深海極端環(huán)境特征及其研究?jī)r(jià)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(chēng)“深海極端環(huán)境”）是由多因子共同塑造的一個(gè)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(lái)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(lài)和相互影響最為頻繁，最為活躍的地區(qū)。

深海探測(cè)技術(shù)。深海探測(cè)技術(shù)是針對(duì)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(kāi)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(cè)技術(shù)迅速發(fā)展。調(diào)查船、鉆探船、深海探測(cè)儀器、無(wú)人/載人/遙控深潛器、海底觀測(cè)網(wǎng)等相繼問(wèn)世，在深海極端環(huán)境、地震機(jī)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(jìn)展。1872—1876年，英國(guó)科學(xué)調(diào)查船“挑戰(zhàn)者”號(hào)劃時(shí)代的科學(xué)考察揭開(kāi)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(kuò)張與板塊學(xué)說(shuō)的提出，從深海鉆探計(jì)劃（DSDP）到大洋鉆探計(jì)劃（ODP）再到綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP）的實(shí)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(kāi)發(fā)等，都對(duì)科學(xué)和社會(huì)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(dá)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(wèn)題和“黑暗食物鏈”生命過(guò)程也成為當(dāng)前深海研究的焦點(diǎn)，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(duì)深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)的研究是繼20世紀(jì)末對(duì)熱液生態(tài)系統(tǒng)研究熱潮以來(lái)的又一個(gè)重要的領(lǐng)域。冷泉區(qū)生長(zhǎng)著管狀蠕蟲(chóng)、蛤類(lèi)、貽貝類(lèi)、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(lài)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(méi)有露出海平面的山。海山所處獨(dú)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(diǎn)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(guò)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(qiáng)成為泰勒柱、內(nèi)波等。這些物理過(guò)程對(duì)海山的生物過(guò)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(chēng)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(guó)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(kāi)啟了人類(lèi)探測(cè)海斗深淵的序幕。

深海極端環(huán)境探測(cè)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，對(duì)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(cè)與分析，尤其是對(duì)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(dòng)成因、演化過(guò)程，以及對(duì)周?chē)笱蟓h(huán)境影響的重要研究?jī)?nèi)容。由于科學(xué)目標(biāo)的牽引，深海熱液、冷泉流體的探測(cè)技術(shù)成為了深海探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)深海極端環(huán)境探測(cè)技術(shù)的不足

當(dāng)前，對(duì)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(cè)仍存在困難。先取樣后實(shí)驗(yàn)室分析的傳統(tǒng)探測(cè)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(huì)隨著溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)的改變而迅速逃逸，使得實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果遠(yuǎn)低于其真實(shí)濃度。即使是采用較為先進(jìn)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(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的干擾，無(wú)法獲取熱液、冷泉噴出流體中各組分的真實(shí)濃度，因而無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估熱液與冷泉系統(tǒng)流固界面跨圈層物質(zhì)能量交換對(duì)巖石圈演化和海洋深層環(huán)流等動(dòng)力過(guò)程的影響。

目前開(kāi)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(cè)的結(jié)果。周?chē)Ｋ畬?duì)保真流體的污染會(huì)造成流體中離子、氣體濃度探測(cè)結(jié)果的嚴(yán)重失準(zhǔn)。同時(shí)，由于水下潛器平臺(tái)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(duì)深海熱液、冷泉區(qū)噴發(fā)流體的探測(cè)效率。保壓流體取樣的探測(cè)必然經(jīng)過(guò)樣品前處理和實(shí)驗(yàn)室的各種測(cè)試流程，而在樣品處理和測(cè)試過(guò)程中避免光照，以及與空氣接觸是十分困難的。例如，對(duì)H₂S等強(qiáng)還原性氣體而言，在分樣固定處理過(guò)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(cè)定。因環(huán)境改變所帶來(lái)的測(cè)量誤差造成傳統(tǒng)保壓取樣方式探測(cè)的結(jié)果比熱液流體的原位探測(cè)濃度低了3—5倍。

國(guó)內(nèi)外深海極端環(huán)境探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外情況

深海原位探測(cè)裝置。針對(duì)傳統(tǒng)方式在深海熱液、冷泉系統(tǒng)釋放氣體探測(cè)中面臨的技術(shù)難題，國(guó)外多家機(jī)構(gòu)研發(fā)了針對(duì)深海溶解氣體的原位探測(cè)裝置。市場(chǎng)上已有商品化海洋化學(xué)傳感器，例如挪威Kongsberg集團(tuán)開(kāi)發(fā)的系列CO₂、CH₄傳感器。但是，此類(lèi)化學(xué)傳感器的高溫耐受性差（一般在40℃以下）、探測(cè)量程有限，同時(shí)對(duì)被測(cè)水體的環(huán)境要求較高，無(wú)法應(yīng)用到熱液噴口高溫、強(qiáng)腐蝕、復(fù)雜顆粒物的流體環(huán)境中，也無(wú)法應(yīng)用到冷泉噴口高CH₄濃度的流體環(huán)境中。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研發(fā)了用于探測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)。美國(guó)哈佛大學(xué)等利用原位質(zhì)譜分析儀對(duì)熱液流體進(jìn)行了定量探測(cè)，并利用原位數(shù)據(jù)研究了熱液區(qū)的微生物作用。美國(guó)蒙特雷灣水族館研究所率先將激光拉曼光譜測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到深海，于2004年研發(fā)出世界上第一臺(tái)可應(yīng)用于深海原位測(cè)量的激光拉曼光譜探測(cè)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(cè)量、甲烷水合物結(jié)構(gòu)、沉積物孔隙水等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究上取得了一系列進(jìn)展。德國(guó)柏林科技大學(xué)設(shè)計(jì)了一套可用于水下測(cè)量的表面增強(qiáng)激光拉曼光譜測(cè)量系統(tǒng)，并將其用于水中多環(huán)芳烴的探測(cè)。

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)、加拿大、日本等老牌海洋強(qiáng)國(guó)憑借在海洋領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，紛紛投入巨資構(gòu)建海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以期實(shí)現(xiàn)海底到海面全天候、長(zhǎng)期、連續(xù)、綜合、實(shí)時(shí)、原位觀測(cè)。加拿大組建了加拿大海底觀測(cè)網(wǎng)（ONC），美國(guó)啟動(dòng)海洋觀測(cè)網(wǎng)（OOI）建設(shè)，歐洲構(gòu)建了多學(xué)科海底及水體觀測(cè)系統(tǒng)（EMSO），日本建設(shè)了地震和海嘯海底觀測(cè)密集網(wǎng)絡(luò)（DONET）、DONET2、日本海溝海底地震海嘯觀測(cè)網(wǎng)（S-net）等海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

國(guó)內(nèi)情況

深海原位探測(cè)裝置。我國(guó)在“十一五”期間依托“863”計(jì)劃啟動(dòng)了深海原位激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。中國(guó)海洋大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套深海自容式激光拉曼光譜（DOCARS）探測(cè)系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了拉曼光譜插入式探針（RiP）測(cè)量系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)際上首臺(tái)以紫外激光作為激發(fā)光源的深海拉曼光譜儀，成功通過(guò)了在馬里亞納海溝進(jìn)行的7000m海試驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)間序列的海底原位觀測(cè)技術(shù)難題，中國(guó)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(zhǎng)期多通道拉曼光譜原位探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(zhǎng)期定點(diǎn)原位拉曼探測(cè)。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制了“天涯”“海角”及“萬(wàn)泉”3個(gè)型號(hào)的深淵著陸器，以及深海生態(tài)過(guò)程長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)“冷泉”號(hào)著陸器，突破了多傳感器同步觀測(cè)和長(zhǎng)期觀測(cè)能源分配優(yōu)化策略等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海斗深淵、冷泉等深海極端環(huán)境生物、化學(xué)過(guò)程的長(zhǎng)期定點(diǎn)原位觀測(cè)。中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所研制了深海原位實(shí)驗(yàn)室搭載有多套高性能傳感探測(cè)設(shè)備，包括深海微電子機(jī)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(shí)原位觀測(cè)數(shù)據(jù)。

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。“十一五”期間，在“863”計(jì)劃的資助下，同濟(jì)大學(xué)等高校開(kāi)展了海底長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究。“十二五”期間，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所聯(lián)合研制了“南海海底觀測(cè)實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”。2012年，在“863”計(jì)劃的支持下，由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所牽頭，正式啟動(dòng)了“海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)”建設(shè)，分別在我國(guó)南海和東海建設(shè)海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

水下運(yùn)載平臺(tái)。“工欲善其事，必先利其器”，缺乏可進(jìn)行深海科考的水下運(yùn)載平臺(tái)一直是限制我國(guó)深海探測(cè)與資源開(kāi)發(fā)的重要原因。在“863”計(jì)劃的支持下，中船重工集團(tuán)公司七〇二所、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位聯(lián)合攻關(guān)，開(kāi)始了7000m級(jí)載人潛水器（“蛟龍”號(hào)）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(guó)載人深潛紀(jì)錄。“十二五”期間，我國(guó)又啟動(dòng)了“深海勇士”號(hào)的研制。“十三五”期間，啟動(dòng)了“奮斗者”號(hào)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(hào)成功下潛10909m，創(chuàng)造了我國(guó)載人深潛的新紀(jì)錄^[18]。除載人潛水器外，國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了水下無(wú)人運(yùn)載平臺(tái)的研制工作，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制了“海翼”水下滑翔機(jī)、“潛龍”系列和“探索”系列深海自主無(wú)人潛水器、“海星”系列遙控?zé)o人潛水器、“海斗一號(hào)”全海深無(wú)人潛水器等一系列水下無(wú)人運(yùn)載平臺(tái)。上海交通大學(xué)研制了“海龍”系列遙控?zé)o人潛水器，中國(guó)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(cè)技術(shù)的需求及其發(fā)展趨勢(shì)

需求。深海極端環(huán)境的物理、化學(xué)、生物過(guò)程特殊，其原位探測(cè)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(cè)平臺(tái)建設(shè)，是一個(gè)科學(xué)與技術(shù)緊密結(jié)合的研究領(lǐng)域。正是因?yàn)樯詈O端環(huán)境的復(fù)雜性，獲取深海物理、化學(xué)、生物等過(guò)程的高精度數(shù)據(jù)依賴(lài)于研發(fā)適于深海極端環(huán)境的高靈敏度、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)序的聲、光、電、磁、熱原位探測(cè)或分析技術(shù)。

趨勢(shì)。國(guó)際上深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)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(cè)技術(shù)有助于獲取多學(xué)科、多尺度、立體化和長(zhǎng)時(shí)序的深海探測(cè)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(cè)裝備協(xié)同化作業(yè)，可以提高原位探測(cè)的效率，降低深海極端環(huán)境探測(cè)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(shí)別等人工智能技術(shù)與深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)相結(jié)合。

我國(guó)深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)發(fā)展對(duì)策

近些年，我國(guó)在深海極端環(huán)境原位觀測(cè)技術(shù)的研制上取得了相當(dāng)亮眼的成果，得到了國(guó)際同行的高度認(rèn)可。目前，我國(guó)已形成了深海極端環(huán)境短時(shí)原位探測(cè)與長(zhǎng)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的新局面，已初步滿(mǎn)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(duì)象化學(xué)場(chǎng)參數(shù)和開(kāi)展深海極端環(huán)境原位實(shí)驗(yàn)的需要；但深海極端環(huán)境原位探測(cè)技術(shù)研究仍處于起步階段，仍有很多技術(shù)問(wèn)題制約該領(lǐng)域的發(fā)展。深海原位觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域需要解決的技術(shù)問(wèn)題主要有3個(gè)：①測(cè)量參數(shù)少、測(cè)量效率較低；②測(cè)量精度差、測(cè)量量程較窄；③海底原位觀測(cè)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性較差。針對(duì)當(dāng)前國(guó)際深海領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，圍繞深海研究的特點(diǎn)，補(bǔ)齊我國(guó)在深海極端環(huán)境原位探測(cè)領(lǐng)域的短板，才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)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(diǎn)建議。

提高深海研究支撐平臺(tái)能力。提高遙控?zé)o人潛水器、載人潛水器、自主無(wú)人潛水器等水下運(yùn)載平臺(tái)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(lèi)型，改善深海運(yùn)載平臺(tái)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(yùn)行管理水平，豐富深海極端環(huán)境模擬場(chǎng)景，從深海極端環(huán)境研究科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，做到深海原位探測(cè)與室內(nèi)模擬的緊密結(jié)合。

加快推進(jìn)深海長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。新型深海裝備與技術(shù)是推動(dòng)深海研究突破的重要?jiǎng)恿Γ_(kāi)展海底長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)是未來(lái)深海科學(xué)發(fā)展的一大趨勢(shì)。因此，當(dāng)前應(yīng)加快推進(jìn)深海移動(dòng)工作站、深海空間站、深海實(shí)驗(yàn)室等新一代海洋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，以及深海空間站配套保障船和水下運(yùn)載器的研發(fā)，加強(qiáng)基于深海實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展長(zhǎng)期原位探測(cè)和深海原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系建設(shè)。

提升深海原位探測(cè)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(duì)于部分檢測(cè)物的檢出限仍然較高，同時(shí)對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)性仍然不夠。未來(lái)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(cè)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(tái)的工作時(shí)長(zhǎng)和穩(wěn)定性。

優(yōu)化資源配置模式和管理體制。加強(qiáng)海洋相關(guān)的科學(xué)研究單位與傳統(tǒng)運(yùn)載平臺(tái)和觀測(cè)設(shè)備研制單位間合作，針對(duì)深海極端環(huán)境觀測(cè)場(chǎng)景和科學(xué)問(wèn)題，研制特殊功能的搭載平臺(tái)和原位探測(cè)設(shè)備，提高技術(shù)體系研發(fā)效率；鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)海底原位觀測(cè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展國(guó)際合作，共同開(kāi)發(fā)深海原位觀測(cè)設(shè)備和觀測(cè)技術(shù)，提升我國(guó)在深海原位觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際影響力，引領(lǐng)國(guó)際深海極端環(huán)境科學(xué)研究的發(fā)展。

（作者：張?chǎng)巍⒗钸B福，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所；李超倫，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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