揭秘中国深海探测

作者: 冯丽妃、张雅琪、胡萍

来源: 中国科学报

发布日期: 2014-08-08

中国深海探测项目揭示了南海的深海过程演变,通过OBS地震仪的布放和回收,记录了海底地震数据,展示了深海探测技术的发展和挑战。项目还涉及深海资源探测、国际合作以及未来海底观测系统的建设,标志着中国在深海科学研究领域的进步和创新。

16个月前的一次出海工作经历就像海上变幻莫测的风云,让杨挺等人经历了一次从波峰到波谷、从喜悦到沮丧的巨大心理落差。杨挺是同济大学海洋与地球科学学院教授。2013年4月,他与研究组成员一起搭乘广东海洋大学的“天龙”号考察船,到南海中央海盆回收布放了一年的18台被动源海底地震仪(OBS)。然而,整个收复过程却极具戏剧性。

第一台到第七台OBS的回收工作可谓一帆风顺,正当研究人员为此行感到乐观的时候,随后的工作却急转直下。从第八台设备开始,接二连三的打捞失败让他们的心情跌入谷底。

4个月前,他与研究组成员合作完成的一篇文章在线发表于中国科学院主办的《科学通报》,文章简述了此次实验仪器的布放、回收状况以及所收集的海底地震记录的数据质量。

此次海底天然地震台阵观测实验是中国“南海深海过程演变”的子课题之一,这项由中国国家自然科学基金委员会资助的大型深海探测项目于2011年立项,为期8年。该项目首席科学家、中科院院士汪品先在接受《中国科学报》记者采访时,勾勒了整个中国南海深海过程演变重大研究计划(以下简称南海深部计划)的架构以及3年多来这项中国首次深海探测计划的进程与阶段性研究成果。

多位研究人员在采访中向记者表示,南海深海探测不仅有助于揭示边缘海的演变机制,提高中国在全球边缘海研究领域的地位,而且有助于中国深入探测深海资源,增强我国对南海可开发资源的利用能力;更深远的意义在于,此举将有助于以科技合作促进民间交流,增强中国在国际上对南海的话语权。然而,总体来看,中国的深海探测才刚刚拉开序幕。

2012年4月,利用国家自然科学基金“船时共享”计划,杨挺与研究组成员乘坐“东方红2号”科学考察船在南海中央海盆的黄岩—珍贝海山链的两侧布放了18台OBS,其中16台OBS的站位水深都超过了4000米。参与设备投放工作的国家海洋局第一海洋研究所高级工程师裴彦良告诉《中国科学报》记者,18台OBS包含国内外两种仪器。

其中,15台为英法合作生产的Guralp CMG—40T型设备,其余3台是由中科院地质与地球物理研究所自主研发的国产I-4C型设备。

2012年10月,在布放期满后,研究人员曾组织考察船尝试回收仪器,然而由于当年台风“格美”“派比安”“山神”等接连发生,恶劣的海况使得数次回收尝试均无功而返。去年4月,仪器布放1年后,考察队再次出海进行回收,这次18台OBS中有11台回收成功。巧合的是,未回收的7台OBS全是进口设备。

此次海底天然地震台阵观测实验是中国“南海深海过程演变”的子课题之一,这项由中国国家自然科学基金委员会资助的大型深海探测项目于2011年立项,为期8年。该项目首席科学家、中科院院士汪品先在接受《中国科学报》记者采访时,勾勒了整个中国南海深海过程演变重大研究计划(以下简称南海深部计划)的架构以及3年多来这项中国首次深海探测计划的进程与阶段性研究成果。

多位研究人员在采访中向记者表示,南海深海探测不仅有助于揭示边缘海的演变机制,提高中国在全球边缘海研究领域的地位,而且有助于中国深入探测深海资源,增强我国对南海可开发资源的利用能力;更深远的意义在于,此举将有助于以科技合作促进民间交流,增强中国在国际上对南海的话语权。然而,总体来看,中国的深海探测才刚刚拉开序幕。

为了弥补丢失的7台设备造成的信息记录缺失,今年7月,研究组又在南海南部布置了一批OBS,刘晨光表示:“再观测半年就会出成果。”事实上,这项大规模OBS三维地震探测研究只是南海深部计划44个项目中的1个,该计划于2010年7月正式立项,2011年启动以来已经在南海深海盆陆续投放100多台次OBS探测海底地壳以及上地幔结构并进行三维成像,以探索构造演化,从中窥探南海海底的深部结构。

值得一提的是,南海深部计划还把深海浅钻和载人深潜结合起来。如2012年“蛟龙号”下潜至3000米深海的破裂火山口,发现多金属结核密集分布区,为研究深海火山形成后的沉积覆盖历史提供了新的线索。“大洋钻探和深潜让我们对南海有了更深一步的了解,在此之前,我们并不知道南海形成初期有过如此强烈的火山运动。”汪品先说。

此外,南海深部计划中“肉”与“血”的研究也齐头并进。在沉积与古海洋学研究方面,已先后在南海北部布放深层环流观测潜标计100多套,初步构建了深层环流观测网;深海潜标还在2000多米深处发现了平均流速达4.3厘米/秒的西边界流。观测还发现中尺度涡和内波在深海沉积搬运中的作用等。

深海生物地球化学研究是个新领域,南海大计划从海水化学、微型生物碳泵和冷泉溢出流体三方面入手,以碳循环为核心开展研究,仅微生物研究就集合了全国5个微生物实验室,从海水化学、微型生物碳泵和冷泉溢出流体三方面入手,以碳循环为核心,开展了卓有成效的研究,取得了大量成果。

如首次获得南海海水和沉积中微生物分布特征和群落结构的认识;深化了“微型生物碳泵”机制和储碳功能的认识,提出碳储库长周期演变的“溶解有机碳”假说等等。

“作为我国海洋领域第一个大型基础研究计划,南海深部计划用1.9亿元的总经费,整合了我国各部门、各学科的力量,它所涉及的学科、部门、领域等都是前所未有的,其意在打造共同向深海进军的合作平台。”汪品先说。

尽管南海深部计划实施以来已经在多个领域取得成绩,但专家一致认为,当前在深海研究领域,中国仍处于起步阶段。在杨挺看来,深海科学研究在很大程度上依赖于深海探测和调查技术的运用,南海深部计划多数需要运用相关深海高新技术,而且很多技术都是前所未有的,因此对于开拓创新的要求要高于一般的科学研究。

海洋科学的新方向是在海底进行长期原位的实时观测。

以海底地震为例,如果想要做地震预警,就必须在海底连续观测并实时传送信息。如果把海底的生物或化学品搬回实验室,往往已经面目全非。“如果我们在海底建立观测系统,把观测仪器放在海底,通过有线和无线网络向各个观测点供应能量、收集信息,就相当于把气象站、实验室搬进了海洋。”汪品先表示,这是当前海洋研究的最新技术,可以同时满足资源勘探、灾害监控、航海与军事研究以及国家海洋安全的多方面需求。

为此,2009年,汪品先带领科研团队迎难而上,建立了我国第一个小型海底观测系统——东海海底观测小衢山试验站,迈出了我国深海观测系统研究的第一步。如今,在同济大学的实验室中,该观测系统每15秒钟就会传来海温、盐分和水压等记录信息。随后,2011年,上海市也把“海洋环境监测”列入“十二五”科技发展规划,计划投资4000万元,在5年时间内建立长达50公里的“东海海底观测网”。

不过,这些都是实验性的网络,现在研究人员正在推进建设国家的海底观测网。作为“十二五”期间的大科学工程,该项目已在2011年通过立项。“它可以观测到东海的浅水和南海的深水。如果将来我国的观测网建成了,就可以用来实时观测南海的‘血’和‘肉’。”汪品先说。

“海底观测网并非只是中国处于起步阶段,该领域对全球很多国家来说都还是一片空白。

”杨挺表示,从全球范围看,加拿大的观测进展较大,其“海王星”计划在全球海底地震观测中算是较为成功的案例,是目前最大的海底观测网。本来最大、最好的应当是在美国,但是美国“OOI”海洋观测计划十多年来几经周折,今年才有望建成。“目前我国的势头不错,一旦建成,南海深部的研究又将迈上一个台阶。”汪品先说。事实上,在南海深部计划实施3年以来,南海科学研究成为国际海洋研究的新热点。

如《自然》和《科学》先后对中国“南海深部计划”进行了专题报道,在2012年于上海举行的揭示南海张裂过程的国际讨论会上,关于南海大洋钻探航次的学术研讨,吸引了来自15个国家的构造学研究权威。

“海洋是一门观测科学,海洋科学研究有数据才有话语权,只有不断投入资金、时间、设备和人力资源,才能获得可靠的数据,才能了解这个区域的科学问题。”刘晨光说。然而在科学家看来,当前我国深海研究的投入问题依然存在瓶颈。由于深海研究的海上作业费用昂贵,不但要大量投入高技术仪器设备,而且高风险的深海作业常造成设备损失,研究人员表示,单靠每项平均二三百万元的单独基金资助很难完成既定科研计划。

有一次为了节省资金,杨挺和研究组出海回收OBS只雇了一艘小船出海,由于海上风浪很大,很多成员不仅严重晕船,还差点造成不必要的危险。刘晨光介绍,由于海洋深部探测极耗财力,南海深部计划中500万元的设备经费可谓捉襟见肘,研究组在很多情况下不得不自筹经费。“现在,国家的投入在不断加大,但还是不能满足研究需要。”“深海研究全部是高科技,我们的项目都属于学科前沿。

如何在有限的基金经费投入下获得事半功倍的效果,我们采取的措施是合理布局立项,尽可能紧密合作、联合出海、提高效率。”汪品先表示。

“认识南海,中国应该走在前面。”汪品先同时强调,中国南海研究不仅要证明南海的奥秘主要是由中国科学家解开的,而且由我国主持、周边国家参加的南海国际科研合作促进南海各国之间的相互了解、共同开发。

“在建立与西方科学家合作关系的同时,保持与南海周边国家和地区的友好往来,在搭建国际合作平台的同时,还可以增强我国在南海科学研究上的主导地位。”采访过程中,多位专家向记者表示,南海深部计划的成功必须进行多方位的国际合作。因为把南海作为边缘海研究的典范,本身就是一个国际性的学术命题。而且,南海深海研究要求相邻地区的配合,构造演变、沉积充填等科学命题都离不开周边陆地地质特征和沉积来源的研究。

据了解,目前,南海深部计划涉及43个单位、370余名研究人员和研究生参加,这些力量大大充实了我国深海研究的实力。但是,汪品先同时指出,由于南海深部计划的研究对象在空间上绵延数百万平方公里,时间上跨越数千万年,所跨的领域又十分宽泛,如果没有明确的科学主线加以限制,很容易变成一个项目“大口袋”或者“永恒的课题”。“我们要做好立项把关,不能为探索机理服务的现象描述概不纳入本计划。

同时,抓住‘边缘海生命史’的主线,尽早展开集成研讨,还原南海的生命故事。”他表示,从今年开始,该计划已进入集成研究阶段,集成研究分两步进行:2014~2016年先分三个组进行专题集成,2016~2018年在此基础上进行整体集成。

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