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    马里亚纳万米海沟迎来中国科考神器

    日期 2017-05-15   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    ▲ “海翼”号7000米水下滑翔机布放中。 (资料图片)

    万米级海底地震仪在马里亚纳海沟布放中。 (资料图片)

    ▼ “探索一号”科考船停靠在南海救助局三亚基地救助码头。(资料图片)

      万米海底深渊一直是吸引人类不断探索的秘地。继去年我国首次综合性万米深渊科考活动圆满完成之后,中科院深渊科考队今年再探马里亚纳海沟万米深渊,并于近期结束了TS-03航次,返航回到三亚。在长达68天、航行7929海里、执行了113项试验与科考任务的海上万米科考过程中,科考队曾连续遭遇恶劣海况的干扰,也多次经历了装备损失和试验失败。对万米深渊的第二次探访,中国人携带了哪些神兵利器?又破了哪些世界纪录?

      国产水下滑翔机

      6329米,刷新世界纪录

      本航次中,“海翼”号深海滑翔机在马里亚纳海沟挑战者深渊上完成了大深度下潜观测任务,并安全回收。其最大下潜深度达到了6329米,刷新了水下滑翔机最大下潜深度的世界纪录,为我国深渊科考提供了新的科考手段。此前,水下滑翔机最大下潜深度的世界纪录是6003米,由美国科学家创下。

      水下滑翔机是一种新型水下机器人,它通过调节自身浮力和姿态来实现在水中滑行,并收集水体信息,具有低功耗、高静音的特点,可以对特定海域实行高精度大范围的水体观测。

      “海翼”号水下滑翔机由中国科学院沈阳自动化所研制,具有完全自主知识产权,是新型水下观测平台。自原理样机的研发到深渊观测任务的圆满完成,“海翼”号已经历了13个年头,包含浅海、深海、深渊等不同型号的水下滑翔机20余台。

      此次,“海翼”号水下滑翔机搭载“探索一号TS03航次”,在马里亚纳海沟共完成了12个周期的观测任务。它累计工作87个小时,总航程超过130公里,最大下潜深度达到了6329米,是目前我国乃至世界上安全下潜深度最大的水下滑翔机。这证明了,“海翼”号水下滑翔机作为一种新型海洋智能设备,能够对现有深渊观测任务提供新的解决方案。这次试验的结果将有助于提升和改进“海翼”号的更大下潜深度。

      在此次观测任务中,“海翼”号水下滑翔机收集了大量高分辨率深渊区域水体信息,为海洋科学家研究该区域的水文特性提供了宝贵的资料。

      国产海底地震仪

      首获万米级海洋人工地震剖面

      本航次中的另一亮点,是我国自主研发的万米级海底地震仪。其在世界最深处——马里亚纳海沟挑战者深渊取得成功应用,标志着我国成为世界上继日本之后,第二个具有自主研发万米级海底地震仪能力的国家。借助地震仪,探索一号TS03-01航次在马里亚纳海沟挑战者深渊完成了两条万米级人工地震剖面,标志着我国成为世界上首个成功获取万米级海洋人工地震剖面的国家。

      海底地震仪(OBS)是一种海洋地球物理仪器,是海洋地球科学探测的重要设备,既可以用于天然地震观测,也可以用于主动源人工地震探测。它通过记录海底地震波动信号,对海底地层开展地震波成像,为认识海底地球内部结构提供依据。

      本航次一显身手的万米级海底地震仪,由中国科学院地质与地球物理研究所经过近20年持续努力,坚持自主创新研发而成。借助其完成的两条万米级人工地震剖面,剖面设计长度600公里,实际作业长度669公里,投放了三种类型的海底地震仪共60台。其中,第一条剖面投放海底地震仪40台,成功回收38台,最大回收深度10027米;第二条剖面投放了海底地震仪20台,成功回收18台,最大回收深度10026米。所有回收的仪器数据记录完整,数据质量较好。

      与此同时,本航次还成功回收了2016年8月份探索一号投放在马里亚纳海沟的两台长周期被动源海底地震仪,最大深度6444米,获得了该地区近半年的天然地震和微动数据,为该区海底地壳速度结构成像研究、近震参数研究提供了宝贵的资料。另外,本航次在该地区成功投放5台长周期被动源海底地震仪,计划半年后回收。

      这些数据对于开展地球最深点马里亚纳海沟俯冲带结构研究有着非常关键的意义。这一工作的成功也标志着我国在大深度海底地震探测技术领域步入国际先进水平。

      紫外拉曼光谱仪

      7449米寻宝奇兵首次下海

      本航次使用原位实验号、万泉号、天涯号深渊着陆器对我国自主研发的一系列深海装备开展了成功的试验和实际应用,其中就包括世界首次获得成功应用的深海寻宝奇兵——7000米级紫外激光拉曼光谱仪。

      该光谱仪是国际上首次用于深海探测的紫外激光拉曼光谱仪,也创造了拉曼光谱仪最高深海探测纪录:7449米。

      由于拉曼光谱技术可对处于海水条件下的物质作原位、准确的测定,深海拉曼光谱仪器一直是深海资源探测领域的研发重点,国内外许多研究团队都投入了大量资源。但是,这种仪器用于海洋研究时,会出现严重的荧光干扰。

      早在1998年,中国科学院大连化学物理研究所李灿团队就研制了国内第一台具有自主知识产权的紫外拉曼光谱仪。此后的一系列研究表明,紫外拉曼光谱可以大大提高拉曼信号的检测灵敏度,避开荧光的干扰,并且在高温高压水相体系的研究中显示出巨大优势。

      在此基础上,将紫外拉曼光谱技术引入到深海海底用于探测,是目前世界上未见报道的尝试。这不仅具有科学意义,在高端仪器研制方面更是一种创举。

      但相关仪器的研制还面临两大难题:激发光越到紫外区对于光栅分光要求越高,所需光谱仪尺寸就越大,但深海探测要求所带仪器越小越好,研发团队需要将紫外拉曼光谱仪的分光系统缩小到一个笔记本大小;另外,在深海条件下,光谱仪面临高压(约700个大气压)和频繁着陆冲击等极端条件,对光谱仪性能提出了苛刻要求。

      对此,李灿院士团队采用折叠反射镜、光纤软连接以及同轴反射镜等一系列技术,历经3年攻关,研发成功满足深海极端条件应用的紫外拉曼光谱仪器,并与三亚深海所工程人员完成了光谱仪应用的工程化。

      “此次海试验证成功,表明我国从此可以对全世界99%以上海域实行分子光谱探测,为我国深海矿藏和能源资源的开发、海洋科学研究提供利器。”范峰滔说。

      探查深海大取样

      8152米发现鱼类生存最大深度

      在本航次中刷新世界纪录的,不仅有各类“下海”的神兵利器,还有它们取回的各种样品、数据和视频资料。

      我国研发的深海摄像机在挑战者深渊8152米深度处,记录了狮子鱼的活动,这是目前国际上发现的鱼类生存最大深度。在雅浦海沟7884米深度,科考队还获取了一尾深海狮子鱼样品,这是国际上在雅浦海沟首次发现狮子鱼,也是目前我国在深海获取的鱼类样品最大深度。

      本航次还使用自主研发的4型装备,20次进入挑战者深渊大于10800米的海底,最深达到10911米,累计着底作业时间长达230多小时。这些成功的下潜帮助我国在世界的最深处附近获得了1200多升水样、120升经过原位化学实验培养的水样、330多个海底大生物样品、近4升海底沉积物样品、12小时高清视频和40小时的标清视频资料,并在海底通过对1250升海水的自动过虑富集和固定,获得大量微生物样本。其中,所获得的近2800毫升保压气密水样,是国际上首次在万米深度获得的保压气密水样。

      此外,在去年探索一号深渊科考取得7千米级海底沉积物长柱状样品基础上,科考队在8638米和9373米深度处,分别获取了3.61米和2.16米长的海底沉积物柱状样品。这些样品对研究海斗深渊的沉积环境和历史、微生物的活动和分布具有重要价值,也刷新了国际上深海长柱状地质取样的深度纪录。

      再探万米深渊,屡破世界纪录。中国人以出色的表现证实:万米海斗深渊不再是中国科学家的禁区,中国科学家有能力在这一世界前沿科学领域开创性地开展科研工作,为人类科技进步作出应有贡献。




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