圖為“蛟龍”號(hào)載人深潛器。
習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào),要進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋,推動(dòng)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)不斷取得新成就。
伴隨深海探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,人類深入認(rèn)識(shí)深海的時(shí)代正在來(lái)臨。500年前達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)潛水服、150年前凡爾納寫《海底兩萬(wàn)里》,當(dāng)時(shí)的科學(xué)幻想如今正在成為現(xiàn)實(shí)。
從科學(xué)角度看,探索深海能夠幫助人類深入了解海洋的奧秘、地球的奧秘。水深超過(guò)2000米的深海,占據(jù)地球表面的3/5,無(wú)論溫室氣體排放的歸宿,還是氣候長(zhǎng)期變化的源頭,都要追溯到海水深層。不僅如此,海底是距離地球內(nèi)部最近的地方:大陸地殼平均35公里厚,大洋地殼則為7公里。揭示板塊運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、窺探地球內(nèi)部的真相,也要到深海底部進(jìn)行探索。
從經(jīng)濟(jì)角度看,深海蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)、油氣和生物資源。目前,海洋石油產(chǎn)量占世界石油產(chǎn)量的30%,高居世界海洋經(jīng)濟(jì)首位,其中發(fā)展最快的是深水油田。近年來(lái)全球重大油氣發(fā)現(xiàn),70%來(lái)自水深超過(guò)1000米的水域。海底有待開(kāi)發(fā)的資源非常豐富,現(xiàn)在還只是起步階段。比如海底的微生物新陳代謝極其緩慢,生殖周期在千年以上,但人類尚不知如何利用其“長(zhǎng)壽基因”;太平洋一片深海黏土所含的稀土元素可供人類使用幾十年,但開(kāi)采利用技術(shù)尚待研發(fā)。
深潛、深鉆、深網(wǎng)是當(dāng)今探索深海奧秘的三大手段,即深潛科學(xué)考察、國(guó)際大洋鉆探和國(guó)家海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)。深潛是直觀的深海探索,但在空間和時(shí)間上都存在局限性。深潛最深只能到海底,從海底往下得靠鉆探,這就是深鉆;深潛的運(yùn)行時(shí)間只能以小時(shí)計(jì),想要長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)就得將傳感器放到海底,聯(lián)網(wǎng)觀測(cè),這就是深網(wǎng)。深潛、深鉆和深網(wǎng),共同擔(dān)起深海探索的技術(shù)重任。目前,我國(guó)已建立起“三深”格局,深??瓶歼M(jìn)入快速發(fā)展期。
深潛:深海探索的尖兵
明代《天工開(kāi)物》中就有關(guān)于潛水的記載:屏住一口氣潛入海底“沒(méi)水采珠”。但是海水每加深10米就增加一個(gè)大氣壓,深海下潛只能在某種容器里進(jìn)行。
20世紀(jì)晚期,人類在克服地心引力進(jìn)入太空的同時(shí),也頂住水柱壓力進(jìn)入深水海底。經(jīng)過(guò)潛水鐘、潛水球的試探,1960年,“的里亞斯特”號(hào)深潛器下潛到太平洋馬里亞納海溝水深10916米的海底,將兩個(gè)人首次送入地球表面的最深處。經(jīng)過(guò)幾十年的探索,現(xiàn)在的深潛器已經(jīng)發(fā)展為作業(yè)型,配有動(dòng)力系統(tǒng)和各種取樣設(shè)施,成為深海探索的尖兵,其突出貢獻(xiàn)是1979年在東太平洋發(fā)現(xiàn)黑煙囪熱液系統(tǒng)。上世紀(jì)80年代,美國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)、日本分別建造了載人深潛器,最深可以潛入6500米。
我國(guó)深??萍计鸩捷^晚但發(fā)展迅速。2012年,“蛟龍”號(hào)載人深潛器下潛至7062米,創(chuàng)世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。2017年,4500米型的“深海勇士”號(hào)載人深潛器正式投入使用,國(guó)產(chǎn)自主率超過(guò)95%。目前,萬(wàn)米級(jí)全水深的載人深潛器已經(jīng)處于試驗(yàn)階段,我國(guó)正邁向國(guó)際深潛設(shè)施制造前列。正是通過(guò)載人深潛,我國(guó)在南海發(fā)現(xiàn)了海山上成片的多金屬結(jié)核、古熱液區(qū)和冷水珊瑚林,在西南印度洋勘查了金屬硫化物礦點(diǎn)。
隨著自動(dòng)化和人工智能的發(fā)展,探索深海也可以不用人類親身下潛。上世紀(jì)70年代以來(lái)迅速發(fā)展的非載人深潛器,同樣可以進(jìn)行許多項(xiàng)目的科學(xué)探索,而且具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。世界上載人深潛器為數(shù)稀少,無(wú)人遙控潛水器則已廣泛使用。由于有臍帶纜和母船連接,遙控潛水器有充足的能源保障,不僅可用于長(zhǎng)時(shí)間的科研考察,更是當(dāng)前水下工程作業(yè)的主力。我國(guó)70年代末開(kāi)始研制非載人深潛器,進(jìn)展迅速,“海馬”號(hào)4500米級(jí)遙控潛水器、“潛龍”號(hào)無(wú)人無(wú)纜自主潛水器、“海龍”號(hào)無(wú)人有纜潛水器等,正在壯大著我國(guó)深潛器的陣營(yíng)。
深鉆:窺探地球內(nèi)部奧秘
“三深”中規(guī)模最大、需要國(guó)際合作進(jìn)行的,是國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃的深鉆。國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃從1968年開(kāi)始,是由20多個(gè)國(guó)家共同參加的科學(xué)探索計(jì)劃,其任務(wù)是探索深海底下的地球內(nèi)部,是國(guó)際科學(xué)界為時(shí)最久、影響最大的合作計(jì)劃。
大洋鉆探由于技術(shù)要求高、經(jīng)費(fèi)投入大,必須依靠國(guó)際合作。大洋鉆探每?jī)蓚€(gè)月執(zhí)行一個(gè)鉆探航次,每個(gè)航次采用的都是最先進(jìn)的鉆探船,科技含量極高。半個(gè)世紀(jì)來(lái),大洋鉆探在世界大洋鉆井4000多口,取回巖芯40多萬(wàn)米,從多方面加深了人類對(duì)地球的認(rèn)識(shí)。比如70年代的大洋鉆探,證實(shí)了地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的板塊學(xué)說(shuō),找到了氣候長(zhǎng)期變化的軌道驅(qū)動(dòng);后來(lái)的鉆探又發(fā)現(xiàn)了海底的天然氣水合物,以及地殼里微生物構(gòu)成的“深部生物圈”。大洋鉆探始終引領(lǐng)著國(guó)際地球科學(xué)的發(fā)展。
我國(guó)是大洋鉆探的新兵,1998年方才參加,但在1999年就成功實(shí)施了南海第一次大洋鉆探,探索季風(fēng)氣候演變的歷史。2014至2018年間,我國(guó)又接連完成三個(gè)半鉆探航次,揭示了南海海盆張裂、海底擴(kuò)張的歷史,使南海成為深部過(guò)程研究程度最高的邊緣海。重要的是,所有這些航次都是在中國(guó)科學(xué)家提議、設(shè)計(jì)和共同主持下實(shí)施的。
深網(wǎng):把“氣象站”和“實(shí)驗(yàn)室”建在海底
世界海洋科學(xué)正在轉(zhuǎn)型:從海面船只的短暫測(cè)量,轉(zhuǎn)為海洋內(nèi)部的長(zhǎng)期觀測(cè)。長(zhǎng)久以來(lái),人類主要從海洋外部觀察海洋,而許多深海現(xiàn)象只有通過(guò)對(duì)海洋內(nèi)部的長(zhǎng)期觀測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。比如海洋災(zāi)害的預(yù)警,在最需要觀測(cè)的時(shí)候,船只卻無(wú)法抵近。90年代起,國(guó)際海洋界開(kāi)始將傳感器放到海底,再用光電纜接到岸上傳送能量和信息。這樣建成的海底觀測(cè)網(wǎng)可以不間斷地進(jìn)行長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),無(wú)論有臺(tái)風(fēng)還是地震都可以連續(xù)運(yùn)作,將深海的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送到實(shí)驗(yàn)室。
進(jìn)入新世紀(jì),發(fā)達(dá)國(guó)家掀起了建設(shè)海底觀測(cè)網(wǎng)的熱潮。2009年,加拿大“海王星”觀測(cè)網(wǎng)率先建成,水深3000米、纜線長(zhǎng)800公里;2015年,日本建成S—Net網(wǎng),從本州島連到太平洋8000米水深的日本海溝,布設(shè)150個(gè)監(jiān)測(cè)站、纜線總長(zhǎng)5700公里,號(hào)稱世界最大的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng);2016年,美國(guó)OOI海底觀測(cè)系統(tǒng)正式建成,包含區(qū)域網(wǎng)、近岸網(wǎng)、全球網(wǎng)三大系統(tǒng),設(shè)置900多個(gè)探頭對(duì)美國(guó)岸外進(jìn)行多學(xué)科的海底觀測(cè);此外,歐盟14個(gè)國(guó)家參加的EMSO計(jì)劃,從地中海直到北冰洋都將布設(shè)海底觀測(cè)網(wǎng)。
海底觀測(cè)網(wǎng)相當(dāng)于在海底建立“氣象站”和“實(shí)驗(yàn)室”,極大提升海洋觀測(cè)能力,標(biāo)志著新一代海洋科學(xué)的建立。從應(yīng)用上講,海底觀測(cè)網(wǎng)是預(yù)警地震海嘯最為有效的手段。世界上85%的火山在海底,布設(shè)海底裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)火山爆發(fā),將來(lái)或能對(duì)海底火山爆發(fā)作“現(xiàn)場(chǎng)直播”。
我國(guó)從2005年起開(kāi)始推進(jìn)海底觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè),2009年建設(shè)近岸的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)站。此后,又在南海北部進(jìn)行了大量深水海流和沉積過(guò)程的長(zhǎng)期觀測(cè)。2017年,我國(guó)國(guó)家海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)正式被批復(fù)建立,將在我國(guó)東海和南海分別建立海底科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng),從海底向海面進(jìn)行全天候、實(shí)時(shí)和高分辨率的多界面立體綜合觀測(cè)。
近10年來(lái),建設(shè)中的海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)除了光纜聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備外,還有著大量無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的活動(dòng)觀測(cè)平臺(tái),包括自主水下航行器、水下滑翔機(jī)、海底爬行車等。
由于深海開(kāi)發(fā)尚處起步階段,在取得成功的同時(shí),也時(shí)有災(zāi)難發(fā)生。2010年,墨西哥灣一口創(chuàng)紀(jì)錄的深水油井打開(kāi)了大油田,但是鉆井平臺(tái)爆炸導(dǎo)致在接下來(lái)的5個(gè)月里,50萬(wàn)立方米的原油漏入墨西哥灣,造成史上最嚴(yán)重的海上事故。進(jìn)入深海不僅要防止災(zāi)害,還要關(guān)注環(huán)境保護(hù)。深海的特點(diǎn)在于連通性強(qiáng),而且有大量的“慢過(guò)程”,深水珊瑚上千年才長(zhǎng)一株,多金屬結(jié)核百萬(wàn)年才長(zhǎng)幾厘米。污染物質(zhì)的排放或者生態(tài)環(huán)境的破壞,后果要比在陸地嚴(yán)重得多。人類在深海面前還是個(gè)小學(xué)生,當(dāng)前的首要任務(wù)是發(fā)展深海科技,決不能帶著“淘金”的狂熱去開(kāi)發(fā)深海。開(kāi)發(fā)深海,大量技術(shù)上的新挑戰(zhàn)還在前面。
深海開(kāi)發(fā)是面向未來(lái)的事業(yè)。如果說(shuō)16世紀(jì)的“地理大發(fā)現(xiàn)”是人類在橫向上進(jìn)入海洋,21世紀(jì)將是人類在垂向上進(jìn)入海洋。深潛、深鉆、深網(wǎng),深耕藍(lán)色國(guó)土,建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó),我國(guó)海洋事業(yè)正在向海洋深處挺進(jìn),期待中國(guó)科學(xué)家為人類海洋事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。
(作者為同濟(jì)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士)
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1.《深海淺說(shuō)》:汪品先著;上海科技教育出版社出版。
2.《搏擊滄海:地學(xué)革命風(fēng)云錄》:許靖華著;地質(zhì)出版社出版。
3.《深海探險(xiǎn)簡(jiǎn)史》:R.D.巴拉德著;上海科學(xué)技術(shù)出版社出版。
《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2020年08月25日 20 版)
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