深海探測——探索海洋深處的奧祕

(開卷知新)

深海探測——探索海洋深處的奧祕

汪品先

 來源:人民網-人民日報

圖為“蛟龍”號載人深潛器。

習近平總書記強調,要進一步關心海洋、認識海洋、經略海洋,推動我國海洋強國建設不斷取得新成就。

伴隨深海探測技術的發展,人類深入認識深海的時代正在來臨。500年前達·芬奇設計潛水服、150年前凡爾納寫《海底兩萬裏》,當時的科學幻想如今正在成為現實。

從科學角度看,探索深海能夠幫助人類深入瞭解海洋的奧祕、地球的奧祕。水深超過2000米的深海,佔據地球表面的3/5,無論温室氣體排放的歸宿,還是氣候長期變化的源頭,都要追溯到海水深層。不僅如此,海底是距離地球內部最近的地方:大陸地殼平均35公里厚,大洋地殼則為7公里。揭示板塊運動的規律、窺探地球內部的真相,也要到深海底部進行探索。

從經濟角度看,深海藴藏着豐富的礦產、油氣和生物資源。目前,海洋石油產量佔世界石油產量的30%,高居世界海洋經濟首位,其中發展最快的是深水油田。近年來全球重大油氣發現,70%來自水深超過1000米的水域。海底有待開發的資源非常豐富,現在還只是起步階段。比如海底的微生物新陳代謝極其緩慢,生殖週期在千年以上,但人類尚不知如何利用其“長壽基因”;太平洋一片深海黏土所含的稀土元素可供人類使用幾十年,但開採利用技術尚待研發。

深潛、深鑽、深網是當今探索深海奧祕的三大手段,即深潛科學考察、國際大洋鑽探和國家海底科學觀測網建設。深潛是直觀的深海探索,但在空間和時間上都存在侷限性。深潛最深只能到海底,從海底往下得靠鑽探,這就是深鑽;深潛的運行時間只能以小時計,想要長期連續觀測就得將傳感器放到海底,聯網觀測,這就是深網。深潛、深鑽和深網,共同擔起深海探索的技術重任。目前,我國已建立起“三深”格局,深海科考進入快速發展期。

深潛:深海探索的尖兵

明代《天工開物》中就有關於潛水的記載:屏住一口氣潛入海底“沒水採珠”。但是海水每加深10米就增加一個大氣壓,深海下潛只能在某種容器裏進行。

20世紀晚期,人類在克服地心引力進入太空的同時,也頂住水柱壓力進入深水海底。經過潛水鐘、潛水球的試探,1960年,“的里亞斯特”號深潛器下潛到太平洋馬裏亞納海溝水深10916米的海底,將兩個人首次送入地球表面的最深處。經過幾十年的探索,現在的深潛器已經發展為作業型,配有動力系統和各種取樣設施,成為深海探索的尖兵,其突出貢獻是1979年在東太平洋發現黑煙囱熱液系統。上世紀80年代,美國、法國、蘇聯、日本分別建造了載人深潛器,最深可以潛入6500米。

我國深海科技起步較晚但發展迅速。2012年,“蛟龍”號載人深潛器下潛至7062米,創世界同類作業型潛水器最大下潛深度紀錄。2017年,4500米型的“深海勇士”號載人深潛器正式投入使用,國產自主率超過95%。目前,萬米級全水深的載人深潛器已經處於試驗階段,我國正邁向國際深潛設施製造前列。正是通過載人深潛,我國在南海發現了海山上成片的多金屬結核、古熱液區和冷水珊瑚林,在西南印度洋勘查了金屬硫化物礦點。

隨着自動化和人工智能的發展,探索深海也可以不用人類親身下潛。上世紀70年代以來迅速發展的非載人深潛器,同樣可以進行許多項目的科學探索,而且具有成本低、效率高的優勢。世界上載人深潛器為數稀少,無人遙控潛水器則已廣泛使用。由於有臍帶纜和母船連接,遙控潛水器有充足的能源保障,不僅可用於長時間的科研考察,更是當前水下工程作業的主力。我國70年代末開始研製非載人深潛器,進展迅速,“海馬”號4500米級遙控潛水器、“潛龍”號無人無纜自主潛水器、“海龍”號無人有纜潛水器等,正在壯大着我國深潛器的陣營。

深鑽:窺探地球內部奧祕

“三深”中規模最大、需要國際合作進行的,是國際大洋鑽探計劃的深鑽。國際大洋鑽探計劃從1968年開始,是由20多個國家共同參加的科學探索計劃,其任務是探索深海底下的地球內部,是國際科學界為時最久、影響最大的合作計劃。

大洋鑽探由於技術要求高、經費投入大,必須依靠國際合作。大洋鑽探每兩個月執行一個鑽探航次,每個航次採用的都是最先進的鑽探船,科技含量極高。半個世紀來,大洋鑽探在世界大洋鑽井4000多口,取回巖芯40多萬米,從多方面加深了人類對地球的認識。比如70年代的大洋鑽探,證實了地球構造運動的板塊學説,找到了氣候長期變化的軌道驅動;後來的鑽探又發現了海底的天然氣水合物,以及地殼裏微生物構成的“深部生物圈”。大洋鑽探始終引領着國際地球科學的發展。

我國是大洋鑽探的新兵,1998年方才參加,但在1999年就成功實施了南海第一次大洋鑽探,探索季風氣候演變的歷史。2014至2018年間,我國又接連完成三個半鑽探航次,揭示了南海海盆張裂、海底擴張的歷史,使南海成為深部過程研究程度最高的邊緣海。重要的是,所有這些航次都是在中國科學家提議、設計和共同主持下實施的。

深網:把“氣象站”和“實驗室”建在海底

世界海洋科學正在轉型:從海面船隻的短暫測量,轉為海洋內部的長期觀測。長久以來,人類主要從海洋外部觀察海洋,而許多深海現象只有通過對海洋內部的長期觀測才能發現。比如海洋災害的預警,在最需要觀測的時候,船隻卻無法抵近。90年代起,國際海洋界開始將傳感器放到海底,再用光電纜接到岸上傳送能量和信息。這樣建成的海底觀測網可以不間斷地進行長期現場觀測,無論有颱風還是地震都可以連續運作,將深海的現場數據實時送到實驗室。

進入新世紀,發達國家掀起了建設海底觀測網的熱潮。2009年,加拿大“海王星”觀測網率先建成,水深3000米、纜線長800公里;2015年,日本建成S—Net網,從本州島連到太平洋8000米水深的日本海溝,佈設150個監測站、纜線總長5700公里,號稱世界最大的地震監測網;2016年,美國OOI海底觀測系統正式建成,包含區域網、近岸網、全球網三大系統,設置900多個探頭對美國岸外進行多學科的海底觀測;此外,歐盟14個國家參加的EMSO計劃,從地中海直到北冰洋都將佈設海底觀測網。

海底觀測網相當於在海底建立“氣象站”和“實驗室”,極大提升海洋觀測能力,標誌着新一代海洋科學的建立。從應用上講,海底觀測網是預警地震海嘯最為有效的手段。世界上85%的火山在海底,佈設海底裝置能夠實時監測火山爆發,將來或能對海底火山爆發作“現場直播”。

我國從2005年起開始推進海底觀測網的建設,2009年建設近岸的實驗觀測站。此後,又在南海北部進行了大量深水海流和沉積過程的長期觀測。2017年,我國國家海底科學觀測網正式被批覆建立,將在我國東海和南海分別建立海底科學觀測系統,從海底向海面進行全天候、實時和高分辨率的多界面立體綜合觀測。

近10年來,建設中的海底科學觀測網除了光纜聯網的設備外,還有着大量無線聯網的活動觀測平台,包括自主水下航行器、水下滑翔機、海底爬行車等。

由於深海開發尚處起步階段,在取得成功的同時,也時有災難發生。2010年,墨西哥灣一口創紀錄的深水油井打開了大油田,但是鑽井平台爆炸導致在接下來的5個月裏,50萬立方米的原油漏入墨西哥灣,造成史上最嚴重的海上事故。進入深海不僅要防止災害,還要關注環境保護。深海的特點在於連通性強,而且有大量的“慢過程”,深水珊瑚上千年才長一株,多金屬結核百萬年才長几釐米。污染物質的排放或者生態環境的破壞,後果要比在陸地嚴重得多。人類在深海面前還是個小學生,當前的首要任務是發展深海科技,決不能帶着“淘金”的狂熱去開發深海。開發深海,大量技術上的新挑戰還在前面。

深海開發是面向未來的事業。如果説16世紀的“地理大發現”是人類在橫向上進入海洋,21世紀將是人類在垂向上進入海洋。深潛、深鑽、深網,深耕藍色國土,建設海洋強國,我國海洋事業正在向海洋深處挺進,期待中國科學家為人類海洋事業做出更大貢獻。

(作者為同濟大學教授、中國科學院院士) 

推薦讀物:

1.《深海淺説》:汪品先著;上海科技教育出版社出版。

2.《搏擊滄海:地學革命風雲錄》:許靖華著;地質出版社出版。

3.《深海探險簡史》:R.D.巴拉德著;上海科學技術出版社出版。

《 人民日報 》( 2020年08月25日 20 版)