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探索海洋深处的奥秘

时间:2020-08-25来源:人民日报 作者:佚名

近平书记强调,要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋,推动我国海洋强国建设不断取得新成就。

伴随深海探测技术的发展,人类深入认识深海的时代正在来临。500年前达·芬奇设计潜水服、150年前凡尔纳写《海底两万里》,当时的科学幻想如今正在成为现实。

从科学角度看,探索深海能够帮助人类深入了解海洋的奥秘、地球的奥秘。水深超过2000米的深海,占据地球表面的3/5,无论温室气体排放的归宿,还是气候长期变化的源头,都要追溯到海水深层。不仅如此,海底是距离地球内部最近的地方:大陆地壳平均35公里厚,大洋地壳则为7公里。揭示板块运动的规律、窥探地球内部的真相,也要到深海底部进行探索。

从经济角度看,深海蕴藏着丰富的矿产、油气和生物资源。目前,海洋石油产量占世界石油产量的30%,高居世界海洋经济首位,其中发展最快的是深水油田。近年来全球重大油气发现,70%来自水深超过1000米的水域。海底有待开发的资源非常丰富,现在还只是起步阶段。比如海底的微生物新陈代谢极其缓慢,生殖周期在千年以上,但人类尚不知如何利用其“长寿基因”;太平洋一片深海黏土所含的稀土元素可供人类使用几十年,但开采利用技术尚待研发。

深潜、深钻、深网是当今探索深海奥秘的三大手段,即深潜科学考察、国际大洋钻探和国家海底科学观测网建设。深潜是直观的深海探索,但在空间和时间上都存在局限性。深潜最深只能到海底,从海底往下得靠钻探,这就是深钻;深潜的运行时间只能以小时计,想要长期连续观测就得将传感器放到海底,联网观测,这就是深网。深潜、深钻和深网,共同担起深海探索的技术重任。目前,我国已建立起“三深”格局,深海科考进入快速发展期。

深潜:深海探索的尖兵

明代《天工开物》中就有关于潜水的记载:屏住一口气潜入海底“没水采珠”。但是海水每加深10米就增加一个大气压,深海下潜只能在某种容器里进行。

20世纪晚期,人类在克服地心引力进入太空的同时,也顶住水柱压力进入深水海底。经过潜水钟、潜水球的试探,1960年,“的里亚斯特”号深潜器下潜到太平洋马里亚纳海沟水深10916米的海底,将两个人首次送入地球表面的最深处。经过几十年的探索,现在的深潜器已经发展为作业型,配有动力系统和各种取样设施,成为深海探索的尖兵,其突出贡献是1979年在东太平洋发现黑烟囱热液系统。上世纪80年代,美国、法国、苏联、日本分别建造了载人深潜器,最深可以潜入6500米。

我国深海科技起步较晚但发展迅速。2012年,“蛟龙”号载人深潜器下潜至7062米,创世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。2017年,4500米型的“深海勇士”号载人深潜器正式投入使用,国产自主率超过95%。目前,万米级全水深的载人深潜器已经处于试验阶段,我国正迈向国际深潜设施制造前列。正是通过载人深潜,我国在南海发现了海山上成片的多金属结核、古热液区和冷水珊瑚林,在西南印度洋勘查了金属硫化物矿点。

随着自动化和人工智能的发展,探索深海也可以不用人类亲身下潜。上世纪70年代以来迅速发展的非载人深潜器,同样可以进行许多项目的科学探索,而且具有成本低、效率高的优势。世界上载人深潜器为数稀少,无人遥控潜水器则已广泛使用。由于有脐带缆和母船连接,遥控潜水器有充足的能源保障,不仅可用于长时间的科研考察,更是当前水下工程作业的主力。我国70年代末开始研制非载人深潜器,进展迅速,“海马”号4500米级遥控潜水器、“潜龙”号无人无缆自主潜水器、“海龙”号无人有缆潜水器等,正在壮大着我国深潜器的阵营。

深钻:窥探地球内部奥秘

“三深”中规模最大、需要国际合作进行的,是国际大洋钻探计划的深钻。国际大洋钻探计划从1968年开始,是由20多个国家共同参加的科学探索计划,其任务是探索深海底下的地球内部,是国际科学界为时最久、影响最大的合作计划。

大洋钻探由于技术要求高、经费投入大,必须依靠国际合作。大洋钻探每两个月执行一个钻探航次,每个航次采用的都是最先进的钻探船,科技含量极高。半个世纪来,大洋钻探在世界大洋钻井4000多口,取回岩芯40多万米,从多方面加深了人类对地球的认识。比如70年代的大洋钻探,证实了地球构造运动的板块学说,找到了气候长期变化的轨道驱动;后来的钻探又发现了海底的天然气水合物,以及地壳里微生物构成的“深部生物圈”。大洋钻探始终引领着国际地球科学的发展。

我国是大洋钻探的新兵,1998年方才参加,但在1999年就成功实施了南海第一次大洋钻探,探索季风气候演变的历史。2014至2018年间,我国又接连完成三个半钻探航次,揭示了南海海盆张裂、海底扩张的历史,使南海成为深部过程研究程度最高的边缘海。重要的是,所有这些航次都是在中国科学家提议、设计和共同主持下实施的。

深网:把“气象站”和“实验室”建在海底

世界海洋科学正在转型:从海面船只的短暂测量,转为海洋内部的长期观测。长久以来,人类主要从海洋外部观察海洋,而许多深海现象只有通过对海洋内部的长期观测才能发现。比如海洋灾害的预警,在最需要观测的时候,船只却无法抵近。90年代起,国际海洋界开始将传感器放到海底,再用光电缆接到岸上传送能量和信息。这样建成的海底观测网可以不间断地进行长期现场观测,无论有台风还是地震都可以连续运作,将深海的现场数据实时送到实验室。

进入新世纪,发达国家掀起了建设海底观测网的热潮。2009年,加拿大“海王星”观测网率先建成,水深3000米、缆线长800公里;2015年,日本建成S—Net网,从本州岛连到太平洋8000米水深的日本海沟,布设150个监测站、缆线总长5700公里,号称世界最大的地震监测网;2016年,美国OOI海底观测系统正式建成,包含区域网、近岸网、全球网三大系统,设置900多个探头对美国岸外进行多学科的海底观测;此外,欧盟14个国家参加的EMSO计划,从地中海直到北冰洋都将布设海底观测网。

海底观测网相当于在海底建立“气象站”和“实验室”,极大提升海洋观测能力,标志着新一代海洋科学的建立。从应用上讲,海底观测网是预警地震海啸最为有效的手段。世界上85%的火山在海底,布设海底装置能够实时监测火山爆发,将来或能对海底火山爆发作“现场直播”。

我国从2005年起开始推进海底观测网的建设,2009年建设近岸的实验观测站。此后,又在南海北部进行了大量深水海流和沉积过程的长期观测。2017年,我国国家海底科学观测网正式被批复建立,将在我国东海和南海分别建立海底科学观测系统,从海底向海面进行全天候、实时和高分辨率的多界面立体综合观测。

近10年来,建设中的海底科学观测网除了光缆联网的设备外,还有着大量无线联网的活动观测平台,包括自主水下航行器、水下滑翔机、海底爬行车等。

由于深海开发尚处起步阶段,在取得成功的同时,也时有灾难发生。2010年,墨西哥湾一口创纪录的深水油井打开了大油田,但是钻井平台爆炸导致在接下来的5个月里,50万立方米的原油漏入墨西哥湾,造成史上最严重的海上事故。进入深海不仅要防止灾害,还要关注环境保护。深海的特点在于连通性强,而且有大量的“慢过程”,深水珊瑚上千年才长一株,多金属结核百万年才长几厘米。污染物质的排放或者生态环境的破坏,后果要比在陆地严重得多。人类在深海面前还是个小学生,当前的首要任务是发展深海科技,决不能带着“淘金”的狂热去开发深海。开发深海,大量技术上的新挑战还在前面。

深海开发是面向未来的事业。如果说16世纪的“地理大发现”是人类在横向上进入海洋,21世纪将是人类在垂向上进入海洋。深潜、深钻、深网,深耕蓝色国土,建设海洋强国,我国海洋事业正在向海洋深处挺进,期待中国科学家为人类海洋事业做出更大贡献。

(作者为同济大学教授、中国科学院院士

 

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