深海极端环境原位探测技术研究现状与对策

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本文刊载于《中国科学院院刊》2022年第7期专题“海洋观测探测与安全保障技术”

原文标题《深海极端环境原位探测技术研究现状与对策》

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张 鑫1*    李超伦2    李连福1

# D4 g$ O% o$ ^0 t$ B& w! |1  中国科学院海洋研究所
& ^! G- k$ x0 D- ]8 J* M2  中国科学院南海海洋研究所
深海极端环境塑造了特殊的生命过程，资源潜力巨大，对其探测与研究是国际地球科学前沿，但深海严苛的高压环境极大地限制了深海采样及探测技术的应用。深海原位探测技术可以在不改变被测物位置及状态的条件下，获取深海样品的组分及含量信息，因此被越来越广泛地应用到深海极端环境的研究工作中。深海极端环境原位探测技术拥有广阔的前景，但作为一种新兴的探测技术仍需解决诸多科学难题。文章总结了国际和国内深海极端环境原位探测技术的研究进展，在分析当前我国深海极端环境研究现状基础上，提出未来我国深海极端环境原位探测技术发展对策。
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% ^# |# r% `% e! k, F. a9 L1 ~深海极端环境特征及其研究价值
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( ~  q! [  w' Q2 F0 a2 y, Y. e深海环境
) `8 y$ E  n9 e深海通常指水深大于 1000 m 的海域，占全球海洋体积的 75%，是地球上最为重要的极端环境之一，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）的极端。深海环境（也称“深海极端环境”）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殊环境，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繁，最为活跃的地区。
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( l3 |4 l3 D) V# g* a4 ?深海探测技术
. G: g! W/ R" a3 r9 X: F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采集、分析及显示的技术，是深海开发前期工作的重要技术手段。随着深海调查船、钻探船、深海探测仪器、无人/载人/遥控深潜器、海底观测网的相继问世，在深海极端环境、地震机理、深海生物和矿产资源，以及海底深部物质与结构等领域取得了一系列重大进展。如海底扩张与板块学说的提出，从深海钻探计划（DSDP）到大洋钻探计划（ODP）再到综合大洋钻探计划（IODP）的实施，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发等，对基础科学和社会的发展起到了重要的作用。
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' y: p4 v8 O0 W' Z8 q7 g+ m深海极端环境探测技术及其发展趋势
# I1 k* q) p# v. e: x& u传统深海极端环境探测技术的不足
3 }1 `2 o; M8 Y8 F7 Y# z" v0 ?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，例如：深海热液、冷泉流体样品中的溶解气体会随着温度、压力等环境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。即使是采用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。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，较低的采样成功率大大影响到对深海热液、冷泉区喷发流体的探测效率。
国内外深海极端环境探测技术发展现状
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国外情况

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深海原位探测装置
3 J2 H1 }0 E6 d, G, y6 |5 O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。挪威 Kongsberg 集团开发的系列 CO2、CH4 传感器，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，美国哈佛大学等研制了深海原位质谱分析仪，美国蒙特雷湾水族馆研究所研发出世界上第一台深海原位激光拉曼光谱仪（DORISS）。
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海底观测网络

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1 J. B# @) X) p# I. U# [. z! c美国、加拿大、日本等老牌海洋强国凭借在海洋领域的先发优势，纷纷投入巨资构建海底观测网络。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）建设，欧洲构建了多学科海底及水体观测系统（EMSO），日本建设了地震和海啸海底观测密集网络（DONET）、DONET 2、日本海沟海底地震海啸观测网（S-net）等海底观测网络。
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国内情况

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" \" u# p2 w& }4 o/ X) T深海原位探测装置
中国海洋大学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开发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研发了国际上首台以紫外激光作为激发光源的深海拉曼光谱仪，成功通过了在马里亚纳海沟进行的 7000 m 海试验证 。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。中国科学院沈阳自动化研究所研制了“天涯”“海角”“万泉”及“冷泉”等着陆器。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设备，包括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。
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海底观测网络
* I0 ?4 J$ s2 X% V! }9 C* a“十一五”期间，在“863”计划的资助下，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“南海海底观测实验示范网”。2012 年，在“863”计划的支持下，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”建设，分别在我国南海和东海建设海底观测网试验系统。
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水下运载平台
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，研制了 7000 m 级载人潜水器“蛟龙”号。“十二五”和“十三五”期间，我国又启动了“深海勇士”号和“奋斗者”号全海深载人潜水器及其关键技术的研制工作。中国科学院沈阳自动化研究所研制了“海翼”、“潜龙”、“探索”、“海星”、“海斗一号”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，广州海洋地质调查局研制了“海马”遥控无人潜水器等。
9 Y1 r2 z+ L9 T. A" W深海极端环境探测技术的需求及其发展趋势
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需求
深海极端环境的物理、化学、生物过程特殊，其原位探测技术研究涉及深海装备研发、技术体系建立、综合探测平台建设，是一个科学与技术紧密结合的研究领域。正是因为深海极端环境的复杂性，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极端环境的高灵敏度、高稳定性、长时序的声、光、电、磁、热原位探测或分析技术。
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1 g! V, o$ X! y% H5 M( }: V( y5 g趋势
" N1 X# c7 [  Z国际上深海极端环境原位探测技术研究的发展趋势可以归纳为：
1.体系化，基于体系化建设的深海极端环境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；
  u$ c8 y3 F  A6 k' i' y2. 协同化，利用人工智能、环境感知和通信控制等新兴技术使原位探测装备协同化作业，可以提高原位探测的效率，降低深海极端环境探测成本；
% l6 |6 q: s3 ~3.智能化，虚拟代理、决策管理、深度学习和生物特征识别等人工智能技术与深海极端环境原位探测技术相结合。
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. H/ a$ c) ~' Y, t" [我国深海极端环境原位探测技术发展对策
针对当前国际深海领域的研究现状与发展趋势，围绕深海研究的特点，补齐我国在深海极端环境原位探测领域的短板，才能在竞争激烈的国际深海极端环境前沿科学研究领域占得一席之地。本文具体提出以下 4 点建议。
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提高深海研究支撑平台能力
7 Y* B( W' o2 c$ D; d' ]1 W8 y提高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极端环境适应能力。提升海洋模拟设施的深海模拟能力，丰富深海极端环境模拟场景，从深海极端环境研究科学问题出发，做到深海原位探测与室内模拟的紧密结合。
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9 |5 w  G& ]2 s8 V( V加快推进深海长期实验平台建设
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设，以及深海空间站配套保障船和水下运载器的研发，加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设。
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提升深海原位探测装置性能
- u7 j8 r* W( z) l着重提高深海原位拉曼光谱仪、激光诱导击穿光谱仪等原位测量设备的检测精度、稳定性和适应能力；从研制高密度电池、原位发电技术、智能控制系统、防附着系统角度提高深海着陆器平台的工作时长和稳定性。
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" T) L; W  H+ }5 n( U; a5 v" O优化资源配置模式和管理体制
/ ]$ a9 s8 u" k! ~1 U0 w加强海洋相关的科学研究单位与传统运载平台和观测设备研制单位间合作，提高技术体系研发效率；鼓励国内海底原位观测技术团队开展国际合作，提升我国在深海原位观测技术领域的国际影响力，引领国际深海极端环境科学研究的发展。

                               
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张鑫  中国科学院海洋研究所研究员。国家优秀青年科学基金获得者，主要从事深海原位探测技术和方法研究，作为第一完成人研制了世界首台高温热液流体拉曼光谱原位探测系统。主持中国科学院、科学技术部、国家自然科学基金委员会等单位的10余项重点项目。获得中国科学院青年科学家奖、山东青年五四奖章、中国科学院杰出科技成就奖、中国海洋工程科学技术奖特等奖等。
2 x& L; i% t9 i8 H& S2 y6 X文章源自：
张鑫,李超伦,李连福.深海极端环境原位探测技术研究现状与对策.中国科学院院刊,2022,37(7):932-938.
DOI：10.16418/j.issn.1000-3045.20220627003
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