人類萬米深淵探索
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- 2020-07-03 15:15:01
摘要：
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【簡介】
萬米海洋深淵探測一直是我國海洋科考的禁區。我國2016年6月探索一號TS01航次科考首次敲開萬米深淵的大門，標志中國的深淵科考進入“萬米時代”。本次沙龍由親身參加我國深海考察的青年專家王元博士做主題報告，他回顧了人類在萬米深淵探索中走過的艱難道路，總結了世界海洋科考界在萬米深淵探索中取得的標志性成果，介紹了我國深海地球物理探測儀器研制和應用的發展，分享我國萬米深淵科考如何“后來居上，步入前列”的歷程。沙龍就深海探測的一些科學技術問題進行了討論。
【主持人致辭】
滕吉文：今天的沙龍請王元博士做一個主旨報告。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80年代，我們的老所長張文佑院士就提出，人類要實現上天、下海和入地三大壯舉，要向宇宙挑戰。現在，我們深潛萬米深淵的科學愿望實現了。下面就請年輕的王博士給我們做報告。
【主旨報告】
王元：人類萬米深淵探索
各位老師、各位領導，各位老前輩：早晨好！在座的都是地球科學研究的開拓者，我們這批年輕人，已經是第三代、第四代了。
今天我報告的內容，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。進入21世紀后，我們國家對海洋方面的研究很重視。在2016年，我們國家對海洋的探索進入了萬米深淵，在許多方面超越了世界。
一、深海探測的歷史
先介紹一下有關常識。在海洋水深大于6000米時，叫海斗深淵，又叫地球的第四極。地球的四個極就是南極、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。現在發現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。在超深海區，重力顯示低異常、地形是兩邊狹窄、縱向延伸的狹長區域、底部比較平坦、地震活動發育。
1956年，一位瑞士科學家把大于6000米深度的海域叫海底深淵。這位科學家是海洋生物學家，他發現，6000米上下的海洋生物，屬于不同的生態系統。在6000米以下的生物的吸收、生態、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。同時發現，6000米以上的生物也不會到下面去。
中國使用海淵和海斗深淵是因為我們的蛟龍號深海潛水器下潛的深度到達的區域的定義。三亞海洋研究所所長丁抗研究員，自國外回來后一直從事深海潛水器下潛的工作。現已60多歲還帶領年輕人下潛。他說，現在中國不缺海洋研究專家，缺的是在海上干活的人。
全球海洋深度大于6000米的區域只有1%左右，而海斗深淵卻有37個，有5個在大西洋、4個在印度洋、其它的在太平洋。
圖2 全球海斗深淵的分布
太平洋地區分布著全球最大的火山帶、地震帶，同時由于板塊俯沖作用，形成水深最深的區域。馬里亞納海溝就在這一地區，叫做挑戰者深淵。在2016年以前，也就是中國沒進入萬米下潛之前，人類下潛到萬米以下的研究次數不足15次，包括帶人下潛和不帶人下潛。而人類登月的次數已達20多次。人類對海斗深淵的認識遠遠少于月球。
目前，對海斗深淵的生物系統還沒搞清楚。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，能在這樣的環境中生存和繁殖。我們的儀器下潛到水深萬米一下，也要經受1噸/平方厘米的壓力，在設計上會遇到很多問題。
那么世界海洋最深的點在什么地方呢？我們國家有鄭和下西洋，大約是公元1300年左右，鄭和航海最遠的路線是印度洋。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量海洋的深度。在馬里亞納海溝區域，麥哲倫的繩子沒有放到底，他認為馬里亞納海溝最深，但不知具體數字。
圖3 麥哲倫航海路線
挑戰者深淵是怎么來的呢?在1875年，英國的科考船“挑戰者”號曾在馬里亞納區域測量過，后因世界大戰就停止了。到了1951-1956年間，這艘科考船又回到這一區域，用扔炸彈的辦法進行測量，測出的深度是10863米±35米。以后就把這一最深區域叫做“挑戰者深淵”。
中國第一次在這一區域測量是在2012年。當時我國的蛟龍號潛水器下潛，廣州海洋地質調查局的“海洋六號”船護航，他們用多波束掃描的辦法，測量了這一區域的深度。2016年，我國的帶人潛水器下潛這一區域。
1960年，美國的帶人潛水器就下潛到了萬米，他們也測量了這一區域，2002年，日本用同樣辦法也進行了測量，所得數據都有差別。2017年，我國對這一區域測量的數據是10911米。測量的兩種手段就是用多波束或無人潛水器，所測結果都有差別。
我國的帶人潛水器最早的叫“蛟龍號”，它所使用的材料，70%是進口材料，主要是浮力材料和電池。后來的潛水器叫“深海勇士號”，它所使用的材料，90%以上都是國產的。潛水器的關鍵部分是浮力材料和壓力艙。
中國計劃在2020年帶人潛器下潛到萬米。在2016年，我們對幾千米水深的參數進行了測量，如溫度、鹽度等等。在具有各種參數的基礎上， 在2017年，我們的無人潛器下潛到了萬米。無人潛器就專門做萬米以下的測量了。最深下潛到10884米。在那里，觀測到正在游動的鉤蝦，觀測到海底比較平坦。
下潛器在測量后永沉海底的災難，在世界上常有發生。美國的無人下潛器在2009年，下潛到10903米，并在海底工作了13個小時。以后又下潛到10901米考察。但在2013年在下潛工作時，就沒有浮上來，永沉海底了。日本的無人潛器在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，就永沉海底了。
我國的無人潛器在2017年下潛到10884米，觀測到鉤蝦在海底的活動后，因故就沒有浮到海面。
在2016年的考察中，首先對不同深度的海水波速進行測量，其次是用攝像機在海底拍攝，收集深海的動物和植物的情況，再次就是收集活的動物。我們收集到在8000米以下生活的獅子魚和鉤蝦。可以說，我國對深海的生物研究有發言權了。
圖4 深海動物獅子魚
圖5 深海動物鉤蝦
二、深海地球物理探測的儀器和應用
要研究深海海底的地球物理資料和地質資料，必須有自己的深海觀測儀器。海底地震儀就是深海地球物理探測最主要的儀器之一。中科院地質地球物理所從2000年開始研制海底地震儀，研制了適于7000米、9000米和萬米水深的一系列儀器。2012年開始試驗和使用。研制海底地震儀的最大難點有三個，一是采用大傾角，不管在海底遇到什么地形，儀器都能自動調節到設計的角度，而且是自動調頻；二是聲學水平計；三是低功耗采集。通過這十幾年的自主研發，打破了外國的技術封鎖。目前我們研制的一系列探測設備，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儀和海底電場儀。研制海底地震儀的另一個難點是做出來能夠用上，投放到海底，還能確保浮上來。還有就是為了使用，要建立海底地震儀的生產線。
下面介紹幾個應用實例：
1、西太平洋的地球物理探測
在2015年，我國在西太平洋雅浦海溝投放了7臺海底地震儀，留海觀測時間是14個月，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島弧海山發育的影響機制。
圖6 西太平洋的地球物理探測
2、南極海域深部地震探測
在南極地區，我國有二處陸上地震臺站。在第28次南極科考時投放了海底地震儀，過了一年，在第29次南極科考船去那片海域回收時，因那片海域結冰，沒法回收。根據設計，海底地震儀最大留海時間為一年，大家都擔心失掉這兩臺儀器了。可喜的是，又過了一年那片海域已經沒有冰了，在回收時，海底地震儀竟然浮到海面，這是在海底記錄時間最長的一次試驗。也為南極海域深部結構研究提供了科學依據。
圖7 南極海域深部地震探測
3、海底地震觀測
在過去，由于沒有在馬里亞納海溝布設地震儀觀測，世界各國就只能記錄到這一地區發生的大地震，據全球統計，這個地區也只有53次地震發生，認為在這個俯沖帶上很少有地震發生。當我國的海底地震儀在2016年投到萬米深淵后，在海底工作的4-5個月的時間內，就記錄到7634個地震，說明在這個俯沖帶上地震很活躍。
圖8 馬里亞納海溝地區觀測的地震分布
4、西南印度洋的三維地震探測
在全球的海洋中，大部分海洋為公海，有些國家已圈出自己具有礦產調查和開采權的某片海域。我們國家在西南印度洋布設了“中國結”的地震臺網，開展三維地震觀測。并第一個向聯合國國際海洋海底管理局申請，獲得了這一地區一萬平方公里的多金屬硫化礦物的專屬開采權。
圖9 西南印度洋的三維地震探測
我國在南海地區實施了用纜繩傳輸在海底布設觀測網所得的數據，每年在南海投放80-90臺海底地震儀進行三維觀測，用廣義射線追蹤方法得出了這一地區的地下結構。我國布設的水聲計也記錄到外國潛艇在我國南海活動的證據。
圖10 我國南海地區的三維地震探測
現在世界上能夠研制萬米級海底地震儀的國家就是日本和中國。日本海底地震儀的壓力艙采用的材料是陶瓷材料，而我們國家采用的是玻璃材料。在2016年，我國在馬里亞納海溝的水深7731米做過一條地震測線。在2017年在萬米以下的水深做過二條地震測線進行觀測，這是世界上第一個也是第一次在萬米水深利用主動源做地震觀測并能回收的國家，我們做的第二條測線是跨過了海溝最深的地方。我們還第一次把海底電磁場儀放入萬米海底進行海底電磁場研究，也獲得成功。
研究馬里亞納海溝的最深點的難處是其位置。我國在萬米水深處進行了定位，放置了標志物，在其海面安置了聲納定位系統。在2020年，我國帶人潛器再去這一地區，就很容易找到我們的標志物了。
我國在2016年在馬里亞納海溝進行第一次考察，共下潛了25次，有5次超過萬米，最深水深10935米，這是我國第一次真正打開了走進萬米深淵的大門。2017年，我國進行第二次考察，共下潛了35次，有20次下潛超過萬米，最深水深是10911（外國下潛超過萬米的次數總和也不足15次）。并進行了各種試驗。我們自己研制的高清晰攝像機、浮力材料、鋰電池、其它儀器設備，都得到了驗證。
我們已掌握了深海的各種資料和數據，我們有實力、有把握做水深超過萬米的事情！
我的報告就做到這里，謝謝大家！
【討論與交流】
滕吉文：王元博士給我們做了一個有關深海探索的報告，讓我們了解了海洋的深部情況和我們國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行俯沖，太平洋板塊已經俯沖下去了，形成這個馬里亞納海溝。
張玉云：這個海溝的長度和寬度是多少？
王 元：最窄處約有幾公里。長度大約有30公里。我們的海底地震儀是隔10公里放置一個地震儀，在海溝最深的地方剛好放兩個地震儀，估計海溝的長度最多30公里。
林邦佐：這個地方發生過地震嗎？最大震級多少?
王 元：記錄到最大的地震的震級是7.7級。
孫克忠：大約在1965年，我們國家使用地震方法監測美蘇的核試驗，為了獲得低噪音的地震信號，選擇放置地震儀的臺基是個大問題。為了選臺基，我們在甘肅、江西、黑龍江和北京地區，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。我現在的問題是如何在海底選擇理想的臺基？
王 元：目前我們沒有好的辦法。記得有一次做試驗，在海底放置了地震儀。我們的海底攝像機在海底拍攝到，有一臺地震儀放在了珊瑚礁上了。我們現在是根據設計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：我們以投放點為中心，在海面用氣槍放炮，根據海底地震儀收到的直達波信號的到時，很快就確定了位置，再用聲納信號，可以讓儀器浮到海面。
林邦佐：今天聽了王博士的報告，很振奮。我從1964年開始，在老一輩的指導下，研制長周期地震儀。那時最大的難點是我們的簧片不過關，記錄的波形經常出現零點漂移，就是記錄的波形出現單方向的偏移。如今，我們的儀器過關了，而且能到萬米海底測試，我非常高興。我現在提的問題，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，它會有噪音，很容易監測到、進行定位和跟蹤。如果是核潛艇，我們摸不著。監測起來很困難，我們能否利用海底的電磁儀、磁力儀和地震儀組合對潛艇進行定位和跟蹤？我估計是能監測到，但關鍵是跟蹤。
王 元：我真回答不了這個問題。
滕吉文：你在報告中提到利用主動源產生的能量使地震儀有記錄信號，我認為還是用人工源比較恰當。現在都在使用“人工源”，而不是“主動源”。
孫克忠：你們把整個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，有一部分屬于關島的海域，由美國控制，我們還不能直接進去探測。在東太平洋海域，我們還沒有去探測。
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？僅僅是浮球的材料嗎？咱們載地震儀的浮球浮上來后，距你們的考察船有多大距離？
王 元：距考察船最遠有二公里。浮上來后，因為小，再加上太陽光反射，一片亮光，發現起來太困難了。
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：這個船最多能容納60人，船員30人，科考人員30人。當科考任務忙時，他們也參加出考察的工作。
王廣福：我從1963年開始就參加測量強地震的地震儀研制。那時是為了觀測我國核爆炸引起的爆心區域的強振動，我也多次去核爆現場觀測。記錄的波形就是我們的成果。你們在萬米深淵投放地震儀，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，南海所負責主動源地震記錄的處理，武漢巖土所負責被動源地震記錄的處理，我們地質地球所負責海底地震儀。
王廣福：在深淵的底部，是什么地質情況，是沙子還是泥？
王 元：我們的采樣工作達到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：我們在船上工作，不分白天黑夜，我們分四小時一班，共六個班。在2016年工作忙時，在三天多的時間內，我只睡了六、七個小時。
陳泮勤：你們下一步有什么計劃？
王 元：我們現在已經拿到了萬米深淵的許多樣品，如水樣、泥樣、生物樣、地球物理和地球化學的資料，最近又在海底發現了氣體。也就是說，我們想研究萬米深淵，我們有資料，我們研究萬米深淵有發言權了。這所有的研究，就是為2020年實現帶人潛器下潛做準備。
滕吉文：上世紀80年代，我們的老所長張文佑院士就提出，我們要上天、入地和下海的超前思維。對于海底地震儀的提出和研制，我們也有30多年的歷史了。今天參加學術沙龍活動的徐禮國、張玉云等就參加過早期的研制，以后劉福田的團隊繼續研制。在實驗中，沒有浮到水面的儀器，也有。經過幾代科學家的努力，我們的愿望實現了。今后，我們可以在萬米深淵做大量的工作了。
【結論和建議】
萬米深淵科考是我國多部門組合的一個很大的團隊，我們單位的儀器得到了考驗，也取得了巨大成績，我們歡呼、我們自豪！但與陸地觀測比較，還存在一些問題，如選擇好的觀測地基、提高儀器的回收率、在海底的地震儀能持續觀測多長時間等等。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，也宣傳我們的國家的進步！
