人类万米深渊探索
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- 2020-07-03 15:15:01
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【简介】
万米海洋深渊探测一直是我国海洋科考的禁区。我国2016年6月探索一号TS01航次科考首次敲开万米深渊的大门，标志中国的深渊科考进入“万米时代”。本次沙龙由亲身参加我国深海考察的青年专家王元博士做主题报告，他回顾了人类在万米深渊探索中走过的艰难道路，总结了世界海洋科考界在万米深渊探索中取得的标志性成果，介绍了我国深海地球物理探测仪器研制和应用的发展，分享我国万米深渊科考如何“后来居上，步入前列”的历程。沙龙就深海探测的一些科学技术问题进行了讨论。
【主持人致辞】
滕吉文：今天的沙龙请王元博士做一个主旨报告。王博士在2016年和2017年曾先后三次出海，到马里亚纳海沟海域考察，做了大量工作。在上世纪80年代，我们的老所长张文佑院士就提出，人类要实现上天、下海和入地三大壮举，要向宇宙挑战。现在，我们深潜万米深渊的科学愿望实现了。下面就请年轻的王博士给我们做报告。
【主旨报告】
王元：人类万米深渊探索
各位老师、各位领导，各位老前辈：早晨好！在座的都是地球科学研究的开拓者，我们这批年轻人，已经是第三代、第四代了。
今天我报告的内容，主要就是回顾一下人类在深渊探索方面所做的努力和贡献。进入21世纪后，我们国家对海洋方面的研究很重视。在2016年，我们国家对海洋的探索进入了万米深渊，在许多方面超越了世界。
一、深海探测的历史
先介绍一下有关常识。在海洋水深大于6000米时，叫海斗深渊，又叫地球的第四极。地球的四个极就是南极、北极、珠穆朗玛峰和海斗深渊。
图1 海斗深渊
地球上大约有70%海洋水深在200—6000米，超过6000米水深的只有1%左右。现在发现的最深的海底比世界最高的峰珠穆朗玛峰还多2000多米。最深的地方就是马里亚纳海沟。
1955年，前苏联把海洋深度定义为三部分：大于400米水深的海称半深海，超过2000米叫深海，超过6000米水深的海称做超深海区。在超深海区，重力显示低异常、地形是两边狭窄、纵向延伸的狭长区域、底部比较平坦、地震活动发育。
1956年，一位瑞士科学家把大于6000米深度的海域叫海底深渊。这位科学家是海洋生物学家，他发现，6000米上下的海洋生物，属于不同的生态系统。在6000米以下的生物的吸收、生态、演化，与6000米以上的生物完全不同，而且，6000米以下的生物始终在6000米以下的海水中生活。同时发现，6000米以上的生物也不会到下面去。
中国使用海渊和海斗深渊是因为我们的蛟龙号深海潜水器下潜的深度到达的区域的定义。三亚海洋研究所所长丁抗研究员，自国外回来后一直从事深海潜水器下潜的工作。现已60多岁还带领年轻人下潜。他说，现在中国不缺海洋研究专家，缺的是在海上干活的人。
全球海洋深度大于6000米的区域只有1%左右，而海斗深渊却有37个，有5个在大西洋、4个在印度洋、其它的在太平洋。
图2 全球海斗深渊的分布
太平洋地区分布着全球最大的火山带、地震带，同时由于板块俯冲作用，形成水深最深的区域。马里亚纳海沟就在这一地区，叫做挑战者深渊。在2016年以前，也就是中国没进入万米下潜之前，人类下潜到万米以下的研究次数不足15次，包括带人下潜和不带人下潜。而人类登月的次数已达20多次。人类对海斗深渊的认识远远少于月球。
目前，对海斗深渊的生物系统还没搞清楚。在海斗深渊，压力是1吨/平方厘米、温度低、光线暗、几乎就是黑暗、地震也多。这里的生物的生命真是奇特，能在这样的环境中生存和繁殖。我们的仪器下潜到水深万米一下，也要经受1吨/平方厘米的压力，在设计上会遇到很多问题。
那么世界海洋最深的点在什么地方呢？我们国家有郑和下西洋，大约是公元1300年左右，郑和航海最远的路线是印度洋。而麦哲伦航海的路线是全球航行，去了好几个大洋。在1521年，麦哲伦曾用绳子梆住重块、让重块在海中下沉，然后不断放绳子的办法测量海洋的深度。在马里亚纳海沟区域，麦哲伦的绳子没有放到底，他认为马里亚纳海沟最深，但不知具体数字。
图3 麦哲伦航海路线
挑战者深渊是怎么来的呢?在1875年，英国的科考船“挑战者”号曾在马里亚纳区域测量过，后因世界大战就停止了。到了1951-1956年间，这艘科考船又回到这一区域，用扔炸弹的办法进行测量，测出的深度是10863米±35米。以后就把这一最深区域叫做“挑战者深渊”。
中国第一次在这一区域测量是在2012年。当时我国的蛟龙号潜水器下潜，广州海洋地质调查局的“海洋六号”船护航，他们用多波束扫描的办法，测量了这一区域的深度。2016年，我国的带人潜水器下潜这一区域。
1960年，美国的带人潜水器就下潜到了万米，他们也测量了这一区域，2002年，日本用同样办法也进行了测量，所得数据都有差别。2017年，我国对这一区域测量的数据是10911米。测量的两种手段就是用多波束或无人潜水器，所测结果都有差别。
我国的带人潜水器最早的叫“蛟龙号”，它所使用的材料，70%是进口材料，主要是浮力材料和电池。后来的潜水器叫“深海勇士号”，它所使用的材料，90%以上都是国产的。潜水器的关键部分是浮力材料和压力舱。
中国计划在2020年带人潜器下潜到万米。在2016年，我们对几千米水深的参数进行了测量，如温度、盐度等等。在具有各种参数的基础上， 在2017年，我们的无人潜器下潜到了万米。无人潜器就专门做万米以下的测量了。最深下潜到10884米。在那里，观测到正在游动的钩虾，观测到海底比较平坦。
下潜器在测量后永沉海底的灾难，在世界上常有发生。美国的无人下潜器在2009年，下潜到10903米，并在海底工作了13个小时。以后又下潜到10901米考察。但在2013年在下潜工作时，就没有浮上来，永沉海底了。日本的无人潜器在1995年曾下潜到10911米，几年后，又下潜到10924米。但在2003年，下潜工作时，就永沉海底了。
我国的无人潜器在2017年下潜到10884米，观测到钩虾在海底的活动后，因故就没有浮到海面。
在2016年的考察中，首先对不同深度的海水波速进行测量，其次是用摄像机在海底拍摄，收集深海的动物和植物的情况，再次就是收集活的动物。我们收集到在8000米以下生活的狮子鱼和钩虾。可以说，我国对深海的生物研究有发言权了。
图4 深海动物狮子鱼
图5 深海动物钩虾
二、深海地球物理探测的仪器和应用
要研究深海海底的地球物理资料和地质资料，必须有自己的深海观测仪器。海底地震仪就是深海地球物理探测最主要的仪器之一。中科院地质地球物理所从2000年开始研制海底地震仪，研制了适于7000米、9000米和万米水深的一系列仪器。2012年开始试验和使用。研制海底地震仪的最大难点有三个，一是采用大倾角，不管在海底遇到什么地形，仪器都能自动调节到设计的角度，而且是自动调频；二是声学水平计；三是低功耗采集。通过这十几年的自主研发，打破了外国的技术封锁。目前我们研制的一系列探测设备，在水深1000米适用的地震仪组合，已能够满足石油勘探。此外，我们还研制了海底磁场仪和海底电场仪。研制海底地震仪的另一个难点是做出来能够用上，投放到海底，还能确保浮上来。还有就是为了使用，要建立海底地震仪的生产线。
下面介绍几个应用实例：
1、西太平洋的地球物理探测
在2015年，我国在西太平洋雅浦海沟投放了7台海底地震仪，留海观测时间是14个月，最大的水深是4600米。记录的地震波形都很好。主要用于揭示岩石圈在不同构造尺度的特征，了解卡罗琳洋脊俯冲与雅浦海沟的相互作用及对岛弧海山发育的影响机制。
图6 西太平洋的地球物理探测
2、南极海域深部地震探测
在南极地区，我国有二处陆上地震台站。在第28次南极科考时投放了海底地震仪，过了一年，在第29次南极科考船去那片海域回收时，因那片海域结冰，没法回收。根据设计，海底地震仪最大留海时间为一年，大家都担心失掉这两台仪器了。可喜的是，又过了一年那片海域已经没有冰了，在回收时，海底地震仪竟然浮到海面，这是在海底记录时间最长的一次试验。也为南极海域深部结构研究提供了科学依据。
图7 南极海域深部地震探测
3、海底地震观测
在过去，由于没有在马里亚纳海沟布设地震仪观测，世界各国就只能记录到这一地区发生的大地震，据全球统计，这个地区也只有53次地震发生，认为在这个俯冲带上很少有地震发生。当我国的海底地震仪在2016年投到万米深渊后，在海底工作的4-5个月的时间内，就记录到7634个地震，说明在这个俯冲带上地震很活跃。
图8 马里亚纳海沟地区观测的地震分布
4、西南印度洋的三维地震探测
在全球的海洋中，大部分海洋为公海，有些国家已圈出自己具有矿产调查和开采权的某片海域。我们国家在西南印度洋布设了“中国结”的地震台网，开展三维地震观测。并第一个向联合国国际海洋海底管理局申请，获得了这一地区一万平方公里的多金属硫化矿物的专属开采权。
图9 西南印度洋的三维地震探测
我国在南海地区实施了用缆绳传输在海底布设观测网所得的数据，每年在南海投放80-90台海底地震仪进行三维观测，用广义射线追踪方法得出了这一地区的地下结构。我国布设的水声计也记录到外国潜艇在我国南海活动的证据。
图10 我国南海地区的三维地震探测
现在世界上能够研制万米级海底地震仪的国家就是日本和中国。日本海底地震仪的压力舱采用的材料是陶瓷材料，而我们国家采用的是玻璃材料。在2016年，我国在马里亚纳海沟的水深7731米做过一条地震测线。在2017年在万米以下的水深做过二条地震测线进行观测，这是世界上第一个也是第一次在万米水深利用主动源做地震观测并能回收的国家，我们做的第二条测线是跨过了海沟最深的地方。我们还第一次把海底电磁场仪放入万米海底进行海底电磁场研究，也获得成功。
研究马里亚纳海沟的最深点的难处是其位置。我国在万米水深处进行了定位，放置了标志物，在其海面安置了声纳定位系统。在2020年，我国带人潜器再去这一地区，就很容易找到我们的标志物了。
我国在2016年在马里亚纳海沟进行第一次考察，共下潜了25次，有5次超过万米，最深水深10935米，这是我国第一次真正打开了走进万米深渊的大门。2017年，我国进行第二次考察，共下潜了35次，有20次下潜超过万米，最深水深是10911（外国下潜超过万米的次数总和也不足15次）。并进行了各种试验。我们自己研制的高清晰摄像机、浮力材料、锂电池、其它仪器设备，都得到了验证。
我们已掌握了深海的各种资料和数据，我们有实力、有把握做水深超过万米的事情！
我的报告就做到这里，谢谢大家！
【讨论与交流】
滕吉文：王元博士给我们做了一个有关深海探索的报告，让我们了解了海洋的深部情况和我们国家在深海方面做的一些前沿的工作。我们有什么问题可以提一下。
桂文庄：海沟是怎么形成的。
王 元：太平洋板块向印度洋板块进行俯冲，太平洋板块已经俯冲下去了，形成这个马里亚纳海沟。
张玉云：这个海沟的长度和宽度是多少？
王 元：最窄处约有几公里。长度大约有30公里。我们的海底地震仪是隔10公里放置一个地震仪，在海沟最深的地方刚好放两个地震仪，估计海沟的长度最多30公里。
林邦佐：这个地方发生过地震吗？最大震级多少?
王 元：记录到最大的地震的震级是7.7级。
孙克忠：大约在1965年，我们国家使用地震方法监测美苏的核试验，为了获得低噪音的地震信号，选择放置地震仪的台基是个大问题。为了选台基，我们在甘肃、江西、黑龙江和北京地区，在大山里选择了许多地方，以便放置地震仪，我是参加者之一。我现在的问题是如何在海底选择理想的台基？
王 元：目前我们没有好的办法。记得有一次做试验，在海底放置了地震仪。我们的海底摄像机在海底拍摄到，有一台地震仪放在了珊瑚礁上了。我们现在是根据设计在海面投放海底地震仪，如果有记录不好的资料，就只能做参考了。目前，只有日本是投放机器人在海底操作，把检波器埋到海底，他们也只是在水深2000-3000多米的海底操作，而超过4000米，机器人的蓄电池能用多久，还有操作等都是大问题。
桂文庄：海底地震仪是如何回收的，怎么才能找到它？
王 元：我们以投放点为中心，在海面用气枪放炮，根据海底地震仪收到的直达波信号的到时，很快就确定了位置，再用声纳信号，可以让仪器浮到海面。
林邦佐：今天听了王博士的报告，很振奋。我从1964年开始，在老一辈的指导下，研制长周期地震仪。那时最大的难点是我们的簧片不过关，记录的波形经常出现零点漂移，就是记录的波形出现单方向的偏移。如今，我们的仪器过关了，而且能到万米海底测试，我非常高兴。我现在提的问题，放到海底的仪器是二分向还是三分向，记录的频段是多少？
王 元：仪器是三分向的。记录频段是这样的。如果记录人工地震，其频段是2秒—120赫兹；如果记录天热地震，其频段是30秒—50赫兹。
桂文庄：深海探测的难度不亚于航天。深海的条件恶劣、压力大、通讯不便、困难多，但宣传不多，不如航天宣传的多。
滕吉文：如果潜水艇是烧油的，它会有噪音，很容易监测到、进行定位和跟踪。如果是核潜艇，我们摸不着。监测起来很困难，我们能否利用海底的电磁仪、磁力仪和地震仪组合对潜艇进行定位和跟踪？我估计是能监测到，但关键是跟踪。
王 元：我真回答不了这个问题。
滕吉文：你在报告中提到利用主动源产生的能量使地震仪有记录信号，我认为还是用人工源比较恰当。现在都在使用“人工源”，而不是“主动源”。
孙克忠：你们把整个马里亚纳海沟都考察了吧，东太平洋去过吗？
王 元：在马里亚纳海沟的西面，有一部分属于关岛的海域，由美国控制，我们还不能直接进去探测。在东太平洋海域，我们还没有去探测。
张玉云：在2010年前后，我一直参加咱们所的海底地震仪的研制工作。咱们与日本的差距有多少？仅仅是浮球的材料吗？咱们载地震仪的浮球浮上来后，距你们的考察船有多大距离？
王 元：距考察船最远有二公里。浮上来后，因为小，再加上太阳光反射，一片亮光，发现起来太困难了。
闫亚芬：你们这次的考察船载有多少人？科考人员有多少？
王 元：这个船最多能容纳60人，船员30人，科考人员30人。当科考任务忙时，他们也参加出考察的工作。
王广福：我从1963年开始就参加测量强地震的地震仪研制。那时是为了观测我国核爆炸引起的爆心区域的强振动，我也多次去核爆现场观测。记录的波形就是我们的成果。你们在万米深渊投放地震仪，有没有记录到的天然地震的波形，我想看看它们的震相是否清楚？
王 元：有。这次考察的分工，南海所负责主动源地震记录的处理，武汉岩土所负责被动源地震记录的处理，我们地质地球所负责海底地震仪。
王广福：在深渊的底部，是什么地质情况，是沙子还是泥？
王 元：我们的采样工作达到9000多米水深，在马里亚纳海沟的北坡采到的是泥，而在南坡采不到泥，我们采了六、七次，就是采不到泥。
张玉云：你们回收海底的仪器，只在白天吧?
王 元：我们在船上工作，不分白天黑夜，我们分四小时一班，共六个班。在2016年工作忙时，在三天多的时间内，我只睡了六、七个小时。
陈泮勤：你们下一步有什么计划？
王 元：我们现在已经拿到了万米深渊的许多样品，如水样、泥样、生物样、地球物理和地球化学的资料，最近又在海底发现了气体。也就是说，我们想研究万米深渊，我们有资料，我们研究万米深渊有发言权了。这所有的研究，就是为2020年实现带人潜器下潜做准备。
滕吉文：上世纪80年代，我们的老所长张文佑院士就提出，我们要上天、入地和下海的超前思维。对于海底地震仪的提出和研制，我们也有30多年的历史了。今天参加学术沙龙活动的徐礼国、张玉云等就参加过早期的研制，以后刘福田的团队继续研制。在实验中，没有浮到水面的仪器，也有。经过几代科学家的努力，我们的愿望实现了。今后，我们可以在万米深渊做大量的工作了。
【结论和建议】
万米深渊科考是我国多部门组合的一个很大的团队，我们单位的仪器得到了考验，也取得了巨大成绩，我们欢呼、我们自豪！但与陆地观测比较，还存在一些问题，如选择好的观测地基、提高仪器的回收率、在海底的地震仪能持续观测多长时间等等。也就是说，今后我们还有许多工作要做。但我们更要宣传，宣传我们的成绩，也宣传我们的国家的进步！
