莫 杰

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中國(guó)深海技術(shù)躋身世界前列

莫 杰

1 引言

20世紀(jì)80年代以來，世界發(fā)達(dá)國(guó)家海洋高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用和以美國(guó)的“深海大洋鉆探計(jì)劃”為代表的國(guó)際性海洋地學(xué)重大計(jì)劃的實(shí)施，促進(jìn)了海洋科學(xué)得以全面發(fā)展，并取得一系列重要科技成果。進(jìn)入 21世紀(jì)，我國(guó)深海大洋科學(xué)考察，隨著自主研發(fā)深海探測(cè)技術(shù)及其裝備，形成以“三龍”體系—載人HOV“蛟龍”、ROV“海龍”、AUV“潛龍”等深海探測(cè)和淺、中深鉆取樣設(shè)備為代表的技術(shù)裝備，成為深海探查的新利器，為我國(guó)勘查海底礦產(chǎn)資源提供了有力支撐。

2 深海探測(cè)技術(shù)

深海探測(cè)技術(shù)包括定位技術(shù)、聲學(xué)探測(cè)技術(shù)、地球物理探測(cè)技術(shù)、地球化學(xué)探測(cè)技術(shù)、拖曳技術(shù)、深潛技術(shù)、遙感探測(cè)技術(shù)、可視技術(shù)、多波束測(cè)深技術(shù)和鉆探取樣技術(shù)等十大技術(shù)。深海高新技術(shù)水平?jīng)Q定了各國(guó)在國(guó)際深海活動(dòng)中的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

2.1 大洋科考探測(cè)技術(shù)

目前，中國(guó)擁有大洋綜合調(diào)查船“大洋一號(hào)”“向陽紅10號(hào)”“海洋六號(hào)”“科學(xué)號(hào)”“探索一號(hào)”和極地科考船“雪龍”號(hào)等，并配有各種先進(jìn)的探測(cè)儀器、設(shè)備和裝置。于20世紀(jì)90年代初開始了深海大洋、南北極綜合科學(xué)考察和大洋礦產(chǎn)資源、深海生物基因資源及環(huán)境調(diào)查研究。近 15年來自主研制了一批海底探查新裝備，如沉積物捕獲器（淺水≤200 m、深水≥3000 m）；水下拖曳式多道伽瑪能譜儀；海底大地電磁探測(cè)系統(tǒng)（4套儀器作業(yè)水深分別為166、230、280、1050 m）；20～30 m長(zhǎng)巖芯重力活塞常規(guī)和保壓取樣器（水深703 m處，取獲17.11長(zhǎng)柱狀巖芯，取芯率達(dá)91.3%）；ST-6000 m深海拖曳觀測(cè)系統(tǒng)（裝有水下電視攝像、照相、測(cè)高儀等）。

還有，水下DGPS高精度定位系統(tǒng)，其水平定位精度5 cm，測(cè)深精度30 cm；6000 m水深高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶（HRBSS）系統(tǒng)（垂直航跡分辨率5 cm，最小可檢測(cè)高度10 cm），能獲得高分辨率三維地形地貌圖；深水聲學(xué)拖曳系統(tǒng)，其作業(yè)水深 4000 m，測(cè)深覆蓋范圍600 m、側(cè)掃覆蓋范圍800 m，垂直航跡分辨率5 cm，最小可檢測(cè)高度10 cm；機(jī)載海洋激光熒光雷達(dá)系統(tǒng)；深海彩色數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)系統(tǒng)（作業(yè)水深6000 m）。

2013年，執(zhí)行大洋第 29航次調(diào)查（5～10月）的“海洋六號(hào)”，使用自主研發(fā)的深海全液壓淺層巖芯取樣鉆機(jī)進(jìn)行“深海淺鉆”，從1000余米的水下某平頂山鉆獲一段長(zhǎng)28 cm的結(jié)殼巖芯樣品，在9個(gè)站位鉆獲富鈷結(jié)殼樣品厚度普遍超過8 cm。自主研發(fā)的中深孔巖芯取樣鉆機(jī)在技術(shù)改進(jìn)后，在2014年大洋34航次中的3個(gè)站位4個(gè)鉆孔，鉆進(jìn)11.56 m，取芯2.7 m，有效縮短了作業(yè)時(shí)間，提高了取芯效率。

在地質(zhì)調(diào)查（CGS）航段使用自主研制的6000 m聲學(xué)深拖設(shè)備，于東太平洋海山區(qū)開展高精度的地形地貌調(diào)查，在近海底20～100 m作業(yè)，最大測(cè)深250 m，最大側(cè)掃覆蓋寬度800 m。該深拖設(shè)備完成31 km測(cè)線，并成功回收，獲取高精度的微地形地貌和淺地層剖面數(shù)據(jù)。

6000 m海底有纜觀測(cè)與采樣系統(tǒng)—GHTVG-01型電視抓斗（作業(yè)水深4000 m，抓樣面積1.5 m2，單次取樣數(shù)量可達(dá)800 kg以上）；電視多管沉積物取樣器（水深5000 m，采樣管中沉積物長(zhǎng)度為30～40 cm）；深海淺地層巖芯取樣機(jī)（水深4000 m，取芯直徑60 mm，鉆孔深度700 mm）；深海底中深鉆孔巖芯取樣機(jī)，在2011年“大洋一號(hào)”第22航次第一航段的東沙海域1740 m海底成功獲取巖芯樣品，并創(chuàng)下15.7 m的深孔紀(jì)錄。

2014年3月，中國(guó)大洋第30航次第三航段在西南印度洋中脊多金屬硫化物勘探區(qū)，分別對(duì)碳酸鹽試驗(yàn)區(qū)，非活動(dòng)硫化物區(qū)和活動(dòng)熱液區(qū)附近的“死亡煙囪區(qū)”，使用海底中深鉆“進(jìn)取者”首次在硫化物區(qū)鉆探作業(yè)，成功取得硫化物、碳酸鹽和下覆基巖（作業(yè)水深4000 m，適應(yīng)于海底硬巖，鉆進(jìn)深度可達(dá)20 m，最大取芯直徑50 mm），對(duì)研究硫化物分布及其與圍巖的關(guān)系、碳酸鹽成因等具有重要意義。

2014年4月19日，中國(guó)大洋第30航次第四航段，在西南印度洋水深2800 m海底首次成功使用深海電視抓斗抓獲單體最大的硫化物樣。經(jīng)測(cè)量：該樣品長(zhǎng)80 cm、寬70 cm、高70 cm。此外，這次地質(zhì)拖網(wǎng)作業(yè)在約1600 m的海底捕獲鎧甲蝦、海綿、深海珊瑚、巖石和一些不知名的軟體動(dòng)物等樣品。

2015年12月—2016年7月，“大洋一號(hào)”和“向陽紅10號(hào)”赴西南印度洋執(zhí)行大洋第39、40航次科考，對(duì)中國(guó)多金屬硫化物勘探合同區(qū)進(jìn)行綜合異常拖曳探測(cè)和地質(zhì)取樣，尋找礦化異常區(qū)，并兼顧稀土資源環(huán)境基線和生物多樣性調(diào)查，獲取生物基因樣品。第 39航次在合同區(qū) 26個(gè)區(qū)塊進(jìn)行綜合異常拖曳探測(cè)和地質(zhì)取樣，并在5個(gè)區(qū)塊內(nèi)圈定了硫化物異常的分布位置；電法探測(cè)獲得玉皇熱液區(qū)9條測(cè)線數(shù)據(jù)。使用中深孔巖芯鉆機(jī)在玉皇熱液區(qū)獲取首段巖芯 2.7 m（上層沉積物0.4 m、塊狀硫化物2.3 m）。

第40航次使用我國(guó)自主研發(fā)的4500 m級(jí)深海資源勘查系統(tǒng)“潛龍二號(hào)”和6000 m無人無纜潛水器“潛龍一號(hào)”，進(jìn)行探測(cè)，取得多項(xiàng)突破性成果；獲得龍旂、斷橋、玉皇熱液區(qū)共計(jì)200多km2的近底精細(xì)三維地形地貌數(shù)據(jù)近海底和數(shù)據(jù)及其它多種探測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了多處熱液異常，這是我國(guó)在熱液探測(cè)的重大突破。

2.2 深海遙控技術(shù)

中國(guó)深潛運(yùn)載技術(shù)的研發(fā)起步較晚，但近 20年來發(fā)展較快，在多種深潛器研發(fā)方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展和突破，已基本具備研制各種類型深潛器、水下機(jī)器人的能力。

在常壓載人潛水器（ADS）方面，最早研制成功可下潛水深300 m的QSZ-Ⅰ型潛水器。在此基礎(chǔ)上又研制成 OSZ-Ⅱ型。它既可用作觀察型載人潛水器，也可用觀察型遙控水下機(jī)器人使用。

2009年研制成功的3500 m“海龍”號(hào)深海觀測(cè)和取樣型ROV，是我國(guó)目前下潛深度最大、作業(yè)能力最強(qiáng)的水下機(jī)器人，重3.45 t、長(zhǎng)3.17 m、寬1.81 m、高2.24 m。

2002年正式啟動(dòng)研制首臺(tái)自主集成的載人7000 m潛水器“蛟龍”號(hào)，于2010年7月在南海海域經(jīng)36次下潛由50、300、1000、3000 m，直至第37次下潛到3759 m，創(chuàng)造了水下和海底作業(yè)9個(gè)小時(shí)3分鐘的紀(jì)錄。

2011年 7月，“蛟龍”號(hào)在東太平洋“中國(guó)多金屬結(jié)核礦區(qū)”五次成功下潛深海，連續(xù)突破4027 m、5057、5180、5184、5188 m水深紀(jì)錄，5000 m海試成功，意味著“蛟龍”號(hào)可以到達(dá)全球超過70%的海底進(jìn)行作業(yè)。

2012年6月，“蛟龍”號(hào)赴太平洋馬里亞納海域沖擊7000 m的設(shè)計(jì)最大水深紀(jì)錄，共下潛6次，第五次下潛創(chuàng)7062 m紀(jì)錄，7000 m級(jí)海試完美收官。“蛟龍”在技術(shù)上擁有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是具有先進(jìn)的近底自動(dòng)航行和懸停定位功能；二是具有高速水聲通訊功能；三是充油銀鋅蓄電池容量大，可保證水下足夠作業(yè)時(shí)間。

2013年6～9月，大洋第31航次（“蛟龍”號(hào)首個(gè)試驗(yàn)性應(yīng)用），在南海下潛“冷泉區(qū)”，在東北太平洋多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)和西北太平洋采微、采杞海山區(qū)進(jìn)行鈷結(jié)殼、生物多樣性和空間分布調(diào)查研究。本航次共完成38個(gè)站位常規(guī)調(diào)查、下潛21次，有10位科學(xué)家和2名工程技術(shù)人員成為“蛟龍”的首批乘客。共計(jì)帶回了珊瑚、海參、?？?1種390只生物、161枚結(jié)核、8塊結(jié)殼、32塊巖石和180 kg沉積物樣品。全部所取得的生物、地質(zhì)、礦產(chǎn)樣品和視頻的數(shù)量是歷次大洋科考取得最多的一個(gè)航次，實(shí)現(xiàn)了“蛟龍”號(hào)從海試走向科學(xué)應(yīng)用的跨越。

2016年大洋第37航次，“蛟龍”號(hào)在第一航段分別在西北太平洋富鈷結(jié)殼區(qū)和雅浦海溝下潛作業(yè)，取得了豐碩的成果：（1）采到多種類型的地質(zhì)、生物和海水樣品；（2）獲取了大量海底視頻、照片及環(huán)境基線數(shù)據(jù)；（3）提升了對(duì)維嘉海山區(qū)富鈷結(jié)殼分布的認(rèn)識(shí)；（4）初步查明維嘉海山與采薇海山巨型底棲生物分布具有聯(lián)通性；（5）初步查明了雅浦海溝北段巖石和沉積物分布特征，發(fā)現(xiàn)了玄武巖、輝長(zhǎng)巖和橄欖巖3種類型的巖石，這與區(qū)域構(gòu)造背景相符合。

在自治無人水下機(jī)器人（AUV）方面，國(guó)家863計(jì)劃從1990年起先后研制了可下潛水深1000 m和6000 m樣機(jī)。1997年中俄合作研制的CR-01水下機(jī)器人（6000 m）；2003年第二套6000 m水下機(jī)器人（CR-02），經(jīng)對(duì)太平洋進(jìn)行多金屬結(jié)核調(diào)查，取得十分滿意的結(jié)果。

我國(guó)6000 m無人無纜深潛器（AUV）“潛龍一號(hào)”在完成南海海試后，于2013年大洋第29航次（5～10月），由“海洋六號(hào)”開展海上試驗(yàn)性應(yīng)用。它可完成海底微地形地貌精細(xì)探測(cè)、底質(zhì)判斷、海底水文參數(shù)測(cè)量和海底多金屬結(jié)核豐度測(cè)定等任務(wù)。在東太平洋作業(yè)區(qū)（水深＞5000 m）連續(xù)3次成功下潛，水下作業(yè)時(shí)間總計(jì)近30個(gè)小時(shí)，獲取64 GB聲學(xué)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)良，潛器設(shè)備性能正常。2014年1月底，“海龍2”號(hào)（ROV，3000 m）首次在西南印度洋1萬km2的多金屬硫化物勘探合同區(qū)成功實(shí)施無人纜控潛水作業(yè)，通過水下機(jī)器人的觀測(cè)，擴(kuò)大了兩個(gè)熱液硫化物的分布范圍。“潛龍一號(hào)”和“海龍 2”號(hào)成功邁出了試驗(yàn)性應(yīng)用的第一步，對(duì)深潛器的各項(xiàng)功能進(jìn)行了綜合性驗(yàn)證，取得初步成功，也創(chuàng)下我國(guó)自主研制水下無人無纜潛器深海作業(yè)的新紀(jì)錄。它將成為今后深海資源勘查的實(shí)用化深海裝備。

“潛龍一號(hào)”完成實(shí)用化改造，突破了總體集成、深海導(dǎo)航與定位、布放回收、深海探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，并首次開展了深海近底地形地貌、淺地層結(jié)構(gòu)、海底流場(chǎng)和海洋環(huán)境參數(shù)的綜合精細(xì)調(diào)查應(yīng)用。2015年先后完成2次湖上和3次海上試驗(yàn)，還圓滿執(zhí)行兩次大洋應(yīng)用任務(wù)，取得豐碩的科考成果。

2015年完成了“潛龍二號(hào)”（AUV，4500 m）的研制，成功進(jìn)行了2次湖上和1次海試，累計(jì)下潛162次。其中在南海海試中成功下潛 15個(gè)潛次，最大下潛深度4446 m，連續(xù)兩次完成大深度近海底31個(gè)小時(shí)最大續(xù)航力試驗(yàn)，獲取了大量的聲學(xué)、光學(xué)和水文探測(cè)數(shù)據(jù)。

“潛龍一號(hào)”和“潛龍二號(hào)”的成功研制與海底探測(cè)應(yīng)用，為我國(guó)開展深海資源大范圍精細(xì)探測(cè)提供了重要技術(shù)裝備，標(biāo)志著我國(guó)深海資源勘查裝備已達(dá)到實(shí)用化水平。目前這兩型探測(cè)裝備搭乘“向陽紅 10號(hào)”船正在西南印度洋多金屬硫化物礦合同區(qū)執(zhí)行大洋第 40航次調(diào)查任務(wù)，“三龍”體系成為我國(guó)深海資源勘查的主力軍。

我國(guó)自行研制的中型遙控水下機(jī)器人（ROV）可在3000 m水深進(jìn)行攝像、觀測(cè)、測(cè)量等，具有作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、安全性高、測(cè)量數(shù)據(jù)直觀、事后處理和分析容易等優(yōu)勢(shì)。2003年7月，這臺(tái)水下機(jī)器人在第二次北極科考進(jìn)行了冰層厚度等一系列科考示范應(yīng)用。自主研發(fā)的3500 m無人纜控潛水器，2011年在“大洋一號(hào)”第22航次第二航段中進(jìn)行了2000 m水深海底作業(yè)，圓滿完成了對(duì)南大西洋多金屬新區(qū)的探測(cè)，成功采集了熱液硫化物和生物樣品，并同步拍攝了高清晰海底照片和作業(yè)全程視頻圖像。

2014年2月20日—4月24日，我國(guó)自主研制的首臺(tái)4500 m級(jí)深海遙控?zé)o人潛水器作業(yè)系統(tǒng)“海馬號(hào)”搭乘“海洋六號(hào)”科考船，分三個(gè)航段在南海進(jìn)行海試。共完成17次下潛，3次到達(dá)南海中央海盆底部進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)，最大下潛深度4502 m。完成水下布纜、沉積物取樣、熱流探針試驗(yàn)OBS（海底地震儀）布放、海底自拍攝、標(biāo)志物布放等多項(xiàng)任務(wù)；成功實(shí)現(xiàn)了與水下升降裝置（Lander）聯(lián)合作業(yè)，通過了定向、定高、定深航行等 91項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)考核。此次海試成功標(biāo)志著我國(guó)全面掌握了大深度無人遙控潛水器的關(guān)鍵技術(shù)，并在關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化方面取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，是我國(guó)深海高技術(shù)領(lǐng)域繼“蛟龍?zhí)枴敝笥忠粯?biāo)志性成果。這些都標(biāo)志著中國(guó)的大洋科考探測(cè)、深潛及裝備技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，進(jìn)入“機(jī)器人時(shí)代”。

2016年 6月 25日，國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在廣州發(fā)布：在珠江口盆地西部海域發(fā)現(xiàn)“海馬冷泉”，總體呈東西條帶狀展布，水深 1350～1430 m面積約618 km2，其中已探查發(fā)現(xiàn)有冷泉活動(dòng)的區(qū)域約350 km2。科學(xué)考察表明，有冷泉出露的地方，就說明了海底有甲烷氣上升。反映冷泉下面的海底沉積物里可能賦存天然氣水合物。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號(hào)”船使用“海馬”號(hào)基本查明了該冷泉的分布范圍、地形地貌、生物群落、自生碳酸鹽巖及流體活動(dòng)等特征，具有三大特點(diǎn)：一是淺表層富含天然氣水合物，埋深一般僅海底下數(shù)米，最淺的僅0.15 m；二是自生碳酸鹽巖大量出露，主要呈結(jié)核狀、結(jié)殼狀和層狀、碳酸鹽巖膠結(jié)了大量貽貝殼片；三是冷泉生物群體廣泛發(fā)育，有管狀蠕蟲、蛤類及貽貝等多種冷泉生物共生，其中貽貝分布最為廣泛?！昂ｑR冷泉”的發(fā)現(xiàn)是我國(guó)繼南海北部陸坡神狐海域（2007年）和珠江口盆地江部海域（2013年）之后，再次在新海域勘查天然氣水合物礦藏的又一重大發(fā)現(xiàn)。

2.3 大洋科考成果豐碩

在深海大洋領(lǐng)域，中國(guó)擁有的先進(jìn)深海技術(shù)及儀器裝備已躋身世界前列。先后在東北太平洋CC區(qū)獲得聯(lián)合國(guó)海底管理局（ISA）批準(zhǔn)一塊7.5萬km2的多金屬結(jié)核優(yōu)先開采礦區(qū)（1999年）。至今，“大洋一號(hào)”“海洋四號(hào)”和“海洋六號(hào)”在太平洋、大西洋和印度洋共進(jìn)行 31個(gè)航次調(diào)查，除對(duì)深海盆地的結(jié)核和海山區(qū)的鈷結(jié)殼進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)外，還在三大洋洋脊兩側(cè)共發(fā)現(xiàn)海底熱液和熱液硫化礦點(diǎn)30多處，其中第22航次（2010年12月8—11日）發(fā)現(xiàn)16個(gè)海底熱液區(qū)（南大西洋5處、東太平洋11處）。該航次使用國(guó)產(chǎn)儀器設(shè)備綜合錨系浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)、拖曳式資源綜合探測(cè)系統(tǒng)及中深孔巖芯取樣機(jī)，從西太平洋某礁水下2550 m采到礫狀結(jié)殼；從東太平洋海隆1647 m水下獲得了海底巖芯；從南太平洋洋脊2562 m采集了玄武巖，還使用抓斗從2901 m的海底抓到一塊重達(dá) 500 kg以黃鐵礦和閃鋅礦為主的硫化物巨塊樣品。第30航次第二航段，“大洋一號(hào)”于2014年2月18日，在位于我國(guó)西南印度洋多金屬硫化物勘探合同區(qū)的第8個(gè)作業(yè)站位中，通過電視抓斗成功抓獲了3大塊柱狀碳酸鹽和一段碳酸鹽“白煙囪”體，表明該區(qū)域發(fā)育有熱液硫酸鹽的重要證據(jù)。

2015年，“大洋一號(hào)”“海洋六號(hào)”“向陽紅09號(hào)”“向陽紅10號(hào)”執(zhí)行了大洋第31～36共6個(gè)航次，先后在西南印度洋、東北太平洋、西太平洋開展礦產(chǎn)資源、稀土資源、環(huán)境及生物多樣性調(diào)查評(píng)價(jià)。在我國(guó)多金屬硫化物勘探合同區(qū)新圈定 19處礦化異常區(qū)，加深了對(duì)硫化物資源分布及其成礦作用的認(rèn)識(shí)；在東北太平洋多金屬結(jié)核合同區(qū)的重點(diǎn)區(qū)域完成了加密取樣；在西太平洋富鈷結(jié)殼合同區(qū)開展了全方位的立體環(huán)境觀測(cè)；在勘探技術(shù)方法上進(jìn)行了積極探索，進(jìn)一步完善了海底硫化物礦化異常區(qū)圈定探測(cè)技術(shù)方法，在調(diào)查技術(shù)取得了一系列新進(jìn)展。

2016年6月22日—8月12日，“探索一號(hào)”科考船赴西太平洋馬里亞納海溝探測(cè)地球最深處的奧秘。該船搭載的許多核心深?？蒲性O(shè)備和探測(cè)“神器”均為我國(guó)自主研發(fā)。如萬米級(jí)自主遙控潛水器“海斗”號(hào)、深淵著陸器“天涯”號(hào)、“海角”號(hào)、萬米級(jí)原位試驗(yàn)系統(tǒng)“原位實(shí)驗(yàn)”號(hào)、9000 m級(jí)深海海底地震儀、7000 m級(jí)深?；铏C(jī)等。

我國(guó)自主研制的“海斗”號(hào)無人潛水器最大潛深達(dá)到10767 m，創(chuàng)造最大下潛及作業(yè)深度紀(jì)錄。我國(guó)成為繼日、美兩國(guó)之后，第三個(gè)擁有研制萬米級(jí)無人潛水器能力的國(guó)家。此外，自主研制的水下滑翔機(jī)下潛深度達(dá)到5751 m，創(chuàng)最大下潛深度紀(jì)錄；國(guó)產(chǎn)地震儀工作深度也首次突破了7000 m，并采集到馬里亞納海溝一次大于 7.7級(jí)的天然地震信號(hào)。此次科考成功獲得了 2條9000 m級(jí)和2條萬米級(jí)水柱的溫鹽深數(shù)據(jù)，深度序列完整的海底沉積物樣本，以及深度序列完整的馬里亞納海溝水樣。

3 海洋科學(xué)前沿在深海大洋

當(dāng)今全球性經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展，將人類的活動(dòng)帶到了深海大洋：海底資源的發(fā)現(xiàn)，又把人類的探索和勘探活動(dòng)由陸架區(qū)推向深海大洋。這一切都是在科技進(jìn)步的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。這樣發(fā)展起來的海洋科學(xué)具有深刻的全球性，在自然科學(xué)眾多的學(xué)科中，海洋科學(xué)也是一門更加需要國(guó)際交流合作的學(xué)科。

海洋科學(xué)的發(fā)展表明，以前被認(rèn)為的區(qū)域問題，如今也需要從海盆尺度甚至全球尺度來看待。例如全球性溫鹽環(huán)流的變化，通過中緯度大氣影響北太平洋及東亞季風(fēng)，從而影響黑潮及我國(guó)近海環(huán)流的物質(zhì)及熱量輸運(yùn)。因此，不研究深海大洋，也就不可能理解近海。

地球表面13億km3的海水中約有47%集中在海洋里，平均3800 m深的海水使人類對(duì)深海底的了解還不如月球表面。直到百余年前甚至幾十年前，人們還以為深海是個(gè)沒有生命的死亡世界。未曾想，近幾十年來深海大洋成了地球科學(xué)接二連三的突破口。

研究表明，海洋科學(xué)一系列重大問題均來自于深海，如深層大洋環(huán)流的驅(qū)動(dòng)、海底熱液和冷泉物質(zhì)通量及其環(huán)境生態(tài)影響，“深部生物圈”在碳循環(huán)中的作用等。探索“固體地球循環(huán)”“俯沖帶加工廠”里水和碳的平衡及其對(duì)發(fā)震帶的影響，地球深部與表層系統(tǒng)之間的圈層相互作用等研究領(lǐng)域也是方興未艾。

盡快進(jìn)入深海大洋的前沿，不僅是我國(guó)海洋科學(xué)，也是整個(gè)地球系統(tǒng)科學(xué)的戰(zhàn)略需要。我國(guó)目前深?；A(chǔ)研究力量過于薄弱，加之探索深海的技術(shù)、儀器、設(shè)備與裝備相對(duì)落后，迫切需要采取有力措施，加大研發(fā)能力，需要海洋科技加快實(shí)現(xiàn)從支撐為主向創(chuàng)新引領(lǐng)型轉(zhuǎn)變，爭(zhēng)取盡快使我國(guó)海洋科技水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

3.1 海底觀測(cè)網(wǎng)

海底站位定點(diǎn)或剖面的連續(xù)觀測(cè)，是記錄沉積作用和環(huán)境變化過程、變化機(jī)理的必要途徑；從短暫考察到連續(xù)觀測(cè)，是海洋科學(xué)發(fā)展的必由之路。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的遙感技術(shù)的發(fā)展，第一次使人類擺脫地心引力，從空間觀測(cè)海洋，開拓了海洋科學(xué)研究的視野，提供了海洋觀測(cè)的第二個(gè)平臺(tái)。但遙感技術(shù)難以達(dá)到深海大洋底部，隨著錨系和自沉浮式剖面觀測(cè)浮標(biāo)技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)入海洋內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)和實(shí)時(shí)的觀測(cè)；而近年來一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在建設(shè)的“海底觀測(cè)網(wǎng)”，用光纖、電纜傳送能量和信息，正在為海洋觀測(cè)打造第三個(gè)觀測(cè)平臺(tái)。

“海王星計(jì)劃”（NEPTUN）是美國(guó)和加拿大投資 3億美元在東北太平洋建立的海底觀測(cè)網(wǎng)。用3000 km光纖電纜，通過 30個(gè)“節(jié)點(diǎn)”將上千個(gè)海底觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維系一大批海底和鉆孔中的儀器。2009年建成，它將進(jìn)行水層、海底和地殼的長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)觀測(cè)約25年。

2009年12月8日，加拿大正式啟動(dòng)目前世界上最大的海底“海王星”有線局域網(wǎng)。該網(wǎng)通過數(shù)百個(gè)海底儀器和傳感器獲取數(shù)據(jù)，并將其直接從太平洋洋底全天候不間斷傳到互聯(lián)網(wǎng)上。據(jù)估計(jì)，這個(gè)海底網(wǎng)絡(luò)每年可產(chǎn)生 50太字節(jié)（Tb，一千千兆字節(jié)）數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)科學(xué)家能夠了解從地震動(dòng)力學(xué)到氣候變化對(duì)水柱產(chǎn)生的影響，其中包括海嘯及地殼運(yùn)動(dòng)。此外，“海王星”還將負(fù)責(zé)研究分布于大陸邊緣廣闊的氣水合物沉積以及深海捕魚對(duì)底棲生物群落產(chǎn)生的影響。

2007年11月，我國(guó)第一個(gè)深海底基觀測(cè)站在西沙海域正式運(yùn)行。該站主要由坐底式海底和海底邊界層觀測(cè)系統(tǒng)，上層海洋環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)和多學(xué)科觀測(cè)系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，多學(xué)科觀測(cè)系統(tǒng)包括海洋光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)、沉積物捕獲器與海底地震儀等，觀測(cè)尺度從海底2000 m至海面上10 m，觀測(cè)要素幾乎涵蓋了所有海洋環(huán)境參數(shù)。

2009年，同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開建我國(guó)第一個(gè)海底綜合觀測(cè)試驗(yàn)與示范系統(tǒng)（東海小衢山站）。預(yù)計(jì)將在2015年前建成東海海底觀測(cè)網(wǎng)的海底觀測(cè)系統(tǒng)（海底實(shí)驗(yàn)室），由海底觀測(cè)節(jié)點(diǎn)和岸基站組成，通過電纜或光纖把各站點(diǎn)連接起來形成一個(gè)海底觀測(cè)網(wǎng)。海底觀測(cè)系統(tǒng)的建立，從根本上擺脫了能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)延遲等不利因素的影響，使海洋科學(xué)家可以在陸上通過這套系統(tǒng)，對(duì)海洋物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物等變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的不間斷觀測(cè)。

海底觀測(cè)網(wǎng)相當(dāng)于將觀測(cè)站和實(shí)驗(yàn)室建在海底，是地球科學(xué)又一次來自海洋的革命。其優(yōu)點(diǎn)在于擺脫了電池壽命、船時(shí)與艙位、天氣及數(shù)據(jù)延遲等種種局限性，科學(xué)家可以在陸地上通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控自己的深海實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

如果說，早期從海上或岸邊進(jìn)行觀測(cè)，是從外面對(duì)海洋做“蜻蜓點(diǎn)水”式的訪問，那么從海底設(shè)站進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)觀測(cè)，則是深入到海洋內(nèi)部/海底深部做“蹲點(diǎn)調(diào)查”，是把深海大洋置于人類監(jiān)測(cè)視域之內(nèi)，將海洋科學(xué)從“考察型”向?qū)崟r(shí)“觀測(cè)型”推進(jìn)。

3.2 跨越時(shí)空多尺度

海洋是一個(gè)包含多種時(shí)空過程的復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)，不同時(shí)空尺度過程之間存在相互作用。從海洋動(dòng)力過程來看，它既包含小尺度（毫米量級(jí)）快速的湍流、表面及內(nèi)部重力波等過程，又包含大尺度（幾千米～上千千米量級(jí)）的潮汐、Rossby及Kelvin波，以及中尺度渦和環(huán)流系統(tǒng)。這些不同尺度運(yùn)動(dòng)之間的能量相互傳遞，以維持海洋的溫鹽結(jié)構(gòu)。

同樣復(fù)雜的是海洋的時(shí)間尺度。表層海水的更新時(shí)間以天計(jì)，深層水以千年計(jì)，而在俯沖帶和洋中脊進(jìn)入地球內(nèi)部的水循環(huán)至少以百萬年計(jì)。海洋生物既有每10 min繁殖一次的浮游細(xì)菌，又有繁殖周期長(zhǎng)達(dá)千年的“深部生物圈”。

不僅如此，不同時(shí)空尺度的海氣耦合過程之間還存在相互作用，如熱帶氣旋對(duì)溫鹽環(huán)流的形成及變異也可能造成影響。不同尺度的海氣相互作用過程的結(jié)合對(duì)于認(rèn)識(shí)天氣及氣候變異機(jī)理，提高預(yù)測(cè)水平有重要意義。因此，海洋過程的時(shí)空尺度跨越許多量級(jí)，不可能用簡(jiǎn)單的方法去研究。

以探索機(jī)理為目標(biāo)的研究需要跨越時(shí)間和空間尺度。20世紀(jì)90年代美國(guó)海洋沉積學(xué)的研究計(jì)劃，就是利用短期沉積過程（＜100年）的觀測(cè)，去求取長(zhǎng)期地層記錄（104～106年）的解釋；時(shí)間和方法上都有大的跨度，從秒級(jí)的波浪周期到107年的地層周期。CNG海底觀測(cè)的三腳架和沉積捕集器到地震和大洋鉆探，都值得海洋學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域研究借鑒。

3.3 科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合

現(xiàn)代海洋科學(xué)百年前就已出現(xiàn)，但深海研究卻只是近 50年的事。原因在于深海探測(cè)技術(shù)的滯后—當(dāng)有了回聲聲吶，才知道有海山和洋中脊；有了深海鉆探，才證明了板塊構(gòu)造理論；有了深潛技術(shù)，才發(fā)現(xiàn)海底熱液活動(dòng)、黑煙囪和冷泉。總之，沒有先進(jìn)的技術(shù)，就不可能有深海的探測(cè)和新的發(fā)現(xiàn)。這充分說明，海洋科學(xué)更加需要技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，正如許多國(guó)際的海洋科學(xué)計(jì)劃，也是有科學(xué)與技術(shù)雙方共同討論，科學(xué)問題與技術(shù)發(fā)展計(jì)劃一道制定的。

最近，美國(guó)發(fā)布的《為美國(guó)海洋科學(xué)導(dǎo)航：今后十年研究的優(yōu)先領(lǐng)域》報(bào)告中，提出三大任務(wù)：加強(qiáng)海洋過程的理解與預(yù)報(bào)能力，實(shí)施以生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的海洋管理，建設(shè)海洋觀測(cè)系統(tǒng)。其中第三項(xiàng)，海洋觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，正是實(shí)現(xiàn)前兩項(xiàng)目標(biāo)的技術(shù)保障。

海洋科學(xué)的發(fā)展需要解釋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展脫節(jié)的問題，問題的實(shí)質(zhì)在于是否有創(chuàng)新的目標(biāo)。重復(fù)性的工作只需要模仿或者多添購些儀器設(shè)備；而創(chuàng)造型的研究卻往往要求技術(shù)上的改進(jìn)、創(chuàng)新和發(fā)明，因此發(fā)展規(guī)劃或計(jì)劃只能由科學(xué)和技術(shù)雙方共同制訂。特別是科學(xué)家對(duì)技術(shù)的了解，技術(shù)專家對(duì)科學(xué)的興趣，是兩者結(jié)合的前提。如果科學(xué)家只顧發(fā)表論文，技術(shù)專家只要申請(qǐng)專利，這是我國(guó)科學(xué)創(chuàng)新的大敵；單純依靠“雇傭”關(guān)系的科技聯(lián)合，不可能帶來創(chuàng)新的沖動(dòng)，只有科學(xué)家與工程技術(shù)專家共同朝著一個(gè)共同創(chuàng)新的目標(biāo)，去研發(fā)關(guān)鍵或核心技術(shù)，才有可能去解決重要的科學(xué)問題。

3.4 海洋競(jìng)爭(zhēng)即科技之爭(zhēng)

隨著地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，人類認(rèn)識(shí)海洋的需求也越來越大。與陸地的開發(fā)不同，海洋的開發(fā)只能依靠高新技術(shù)。因此，21世紀(jì)的國(guó)際海洋競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上是科技之爭(zhēng)?？萍荚趪?guó)際海洋權(quán)益爭(zhēng)奪中的作用，在海洋資源開發(fā)利用中的應(yīng)用，從來沒有像今天這樣突出；海洋科技界對(duì)于維護(hù)國(guó)家管轄海域承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，也從來沒有像今天這樣重要。

當(dāng)今海洋科學(xué)的發(fā)展將向多學(xué)科交叉融合的方向發(fā)展，科技人員所面臨的海洋問題，不是哪個(gè)單一學(xué)科能夠單獨(dú)解決的。對(duì)于海洋生態(tài)系統(tǒng)來說，重點(diǎn)是關(guān)注海洋生物資源的可持續(xù)利用、海洋污染、海洋酸化、海洋低氧區(qū)的擴(kuò)大和有害藻華等問題；對(duì)于深海而言，要重點(diǎn)關(guān)注海洋礦產(chǎn)資源和油氣/天然氣水合物資源的開發(fā)利用，海洋特殊環(huán)境觀測(cè)和對(duì)深海極端環(huán)境的探索；對(duì)于大洋來說，則要重點(diǎn)關(guān)注海氣相互作用，海洋中尺度過程和軍事海洋學(xué)的發(fā)展。因此，海洋科學(xué)將向各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用方向發(fā)展。

為此，首先要建立海洋信息系統(tǒng)，需要發(fā)展無人值守的自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，如一系列的物理、化學(xué)、地質(zhì)和生物傳感器的研制和包括海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)生等。同時(shí)建立海洋信息服務(wù)系統(tǒng)，為社會(huì)各行業(yè)（海上交通運(yùn)輸、海上油氣勘探開發(fā)、海洋災(zāi)害、海洋環(huán)境、海岸帶管理）與社會(huì)公眾提供海洋信息；其次是海洋模式的發(fā)展。多學(xué)科融合交叉的高分辨海洋模式的建立勢(shì)在必行，隨著這些模式的發(fā)展，一系列的海洋問題都將向廣度和深度發(fā)展，人們可以基于現(xiàn)有的海洋信息，預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)，為海洋管理、資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)和海防建設(shè)服務(wù)。

3.5 深海科學(xué)前沿

海底深部過程是研究地球表層與深部之間相互作用的切入點(diǎn)，其中洋中脊的熱液、冷泉活動(dòng)及其相關(guān)的暗能量生物群落，是海洋系統(tǒng)中新發(fā)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。熱液來自洋殼深部上涌的含金屬元素的巖漿與海水。探索發(fā)現(xiàn)洋中脊不僅有富含硫化物＞350℃的高溫?zé)嵋骸昂跓焽琛保€有100～200℃的中溫?zé)嵋骸包S煙囪”和40°～ 90°的低溫?zé)嵋骸鞍谉焽琛?。除熱液之外，還有冷泉和大洋板塊俯沖帶與海底烴類溢出口。

深海熱液所含的能量和水分具有重要的資源價(jià)值。深海多金屬礦床的形成不僅為陸上的成礦理論研究提供了現(xiàn)代比較，海底多金屬硫化物礦床作為未來戰(zhàn)略資源，是當(dāng)前有深海技術(shù)因家競(jìng)逐的對(duì)象。

比熱液、冷泉更為轟動(dòng)的科學(xué)發(fā)展，是熱液和冷泉生物群。那里猶如沙漠中的一片綠洲，熱液區(qū)成為新物種發(fā)現(xiàn)的熱點(diǎn)；冷泉生物群落也有其一套完整的生命體系，那里的生物居然能在無光合作用下，依靠甲烷、硫化氫等還原性物質(zhì)自養(yǎng)存活。

進(jìn)入 21世紀(jì)以來，天基、空基、岸基、海面、水下、海床基的觀測(cè)平臺(tái)共同構(gòu)成人類對(duì)海洋的立體式觀測(cè)，將對(duì)海洋的觀測(cè)由點(diǎn)、線及面整合起來。科考船、深潛器和“海洋空間站”是人類間接/直接/現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)深海大洋的基本手段。衛(wèi)星與實(shí)地觀測(cè)相結(jié)合，是整個(gè)地球觀測(cè)的主導(dǎo)方向。遙感技術(shù)具有覆蓋廣、信息量大等諸多優(yōu)勢(shì)，是常規(guī)觀測(cè)所不能替代的手段。目前正在建設(shè)的“海底觀測(cè)網(wǎng)”，更是將從根本上改變?nèi)祟愄剿骱驼J(rèn)識(shí)海洋的途徑，它相當(dāng)于將觀測(cè)站和實(shí)驗(yàn)室建在海底。在不久的將來，科技人員或許就可以在個(gè)人電腦上了解到深海的各項(xiàng)指標(biāo)、數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程。人類探索和研究海洋將永無止境。

4 當(dāng)今國(guó)際海底資源活動(dòng)新態(tài)勢(shì)

目前，國(guó)際海底資源活動(dòng)呈現(xiàn)出多元化、復(fù)雜化和爭(zhēng)奪激烈的態(tài)勢(shì)：海底礦區(qū)申請(qǐng)?jiān)鏊倜黠@，申請(qǐng)形式趨于多元。在2001—2006年間，國(guó)際海底管理局（ISA）共核準(zhǔn)8塊多金屬結(jié)核勘探礦區(qū)，合同承包者大部分為政府和科研機(jī)構(gòu)，2011年以來，已有18個(gè)西方發(fā)達(dá)國(guó)家、公司以及新興發(fā)展中國(guó)家提出礦區(qū)申請(qǐng)，ISA已核準(zhǔn)了11份勘探申請(qǐng)，另有7份待批。與此同時(shí)，一些國(guó)際礦業(yè)公司也紛紛界入（新核準(zhǔn)的 11份勘探申請(qǐng)書有 6份為礦業(yè)公司），成為新一輪礦區(qū)申請(qǐng)的一個(gè)新動(dòng)向。

世界首個(gè)深海采礦項(xiàng)目，由澳大利亞鸚鵡螺公司在巴布亞—新幾內(nèi)亞海域首開先河，人類正在迎接深海采礦時(shí)代的到來，使沉睡在2000 m以下海底開采硫化物礦床成為現(xiàn)實(shí)。

4.1 國(guó)際海底資源競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)

當(dāng)前，國(guó)際海底礦產(chǎn)資源競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)日益激烈。國(guó)際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源主要為多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物3種，而近年來在深海底新發(fā)現(xiàn)含稀有元素濃度較高的稀土軟泥也引起人們的關(guān)注。對(duì)這些未來的戰(zhàn)略資源，有能力、有條件、有技術(shù)的國(guó)家投入調(diào)查評(píng)價(jià)，以此為礦區(qū)申請(qǐng)做前期工作。

國(guó)際海底管理局于2000年通過《“區(qū)域”內(nèi)多金屬結(jié)核探礦與勘探規(guī)章》后，2010年和2012年相繼通過多金屬硫化物和富鈷結(jié)殼兩種資源的勘探規(guī)章。至此，任何《公約》締約國(guó)都可對(duì)上述3種資源提出勘探礦區(qū)申請(qǐng)，國(guó)際海底礦區(qū)申請(qǐng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)進(jìn)一步加劇。

4.2 專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)資源勘探開發(fā)

除了國(guó)際海底礦區(qū)申請(qǐng)外，專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)（EEZ）內(nèi)資源勘探開發(fā)也成為新的熱點(diǎn)，即有實(shí)力的國(guó)家在其他國(guó)家 EEZ內(nèi)進(jìn)行礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)成為一種新的深海資源利用形式。如澳大利亞鸚鵡螺礦業(yè)和加拿大海王星礦業(yè)兩家公司在多個(gè)西南太平洋島國(guó)的 EEZ申請(qǐng)了勘探區(qū)。

2006年，Nautilus公司分兩次向巴布亞-新幾內(nèi)亞政府提出了分別在巴新EEZ內(nèi)Bismarck海和Solomon海內(nèi)的勘探執(zhí)照區(qū)申請(qǐng)，總計(jì)面積約17萬km2，其中有幾個(gè)硫化物礦床。其中一個(gè)礦化帶樣品分析結(jié)果金屬含量為Cu 15%、Zn 3.4%、Au 22 g/t。該公司已于2011—2012年完成勘探評(píng)價(jià)，2013年在水深1600～1700 m的海底投入商業(yè)開采。這是人類首例在洋海底進(jìn)行固體礦產(chǎn)資源商業(yè)開發(fā)活動(dòng)。

4.3 我國(guó)深?？碧介_發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)深海礦產(chǎn)資源開發(fā)能力嚴(yán)重不足。一是深海采礦技術(shù)發(fā)展滯后。雖然3種礦產(chǎn)資源礦區(qū)申請(qǐng)獲批（注：2015年7月20日國(guó)際海底管理局核準(zhǔn)了中國(guó)五礦集團(tuán)公司申請(qǐng)的東太平洋海底多金屬結(jié)核資源勘探礦區(qū)。我國(guó)成為擁有3個(gè)礦種4個(gè)區(qū)塊的國(guó)家），也簽署了勘探合同，但至今尚未進(jìn)行海上試采，主要原因就是缺乏深海采礦技術(shù)和相關(guān)的裝備。二是深海采礦技術(shù)發(fā)展機(jī)制不順。長(zhǎng)期以來，我國(guó)的深海采礦技術(shù)缺乏明確的國(guó)家重大任務(wù)的專項(xiàng)支持，也未獲得相關(guān)企業(yè)的重視和投入，導(dǎo)致了我國(guó)深海采礦技術(shù)發(fā)展的滯后，也影響了深海采礦工程技術(shù)研發(fā)人才隊(duì)伍的形成和穩(wěn)定。

中國(guó)大洋協(xié)會(huì)依照勘探合同開展區(qū)域內(nèi)的調(diào)查，可以促進(jìn)我國(guó)深海高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以此帶動(dòng)和促進(jìn)有關(guān)深海技術(shù)裝備研制邁上新臺(tái)階。為我國(guó)未來開發(fā)深海礦產(chǎn)資源做好前期準(zhǔn)備。我們應(yīng)考慮到未來礦區(qū)勘探和環(huán)境評(píng)價(jià)需求，首先要繼續(xù)加大資源勘探和環(huán)境調(diào)查及評(píng)價(jià)工作的支持力度，其次著眼未來商業(yè)開采能力的培育，大力發(fā)展深海技術(shù)裝備，提升海洋資源開發(fā)整體能力，特別是深海資源開發(fā)能力。以自主研發(fā)為主，繼續(xù)重點(diǎn)支持發(fā)展深海觀測(cè)和探測(cè)裝備、深海水下機(jī)器人及鉆探設(shè)備等高技術(shù)裝備，以深海高技術(shù)裝備支撐未來礦區(qū)勘探開發(fā)和環(huán)境評(píng)價(jià)的需求。?

【作者單位：國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所】

（摘自《海洋信息科學(xué)與技術(shù)》2016年1期）