自主研發(fā)“神兵利器”，青島這一科研項目讓“深海探寶”常態(tài)化

青島日報社／觀海新聞5月27日訊 近日，青島市政府印發(fā)《關(guān)于2023年度青島市科學(xué)技術(shù)獎勵的決定》，由自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所（以下簡稱“青島海地所”）聯(lián)合中國海洋大學(xué)、青島森科特智能儀器有限公司等單位共同完成的“深海極端環(huán)境光學(xué)探測技術(shù)體系構(gòu)建與應(yīng)用”項目，榮獲青島市科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎。

“專家組認(rèn)為，該項目創(chuàng)新性強，成果整體達到國際先進水平，部分達到國際領(lǐng)先水平?！痹擁椖康谝煌瓿扇?、青島海地所天然氣水合物地質(zhì)研究室副主任孫治雷表示，該項目自主研制的系列光學(xué)水下探測傳感設(shè)備，實現(xiàn)深海極端環(huán)境固、液、氣和地形地貌的探測與監(jiān)測設(shè)備的國產(chǎn)化替代，可廣泛應(yīng)用于我國深海極端環(huán)境礦產(chǎn)資源探測與評價、海上油氣平臺水下作業(yè)、海底管道巡檢等多個領(lǐng)域。

深海是人類對海洋認(rèn)識的薄弱區(qū)域，深海極端環(huán)境探測和研究是國際地球科學(xué)的前沿，也是國際競爭的焦點領(lǐng)域。作為承擔(dān)國家基礎(chǔ)性、公益性海洋地質(zhì)調(diào)查和戰(zhàn)略性海洋礦產(chǎn)資源勘查重任的科研機構(gòu)，坐落在青島藍谷核心區(qū)的青島海地所，瞄準(zhǔn)國家對海洋礦產(chǎn)資源能源以及深海探測的重大需求，持續(xù)開展核心技術(shù)攻關(guān)，研制了一系列深海礦產(chǎn)資源探測技術(shù)和裝備，實現(xiàn)了核心技術(shù)裝備的國產(chǎn)化替代，形成了一套深海極端環(huán)境探測技術(shù)體系，并實際應(yīng)用于海域天然氣水合物資源調(diào)查、海洋生態(tài)環(huán)境研究及深海冷泉、熱液活動探測等領(lǐng)域，成為中國科研挺進深藍的一支中堅力量。

尋找冷泉“寶藏”，站上深海探測科技前沿

幽靜深邃的深海（水深≥200m），占據(jù)全球超過80％的海洋面積，被稱為“地球最后的未知領(lǐng)域”，一直吸引著人類的探索欲望。

滄海桑田，理解海洋有助于理解陸地。正如我國著名海洋地質(zhì)學(xué)家汪品先院士所言：“一旦透過幾千米的水深看到了大洋的真面目，回過頭來人類將會更明白自己腳下大陸的真相?！?/p>

深海是資源的寶庫，蘊藏著豐富的能源，如石油、天然氣、天然氣水合物等，也存儲著巨量的礦產(chǎn)資源，如鐵錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼、熱液金屬硫化物、稀土資源等。但深海之迷人，遠(yuǎn)不止于此。

“我們曾經(jīng)以為‘萬物生長靠太陽’，太陽是地球獲得能量的幾乎唯一源泉。但在陽光無法抵達的深海中，漆黑一片，壓力巨大，溫度極低，但卻孕育著地球上最奇異的生命形態(tài)，它們是如何起源又是如何存續(xù)的？研究這些未解之謎，或許能給我們提供另一種關(guān)于生命起源的答案?！睂O治雷舉例說。

與陸地和沿海環(huán)境相比，深海包含許多“極端”，如平均深度為4200m，幾乎完全黑暗，平均溫度低于4℃，靜水壓力在20atm至近1100atm。由于缺乏太陽光，深海中形成了基于化學(xué)能的初級生產(chǎn)力，即化能自養(yǎng)合成生態(tài)系統(tǒng)，它支持熱液噴口、冷泉和其他生態(tài)系統(tǒng)的生命，如海床下的深部生物圈，也代表著一種寶貴的基因資源。這就顛覆了人類“萬物生長靠太陽”的認(rèn)知，為生命的起源與演化提供了更多的可能性。

那么，在茫茫深海之中，如何才能準(zhǔn)確、快速鎖定能源資源以及生命？海底冷泉提供了重要的“標(biāo)志”和“指引”。

冷泉是一種典型的深海極端環(huán)境。在海底沉積界面（海底沉積物與海水交界面）之下，富含甲烷等主要成分的流體以噴涌或滲漏的方式從海底溢出，就形成了深海冷泉。海底冷泉如同一片“深海綠洲”，既支撐了繁盛的極端生態(tài)系統(tǒng)，又孕育著豐富的天然氣水合物等資源，目前已經(jīng)成為地球科學(xué)與生命科學(xué)交叉研究的前沿領(lǐng)域，也是當(dāng)前全球深海探測的重要目標(biāo)。

歷經(jīng)十年潛心耕耘，青島海地所深?？辈閳F隊已在深海冷泉研究方面積累了堅實的基礎(chǔ)，成為國內(nèi)冷泉調(diào)查研究領(lǐng)域的一支重要力量。其中，孫治雷團隊先后承擔(dān)多項自然基金項目、國家水合物調(diào)查專項和海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查專項，累計組織23個航次調(diào)查，通過自主形成的“三合一”調(diào)查技術(shù)體系的高效應(yīng)用，在我國海域累計發(fā)現(xiàn)聲學(xué)氣泡羽流（這是存在深海冷泉的重要標(biāo)志）數(shù)量兩百余個，并率先通過ROV（無人遙控潛水器）和激光拉曼等先進裝備技術(shù)，在數(shù)萬平方公里的海域內(nèi)發(fā)現(xiàn)海底冷泉系統(tǒng)10余個，是我國迄今發(fā)現(xiàn)海底活動冷泉數(shù)量最多的團隊。

自研探?！袄鳌?，形成深海精細(xì)探測支撐體系

抵近幽暗神秘的海底世界，離不開高科技儀器和裝備的支持。它們?nèi)缤祟惙湃肷詈５摹把劬Α薄半p手”“鼻子”等感覺器官，幫助科研人員采集所需的影像、數(shù)據(jù)和樣品。

海洋學(xué)是一門觀測科學(xué)。隨著人類對深海的研究與探索，深海觀測技術(shù)逐漸得到全球廣泛關(guān)注，但我國在深海探測技術(shù)領(lǐng)域卻曾一度處于“望洋興嘆”的尷尬困境?；貞浧饒F隊剛開始從事深海探測的情景，孫治雷直言：“一把辛酸淚?！?/p>

2017年，他興致勃勃地組織了一個科考航次，攜帶一臺租來的ROV出海，首次嘗試使用機器人尋找海底冷泉?？扇f萬沒想到，原以為只需兩三天的海上工作量，最終竟用了40多天。

“這臺價值近兩千萬元的機器人，第一次入水，通信中斷了。第二次入水，液壓艙爆了，漏油。第三次入水，電瓶壞了。第四次入水，纜斷了，機器人沉到海底，失聯(lián)了?！睂O治雷介紹。雖然這臺ROV整體性能沒問題，但由于團隊對其核心技術(shù)不熟悉，缺乏現(xiàn)場操作和應(yīng)急經(jīng)驗，經(jīng)過幾番折騰，有同事受不了壓力，直接哭了起來。團隊不得不返回岸上，重新組織了航次，返回事發(fā)海域打撈了十幾天，最終把這臺ROV撈了上來。

值得慶幸的是，這臺ROV整體性能穩(wěn)定，經(jīng)過簡單維修后，又再次入海，很快就發(fā)現(xiàn)了大面積的冷泉宏生物和羽狀流，率先在目標(biāo)海域成功鎖定了多個深海冷泉系統(tǒng)，為這個曲折的航次畫上了圓滿句號。

“經(jīng)此一役，我們團隊被逼著迅速成長為水下機器人‘行家’，也堅信以后再也沒有什么困難能打敗我們了！”刻骨銘心地體驗了一番“裝備之痛”后，孫治雷下定決心走自主研發(fā)之路，因為只有真正了解深海探測的具體需求，才能研發(fā)出高效智能的儀器裝備。緊跟國家需求和海洋技術(shù)新趨勢，努力融合深海探測技術(shù)研發(fā)和基礎(chǔ)科學(xué)理論研究的具體需求，他帶領(lǐng)張喜林等團隊成員，展開了冷泉調(diào)查核心技術(shù)攻關(guān)，著手研發(fā)系列深海探測裝備。

幾年來，孫治雷先后主持承擔(dān)了多項國家和省部級科研創(chuàng)新專項，在海洋儀器裝備研發(fā)方面取得了引人注目的成效：聯(lián)合上海交通大學(xué)、山東大學(xué)等團隊，攻克了水下智能機器人多運動模式自主切換、特殊目標(biāo)智能識別等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)3000米級水下海底履帶式爬行機器人與足腿式仿生機器人，形成了專門應(yīng)用于深海礦產(chǎn)資源探測的智能機器人研發(fā)技術(shù)高地；聯(lián)合中國海洋大學(xué)郭金家教授團隊，攻克了傳感器核心器件、基礎(chǔ)材料等關(guān)鍵問題，研制了深海甲烷、二氧化碳傳感器和多光譜聯(lián)合探測系統(tǒng)，為深海極端環(huán)境探測提供了中國人自己的傳感裝備；在國家重點研發(fā)計劃課題的支持下，自主創(chuàng)新攻克了水下數(shù)據(jù)采集傳輸、多傳感器聯(lián)合工作等關(guān)鍵問題，創(chuàng)新形成了海底邊界層多點立體原位監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)，獲得了深海關(guān)鍵界面多參數(shù)、原位、實時、連續(xù)觀測能力。

截至目前，青島海地所已形成了多學(xué)科、跨尺度、一體化的深海精細(xì)探測與原位觀測技術(shù)和裝備體系，并在多個深海礦區(qū)開展了工程應(yīng)用，部分技術(shù)已拓展應(yīng)用于海洋牧場、海上風(fēng)電場等海洋經(jīng)濟活動中。張喜林等一批青年人才也脫穎而出，多次擔(dān)任深海探測航次的首席科學(xué)家，成為深海仿生機器人和傳感器研發(fā)方面的骨干力量。

集結(jié)頂尖力量，啟動中國海域冷泉深潛調(diào)查

共同的熱愛和使命，讓中國冷泉領(lǐng)域的海洋科技工作者們走到一起，立志干一番“大事業(yè)”。

2023年6月，青島海地所邀請上海海洋大學(xué)、中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所（以下簡稱“深海所”）、自然資源部第三海洋研究所（以下簡稱“海洋三所”）等3家單位的冷泉科技工作者相聚青島，舉行了一次深海冷泉科學(xué)學(xué)術(shù)研討會。這次會上，基于國家對于深海礦產(chǎn)資源的重大需求和地球科學(xué)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新的迫切需要，4家單位的冷泉科研人員一拍即合，決定聯(lián)合開展“中國海域冷泉深潛調(diào)查研究計劃”。

“青島海地所在未知海域冷泉探測和觀測方面具有先進技術(shù)和豐富經(jīng)驗，上海海洋大學(xué)在冷泉前沿基礎(chǔ)理論研究方面一直起著引領(lǐng)作用，而深海所擁有技術(shù)先進的“深海勇士”號載人潛水器，海洋三所在深海環(huán)境地質(zhì)樣品檢測方面優(yōu)勢顯著。各方優(yōu)勢互補，攜手向深海冷泉發(fā)起進軍！”孫治雷說。

該研究計劃的第一階段，是利用5年時間，使用水下潛器、高新傳感、測繪和取樣裝備，對我國海域的代表性冷泉及其伴生的礦產(chǎn)資源、基因資源等進行深入調(diào)查并開展系統(tǒng)研究，促進我國深海冷泉科學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展，支撐新一輪海洋領(lǐng)域的找礦突破戰(zhàn)略行動。

2023年12月，“中國海域冷泉深潛調(diào)查研究計劃”正式拉開帷幕。“探索二號”科考船進入我國南海北部海域，科研人員們乘著“深海勇士”號載人深潛器多次潛入海底，對“海馬”冷泉新區(qū)的活動冷泉進行了系統(tǒng)調(diào)查和取樣。

此次深潛任務(wù)中，青島海地所自主研發(fā)的水下高精度雙目相機，以及與中國海洋大學(xué)聯(lián)合研制的甲烷和二氧化碳傳感器，均成功投入使用，取得了寶貴的原位數(shù)據(jù)，進一步驗證了裝備的先進性。

“我們研發(fā)的3000米級水下雙目攝像機，是一種專為深海地質(zhì)調(diào)查設(shè)計的高耐壓水下攝像設(shè)備，滿電狀態(tài)下可獨立自主連續(xù)工作近6個小時，能夠獲得水下關(guān)鍵區(qū)域的高精度地形地貌特征和三維模型，為水下考古、水下工程等提供數(shù)據(jù)支持；我們自研的甲烷和二氧化碳傳感器，在深海極端環(huán)境中的響應(yīng)時間只需要幾秒鐘，而國外同類商業(yè)化傳感器的則需要3～5分鐘……”談起這些自主研發(fā)的“神兵利器”，孫治雷言辭間充滿了自豪。

近年來，隨著國家的重視程度加大和科研人員的不斷努力，我國在深海監(jiān)測設(shè)備、水下潛航器研發(fā)等領(lǐng)域迅速發(fā)展，海底觀測網(wǎng)技術(shù)和深海極端環(huán)境原位探測技術(shù)也取得了十足的進展，甚至在一些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車?！跋嘈磐ㄟ^一代又一代科研工作者的不懈努力，我國深?？茖W(xué)基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)裝備研發(fā)，都將躋身世界海洋科技舞臺中心，成為助推建設(shè)海洋強國的重要力量。”孫治雷說。（青島日報／觀海新聞記者 王濤 通訊員 辛世星 張喜林）