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(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(kuò)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(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(qiáng)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(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(qiáng)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(jī)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(tuán)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(qiáng)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(jìn)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(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(jì)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(jìn)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(tuán)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(jī)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(jī)、“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(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(tuán)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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