本文刊載于《中國科學(xué)院院刊》2022年第7期專題“海洋觀測探測與安全保障技術(shù)” 原文標(biāo)題《深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)研究現(xiàn)狀與對策》
張 鑫1* 李超倫2 李連福1
1 中國科學(xué)院海洋研究所
2 中國科學(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程，資源潛力巨大，對其探測與研究是國際地球科學(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技術(shù)的應(yīng)用。深海原位探測技術(shù)可以在不改變被測物位置及狀態(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)境原位探測技術(shù)擁有廣闊的前景，但作為一種新興的探測技術(shù)仍需解決諸多科學(xué)難題。文章總結(jié)了國際和國內(nèi)深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)的研究進展，在分析當(dāng)前我國深海極端環(huán)境研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出未來我國深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)發(fā)展對策。
1 深海極端環(huán)境特征及其研究價值
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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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深海探測技術(shù)
深海探測技術(shù)是針對有關(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、深海探測儀器、無人/載人/遙控深潛器、海底觀測網(wǎng)的相繼問世，在深海極端環(huán)境、地震機理、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展。如海底擴張與板塊學(xué)說的提出，從深海鉆探計劃（DSDP）到大洋鉆探計劃（ODP）再到綜合大洋鉆探計劃（IODP）的實施，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發(fā)等，對基礎(chǔ)科學(xué)和社會的發(fā)展起到了重要的作用。
2 深海極端環(huán)境探測技術(shù)及其發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)深海極端環(huán)境探測技術(shù)的不足
當(dāng)前，對深海熱液、冷泉噴口區(qū)流體地球化學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確探測仍存在困難。先取樣后實驗室分析的傳統(tǒng)探測方法存在諸多缺陷，例如：深海熱液、冷泉流體樣品中的溶解氣體會隨著溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)的改變而迅速逃逸，使得實驗室分析結(jié)果遠(yuǎn)低于其真實濃度。即使是采用較為先進的保壓采樣技術(shù)也不可避免溫度變化和持續(xù)不斷的微生物反應(yīng)等因素對后續(xù)實驗室分析結(jié)果的干擾。同時，由于水下潛器平臺負(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深海熱液、冷泉區(qū)噴發(fā)流體的探測效率。
國內(nèi)外深海極端環(huán)境探測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國外情況
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深海原位探測裝置
針對傳統(tǒng)方式在深海熱液、冷泉系統(tǒng)釋放氣體探測中面臨的技術(shù)難題，國外多家機構(gòu)研發(fā)了針對深海溶解氣體的原位探測裝置。挪威?Kongsberg?集團開發(fā)的系列?CO2、CH4?傳感器，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)研發(fā)了用于探測高溫?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，美國哈佛大學(xué)等研制了深海原位質(zhì)譜分析儀，美國蒙特雷灣水族館研究所研發(fā)出世界上第一臺深海原位激光拉曼光譜儀（DORISS）。
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海底觀測網(wǎng)絡(luò)
美國、加拿大、日本等老牌海洋強國憑借在海洋領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，紛紛投入巨資構(gòu)建海底觀測網(wǎng)絡(luò)。加拿大組建了加拿大海底觀測網(wǎng)（ONC），美國啟動海洋觀測網(wǎng)（OOI）建設(shè)，歐洲構(gòu)建了多學(xué)科海底及水體觀測系統(tǒng)（EMSO），日本建設(shè)了地震和海嘯海底觀測密集網(wǎng)絡(luò)（DONET）、DONET?2、日本海溝海底地震海嘯觀測網(wǎng)（S-net）等海底觀測網(wǎng)絡(luò)。
國內(nèi)情況
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深海原位探測裝置
中國海洋大學(xué)研發(fā)了國內(nèi)首套深海自容式激光拉曼光譜（DOCARS）探測系統(tǒng)，中國科學(xué)院海洋研究所開發(fā)了拉曼光譜插入式探針（RiP）測量系統(tǒng)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)了國際上首臺以紫外激光作為激發(fā)光源的深海拉曼光譜儀，成功通過了在馬里亞納海溝進行的?7000?m?海試驗證 。為解決深、遠(yuǎn)海長時間序列的海底原位觀測技術(shù)難題，中國科學(xué)院海洋研究所研制了“海洋之眼”深海著陸器和深海長期多通道拉曼光譜原位探測系統(tǒng)。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了“天涯”“海角”“萬泉”及“冷泉”等著陸器。中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所研制了深海原位實驗室搭載有多套高性能傳感探測設(shè)備，包括深海微電子機械系統(tǒng)（MEMS）氣相色譜儀、深海光譜儀、深海質(zhì)譜儀等。
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海底觀測網(wǎng)絡(luò)
“十一五”期間，在“863”計劃的資助下，同濟大學(xué)等高校開展了海底長期觀測網(wǎng)絡(luò)試驗節(jié)點關(guān)鍵技術(shù)研究?！笆濉逼陂g，中國科學(xué)院南海海洋研究所、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所聯(lián)合研制了“南海海底觀測實驗示范網(wǎng)”。2012?年，在“863”計劃的支持下，由中國科學(xué)院聲學(xué)研究所牽頭，正式啟動了“海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)”建設(shè)，分別在我國南海和東海建設(shè)海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)。
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水下運載平臺
中船重工集團公司七〇二所、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所和中國科學(xué)院沈陽自動化研究所等單位聯(lián)合攻關(guān)，研制了?7000?m?級載人潛水器“蛟龍”號?！笆濉焙汀笆濉逼陂g，我國又啟動了“深海勇士”號和“奮斗者”號全海深載人潛水器及其關(guān)鍵技術(shù)的研制工作。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了“海翼”、“潛龍”、“探索”、“海星”、“海斗一號”等一系列水下無人運載平臺。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)境探測技術(shù)的需求及其發(fā)展趨勢
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需求
深海極端環(huán)境的物理、化學(xué)、生物過程特殊，其原位探測技術(shù)研究涉及深海裝備研發(fā)、技術(shù)體系建立、綜合探測平臺建設(shè)，是一個科學(xué)與技術(shù)緊密結(jié)合的研究領(lǐng)域。正是因為深海極端環(huán)境的復(fù)雜性，獲取深海物理、化學(xué)、生物等過程的高精度數(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、長時序的聲、光、電、磁、熱原位探測或分析技術(shù)。
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趨勢
國際上深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)研究的發(fā)展趨勢可以歸納為：
1.體系化，基于體系化建設(shè)的深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)有助于獲取多學(xué)科、多尺度、立體化和長時序的深海探測數(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)使原位探測裝備協(xié)同化作業(yè)，可以提高原位探測的效率，降低深海極端環(huán)境探測成本；
3.智能化，虛擬代理、決策管理、深度學(xué)習(xí)和生物特征識別等人工智能技術(shù)與深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)相結(jié)合。
3 我國深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)發(fā)展對策
針對當(dāng)前國際深海領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，圍繞深海研究的特點，補齊我國在深海極端環(huán)境原位探測領(lǐng)域的短板，才能在競爭激烈的國際深海極端環(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?點建議。
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提高深海研究支撐平臺能力
提高水下運載平臺的載重、穩(wěn)定性和作業(yè)精度，豐富電力、網(wǎng)絡(luò)、液壓接口類型，改善深海運載平臺的深海極端環(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)境模擬場景，從深海極端環(huán)境研究科學(xué)問題出發(fā)，做到深海原位探測與室內(nèi)模擬的緊密結(jié)合。
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加快推進深海長期實驗平臺建設(shè)
加快推進深海移動工作站、深?？臻g站、深海實驗室等新一代海洋實驗平臺建設(shè)，以及深?？臻g站配套保障船和水下運載器的研發(fā)，加強基于深海實驗平臺開展長期原位探測和深海原位實驗技術(shù)體系建設(shè)。
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提升深海原位探測裝置性能
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量設(shè)備的檢測精度、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的工作時長和穩(wěn)定性。
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優(yōu)化資源配置模式和管理體制
加強海洋相關(guān)的科學(xué)研究單位與傳統(tǒng)運載平臺和觀測設(shè)備研制單位間合作，提高技術(shù)體系研發(fā)效率；鼓勵國內(nèi)海底原位觀測技術(shù)團隊開展國際合作，提升我國在深海原位觀測技術(shù)領(lǐng)域的國際影響力，引領(lǐng)國際深海極端環(huán)境科學(xué)研究的發(fā)展。
張鑫 中國科學(xué)院海洋研究所研究員。國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，主要從事深海原位探測技術(shù)和方法研究，作為第一完成人研制了世界首臺高溫?zé)嵋毫黧w拉曼光譜原位探測系統(tǒng)。主持中國科學(xué)院、科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會等單位的10余項重點項目。獲得中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎、山東青年五四獎?wù)?、中國科學(xué)院杰出科技成就獎、中國海洋工程科學(xué)技術(shù)獎特等獎等。
文章源自：張鑫,李超倫,李連福.深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)研究現(xiàn)狀與對策.中國科學(xué)院院刊,2022,37(7):932-938.
DOI：10.16418/j.issn.1000-3045.20220627003
