量的微生物，微生物与宿主之间具有高度相互依赖的共附生关系。冷泉生物具有多种特别的功能基因和酶，是一种很有潜力的生物资源。
海山。海山是指从海的底部升高1000m且没有露出海平面的山。海山所处独特的物理化学情况，造就了其特别的微生物多样性，成为海洋微生物多样性研究的热点地域。海山具有明显的地理构造和显着的洋流作用，并产生很多物理过程，包含流路变窄致使洋流加速、等温线变形、涡的形成、底部变强成为泰勒柱、内波等。这些物理过程对海山的生物过程具有一定的影响作用。
海斗深渊。海斗深渊是指海洋中水深大于6000m的深水地区，是海洋最深的地区，主要由深部海沟构成，也被称为“超深渊”或“海沟”。海斗深渊约莫占环球深海地区的1%—2%，但它们却构成了环球海洋深度范围的45%，在海洋生态系统中具有巨大意义。1960年，瑞士物理学家雅克·皮卡德和美国水师人员沃尔什，乘深海潜水船下潜到马里亚纳海沟的底部，开启了人类探测海斗深渊的序幕。
深海非常情况探测技术及其发展趋势
近年来，对深海热液、冷泉等非常情况近海底地区的基础物理化学情况的观测与分析，尤其是对热液、冷泉喷发流体的地球化学性质的分析，成为揭示深海热液与冷泉运动成因、演化过程，以及对周围大洋情况影响的重要研究内容。由于科学目的的牵引，深海热液、冷泉流体的探测技术成为了深海探测范畴的研究热点。
传统深海非常情况探测技术的不足
当前，对深海热液、冷泉喷口区流体地球化学参数的准确探测仍存在困难。先取样后实验室分析的传统探测方法存在诸多缺陷，比方：深海热液、冷泉流体样品中的溶解气体会随着温度、压力等情况参数的改变而迅速逃逸，使得实验室分析结果远低于其真实浓度。纵然是接纳较为先进的保压采样技术也不可避免温度变化和持续不断的微生物反应等因素对后续实验室分析结果的干扰，无法获取热液、冷泉喷出流体中各组分的真实浓度，因而无法准确评估热液与冷泉系统流固界面跨圈层物质能量互换对岩石圈演化和海洋深层环流等动力过程的影响。
现在开展的绝大部分热液、冷泉喷出流体中离子、溶解气体浓度的研究是基于流体保压取样探测的结果。周围海水对保真流体的污染会造成流体中离子、气体浓度探测结果的严重失准。同时，由于水下潜器平台负载限制，保真流体采样器上携带的采样瓶数量有限，较低的采样乐成率大大影响到对深海热液、冷泉区喷发流体的探测服从。保压流体取样的探测必然经过样品前处理惩罚和实验室的各种测试流程，而在样品处理惩罚和测试过程中避免光照，以及与空气打仗是非常困难的。比方，对H2S等强还原性气体而言，在分样固定处理惩罚过程中极易与空气中的氧气打仗而发生化学反应，从而影响到喷口流体中H2S气体浓度的准确测定。因情况改变所带来的测量偏差造成传统保压取样方式探测的结果比热液流体的原位探测浓度低了3—5倍。
国表里深海非常情况探测技术发展现状
国外情况
深海原位探测装置。针对传统方式在深海热液、冷泉系统释放气体探测中面临的技术难题，国外多家机构研发了针对深海溶解气体的原位探测装置。市场上已有商品化海洋化学传感器，比方挪威Kongsberg集团开辟的系列CO2、CH4传感器。但是，此类化学传感器的高温耐受性差（一样寻常在40℃以下）、探测量程有限，同时对被测水体的情况要求较高，无法应用到热液喷口高温、强腐蚀、复杂颗粒物的流体情况中，也无法应用到冷泉喷口高CH4浓度的流体情况中。美国明尼苏达大学研发了用于探测高温热液喷口流体H2S浓度、H2浓度、pH等参数的电化学传感器，获得了洋中脊和胡安·德富卡板块热液区高温热液流体的原位探测数据。美国哈佛大学等利用原位质谱分析仪对热液流体举行了定量探测，并利用原位数据研究了热液区的微生物作用。美国蒙特雷湾水族馆研究所率先将激光拉曼光谱测量技术应用到深海，于2004年研发出世界上第一台可应用于深海原位测量的激光拉曼光谱探测系统——深海原位激光拉曼光谱仪（DORISS），并在海洋酸化、气体溶解速率测量、甲烷水合物布局、沉积物孔隙水等关键科学题目研究上取得了一系列希望。德国柏林科技大学计划了一套可用于水下测量的表面增强激光拉曼光谱测量系统，并将其用于水中多环芳烃的探测。
海底观测网络。美国、加拿大、日本等老牌海洋强国凭借在海洋范畴的先发上风，纷纷投入巨资构建海底观测网络，以期实现海底到海面全天候、长期、连续、综合、实时、原位观测。加拿大组建了加拿大海底观测网（ONC），美国启动海洋观测网（OOI）建立，欧洲构建了多学科海底及水体观测系统（EMSO），日本建立了地震和海啸海底观测麋集网络（DONET）、DONET2、日本海沟海底地震海啸观测网（S-net）等海底观测网络。
国内情况
深海原位探测装置。我国在“十一五”期间依托“863”操持启动了深海原位激光拉曼光谱探测系统的开辟工作。中国海洋大学团队研发了国内首套深海自容式激光拉曼光谱（DOCARS）探测系统，中国科学院海洋研究所团队开辟了拉曼光谱插入式探针（RiP）测量系统。中国科学院大连化学物理研究所团队研发了国际上首台以紫外激光作为引发光源的深海拉曼光谱仪，乐成通过了在马里亚纳海沟举行的7000m海试验证，创造了原位拉曼光谱的最大工作水深记录。为解决深、远海长时间序列的海底原位观测技术难题，中国科学院海洋研究所研制了“海洋之眼”深海着陆器和深海长期多通道拉曼光谱原位探测系统，实现了对冷泉生物群落、自然气水合物、还原性沉积物、自生碳酸盐岩等差别位置的长期定点原位拉曼探测。中国科学院沈阳自动化研究所研制了“天涯”“海角”及“万泉”3个型号的深渊着陆器，以及深海生态过程长期定点观测系统“冷泉”号着陆器，突破了多传感器同步观测和长期观测能源分配优化计谋等技术，实现了对海斗深渊、冷泉等深海非常情况生物、化学过程的长期定点原位观测。中国科学院深海科学与工程研究所研制了深海原位实验室搭载有多套高性能传感探测装备，包罗深海微电子机械系统（MEMS）气相色谱仪、深海光谱仪、深海质谱仪等，于2022年5月乐成完成了海试任务，并获取了南海冷泉生态系统流体组分、微生物群落等的72小时原位观测数据。
海底观测网络。“十一五”期间，在“863”操持的资助下，同济大学等高校开展了海底长期观测网络试验节点关键技术研究。“十二五”期间，中国科学院南海海洋研究所、中国科学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所联合研制了“南海海底观测实验树模网”。2012年，在“863”操持的支持下，由中国科学院声学研究所牵头，正式启动了“海底观测网试验系统”建立，分别在我国南海和东海建立海底观测网试验系统。
水下运载平台。“工欲善其事，必先利其器”，缺乏可举行深海科考的水下运载平台一直是限制我国深海探测与资源开辟的重要原因。在“863”操持的支持下，中船重工集团公司七〇二所、中国科学院声学研究所和中国科学院沈阳自动化研究所等单位联合攻关，开始了7000m级载人潜水器（“蛟龙”号）的研制工作。2012年，“蛟龙号”在马里亚纳海沟创造了7062m的中国载人深潜纪录。“十二五”期间，我国又启动了“深海勇士”号的研制。“十三五”期间，启动了“奋斗者”号全海深载人潜水器及其关键技术的研制工作。2020年，“奋斗者”号乐成下潜10909m，创造了我国载人深潜的新纪录[18]。除载人潜水器外，国内多家科研机构开展了水下无人运载平台的研制工作，中国科学院沈阳自动化研究所研制了“海翼”水下滑翔机、“潜龙”系列和“探索”系列深海自主无人潜水器、“海星”系列遥控无人潜水器、“海斗一号”全海深无人潜水器等一系列水下无人运载平台。上海交通大学研制了“海龙”系列遥控无人潜水器，中国地质调查局广州海洋地质调查局研制了“海马”遥控无人潜水器等。
深海非常情况探测技术的需求及其发展趋势
需求。深海非常情况的物理、化学、生物过程特别，其原位探测技术研究涉及深海装备研发、技术体系建立、综合探测平台建立，是一个科学与技术细密联合的研究范畴。正是因为深海非常情况的复杂性，获取深海物理、化学、生物等过程的高精度数据依赖于研发适于深海非常情况的高灵敏度、高稳定性、长时序的声、光、电、磁、热原位探测或分析技术。
趋势。国际上深海非常情况原位探测技术研究的发展趋势可以归纳为：①体系化，基于体系化建立的深海非常情况原位探测技术有助于获取多学科、多尺度、立体化和长时序的深海探测数据；②协同化，利用人工智能、情况感知和通信控制等新兴技术使原位探测装备协同化作业，可以进步原位探测的服从，低落深海非常情况探测成本；③智能化，虚拟署理、决定管理、深度学习和生物特征识别等人工智能技术与深海非常情况原位探测技术相联合。
我国深海非常情况原位探测技术发展对策
近些年，我国在深海非常情况原位观测技术的研制上取得了相当亮眼的成果，得到了国际偕行的高度承认。现在，我国已形成了深海非常情况短时原位探测与长时连续监测相联合的新局面，已初步满足获取深海热液、冷泉等非常情况水体、喷发流体、沉积物等研究对象化学场参数和开展深海非常情况原位实验的须要；但深海非常情况原位探测技术研究仍处于起步阶段，仍有很多技术题目制约该范畴的发展。深海原位观测技术范畴须要解决的技术题目主要有3个：①测量参数少、测量服从较低；②测量精度差、测量量程较窄；③海底原位观测装备的情况适应性较差。针对当前国际深海范畴的研究现状与发展趋势，围绕深海研究的特点，补齐我国在深海非常情况原位探测范畴的短板，才能在竞争激烈的国际深海非常情况前沿科学研究范畴占得一席之地。本文详细提出以下4点发起。
进步深海研究支持平台本领。进步遥控无人潜水器、载人潜水器、自主无人潜水器等水下运载平台的载重、稳定性和作业精度，丰富电力、网络、液压接口类型，改善深海运载平台的深海非常情况适应本领。提升海洋模拟设施的深海模拟本领，进步其运行管理程度，丰富深海非常情况模拟场景，从深海非常情况研究科学题目出发，做到深海原位探测与室内模拟的细密联合。
加快推进深海长期实验平台建立。新型深海装备与技术是推动深海研究突破的重要动力，开展海底长期实验是未来深海科学发展的一大趋势。因此，当前应加快推进深海移动工作站、深海空间站、深海实验室等新一代海洋实验平台建立，以及深海空间站配套保障船和水下运载器的研发，增强基于深海实验平台开展长期原位探测和深海原位实验技术体系建立。
提升深海原位探测装置性能。当前的深海原位拉曼光谱仪、激光诱导击穿光谱仪、质谱仪等装备取得了较好的科学应用，但其对于部分检测物的检出限仍然较高，同时对非常情况的适应性仍然不够。未来应从装备的性能指标出发，着重进步装备的检测精度、稳定性和适应本领；从研制高密度电池、原位发电技术、智能控制系统、防附着系统角度进步深海着陆器平台的工作时长和稳定性。
优化资源设置模式和管理体制。增强海洋相关的科学研究单位与传统运载平台和观测装备研制单位间互助，针对深海非常情况观测场景和科学题目，研制特别功能的搭载平台和原位探测装备，进步技术体系研发服从；鼓励国内海底原位观测技术团队开展国际互助，共同开辟深海原位观测装备和观测技术，提升我国在深海原位观测技术范畴的国际影响力，引领国际深海非常情况科学研究的发展。

（作者：张鑫、李连福，中国科学院海洋研究所；李超伦，中国科学院南海海洋研究所。《中国科学院院刊》供稿）

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