浅谈我国的深海探测技术

浅谈我国的深海探测技术
2015年3月17日，搭载着“蛟龙”号的“向阳红09”船缓缓停靠国家深海基地码头，意味着我国成为继俄罗斯、美国、法国和日本之后，世界上第五个拥有深海技术支撑基地的国家。

它将为我国科学家自主开展深海热液环境下的生物、海洋地质等多学科综合研究提供支撑，为我国科学家引领国际超慢速扩张洋中脊深海极端环境研究提供了可能。

在专业人士眼里，海平面1000米以下才能叫深海。

数千米的深海海底是地球上最宁静而神秘的地方，那里生存着古老的原核生物。

然而，好奇心并不是海洋科学家探索深海的唯一原因，要知道，那里还蕴藏着丰富的资源，它们对人类未来的生存意义非凡。

下面我们就来具体谈谈我国深海探测的话题。

一、深海探测的科学意义
海面1000米之下就属于深海，阳光无法到达那里，人们熟知的光合作用无法在深海海底进行。

然而科学家早已发现，深海海底并非一片死寂。

20世纪70年代，随着海底热液和热液生物群的发现，科学家们意识到，“万物生长靠太阳”总的来说没错，但在海底，地球内部散发的热量或许替代了阳光，成为海底“黑暗生物圈”的能量之源。

在黑暗的海底，无论是肉眼可以看到的鱼虾蟹贝，还是数量庞大的微生物，都依靠来自地球深处的能量和物质，通过自身的化学作用制造有机质，并形成了海底的“黑暗食物链”。

科学家们还发现，海洋中的大型生物只占约10%，其他的90%都是微生物，在深海海底，微生物占的比例还要大。

在海底深处的沉积层甚至大洋地壳中都有微生物的存在。

这个生活在海水超高压强下的地球最大生态系统，人类对其还是知之甚少。

谈到能源，人们立即想到的是能燃烧的煤、石油或天然气，而很少想到晶莹剔透的“冰”。

然而，自20世纪60年代以来，人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”。

这种“可燃冰”在地质上称之为天然气水合物，一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解，往往分布于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。

可燃冰被西方学者称为“21世纪能源”或“未来新能源”。

可燃冰是水和天然气在高压、低温条件下混合而成的一种固态物质，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，是公认的地球上尚未开发的最大新型能源。

迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中，已探明的“可燃冰”储量已相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上，其中海底可燃冰的储量够人类使用1000年。

二、我国的深海探测历程
对于拥有300多万平方公里“蓝色国土”的中国来讲，深海探测自然也具有相当的现实意义。

海洋深处存在着大量的矿产资源，也存在着极端环境下的生物，这些生物及其基因资源有巨大的科研和经济价值，是全球海洋科学家研究的热点。

更为重要的是，广阔的领海中蕴藏360多亿吨石油资源，其中大多分布在中深海地区。

多数在水深3000～4500m之间的我国南海海区，底部平坦犹如盆地，对科学家来说则是一个巨大的诱惑。

科学家们曾利用深海拖网，在这些山峰附近采集岩石样品，其中发现了火山岩，科学家由此推断，南海盆地存在着海底火山，这些山峰可能就是由于火山喷发生成的。

2012年，科学家们乘坐“东方红2号”科学考察船在南海中央海盆进行“南海深海过程演变”子课题的研究，黄岩—珍贝海山链的两侧布放了18台OBS最新一代海底地震仪，可以在深海海底采集地震数据，并能够自动回收或者定时浮出水面。

这些站位水深都超过了4000米，尽管因为天气原因未能全部回收成功，18台OBS中有11台回收成功。

巧合的是，未回收的7台OBS全是进口设备，但结果证明国产设备有惊喜，已经实现了对进口设备的赶超。

从分析结果看，发现南海区域一些海山存在‘激素异常’，这可能意味着某个地方的温度相对其他地方更高，或该地方
有一些残留的岩浆，抑或是它和周边的岩层结构有些差别。

还意外发现，地震记录和海洋活动之间存在很大的相关性。

事实上，此次OBS三维地震探测只是我国南海深部计划44个项目中的1个，该计划还首次运用了深拖磁测系统，对接近南海海底的地方进行高分辨率磁异常测量，以确定海盆扩张时间与过程。

值得一提的是，南海深部计划还把深海浅钻和载人深潜结合起来。

如2012年“蛟龙号”下潜至3000米深海的破裂火山口，发现多金属结核密集分布区，为研究深海火山形成后的沉积覆盖历史提供了新的线索。

在相对较浅的海底陆坡，“可燃冰”分解时会以“冷泉”的形式溢出，同时生成碳酸盐结壳或在海底形成泥火山。

南海海底蕴藏着丰富的天然气水合物，即俗称的“可燃冰”，“可燃冰”和“冷泉”有着密切的关系。

碳酸盐结壳和海底泥火山，就成为了解海底“可燃冰”矿体位置的一把钥匙。

目前，此类“冷泉”和泥火山在南海北部已经发现多处，科学家们亟待对这些天然气进行连续的原位精确观测和调查。

在南海海域建立海底观测网，进行长期原位的实时观测，将是未来南海海域深海科学研究的发展方向。

海底建立观测系统，把观测仪器放在海底，通过有线和无线网络向各个观测点供应能量、收集信息，就相当于把气象站、实验室搬进了海洋。

可以同时满足资源勘探、灾害监控、航海与军事研究以及国家海洋安全的多方面需求。

一旦建成，南海深部的
研究又将迈上一个台阶。

过去30年东、西半球两个最重大的油田发现均来自海洋，根据各种权威机构的数据显示，海洋石油资源将是未来原油产量增长的重要来源，全球50%以上的油气产量和储量将来自海洋。

特别是水深500米至1500米的深海油气勘探，已成为多数海洋油气经营者重要战略资产的组成部分，深水是未来世界能源的主要接替区。

据估计，全球天然气水合物资源量相当于煤、天然气、石油三者资源量总和的5倍。

“蛟龙”号在马里亚纳海沟的6次下潜作业发现了11种可能的新物种，其中第5次下潜至7062米释放诱饵后，鱼、虾、海参等蜂拥而至。

对海底冷泉和泥火山的近距离调查是“蛟龙”号的强项，对“可燃冰”的取样则是一个挑战，据了解，目前“蛟龙”号上还没有专门针对“可燃冰”的取样器材，只是未来需要改进的方向之一。

在我国海洋规划纲要中提到，深海探测已经被列入“十三五“规划的重点课题，以提高深海作业的综合技术能力为目标。

重点研究开发天然气水合物勘探开发技术、大洋金属矿产资源海底集输技术、现场高效提取技术和大型海洋工程技术。

其中，深海探测与深海作业技术是海洋技术发展的重点方向。

它也是开发我国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。

三、我国的深海探测技术
近20年来，中国在深水油气勘探、天然气水合物探查、大洋矿产资源勘查和深海运载技术研究开发领域取得若干重大进展、突破和新发现，在深海技术及其相关探测仪器装备方面取得一系列重要成果。

（一）深水油气勘探技术
在深水油气勘探方面已拥有首座深水半潜式钻井平台“中海油服先锋“号，作业水深750m，钻井深度7.5km，钻井设备具有全自动钻进功能。

2010年中海油又建成了第6代深水3km半潜式钻井平台“海洋石油981”号，最大作业水深3.05km，钻井深度可达1万m，几乎可以在全球所有深水区作业，最近在南海首次独立进行了深水油气勘探。

目前，中海油已掌握了300m水深的油气勘探开发成套技术体系，已具备了在1.5km水深条件下作业能力，并正积极向3km水深迈进。

自主研发的单船长电缆大容量震源地震和相应配套技术以及OBS海底地震探测技术，形成了一套深水海域油气地震勘探系列，并在深水海域中深层油气勘探中成功应用，继荔湾3-1后又发现深水流花34-2、流花29-1大气田。

这项技术获取的中、深层资料反射信息清晰、可靠。

单船实施的深部地震探测效果达到甚至超过以往双船探测效果。

中深层高
分辨率地震勘探技术、海上多波地震勘探设备和成像测井系列仪器达到国际先进水平、跻身世界前列，打破了国际技术垄断。

国家863计划“天然气水合物勘探开发关键技术”的科技攻关，取得了一批具有自主知识产权的创新性成果，包括：海底高频地震仪、多路OBS精密计时器及配套设备；热流原位探测技术（剑鱼Ⅰ型海底热流原位探测系统、飞鱼Ⅰ型微型温度测量仪和海底热流原位立体探测系统）；流体地球化学现场快速探测技术。

发现了南海北部陆坡神狐海域天然气水合物，并于2007年成功钻获“可燃冰”实物样品。

评价了资源潜力，预测资源量194亿m3，确定了东沙、神狐2个重点目标区，共圈定11个矿体，含矿区总面积22km2，矿层平均有效厚度为20m。

（二）大洋科考探测技术
目前，中国拥有大洋综合科考船“大洋一号”、“海洋六号”和极地科考船“雪龙”号，并配有各种先进的探测仪器、设备和装置。

从20世纪90年初开始了深海大洋和南、北极综合科学考察和大洋矿产资源、深海生物基因资源调查研究。

近15年来自主研制了一批海底探查新装备：如沉积物捕获器（浅水≤200m、深水≥3km）；水下拖曳式多道伽玛能谱仪；海底大地电磁探测系统；20m长岩心重力活塞取样器（水
深703m处，取获17.11m长柱状岩心，取心率达91.3%）；ST-6000深海拖曳观测系统（装有水下电视摄像、照相、测高仪等）。

水下DGPS高精度定位系统；6km水深高分辨率测深侧扫声呐系统，能够获得高分辨率的三维地形图和地貌图；深水声学拖曳系统；机载海洋激光荧光雷达系统；深海彩色数字摄像技术系统（作业水深6km）；6km海底有缆观测与采样系统—GHTVG-01型电视抓斗（作业水深4km，抓样面积为1.5m2，单次取样数量可达800kg以上）；电视多管沉积取样器（水深5km，采样管中沉积物长度为30～40cm），深海浅地层岩心取样机；深海底中深钻孔岩心取样机，在2011年“大洋一号”第22航次第1航段的东沙海域1740m海底成功获取岩心样品，并创下了15.7m的深孔纪录。

科学号海洋科考船由中国科学院海洋科学研究所订造，具有全球航行能力及全天候观测能力，是中国国内综合性能最先进的科考船。

科学号海洋科考船采用模块化设计，配备了海洋大气、水体、海底、深海极端环境和遥感信息现场验证等五大船载探测系统。

船上搭载无人缆控潜水器（rov）、深海拖曳探测系统、重力活塞取样器、电视抓斗、岩石钻机和万米温盐深仪等先进的深海探测和取样设备。

该船于2010年10月28日开工建造，2011年11月30日下水。

至2015年3月已航行逾5万海里，航次涉及南海成因演化、南海北
部冷泉区及冲绳海槽热液区生态系统调查、西太平洋地质、气候及海山环境调查等。

它的投入使用明显提升了中国海洋综合探测能力与研究水平，为开展远洋综合科学考察研究，提供强有力的能力支撑。

（三）深海运载技术
中国深潜运载技术的研发起步较晚，但近20年来发展较快，在ADS、ROV和AUV等多种深潜器研发方面取得了实质性进展和突破，已基本具备研制各种深潜器、水下机器人的能力。

在常压载人ADS方面，最早研制成功可下潜水深300m的QSZ-Ⅰ型潜水器。

在此基础上又研制成QSZ-Ⅱ。

它既可用作观察型载人潜水器，也可用作观测型ROV使用。

2002年正式启动研制首台自主集成的载人深潜器“蛟龙”号，于2010年7月在南海海域经36次下潜，由50、300、1000、3000M，直至第37次下潜到3759ｍ，创造了水下和海底作业9小时3分钟的纪录。

2011年7月，“蛟龙”号在东太平洋“中国多金属结核矿区”5次成功下潜深海，连续突破4027、5057、5180、5184、5188m水深记录。

5km海试成功，意味着“蛟龙”号可以到达全球超过70%的海底作业。

2012年6月，“蛟龙”号将赴太平洋马里亚纳海域冲击7km 设计最大水深纪录。

国际海洋界把海洋深处6500m以下的地区称为“深渊”，
日前，由上海海洋大学深渊科学技术研究中心研制的中国首台万米级无人潜水器和着陆器“彩虹鱼”号在南海成功完成4000米级海试。

“彩虹鱼”无人潜水器除了水下摄像机、水下灯和部分电缆进口外，布放与回收系统、中继站系统、光纤缆、水面控制系统实现100%国产化，潜水器本体系统国产化率达到95%。

根据计划，“彩虹鱼”在完成4000m级海试后，2016年7月，将开启海上丝绸之路首航之旅；8～9月，全海深无人潜水器和着陆器11000m马里亚纳海沟测试；2017年，开展从南极至北极的“极地深渊科考探索之旅”；2019年，全海深载人潜水器冲击11000m马里亚纳海沟的极限挑战，将实现人类历史上第一次科学家、企业家和潜航员三人同舱下潜至深渊极限。

在AUV方面，国家863计划从1990年起先后研制了1km 和6km样机。

1997年，中俄合作研制的“CR-01”水下机器人；2003年第2台6KM水下机器人（CR-02），经对太平洋进行多金属结核调查，取得十分满意的结果。

以混合推进技术为特征的新一代水下滑翔机成为国际研究新趋势，它集能耗小、成本低、航程大、运动可控、部署便捷等优点于一身，具备独立在水下全天候工作的能力，在海洋科学、海洋军事等领域发挥重要作用。

在我国近年来研制AUV的单位与机构正在不断涌现，中科院沈阳自动化研究所与中船重工业集团702所、哈尔滨
工程大学等合作研发出“探索者1号”AUV等机器人，之后与俄罗斯合作研发了CR系列机器人。

以哈尔滨工程大学为中心，主要研发军用智能机器人。

北京航空航天大学致力于仿生机器鱼的研究，为新推进器技术和新型结构的研究奠定了良好的基础。

天津大学自主研发的水下滑翔机“海燕”，日前在南海北部水深大于1500米海域通过测试，创造了中国水下滑翔机无故障航程最远、时间最长、剖面运动最多、工作深度最大等诸多纪录，突破国外技术封锁，“海燕”的负载能力为5千克，并通过扩展搭载声学、光学等专业仪器，成为海底的“变形金刚”，可在海洋观测和探测领域大显身手。

在ROV方面，自行研制的中型水下机器人（ROV）可在300M水深进行摄像、观测、测量等，具有作业时间长、范围广、安全性高、测量数据直观、事后处理和分析容易等与其他设备无法比拟的优势。

2003年7月，这台水下机器人在第2次北极科考进行了冰层厚度等一系列科考示范应用。

自主研发的3.5KM无人缆控潜水器（ROV），2011年在“大洋一号”第22航次第2航段中进行了2km水深海底作业，圆满完成了对南大西洋多金属新区的探测，成功采集了热液硫化物和生物样品，并同步拍摄了高清晰海底照片和作业全程视频图像。

此外，还研制出第１台混合型水下机器人（ARV）样机和水下滑翔机功能样机。

这标志着中国在大洋科考研究
装备技术达到国际先进水平，进入“机器人时代”。

当然，一大批民营的水下机器人公司也在瞄准着深海探测领域，如天津深之蓝海洋设备科技有限公司、天津海之星海洋科技发展有限公司、北京泰富坤科技有限公司、青岛赶海机器人有限公司、青岛罗博飞海洋技术有限公司等等，我国深海探测具备了后发优势，将突破国外的技术封锁，迎来新的一轮深海探测技术的创新与繁荣。

（四）大洋科考成果丰硕
在深海大洋领域，中国拥有的先进深海技术及仪器装备已跻身世界前列。

先后在东北太平洋CC区获得联合国海底管理委员会（ISA）批准一块7.5万km2的多金属结核优先开采矿区（1999年）。

至今，“大洋一号”、“海洋四号”和“海洋六号”在太平洋、大西洋和印度洋共进行了２３个航次调查，除对深海盆地的结核和海山的钴结壳进行调查评价外，还在三大洋洋脊两侧共发现海底热液和热液硫化物矿点共33多处，其中第22航次发现16个海底热液区。

该航次使用国产仪器设备综合锚系浮标观测系统、拖曳式资源综合探测系统及中深孔岩心取样机，从西太平洋某礁水下2550采到砾状结壳，从东太平洋海隆1647m水下获得了海底岩心，从南太平洋洋脊2562m采集了玄武岩，还使用抓斗从2901m 的海底抓到一块重达500kg以黄铁矿和闪锌矿为主的硫化物
样品。

2011年7月19日，国际海底管理局（ISA）批准了中国提出要求勘探国际海底区域的多金属硫化物矿的申请。

同年11月8日，中国大洋协会与ISA签署了为期15年的矿区勘探合同。

根据合同中国获得了一块位于西南印度洋洋脊，面积为1万km2具有专属勘探权和商业开采优先权的国际海底合同矿区。

（五）中国要建深海空间站
不久的将来，中国将建250吨级的，长度在22m,左右，宽度接近7m，高度在8m左右的深海空间站。

所谓深海空间站，就是在深海3000m的海底建立一座人可居住的生活环境。

深海空间站可以潜到水下1000米深处，甚至更深的地方，人员可以集中在那里，不受海洋表面台风和波浪的影响，进行比较稳定、长期的作业。

未来的深海空间站，不仅可以做到衣食无忧，而且洗澡、娱乐一应俱全。

神九和天宫一号对接的场景未来也将在深海出现，那是深潜器和深海空间站的对接。

中国深海空间站的“三步走”计划，目前第一步小型深海空间站试验艇的研制已经完成，北京科博会上首次亮相了小型深海空间站试验艇模型。

该试验艇现已研制并制造完成，工作潜深150m，生命支持时间72小时，总长13.1m，型宽
3.6m，型深3.0m，正常排水量38吨，乘载员6人。

该试验艇在完成水池功能试验和海上试验后，将成为小型浅海作业装备，用于水下科学考察与试验研究。

第二步小型深海移动工作站的研制正在进行中；第三步可以水下逗留60天的未来型深海空间站，则还在理论研究阶段。

未来深海空间站同样有一系列关键技术需要突破。

包括深海高压环境，对空间站体积结构都要远大于一般潜水器，其结构耐压程度，以及耐腐蚀技术要求很高；人和物资的往返补给，需要有穿梭式运载器能够方便往来；设备维修也需要有载人或无人作业潜水器实施，整体工程难度不亚于在太空建立的空间站。

如天际空间站是航天领域的核心技术一样，深海空间站代表了海洋领域的前沿核心技术，体现了一个国家的科技水平和经济实力。