深海極端環境特征及其研究價值

深海環境。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境之一，它具有物理上（如溫度、輻射、壓力等）和化學上（如鹽度、pH、氧含量等）的極端。深海環境（也稱“深海極端環境”）是由多因子共同塑造的一個統一系統，擁有深海平原、海山、熱液、冷泉及海斗深淵等特殊環境，導致海底地形、理化因子的劇烈變化。從地球系統科學的理念來看，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。

深海探測技術。深海探測技術是針對有關深海資源、構成物、現象與特征等資料和數據的采集、分析及顯示的技術，是深海開發前期工作的重要技術手段。自20世紀60年代至今，深海探測技術迅速發展。調查船、鉆探船、深海探測儀器、無人/載人/遙控深潛器、海底觀測網等相繼問世，在深海極端環境、地震機理、深海生物和礦產資源，以及海底深部物質與結構等領域取得了一系列重大進展。1872—1876年，英國科學調查船“挑戰者”號劃時代的科學考察揭開了近代深海大洋調查研究的序幕。但直到近幾十年，深海研究才取得革命性的重大突破。如海底擴張與板塊學說的提出，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，大洋中脊系統與海底熱液、冷泉的發現，以及海底礦物資源的勘探與開發等，都對科學和社會的發展起到了重要的作用。

熱液。1977年，科學家在東太平洋加拉帕斯裂谷發現了現代熱液噴口，以及在溫度高達幾百度的熱液噴口處仍存活的大量生物群落（含細菌、古菌、真菌等），被認為是20世紀后期最顯著的科學發現之一。與其相關的資源、環境問題和“黑暗食物鏈”生命過程也成為當前深海研究的焦點，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、碳氫化合物（甲烷和石油）、硫化氫等化合物，海底冷泉的溫度與周邊海水溫度相近。對深海冷泉生態系統的研究是繼20世紀末對熱液生態系統研究熱潮以來的又一個重要的領域。冷泉區生長著管狀蠕蟲、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環境，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。海山具有顯著的地理構造和明顯的洋流作用，并產生很多物理過程，包含流路變窄致使洋流加速、等溫線變形、渦的形成、底部變強成為泰勒柱、內波等。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的深水區域，是海洋最深的區域，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域的1%—2%，但它們卻構成了全球海洋深度范圍的45%，在海洋生態系統中具有重大意義。1960年，瑞士物理學家雅克·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。

深海極端環境探測技術及其發展趨勢

近年來，對深海熱液、冷泉等極端環境近海底區域的基礎物理化學環境的觀測與分析，尤其是對熱液、冷泉噴發流體的地球化學性質的分析，成為揭示深海熱液與冷泉活動成因、演化過程，以及對周圍大洋環境影響的重要研究內容。由于科學目標的牽引，深海熱液、冷泉流體的探測技術成為了深海探測領域的研究熱點。

傳統深海極端環境探測技術的不足

當前，對深海熱液、冷泉噴口區流體地球化學參數的準確探測仍存在困難。先取樣后實驗室分析的傳統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、壓力等環境參數的改變而迅速逃逸，使得實驗室分析結果遠低于其真實濃度。即使是采用較為先進的保壓采樣技術也不可避免溫度變化和持續不斷的微生物反應等因素對后續實驗室分析結果的干擾，無法獲取熱液、冷泉噴出流體中各組分的真實濃度，因而無法準確評估熱液與冷泉系統流固界面跨圈層物質能量交換對巖石圈演化和海洋深層環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、氣體濃度探測結果的嚴重失準。同時，由于水下潛器平臺負載限制，保真流體采樣器上攜帶的采樣瓶數量有限，較低的采樣成功率大大影響到對深海熱液、冷泉區噴發流體的探測效率。保壓流體取樣的探測必然經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生化學反應，從而影響到噴口流體中H₂S氣體濃度的準確測定。因環境改變所帶來的測量誤差造成傳統保壓取樣方式探測的結果比熱液流體的原位探測濃度低了3—5倍。

國內外深海極端環境探測技術發展現狀

國外情況

深海原位探測裝置。針對傳統方式在深海熱液、冷泉系統釋放氣體探測中面臨的技術難題，國外多家機構研發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傳感器，例如挪威Kongsberg集團開發的系列CO₂、CH₄傳感器。但是，此類化學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境要求較高，無法應用到熱液噴口高溫、強腐蝕、復雜顆粒物的流體環境中，也無法應用到冷泉噴口高CH₄濃度的流體環境中。美國明尼蘇達大學研發了用于探測高溫熱液噴口流體H₂S濃度、H₂濃度、pH等參數的電化學傳感器，獲得了洋中脊和胡安·德富卡板塊熱液區高溫熱液流體的原位探測數據。美國哈佛大學等利用原位質譜分析儀對熱液流體進行了定量探測，并利用原位數據研究了熱液區的微生物作用。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應用到深海，于2004年研發出世界上第一臺可應用于深海原位測量的激光拉曼光譜探測系統——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、甲烷水合物結構、沉積物孔隙水等關鍵科學問題研究上取得了一系列進展。德國柏林科技大學設計了一套可用于水下測量的表面增強激光拉曼光譜測量系統，并將其用于水中多環芳烴的探測。

海底觀測網絡。美國、加拿大、日本等老牌海洋強國憑借在海洋領域的先發優勢，紛紛投入巨資構建海底觀測網絡，以期實現海底到海面全天候、長期、連續、綜合、實時、原位觀測。加拿大組建了加拿大海底觀測網（ONC），美國啟動海洋觀測網（OOI）建設，歐洲構建了多學科海底及水體觀測系統（EMSO），日本建設了地震和海嘯海底觀測密集網絡（DONET）、DONET2、日本海溝海底地震海嘯觀測網（S-net）等海底觀測網絡。

國內情況

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的開發工作。中國海洋大學團隊研發了國內首套深海自容式激光拉曼光譜（DOCARS）探測系統，中國科學院海洋研究所團隊開發了拉曼光譜插入式探針（RiP）測量系統。中國科學院大連化學物理研究所團隊研發了國際上首臺以紫外激光作為激發光源的深海拉曼光譜儀，成功通過了在馬里亞納海溝進行的7000m海試驗證，創造了原位拉曼光譜的最大工作水深記錄。為解決深、遠海長時間序列的海底原位觀測技術難題，中國科學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，實現了對冷泉生物群落、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，以及深海生態過程長期定點觀測系統“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化策略等技術，實現了對海斗深淵、冷泉等深海極端環境生物、化學過程的長期定點原位觀測。中國科學院深?？茖W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備，包括深海微電子機械系統（MEMS）氣相色譜儀、深海光譜儀、深海質譜儀等，于2022年5月成功完成了海試任務，并獲取了南海冷泉生態系統流體組分、微生物群落等的72小時原位觀測數據。

海底觀測網絡?！笆晃濉逼陂g，在“863”計劃的資助下，同濟大學等高校開展了海底長期觀測網絡試驗節點關鍵技術研究。“十二五”期間，中國科學院南海海洋研究所、中國科學院聲學研究所、中國科學院沈陽自動化研究所聯合研制了“南海海底觀測實驗示范網”。2012年，在“863”計劃的支持下，由中國科學院聲學研究所牽頭，正式啟動了“海底觀測網試驗系統”建設，分別在我國南海和東海建設海底觀測網試驗系統。

水下運載平臺。“工欲善其事，必先利其器”，缺乏可進行深?？瓶嫉乃逻\載平臺一直是限制我國深海探測與資源開發的重要原因。在“863”計劃的支持下，中船重工集團公司七〇二所、中國科學院聲學研究所和中國科學院沈陽自動化研究所等單位聯合攻關，開始了7000m級載人潛水器（“蛟龍”號）的研制工作。2012年，“蛟龍號”在馬里亞納海溝創造了7062m的中國載人深潛紀錄?！笆濉逼陂g，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鍵技術的研制工作。2020年，“奮斗者”號成功下潛10909m，創造了我國載人深潛的新紀錄^[18]。除載人潛水器外，國內多家科研機構開展了水下無人運載平臺的研制工作，中國科學院沈陽自動化研究所研制了“海翼”水下滑翔機、“潛龍”系列和“探索”系列深海自主無人潛水器、“海星”系列遙控無人潛水器、“海斗一號”全海深無人潛水器等一系列水下無人運載平臺。上海交通大學研制了“海龍”系列遙控無人潛水器，中國地質調查局廣州海洋地質調查局研制了“海馬”遙控無人潛水器等。

深海極端環境探測技術的需求及其發展趨勢

需求。深海極端環境的物理、化學、生物過程特殊，其原位探測技術研究涉及深海裝備研發、技術體系建立、綜合探測平臺建設，是一個科學與技術緊密結合的研究領域。正是因為深海極端環境的復雜性，獲取深海物理、化學、生物等過程的高精度數據依賴于研發適于深海極端環境的高靈敏度、高穩定性、長時序的聲、光、電、磁、熱原位探測或分析技術。

趨勢。國際上深海極端環境原位探測技術研究的發展趨勢可以歸納為：①體系化，基于體系化建設的深海極端環境原位探測技術有助于獲取多學科、多尺度、立體化和長時序的深海探測數據；②協同化，利用人工智能、環境感知和通信控制等新興技術使原位探測裝備協同化作業，可以提高原位探測的效率，降低深海極端環境探測成本；③智能化，虛擬代理、決策管理、深度學習和生物特征識別等人工智能技術與深海極端環境原位探測技術相結合。

我國深海極端環境原位探測技術發展對策

近些年，我國在深海極端環境原位觀測技術的研制上取得了相當亮眼的成果，得到了國際同行的高度認可。目前，我國已形成了深海極端環境短時原位探測與長時連續監測相結合的新局面，已初步滿足獲取深海熱液、冷泉等極端環境水體、噴發流體、沉積物等研究對象化學場參數和開展深海極端環境原位實驗的需要；但深海極端環境原位探測技術研究仍處于起步階段，仍有很多技術問題制約該領域的發展。深海原位觀測技術領域需要解決的技術問題主要有3個：①測量參數少、測量效率較低；②測量精度差、測量量程較窄；③海底原位觀測設備的環境適應性較差。針對當前國際深海領域的研究現狀與發展趨勢，圍繞深海研究的特點，補齊我國在深海極端環境原位探測領域的短板，才能在競爭激烈的國際深海極端環境前沿科學研究領域占得一席之地。本文具體提出以下4點建議。

提高深海研究支撐平臺能力。提高遙控無人潛水器、載人潛水器、自主無人潛水器等水下運載平臺的載重、穩定性和作業精度，豐富電力、網絡、液壓接口類型，改善深海運載平臺的深海極端環境適應能力。提升海洋模擬設施的深海模擬能力，提高其運行管理水平，豐富深海極端環境模擬場景，從深海極端環境研究科學問題出發，做到深海原位探測與室內模擬的緊密結合。

加快推進深海長期實驗平臺建設。新型深海裝備與技術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發展的一大趨勢。因此，當前應加快推進深海移動工作站、深海空間站、深海實驗室等新一代海洋實驗平臺建設，以及深?？臻g站配套保障船和水下運載器的研發，加強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體系建設。

提升深海原位探測裝置性能。當前的深海原位拉曼光譜儀、激光誘導擊穿光譜儀、質譜儀等設備取得了較好的科學應用，但其對于部分檢測物的檢出限仍然較高，同時對極端環境的適應性仍然不夠。未來應從設備的性能指標出發，著重提高設備的檢測精度、穩定性和適應能力；從研制高密度電池、原位發電技術、智能控制系統、防附著系統角度提高深海著陸器平臺的工作時長和穩定性。

優化資源配置模式和管理體制。加強海洋相關的科學研究單位與傳統運載平臺和觀測設備研制單位間合作，針對深海極端環境觀測場景和科學問題，研制特殊功能的搭載平臺和原位探測設備，提高技術體系研發效率；鼓勵國內海底原位觀測技術團隊開展國際合作，共同開發深海原位觀測設備和觀測技術，提升我國在深海原位觀測技術領域的國際影響力，引領國際深海極端環境科學研究的發展。

（作者：張鑫、李連福，中國科學院海洋研究所；李超倫，中國科學院南海海洋研究所?！吨袊茖W院院刊》供稿）

相關文章