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    馬里亞納萬米海溝迎來中國科考神器

    時間:2017-05-24 來源:國家基金委 點擊:


    ▲ “海翼”號7000米水下滑翔機布放中。 (資料圖片)

    萬米級海底地震儀在馬里亞納海溝布放中。 (資料圖片)

    ▼ “探索一號”科考船?吭谀虾>戎秩齺喕鼐戎a頭。(資料圖片)

      萬米海底深淵一直是吸引人類不斷探索的秘地。繼去年我國首次綜合性萬米深淵科考活動圓滿完成之后,中科院深淵科考隊今年再探馬里亞納海溝萬米深淵,并于近期結束了TS-03航次,返航回到三亞。在長達68天、航行7929海里、執行了113項試驗與科考任務的海上萬米科考過程中,科考隊曾連續遭遇惡劣海況的干擾,也多次經歷了裝備損失和試驗失敗。對萬米深淵的第二次探訪,中國人攜帶了哪些神兵利器?又破了哪些世界紀錄?

      國產水下滑翔機

      6329米,刷新世界紀錄

      本航次中,“海翼”號深;铏C在馬里亞納海溝挑戰者深淵上完成了大深度下潛觀測任務,并安全回收。其最大下潛深度達到了6329米,刷新了水下滑翔機最大下潛深度的世界紀錄,為我國深淵科考提供了新的科考手段。此前,水下滑翔機最大下潛深度的世界紀錄是6003米,由美國科學家創下。

      水下滑翔機是一種新型水下機器人,它通過調節自身浮力和姿態來實現在水中滑行,并收集水體信息,具有低功耗、高靜音的特點,可以對特定海域實行高精度大范圍的水體觀測。

      “海翼”號水下滑翔機由中國科學院沈陽自動化所研制,具有完全自主知識產權,是新型水下觀測平臺。自原理樣機的研發到深淵觀測任務的圓滿完成,“海翼”號已經歷了13個年頭,包含淺海、深海、深淵等不同型號的水下滑翔機20余臺。

      此次,“海翼”號水下滑翔機搭載“探索一號TS03航次”,在馬里亞納海溝共完成了12個周期的觀測任務。它累計工作87個小時,總航程超過130公里,最大下潛深度達到了6329米,是目前我國乃至世界上安全下潛深度最大的水下滑翔機。這證明了,“海翼”號水下滑翔機作為一種新型海洋智能設備,能夠對現有深淵觀測任務提供新的解決方案。這次試驗的結果將有助于提升和改進“海翼”號的更大下潛深度。

      在此次觀測任務中,“海翼”號水下滑翔機收集了大量高分辨率深淵區域水體信息,為海洋科學家研究該區域的水文特性提供了寶貴的資料。

      國產海底地震儀

      首獲萬米級海洋人工地震剖面

      本航次中的另一亮點,是我國自主研發的萬米級海底地震儀。其在世界最深處——馬里亞納海溝挑戰者深淵取得成功應用,標志著我國成為世界上繼日本之后,第二個具有自主研發萬米級海底地震儀能力的國家。借助地震儀,探索一號TS03-01航次在馬里亞納海溝挑戰者深淵完成了兩條萬米級人工地震剖面,標志著我國成為世界上首個成功獲取萬米級海洋人工地震剖面的國家。

      海底地震儀(OBS)是一種海洋地球物理儀器,是海洋地球科學探測的重要設備,既可以用于天然地震觀測,也可以用于主動源人工地震探測。它通過記錄海底地震波動信號,對海底地層開展地震波成像,為認識海底地球內部結構提供依據。

      本航次一顯身手的萬米級海底地震儀,由中國科學院地質與地球物理研究所經過近20年持續努力,堅持自主創新研發而成。借助其完成的兩條萬米級人工地震剖面,剖面設計長度600公里,實際作業長度669公里,投放了三種類型的海底地震儀共60臺。其中,第一條剖面投放海底地震儀40臺,成功回收38臺,最大回收深度10027米;第二條剖面投放了海底地震儀20臺,成功回收18臺,最大回收深度10026米。所有回收的儀器數據記錄完整,數據質量較好。

      與此同時,本航次還成功回收了2016年8月份探索一號投放在馬里亞納海溝的兩臺長周期被動源海底地震儀,最大深度6444米,獲得了該地區近半年的天然地震和微動數據,為該區海底地殼速度結構成像研究、近震參數研究提供了寶貴的資料。另外,本航次在該地區成功投放5臺長周期被動源海底地震儀,計劃半年后回收。

      這些數據對于開展地球最深點馬里亞納海溝俯沖帶結構研究有著非常關鍵的意義。這一工作的成功也標志著我國在大深度海底地震探測技術領域步入國際先進水平。

      紫外拉曼光譜儀

      7449米尋寶奇兵首次下海

      本航次使用原位實驗號、萬泉號、天涯號深淵著陸器對我國自主研發的一系列深海裝備開展了成功的試驗和實際應用,其中就包括世界首次獲得成功應用的深海尋寶奇兵——7000米級紫外激光拉曼光譜儀。

      該光譜儀是國際上首次用于深海探測的紫外激光拉曼光譜儀,也創造了拉曼光譜儀最高深海探測紀錄:7449米。

      由于拉曼光譜技術可對處于海水條件下的物質作原位、準確的測定,深海拉曼光譜儀器一直是深海資源探測領域的研發重點,國內外許多研究團隊都投入了大量資源。但是,這種儀器用于海洋研究時,會出現嚴重的熒光干擾。

      早在1998年,中國科學院大連化學物理研究所李燦團隊就研制了國內第一臺具有自主知識產權的紫外拉曼光譜儀。此后的一系列研究表明,紫外拉曼光譜可以大大提高拉曼信號的檢測靈敏度,避開熒光的干擾,并且在高溫高壓水相體系的研究中顯示出巨大優勢。

      在此基礎上,將紫外拉曼光譜技術引入到深海海底用于探測,是目前世界上未見報道的嘗試。這不僅具有科學意義,在高端儀器研制方面更是一種創舉。

      但相關儀器的研制還面臨兩大難題:激發光越到紫外區對于光柵分光要求越高,所需光譜儀尺寸就越大,但深海探測要求所帶儀器越小越好,研發團隊需要將紫外拉曼光譜儀的分光系統縮小到一個筆記本大;另外,在深海條件下,光譜儀面臨高壓(約700個大氣壓)和頻繁著陸沖擊等極端條件,對光譜儀性能提出了苛刻要求。

      對此,李燦院士團隊采用折疊反射鏡、光纖軟連接以及同軸反射鏡等一系列技術,歷經3年攻關,研發成功滿足深海極端條件應用的紫外拉曼光譜儀器,并與三亞深海所工程人員完成了光譜儀應用的工程化。

      “此次海試驗證成功,表明我國從此可以對全世界99%以上海域實行分子光譜探測,為我國深海礦藏和能源資源的開發、海洋科學研究提供利器。”范峰滔說。

      探查深海大取樣

      8152米發現魚類生存最大深度

      在本航次中刷新世界紀錄的,不僅有各類“下海”的神兵利器,還有它們取回的各種樣品、數據和視頻資料。

      我國研發的深海攝像機在挑戰者深淵8152米深度處,記錄了獅子魚的活動,這是目前國際上發現的魚類生存最大深度。在雅浦海溝7884米深度,科考隊還獲取了一尾深海獅子魚樣品,這是國際上在雅浦海溝首次發現獅子魚,也是目前我國在深海獲取的魚類樣品最大深度。

      本航次還使用自主研發的4型裝備,20次進入挑戰者深淵大于10800米的海底,最深達到10911米,累計著底作業時間長達230多小時。這些成功的下潛幫助我國在世界的最深處附近獲得了1200多升水樣、120升經過原位化學實驗培養的水樣、330多個海底大生物樣品、近4升海底沉積物樣品、12小時高清視頻和40小時的標清視頻資料,并在海底通過對1250升海水的自動過慮富集和固定,獲得大量微生物樣本。其中,所獲得的近2800毫升保壓氣密水樣,是國際上首次在萬米深度獲得的保壓氣密水樣。

      此外,在去年探索一號深淵科考取得7千米級海底沉積物長柱狀樣品基礎上,科考隊在8638米和9373米深度處,分別獲取了3.61米和2.16米長的海底沉積物柱狀樣品。這些樣品對研究海斗深淵的沉積環境和歷史、微生物的活動和分布具有重要價值,也刷新了國際上深海長柱狀地質取樣的深度紀錄。

      再探萬米深淵,屢破世界紀錄。中國人以出色的表現證實:萬米海斗深淵不再是中國科學家的禁區,中國科學家有能力在這一世界前沿科學領域開創性地開展科研工作,為人類科技進步作出應有貢獻。

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