人類萬(wàn)米深淵探索
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- 2020-07-03 15:15:01
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主要專家簡(jiǎn)介：
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【簡(jiǎn)介】
萬(wàn)米海洋深淵探測(cè)一直是我國(guó)海洋科考的禁區(qū)。我國(guó)2016年6月探索一號(hào)TS01航次科考首次敲開萬(wàn)米深淵的大門，標(biāo)志中國(guó)的深淵科考進(jìn)入“萬(wàn)米時(shí)代”。本次沙龍由親身參加我國(guó)深?？疾斓那嗄陮＜彝踉┦孔鲋黝}報(bào)告，他回顧了人類在萬(wàn)米深淵探索中走過的艱難道路，總結(jié)了世界海洋科考界在萬(wàn)米深淵探索中取得的標(biāo)志性成果，介紹了我國(guó)深海地球物理探測(cè)儀器研制和應(yīng)用的發(fā)展，分享我國(guó)萬(wàn)米深淵科考如何“后來(lái)居上，步入前列”的歷程。沙龍就深海探測(cè)的一些科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行了討論。
【主持人致辭】
滕吉文：今天的沙龍請(qǐng)王元博士做一個(gè)主旨報(bào)告。王博士在2016年和2017年曾先后三次出海，到馬里亞納海溝海域考察，做了大量工作。在上世紀(jì)80年代，我們的老所長(zhǎng)張文佑院士就提出，人類要實(shí)現(xiàn)上天、下海和入地三大壯舉，要向宇宙挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，我們深潛萬(wàn)米深淵的科學(xué)愿望實(shí)現(xiàn)了。下面就請(qǐng)年輕的王博士給我們做報(bào)告。
【主旨報(bào)告】
王元：人類萬(wàn)米深淵探索
各位老師、各位領(lǐng)導(dǎo)，各位老前輩：早晨好！在座的都是地球科學(xué)研究的開拓者，我們這批年輕人，已經(jīng)是第三代、第四代了。
今天我報(bào)告的內(nèi)容，主要就是回顧一下人類在深淵探索方面所做的努力和貢獻(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)后，我們國(guó)家對(duì)海洋方面的研究很重視。在2016年，我們國(guó)家對(duì)海洋的探索進(jìn)入了萬(wàn)米深淵，在許多方面超越了世界。
一、深海探測(cè)的歷史
先介紹一下有關(guān)常識(shí)。在海洋水深大于6000米時(shí)，叫海斗深淵，又叫地球的第四極。地球的四個(gè)極就是南極、北極、珠穆朗瑪峰和海斗深淵。
圖1 海斗深淵
地球上大約有70%海洋水深在200—6000米，超過6000米水深的只有1%左右?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的最深的海底比世界最高的峰珠穆朗瑪峰還多2000多米。最深的地方就是馬里亞納海溝。
1955年，前蘇聯(lián)把海洋深度定義為三部分：大于400米水深的海稱半深海，超過2000米叫深海，超過6000米水深的海稱做超深海區(qū)。在超深海區(qū)，重力顯示低異常、地形是兩邊狹窄、縱向延伸的狹長(zhǎng)區(qū)域、底部比較平坦、地震活動(dòng)發(fā)育。
1956年，一位瑞士科學(xué)家把大于6000米深度的海域叫海底深淵。這位科學(xué)家是海洋生物學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)，6000米上下的海洋生物，屬于不同的生態(tài)系統(tǒng)。在6000米以下的生物的吸收、生態(tài)、演化，與6000米以上的生物完全不同，而且，6000米以下的生物始終在6000米以下的海水中生活。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，6000米以上的生物也不會(huì)到下面去。
中國(guó)使用海淵和海斗深淵是因?yàn)槲覀兊尿札執(zhí)柹詈撍飨聺摰纳疃鹊竭_(dá)的區(qū)域的定義。三亞海洋研究所所長(zhǎng)丁抗研究員，自國(guó)外回來(lái)后一直從事深海潛水器下潛的工作?，F(xiàn)已60多歲還帶領(lǐng)年輕人下潛。他說，現(xiàn)在中國(guó)不缺海洋研究專家，缺的是在海上干活的人。
全球海洋深度大于6000米的區(qū)域只有1%左右，而海斗深淵卻有37個(gè)，有5個(gè)在大西洋、4個(gè)在印度洋、其它的在太平洋。
圖2 全球海斗深淵的分布
太平洋地區(qū)分布著全球最大的火山帶、地震帶，同時(shí)由于板塊俯沖作用，形成水深最深的區(qū)域。馬里亞納海溝就在這一地區(qū)，叫做挑戰(zhàn)者深淵。在2016年以前，也就是中國(guó)沒進(jìn)入萬(wàn)米下潛之前，人類下潛到萬(wàn)米以下的研究次數(shù)不足15次，包括帶人下潛和不帶人下潛。而人類登月的次數(shù)已達(dá)20多次。人類對(duì)海斗深淵的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于月球。
目前，對(duì)海斗深淵的生物系統(tǒng)還沒搞清楚。在海斗深淵，壓力是1噸/平方厘米、溫度低、光線暗、幾乎就是黑暗、地震也多。這里的生物的生命真是奇特，能在這樣的環(huán)境中生存和繁殖。我們的儀器下潛到水深萬(wàn)米一下，也要經(jīng)受1噸/平方厘米的壓力，在設(shè)計(jì)上會(huì)遇到很多問題。
那么世界海洋最深的點(diǎn)在什么地方呢？我們國(guó)家有鄭和下西洋，大約是公元1300年左右，鄭和航海最遠(yuǎn)的路線是印度洋。而麥哲倫航海的路線是全球航行，去了好幾個(gè)大洋。在1521年，麥哲倫曾用繩子梆住重塊、讓重塊在海中下沉，然后不斷放繩子的辦法測(cè)量海洋的深度。在馬里亞納海溝區(qū)域，麥哲倫的繩子沒有放到底，他認(rèn)為馬里亞納海溝最深，但不知具體數(shù)字。
圖3 麥哲倫航海路線
挑戰(zhàn)者深淵是怎么來(lái)的呢?在1875年，英國(guó)的科考船“挑戰(zhàn)者”號(hào)曾在馬里亞納區(qū)域測(cè)量過，后因世界大戰(zhàn)就停止了。到了1951-1956年間，這艘科考船又回到這一區(qū)域，用扔炸彈的辦法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出的深度是10863米±35米。以后就把這一最深區(qū)域叫做“挑戰(zhàn)者深淵”。
中國(guó)第一次在這一區(qū)域測(cè)量是在2012年。當(dāng)時(shí)我國(guó)的蛟龍?zhí)枬撍飨聺?，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的“海洋六號(hào)”船護(hù)航，他們用多波束掃描的辦法，測(cè)量了這一區(qū)域的深度。2016年，我國(guó)的帶人潛水器下潛這一區(qū)域。
1960年，美國(guó)的帶人潛水器就下潛到了萬(wàn)米，他們也測(cè)量了這一區(qū)域，2002年，日本用同樣辦法也進(jìn)行了測(cè)量，所得數(shù)據(jù)都有差別。2017年，我國(guó)對(duì)這一區(qū)域測(cè)量的數(shù)據(jù)是10911米。測(cè)量的兩種手段就是用多波束或無(wú)人潛水器，所測(cè)結(jié)果都有差別。
我國(guó)的帶人潛水器最早的叫“蛟龍?zhí)枴?，它所使用的材料?0%是進(jìn)口材料，主要是浮力材料和電池。后來(lái)的潛水器叫“深海勇士號(hào)”，它所使用的材料，90%以上都是國(guó)產(chǎn)的。潛水器的關(guān)鍵部分是浮力材料和壓力艙。
中國(guó)計(jì)劃在2020年帶人潛器下潛到萬(wàn)米。在2016年，我們對(duì)幾千米水深的參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，如溫度、鹽度等等。在具有各種參數(shù)的基礎(chǔ)上， 在2017年，我們的無(wú)人潛器下潛到了萬(wàn)米。無(wú)人潛器就專門做萬(wàn)米以下的測(cè)量了。最深下潛到10884米。在那里，觀測(cè)到正在游動(dòng)的鉤蝦，觀測(cè)到海底比較平坦。
下潛器在測(cè)量后永沉海底的災(zāi)難，在世界上常有發(fā)生。美國(guó)的無(wú)人下潛器在2009年，下潛到10903米，并在海底工作了13個(gè)小時(shí)。以后又下潛到10901米考察。但在2013年在下潛工作時(shí)，就沒有浮上來(lái)，永沉海底了。日本的無(wú)人潛器在1995年曾下潛到10911米，幾年后，又下潛到10924米。但在2003年，下潛工作時(shí)，就永沉海底了。
我國(guó)的無(wú)人潛器在2017年下潛到10884米，觀測(cè)到鉤蝦在海底的活動(dòng)后，因故就沒有浮到海面。
在2016年的考察中，首先對(duì)不同深度的海水波速進(jìn)行測(cè)量，其次是用攝像機(jī)在海底拍攝，收集深海的動(dòng)物和植物的情況，再次就是收集活的動(dòng)物。我們收集到在8000米以下生活的獅子魚和鉤蝦。可以說，我國(guó)對(duì)深海的生物研究有發(fā)言權(quán)了。
圖4 深海動(dòng)物獅子魚
圖5 深海動(dòng)物鉤蝦
二、深海地球物理探測(cè)的儀器和應(yīng)用
要研究深海海底的地球物理資料和地質(zhì)資料，必須有自己的深海觀測(cè)儀器。海底地震儀就是深海地球物理探測(cè)最主要的儀器之一。中科院地質(zhì)地球物理所從2000年開始研制海底地震儀，研制了適于7000米、9000米和萬(wàn)米水深的一系列儀器。2012年開始試驗(yàn)和使用。研制海底地震儀的最大難點(diǎn)有三個(gè)，一是采用大傾角，不管在海底遇到什么地形，儀器都能自動(dòng)調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)的角度，而且是自動(dòng)調(diào)頻；二是聲學(xué)水平計(jì)；三是低功耗采集。通過這十幾年的自主研發(fā)，打破了外國(guó)的技術(shù)封鎖。目前我們研制的一系列探測(cè)設(shè)備，在水深1000米適用的地震儀組合，已能夠滿足石油勘探。此外，我們還研制了海底磁場(chǎng)儀和海底電場(chǎng)儀。研制海底地震儀的另一個(gè)難點(diǎn)是做出來(lái)能夠用上，投放到海底，還能確保浮上來(lái)。還有就是為了使用，要建立海底地震儀的生產(chǎn)線。
下面介紹幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例：
1、西太平洋的地球物理探測(cè)
在2015年，我國(guó)在西太平洋雅浦海溝投放了7臺(tái)海底地震儀，留海觀測(cè)時(shí)間是14個(gè)月，最大的水深是4600米。記錄的地震波形都很好。主要用于揭示巖石圈在不同構(gòu)造尺度的特征，了解卡羅琳洋脊俯沖與雅浦海溝的相互作用及對(duì)島弧海山發(fā)育的影響機(jī)制。
圖6 西太平洋的地球物理探測(cè)
2、南極海域深部地震探測(cè)
在南極地區(qū)，我國(guó)有二處陸上地震臺(tái)站。在第28次南極科考時(shí)投放了海底地震儀，過了一年，在第29次南極科考船去那片海域回收時(shí)，因那片海域結(jié)冰，沒法回收。根據(jù)設(shè)計(jì)，海底地震儀最大留海時(shí)間為一年，大家都擔(dān)心失掉這兩臺(tái)儀器了?？上驳氖?，又過了一年那片海域已經(jīng)沒有冰了，在回收時(shí)，海底地震儀竟然浮到海面，這是在海底記錄時(shí)間最長(zhǎng)的一次試驗(yàn)。也為南極海域深部結(jié)構(gòu)研究提供了科學(xué)依據(jù)。
圖7 南極海域深部地震探測(cè)
3、海底地震觀測(cè)
在過去，由于沒有在馬里亞納海溝布設(shè)地震儀觀測(cè)，世界各國(guó)就只能記錄到這一地區(qū)發(fā)生的大地震，據(jù)全球統(tǒng)計(jì)，這個(gè)地區(qū)也只有53次地震發(fā)生，認(rèn)為在這個(gè)俯沖帶上很少有地震發(fā)生。當(dāng)我國(guó)的海底地震儀在2016年投到萬(wàn)米深淵后，在海底工作的4-5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，就記錄到7634個(gè)地震，說明在這個(gè)俯沖帶上地震很活躍。
圖8 馬里亞納海溝地區(qū)觀測(cè)的地震分布
4、西南印度洋的三維地震探測(cè)
在全球的海洋中，大部分海洋為公海，有些國(guó)家已圈出自己具有礦產(chǎn)調(diào)查和開采權(quán)的某片海域。我們國(guó)家在西南印度洋布設(shè)了“中國(guó)結(jié)”的地震臺(tái)網(wǎng)，開展三維地震觀測(cè)。并第一個(gè)向聯(lián)合國(guó)國(guó)際海洋海底管理局申請(qǐng)，獲得了這一地區(qū)一萬(wàn)平方公里的多金屬硫化礦物的專屬開采權(quán)。
圖9 西南印度洋的三維地震探測(cè)
我國(guó)在南海地區(qū)實(shí)施了用纜繩傳輸在海底布設(shè)觀測(cè)網(wǎng)所得的數(shù)據(jù)，每年在南海投放80-90臺(tái)海底地震儀進(jìn)行三維觀測(cè)，用廣義射線追蹤方法得出了這一地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)。我國(guó)布設(shè)的水聲計(jì)也記錄到外國(guó)潛艇在我國(guó)南?；顒?dòng)的證據(jù)。
圖10 我國(guó)南海地區(qū)的三維地震探測(cè)
現(xiàn)在世界上能夠研制萬(wàn)米級(jí)海底地震儀的國(guó)家就是日本和中國(guó)。日本海底地震儀的壓力艙采用的材料是陶瓷材料，而我們國(guó)家采用的是玻璃材料。在2016年，我國(guó)在馬里亞納海溝的水深7731米做過一條地震測(cè)線。在2017年在萬(wàn)米以下的水深做過二條地震測(cè)線進(jìn)行觀測(cè)，這是世界上第一個(gè)也是第一次在萬(wàn)米水深利用主動(dòng)源做地震觀測(cè)并能回收的國(guó)家，我們做的第二條測(cè)線是跨過了海溝最深的地方。我們還第一次把海底電磁場(chǎng)儀放入萬(wàn)米海底進(jìn)行海底電磁場(chǎng)研究，也獲得成功。
研究馬里亞納海溝的最深點(diǎn)的難處是其位置。我國(guó)在萬(wàn)米水深處進(jìn)行了定位，放置了標(biāo)志物，在其海面安置了聲納定位系統(tǒng)。在2020年，我國(guó)帶人潛器再去這一地區(qū)，就很容易找到我們的標(biāo)志物了。
我國(guó)在2016年在馬里亞納海溝進(jìn)行第一次考察，共下潛了25次，有5次超過萬(wàn)米，最深水深10935米，這是我國(guó)第一次真正打開了走進(jìn)萬(wàn)米深淵的大門。2017年，我國(guó)進(jìn)行第二次考察，共下潛了35次，有20次下潛超過萬(wàn)米，最深水深是10911（外國(guó)下潛超過萬(wàn)米的次數(shù)總和也不足15次）。并進(jìn)行了各種試驗(yàn)。我們自己研制的高清晰攝像機(jī)、浮力材料、鋰電池、其它儀器設(shè)備，都得到了驗(yàn)證。
我們已掌握了深海的各種資料和數(shù)據(jù)，我們有實(shí)力、有把握做水深超過萬(wàn)米的事情！
我的報(bào)告就做到這里，謝謝大家！
【討論與交流】
滕吉文：王元博士給我們做了一個(gè)有關(guān)深海探索的報(bào)告，讓我們了解了海洋的深部情況和我們國(guó)家在深海方面做的一些前沿的工作。我們有什么問題可以提一下。
桂文莊：海溝是怎么形成的。
王 元：太平洋板塊向印度洋板塊進(jìn)行俯沖，太平洋板塊已經(jīng)俯沖下去了，形成這個(gè)馬里亞納海溝。
張玉云：這個(gè)海溝的長(zhǎng)度和寬度是多少？
王 元：最窄處約有幾公里。長(zhǎng)度大約有30公里。我們的海底地震儀是隔10公里放置一個(gè)地震儀，在海溝最深的地方剛好放兩個(gè)地震儀，估計(jì)海溝的長(zhǎng)度最多30公里。
林邦佐：這個(gè)地方發(fā)生過地震嗎？最大震級(jí)多少?
王 元：記錄到最大的地震的震級(jí)是7.7級(jí)。
孫克忠：大約在1965年，我們國(guó)家使用地震方法監(jiān)測(cè)美蘇的核試驗(yàn)，為了獲得低噪音的地震信號(hào)，選擇放置地震儀的臺(tái)基是個(gè)大問題。為了選臺(tái)基，我們?cè)诟拭C、江西、黑龍江和北京地區(qū)，在大山里選擇了許多地方，以便放置地震儀，我是參加者之一。我現(xiàn)在的問題是如何在海底選擇理想的臺(tái)基？
王 元：目前我們沒有好的辦法。記得有一次做試驗(yàn)，在海底放置了地震儀。我們的海底攝像機(jī)在海底拍攝到，有一臺(tái)地震儀放在了珊瑚礁上了。我們現(xiàn)在是根據(jù)設(shè)計(jì)在海面投放海底地震儀，如果有記錄不好的資料，就只能做參考了。目前，只有日本是投放機(jī)器人在海底操作，把檢波器埋到海底，他們也只是在水深2000-3000多米的海底操作，而超過4000米，機(jī)器人的蓄電池能用多久，還有操作等都是大問題。
桂文莊：海底地震儀是如何回收的，怎么才能找到它？
王 元：我們以投放點(diǎn)為中心，在海面用氣槍放炮，根據(jù)海底地震儀收到的直達(dá)波信號(hào)的到時(shí)，很快就確定了位置，再用聲納信號(hào)，可以讓儀器浮到海面。
林邦佐：今天聽了王博士的報(bào)告，很振奮。我從1964年開始，在老一輩的指導(dǎo)下，研制長(zhǎng)周期地震儀。那時(shí)最大的難點(diǎn)是我們的簧片不過關(guān)，記錄的波形經(jīng)常出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，就是記錄的波形出現(xiàn)單方向的偏移。如今，我們的儀器過關(guān)了，而且能到萬(wàn)米海底測(cè)試，我非常高興。我現(xiàn)在提的問題，放到海底的儀器是二分向還是三分向，記錄的頻段是多少？
王 元：儀器是三分向的。記錄頻段是這樣的。如果記錄人工地震，其頻段是2秒—120赫茲；如果記錄天熱地震，其頻段是30秒—50赫茲。
桂文莊：深海探測(cè)的難度不亞于航天。深海的條件惡劣、壓力大、通訊不便、困難多，但宣傳不多，不如航天宣傳的多。
滕吉文：如果潛水艇是燒油的，它會(huì)有噪音，很容易監(jiān)測(cè)到、進(jìn)行定位和跟蹤。如果是核潛艇，我們摸不著。監(jiān)測(cè)起來(lái)很困難，我們能否利用海底的電磁儀、磁力儀和地震儀組合對(duì)潛艇進(jìn)行定位和跟蹤？我估計(jì)是能監(jiān)測(cè)到，但關(guān)鍵是跟蹤。
王 元：我真回答不了這個(gè)問題。
滕吉文：你在報(bào)告中提到利用主動(dòng)源產(chǎn)生的能量使地震儀有記錄信號(hào)，我認(rèn)為還是用人工源比較恰當(dāng)?，F(xiàn)在都在使用“人工源”，而不是“主動(dòng)源”。
孫克忠：你們把整個(gè)馬里亞納海溝都考察了吧，東太平洋去過嗎？
王 元：在馬里亞納海溝的西面，有一部分屬于關(guān)島的海域，由美國(guó)控制，我們還不能直接進(jìn)去探測(cè)。在東太平洋海域，我們還沒有去探測(cè)。
張玉云：在2010年前后，我一直參加咱們所的海底地震儀的研制工作。咱們與日本的差距有多少？?jī)H僅是浮球的材料嗎？咱們載地震儀的浮球浮上來(lái)后，距你們的考察船有多大距離？
王 元：距考察船最遠(yuǎn)有二公里。浮上來(lái)后，因?yàn)樾?，再加上太?yáng)光反射，一片亮光，發(fā)現(xiàn)起來(lái)太困難了。
閆亞芬：你們這次的考察船載有多少人？科考人員有多少？
王 元：這個(gè)船最多能容納60人，船員30人，科考人員30人。當(dāng)科考任務(wù)忙時(shí)，他們也參加出考察的工作。
王廣福：我從1963年開始就參加測(cè)量強(qiáng)地震的地震儀研制。那時(shí)是為了觀測(cè)我國(guó)核爆炸引起的爆心區(qū)域的強(qiáng)振動(dòng)，我也多次去核爆現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。記錄的波形就是我們的成果。你們?cè)谌f(wàn)米深淵投放地震儀，有沒有記錄到的天然地震的波形，我想看看它們的震相是否清楚？
王 元：有。這次考察的分工，南海所負(fù)責(zé)主動(dòng)源地震記錄的處理，武漢巖土所負(fù)責(zé)被動(dòng)源地震記錄的處理，我們地質(zhì)地球所負(fù)責(zé)海底地震儀。
王廣福：在深淵的底部，是什么地質(zhì)情況，是沙子還是泥？
王 元：我們的采樣工作達(dá)到9000多米水深，在馬里亞納海溝的北坡采到的是泥，而在南坡采不到泥，我們采了六、七次，就是采不到泥。
張玉云：你們回收海底的儀器，只在白天吧?
王 元：我們?cè)诖瞎ぷ鳎环职滋旌谝?，我們分四小時(shí)一班，共六個(gè)班。在2016年工作忙時(shí)，在三天多的時(shí)間內(nèi)，我只睡了六、七個(gè)小時(shí)。
陳泮勤：你們下一步有什么計(jì)劃？
王 元：我們現(xiàn)在已經(jīng)拿到了萬(wàn)米深淵的許多樣品，如水樣、泥樣、生物樣、地球物理和地球化學(xué)的資料，最近又在海底發(fā)現(xiàn)了氣體。也就是說，我們想研究萬(wàn)米深淵，我們有資料，我們研究萬(wàn)米深淵有發(fā)言權(quán)了。這所有的研究，就是為2020年實(shí)現(xiàn)帶人潛器下潛做準(zhǔn)備。
滕吉文：上世紀(jì)80年代，我們的老所長(zhǎng)張文佑院士就提出，我們要上天、入地和下海的超前思維。對(duì)于海底地震儀的提出和研制，我們也有30多年的歷史了。今天參加學(xué)術(shù)沙龍活動(dòng)的徐禮國(guó)、張玉云等就參加過早期的研制，以后劉福田的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)研制。在實(shí)驗(yàn)中，沒有浮到水面的儀器，也有。經(jīng)過幾代科學(xué)家的努力，我們的愿望實(shí)現(xiàn)了。今后，我們可以在萬(wàn)米深淵做大量的工作了。
【結(jié)論和建議】
萬(wàn)米深淵科考是我國(guó)多部門組合的一個(gè)很大的團(tuán)隊(duì)，我們單位的儀器得到了考驗(yàn)，也取得了巨大成績(jī)，我們歡呼、我們自豪！但與陸地觀測(cè)比較，還存在一些問題，如選擇好的觀測(cè)地基、提高儀器的回收率、在海底的地震儀能持續(xù)觀測(cè)多長(zhǎng)時(shí)間等等。也就是說，今后我們還有許多工作要做。但我們更要宣傳，宣傳我們的成績(jī)，也宣傳我們的國(guó)家的進(jìn)步！
