深海極端環(huán)境特征及其研究價值

深海環(huán)境。深海通常指水深大于1000m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(xué)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(dǎo)致海底地形、理化因子的劇烈變化。從地球系統(tǒng)科學(xué)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)。

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。自20世紀(jì)60年代至今，深海探測技術(shù)迅速發(fā)展。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)等相繼問世，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。1872—1876年，英國科學(xué)調(diào)查船“挑戰(zhàn)者”號劃時代的科學(xué)考察揭開了近代深海大洋調(diào)查研究的序幕。但直到近幾十年，深海研究才取得革命性的重大突破。如海底擴張與板塊學(xué)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，都對科學(xué)和社會的發(fā)展起到了重要的作用。

熱液。1977年，科學(xué)家在東太平洋加拉帕斯裂谷發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代熱液噴口，以及在溫度高達幾百度的熱液噴口處仍存活的大量生物群落（含細(xì)菌、古菌、真菌等），被認(rèn)為是20世紀(jì)后期最顯著的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。與其相關(guān)的資源、環(huán)境問題和“黑暗食物鏈”生命過程也成為當(dāng)前深海研究的焦點，并取得了一系列成果。

冷泉。冷泉即海底天然氣滲漏，它的主要成分包括水、碳?xì)浠衔铮淄楹褪停⒘蚧瘹涞然衔铮５桌淙臏囟扰c周邊海水溫度相近。對深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)的研究是繼20世紀(jì)末對熱液生態(tài)系統(tǒng)研究熱潮以來的又一個重要的領(lǐng)域。冷泉區(qū)生長著管狀蠕蟲、蛤類、貽貝類、海星、海膽、海蝦、珊瑚等生物。這些生物的體內(nèi)和體表存在大量的微生物，微生物與宿主之間具有高度相互依賴的共附生關(guān)系。冷泉生物具有多種特殊的功能基因和酶，是一種很有潛力的生物資源。

海山。海山是指從海的底部升高1000m且沒有露出海平面的山。海山所處獨特的物理化學(xué)環(huán)境，造就了其特殊的微生物多樣性，成為海洋微生物多樣性研究的熱點地區(qū)。海山具有顯著的地理構(gòu)造和明顯的洋流作用，并產(chǎn)生很多物理過程，包含流路變窄致使洋流加速、等溫線變形、渦的形成、底部變強成為泰勒柱、內(nèi)波等。這些物理過程對海山的生物過程具有一定的影響作用。

海斗深淵。海斗深淵是指海洋中水深大于6000m的深水區(qū)域，是海洋最深的區(qū)域，主要由深部海溝組成，也被稱為“超深淵”或“海溝”。海斗深淵大約占全球深海區(qū)域的1%—2%，但它們卻構(gòu)成了全球海洋深度范圍的45%，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中具有重大意義。1960年，瑞士物理學(xué)家雅克·皮卡德和美國海軍人員沃爾什，乘深海潛水船下潛到馬里亞納海溝的底部，開啟了人類探測海斗深淵的序幕。

深海極端環(huán)境探測技術(shù)及其發(fā)展趨勢

近年來，對深海熱液、冷泉等極端環(huán)境近海底區(qū)域的基礎(chǔ)物理化學(xué)環(huán)境的觀測與分析，尤其是對熱液、冷泉噴發(fā)流體的地球化學(xué)性質(zhì)的分析，成為揭示深海熱液與冷泉活動成因、演化過程，以及對周圍大洋環(huán)境影響的重要研究內(nèi)容。由于科學(xué)目標(biāo)的牽引，深海熱液、冷泉流體的探測技術(shù)成為了深海探測領(lǐng)域的研究熱點。

傳統(tǒng)深海極端環(huán)境探測技術(shù)的不足

當(dāng)前，對深海熱液、冷泉噴口區(qū)流體地球化學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)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(yuǎn)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，無法獲取熱液、冷泉噴出流體中各組分的真實濃度，因而無法準(zhǔn)確評估熱液與冷泉系統(tǒng)流固界面跨圈層物質(zhì)能量交換對巖石圈演化和海洋深層環(huán)流等動力過程的影響。

目前開展的絕大部分熱液、冷泉噴出流體中離子、溶解氣體濃度的研究是基于流體保壓取樣探測的結(jié)果。周圍海水對保真流體的污染會造成流體中離子、氣體濃度探測結(jié)果的嚴(yán)重失準(zhǔn)。同時，由于水下潛器平臺負(fù)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。保壓流體取樣的探測必然經(jīng)過樣品前處理和實驗室的各種測試流程，而在樣品處理和測試過程中避免光照，以及與空氣接觸是十分困難的。例如，對H₂S等強還原性氣體而言，在分樣固定處理過程中極易與空氣中的氧氣接觸而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響到噴口流體中H₂S氣體濃度的準(zhǔn)確測定。因環(huán)境改變所帶來的測量誤差造成傳統(tǒng)保壓取樣方式探測的結(jié)果比熱液流體的原位探測濃度低了3—5倍。

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

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。市場上已有商品化海洋化學(xué)傳感器，例如挪威Kongsberg集團開發(fā)的系列CO₂、CH₄傳感器。但是，此類化學(xué)傳感器的高溫耐受性差（一般在40℃以下）、探測量程有限，同時對被測水體的環(huán)境要求較高，無法應(yīng)用到熱液噴口高溫、強腐蝕、復(fù)雜顆粒物的流體環(huán)境中，也無法應(yīng)用到冷泉噴口高CH₄濃度的流體環(huán)境中。美國明尼蘇達大學(xué)研發(fā)了用于探測高溫?zé)嵋簢娍诹黧wH₂S濃度、H₂濃度、pH等參數(shù)的電化學(xué)傳感器，獲得了洋中脊和胡安·德富卡板塊熱液區(qū)高溫?zé)嵋毫黧w的原位探測數(shù)據(jù)。美國哈佛大學(xué)等利用原位質(zhì)譜分析儀對熱液流體進行了定量探測，并利用原位數(shù)據(jù)研究了熱液區(qū)的微生物作用。美國蒙特雷灣水族館研究所率先將激光拉曼光譜測量技術(shù)應(yīng)用到深海，于2004年研發(fā)出世界上第一臺可應(yīng)用于深海原位測量的激光拉曼光譜探測系統(tǒng)——深海原位激光拉曼光譜儀（DORISS），并在海洋酸化、氣體溶解速率測量、甲烷水合物結(jié)構(gòu)、沉積物孔隙水等關(guān)鍵科學(xué)問題研究上取得了一系列進展。德國柏林科技大學(xué)設(shè)計了一套可用于水下測量的表面增強激光拉曼光譜測量系統(tǒng)，并將其用于水中多環(huán)芳烴的探測。

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)，以期實現(xiàn)海底到海面全天候、長期、連續(xù)、綜合、實時、原位觀測。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(xué)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）、DONET2、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

深海原位探測裝置。我國在“十一五”期間依托“863”計劃啟動了深海原位激光拉曼光譜探測系統(tǒng)的開發(fā)工作。中國海洋大學(xué)團隊研發(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(xué)院海洋研究所團隊開發(fā)了拉曼光譜插入式探針（RiP）測量系統(tǒng)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所團隊研發(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7000m海試驗證，創(chuàng)造了原位拉曼光譜的最大工作水深記錄。為解決深、遠(yuǎn)海長時間序列的海底原位觀測技術(shù)難題，中國科學(xué)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)，實現(xiàn)了對冷泉生物群落、天然氣水合物、還原性沉積物、自生碳酸鹽巖等不同位置的長期定點原位拉曼探測。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了“天涯”“海角”及“萬泉”3個型號的深淵著陸器，以及深海生態(tài)過程長期定點觀測系統(tǒng)“冷泉”號著陸器，突破了多傳感器同步觀測和長期觀測能源分配優(yōu)化策略等技術(shù)，實現(xiàn)了對海斗深淵、冷泉等深海極端環(huán)境生物、化學(xué)過程的長期定點原位觀測。中國科學(xué)院深海科學(xué)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，于2022年5月成功完成了海試任務(wù)，并獲取了南海冷泉生態(tài)系統(tǒng)流體組分、微生物群落等的72小時原位觀測數(shù)據(jù)。

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(xué)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。“十二五”期間，中國科學(xué)院南海海洋研究所、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國科學(xué)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(xué)院聲學(xué)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)。

水下運載平臺。“工欲善其事，必先利其器”，缺乏可進行深海科考的水下運載平臺一直是限制我國深海探測與資源開發(fā)的重要原因。在“863”計劃的支持下，中船重工集團公司七〇二所、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所和中國科學(xué)院沈陽自動化研究所等單位聯(lián)合攻關(guān)，開始了7000m級載人潛水器（“蛟龍”號）的研制工作。2012年，“蛟龍?zhí)枴痹隈R里亞納海溝創(chuàng)造了7062m的中國載人深潛紀(jì)錄。“十二五”期間，我國又啟動了“深海勇士”號的研制。“十三五”期間，啟動了“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。2020年，“奮斗者”號成功下潛10909m，創(chuàng)造了我國載人深潛的新紀(jì)錄^[18]。除載人潛水器外，國內(nèi)多家科研機構(gòu)開展了水下無人運載平臺的研制工作，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了“海翼”水下滑翔機、“潛龍”系列和“探索”系列深海自主無人潛水器、“海星”系列遙控?zé)o人潛水器、“海斗一號”全海深無人潛水器等一系列水下無人運載平臺。上海交通大學(xué)研制了“海龍”系列遙控?zé)o人潛水器，中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局研制了“海馬”遙控?zé)o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

需求。深海極端環(huán)境的物理、化學(xué)、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(xué)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(fù)雜性，獲取深海物理、化學(xué)、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)。

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(xué)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(xué)習(xí)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。

我國深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)發(fā)展對策

近些年，我國在深海極端環(huán)境原位觀測技術(shù)的研制上取得了相當(dāng)亮眼的成果，得到了國際同行的高度認(rèn)可。目前，我國已形成了深海極端環(huán)境短時原位探測與長時連續(xù)監(jiān)測相結(jié)合的新局面，已初步滿足獲取深海熱液、冷泉等極端環(huán)境水體、噴發(fā)流體、沉積物等研究對象化學(xué)場參數(shù)和開展深海極端環(huán)境原位實驗的需要；但深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)研究仍處于起步階段，仍有很多技術(shù)問題制約該領(lǐng)域的發(fā)展。深海原位觀測技術(shù)領(lǐng)域需要解決的技術(shù)問題主要有3個：①測量參數(shù)少、測量效率較低；②測量精度差、測量量程較窄；③海底原位觀測設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性較差。針對當(dāng)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(xué)研究領(lǐng)域占得一席之地。本文具體提出以下4點建議。

提高深海研究支撐平臺能力。提高遙控?zé)o人潛水器、載人潛水器、自主無人潛水器等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，提高其運行管理水平，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(xué)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。

加快推進深海長期實驗平臺建設(shè)。新型深海裝備與技術(shù)是推動深海研究突破的重要動力，開展海底長期實驗是未來深海科學(xué)發(fā)展的一大趨勢。因此，當(dāng)前應(yīng)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)。

提升深海原位探測裝置性能。當(dāng)前的深海原位拉曼光譜儀、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀、質(zhì)譜儀等設(shè)備取得了較好的科學(xué)應(yīng)用，但其對于部分檢測物的檢出限仍然較高，同時對極端環(huán)境的適應(yīng)性仍然不夠。未來應(yīng)從設(shè)備的性能指標(biāo)出發(fā)，著重提高設(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。

優(yōu)化資源配置模式和管理體制。加強海洋相關(guān)的科學(xué)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，針對深海極端環(huán)境觀測場景和科學(xué)問題，研制特殊功能的搭載平臺和原位探測設(shè)備，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，共同開發(fā)深海原位觀測設(shè)備和觀測技術(shù)，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(xué)研究的發(fā)展。

（作者：張鑫、李連福，中國科學(xué)院海洋研究所；李超倫，中國科學(xué)院南海海洋研究所。《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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