本文刊載于《中國科學院院刊》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 中國科學院海洋研究所
2 中國科學院南海海洋研究所
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前沿，但深海嚴苛的高壓環(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，導致海底地形、理化因子的劇烈變化。從地球系統(tǒng)科學的理念來看，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
當前，對深海熱液、冷泉噴口區(qū)流體地球化學參數(shù)的準確探測仍存在困難。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，美國明尼蘇達大學研發(fā)了用于探測高溫熱液噴口流體?H2S?濃度、H2?濃度、pH?等參數(shù)的電化學傳感器，美國哈佛大學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)。中國科學院大連化學物理研究所研發(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、遠海長時間序列的海底原位觀測技術(shù)難題，中國科學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。中國科學院深?？茖W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，中國科學院南海海洋研究所、中國科學院聲學研究所、中國科學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，由中國科學院聲學研究所牽頭，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、中國科學院聲學研究所和中國科學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。上海交通大學研制了“海龍”系列遙控無人潛水器，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制了“海馬”遙控無人潛水器等。
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、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)境的復雜性，獲取深海物理、化學、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、深度學習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、深海空間站、深海實驗室等新一代海洋實驗平臺建設(shè)，以及深海空間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。
4
優(yōu)化資源配置模式和管理體制
加強海洋相關(guān)的科學研究單位與傳統(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)境科學研究的發(fā)展。
張鑫 中國科學院海洋研究所研究員。國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者，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熱液流體拉曼光譜原位探測系統(tǒng)。主持中國科學院、科學技術(shù)部、國家自然科學基金委員會等單位的10余項重點項目。獲得中國科學院青年科學家獎、山東青年五四獎?wù)?、中國科學院杰出科技成就獎、中國海洋工程科學技術(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.中國科學院院刊,2022,37(7):932-938.
DOI：10.16418/j.issn.1000-3045.20220627003
