通向深海大洋之路
当今人类关于深邃海底的知识还远不如宇宙星球的多，是什么阻挡了人们探索海洋的奥秘？无疑是人类通向深海之路极其艰难。20世纪人类已经飞天登月取回月球的岩石样品。科学家最新发现火星的表面布满了错综复杂的山地和峡谷，火星上也有四季变化、气候变幻和神秘的极冠变化以及遮天蔽日的巨大尘暴，有时火星的表面还会出现一些神秘的色彩，火星南北两极地表覆盖一层类似冰帽的物质，地层中蕴藏着大量的橄榄石矿物（即地球上常见的绿宝石的主要材料）。火星表面部分地区可能存在水的固态形式——冰，其厚为1～10m，据估计，这种形式的冰约1.5万至6万km3，融化后可以把整个火星表面铺上一层厚度为10～40cm的水。美国航空航天局（NASA）根据“勇士”号和欧洲宇航局“小猎犬2号”火星探测器的数据资料，提出2015年“人类登陆火星”的设想。甚至70多位美国科学家提出，2013年通过10万km由激光柱推动高强度的纳米缆线的“太空电梯”将人类送入太空的设计图。
20世纪人类多次征服世界第一高峰——珠穆朗玛峰（8848.13m），也实现了极地探险与科学考察和向大陆地壳深部打了10多口超深钻（最深的为前苏联科拉半岛的12066m）；我国大陆科学深钻，自2001年8月4日在江苏省东海县境内开钻，到2002年4月，先导孔完成2000m，同年9月，先导孔与主孔合一扩孔取样钻进至2003年9月，已达到3600m井深，为深部地质构造、地层岩性、矿物、流体及气态等研究提供了大量的资料和数据。然而，大洋中最深处太平洋马里亚纳海沟的查林杰海渊（10911.4～11034m），日本的“海沟”号*只是借助有缆的方式成功下潜，而目前载人深潜器只能到达6000～6500m的海底世界，距离最深洋底还有近半的旅程。这表明人类通向深海大洋底之途是多么的艰难，但海洋高技术的发展，特别是深海运载技术的发展及其系统的完善，人类到达深海大洋底是指日可待的。
* 2003年5月29日“海沟”号在日本南部海域进行海底地震观测，由于受台风袭击与母船失去联系，最终失踪于大洋深处。
1、深潜技术向ROV和AUV发展
科学数据表明，海水深度每增加100m，压力就会增加10个大气压，深潜器在万米洋底将承受1000个大气压，几厘米厚的合金钢板容器就像大气中的鸡蛋壳一样容易破裂。为了克服这一障碍，大多科学家想方设法攻克技术难关，他们都已从载人深潜器转向无人深潜器，即机器人潜水器，被称之“遥控深潜器”（ROV），它是一种无缆深海探测器。目前，一种小型计算机控制锂电池驱动的自治式潜水器（AUV），可以由水面船只操纵在任何海区进行观测作业。
1993年美国研制成功一种自治式深海探测器（ABE），是由一艘水面工作船引导下潜到调查区的探测器。它可根据事先制定的周期性工作计划，对调查区内一系列预先指定的地点走航，摄取视频图像或做其它项目测量。
ABE是一种为深海探测和监控而设计的自动装置，它属于水下自治式装置（Autonomous Underwater Vchicles或AUVS）的一种类型（图1）。它是为长期监控与探测而设计的，可长时间停留在海底一个固定连结栓柱上。每隔一段时间，ABE自行脱去挂钩，进行海底调查，采用一种声学导航系统引导它移动，围绕它探测的区域走航，用视频快照做多种测量。当它调查结束后又返回海底连结柱栓好，再等待下一次预定计划的调查任务。
图1 ABE深海探测器
ABE具有多项调查功能，但主要是监控海底热溢出口的地质与生物变化，通常是在下伏岩浆驱动产生热液循环的海底扩张区进行测量。例如洋底溢出口的化学通量是否控制全球海水长期稳定的成分，就要根据可靠的通量值高或低而决定。深部岩浆持续或间歇地排泄出海底，但人们对溢出口随时间的变化状况仍知之甚少。看来持续排出和周期性排出大量的水可能在海洋热平衡中起较重要的作用。
一般对一个特殊地点的调查要每隔数月或数年才再次进行，这样当科学家重返原活动喷溢口区域时，许多特征已明显地改变了。ABE可以在靠近重要海区逗留数月，每天围绕热液活动区域走航，并实时记录生物与地质的演变情况，包括喷溢口硫化物生长或管状蠕虫等生物群活动的情况，以及大量海洋参数的记录与录像。
ABE的外形不象其它的AUVs，大多数的速度与航程都设计成鱼雷状，它们适合调查广阔海域重要的海洋参数（如盐度与温度）。ABE三连体状的有利条件，首先是允许其适当而有效地向前航行，同时又对水平的与垂直的推进装置提供安全定位；其次在上部容器的整个浮力和集中在中心下部船体重量，使它具有良好的稳定性。这种鱼雷状装置有助于转动和易于俯仰，必须维持它朝前移动，在推进装置动力耗尽时仍保持水平状态。ABE是相当稳定的，易于自动控制并有一个好的探测传感器平台，特别是声呐系统。
ABE与其它装置相比是走航缓慢，其慢速与稳定性能保证调查航程。如果速度加倍，那么水流阻力就要增加4倍。通常围绕调查的热液溢出口的水流速度为每秒几厘米，所以，如ABE每秒走航约50cm（约每小时1.6km），它就能做完各项测量工作。如使用现代的铅—酸电池做动力，每秒走航速度可达70cm；如使用碱性D电池和锂电池，其航程要比用铅—酸电池分别大4倍和12倍（超过每小时20km）。
ABE已在美国近岸海域中通过了一系列试验，但它首次真正的完成调查任务计划是在1995年9月调查美国西雅图港口以西380km、水深超过2000m处的Juan de Fuca海脊和1993年火山熔岩流的磁场。这次调查采用可乘3人深潜器的“阿尔文（Alvin）号”与ABE相结合，在调查区前后作“Z”字型走航，记录磁场变化以确定区域范围和新的高磁性熔岩流与它的相对非磁性的水下排水道或管水孔。
通过多次成功试验后，科学家们可离开ABE数月由它自行作业。在这个期间，ABE对调查区内海底全部溢出口进行测量。一个已设计好的水下声学局部区域网络（ALAN—Acoustic Local Area Network）。ALAN操作犹如一个缓慢的因特网，科学家可在陆地上实验室同布设在溢出口区域周围的海底探测仪之间进行通讯。这些高技术使科学家获得周期性的最新资料，并可从岸上改变ABE的工作程序。科学家能够得到ABE实时采集的数据，并及时更改任务来获取更好的随时间变化的条件参数。ABE真可谓是一种无人下潜深海底的“现场观测者”。
2、深海矿产资源不断有新发现
20世纪80年代以来，世界海洋矿产资源——石油与天然气、天然气水合物、大洋多金属结核（壳）和热液硫化物矿床等不断有新的发现。
2.1 油气勘探开发向深水区扩展
20世纪80年代初，国外油气勘探开始向深水区进军。近10多年来，海洋石油勘探开发的新动向就是拥有先进技术及装置的国家向深水领域推进，钻探水深从300～500m的半深海区扩展到2000m深海区。主要在被动大陆边缘盆地的陆坡区及深海平原区相继发现了许多大型油气田。据美国壳牌石油公司的报告称，目前在水深超过300～500m的海区已经发现50亿t油当量的储量，石油和天然气分别占64.2％和35.8％。这些深水区发现的油气田大多分布于大西洋两岸墨西哥和巴西海域主要是油田；而在挪威北海和西非海域主要是气田。目前在全球六大洲18个深水盆地（水深＞500m）中已发现约83亿t油当量的油气资源（其中原油和凝析油56亿t、天然气3.17万亿m3）。大部分油气集中在墨西哥湾、巴西和西非3个地区，近年来，在水深＞450m的海区发现8个大油气田，全部集中在这3个地区，其中西非就占据5个。据统计资料，全球深水海域陆坡区石油地质储量140～150亿t、天然气地质储量8～10万亿m3，其中约80％的天然气和55％的石油储量集中在水深200～500m的海域内。另据国外权威机构预测，未来世界油气总储量的44％将来自海洋的深水区，其良好的油气前景已引起世界各国的关注。
2.2 天然气水合物试开采成功
目前世界海域，主要是一些沿海国家管辖海域的陆架边缘与陆坡区，水深＞300m范围内，直接或间接发现了天然气水合物产地或BSR标志集中区有84处。由于它具有能量密度高（1m3水合物可释放164m3甲烷气），分布广泛，规模巨大，埋藏较浅，成藏条件好的特点，被认为是21世纪具有巨大商业开采潜力的新型洁净能源。据报道，迄今世界上有美国、德国、加拿大、日本、挪威、印度等30多个国家和地区开展天然气水合物调查研究，至少在全球122个地区发现了天然气水合物及其存在标志。其中陆地38处（永久冻土带）、海洋85处，其中太平洋30多处、大西洋20多处、印度洋10多处、南大洋6处、北极海6处、黑海10多处，直接采到水合物样品的有23处。据初步估算，全球天然气水合物资源量为煤炭、石油和天然气总量的两倍，约为10～12亿亿m3，足够人类使用千年以上。
美国卡罗莱纳州近海布莱克海台，水合物甲烷赋存在水深860m巨大的隆起物中，大约占沉积物总量的5％，估算2.6万km2面积之内蕴藏的气体水合物储量为42～52.5万亿m3，单是这一海区的水合物甲烷量，按年消费量4000～5000亿m3算，就可满足美国105年的天然气需求量。
1999年日本在其南海海槽打了第一口水合物勘查主井（3300m）和3口后续探井，其中2号井取到冰状水合物甲烷，其它探井因作业迟缓而被分解释放了。经分析研究，最终确定出海底下150～300m处存在三层水合物矿层（厚度分别为3m、5m、7m）。据称，日本周边海域的天然水合物资源按目前年用气量来消费可供日本使用100年。日本有人甚至预言，今后10年内可望早于美国计划2015年投入开发。2002年春季，日本开采天然气水合物的试验在加拿大西北部已获成功。一口深1200m的井钻到天然气水合物矿层，通过钻井注入化学溶剂温水后，天然气水合物中的甲烷便溶解在温水中。然后，把溶有甲烷的温水抽上地面再进行分离得到甲烷气。
1999年，我国首次在南海北部西沙海槽区开展天然气水合物前期试验性调查，在130km的地震剖面上识别出了天然气水合物矿藏显示标志BSR，推测矿层厚达80～300m；翌年在西沙海槽继续进行地震调查，大致圈出8000km2范围。初步估算这一海区天然气水合物总资源量达到643.5～772亿t油当量。此外，对东海冲绳海槽及陆坡区（1.6万km2）已有的26条共计数千公里的地震剖面进行特殊解释，选择水深＞300m的海区有980km剖面上显示BSR标志异常的地段，采用容积法计算，结果天然气水合物资源量约65亿t油当量。
2.3 海底矿产资源新发现
近10多年来，深海大洋多金属结核（壳）、热液硫化物等矿产资源不断有新的发现。据最新的资料，中太平洋克拉里昂—克里帕顿断裂带之间的多金属结核资源量估计约340亿t，其中主要金属预测资源量分别为：Mn 75亿t、Ni 34亿t、Cu 2.65亿t、Co 0.78亿t（Morgon，2000）。此外，在太平洋库克群岛、基里巴斯群岛和图瓦卢群岛的EEZ区的结核资源量估计有98亿t。在美国EEZ内的结壳矿床估计资源量有3亿t，Co、Ni和Mn金属储量分别为270万t、150万t和7410万t（Hein，2000）。
目前，俄罗斯已把调查重点由多金属结核转向富钴结壳、热液硫化物与多金属软泥。20世纪90年代，在13°N和马拉封断裂带之间的大西洋中脊裂谷上发现水成型铁锰沉积物，并在裂谷两侧平坦阶地的中部发现了新的热液系统“Neptune Beard”（海神胡子）热液场上有大量铁锰结壳存在。近年在中太平洋5个海区（如Nihau群岛），其中最大的结壳矿床有100万t，加上夏威夷群岛EEZ内已证实的资源使中太平洋结壳资源量增加到7.66亿t。
日本发现位于东京以南400km的海域一座海底破火山口蕴藏丰富的金、银矿。硫化物矿床位于水深达1210～1360m的破火山口底部，其体积为长400m×宽400m×高30m，Au、Ag金属量相当可观。澳大利亚在申请的两个勘探区（5000km2）内发现Suzette矿床的矿石含高品位的Cu（15.3％）、Au（15g/t）和Ag（200g/t）；在南太平洋巴布亚新几内亚BismArok海域的Manus和New Ireland海盆发现了金属品位相当富的热液硫化物矿床，Cu（10％）、Zn（26％）、Ag（200g/t）和Au（15g/t），是迄今已知发现品位最高的热液矿床。大洋中脊附近有关“黑烟囱”的勘查表明，大多为小、中型矿床，金属资源量为170万t至2376万t（Cherkashev等，2000）。
3、应用高新技术开发资源宝库
通向深海大洋底世界，目前由于深海运载技术、工艺、材料和安全等诸多因素的影响，发达国家的科学家们都朝AUVs发展。无缆潜水器（AUV）是一种与水面没有直接联系的自携动力和能按设计程序进行操作的自治式潜水器。它在运行过程中通过声通讯系统从水面接收改变航向、深度、收集数据等简单指令而进行调查观测，可进行深海搜索、观测、识别、取样、打捞等一系列作业的经济又安全的“机器人”。
目前世界上总共研制了近50艘，其中半数以上用于军事目的，其次用于科学调查和海底油井作业维修或搜索、打捞。美国海军开发的先进水下搜索系统（AUSS，6000m）和Spurv Ⅰ/Spurv Ⅱ均用于中等水深（3659m、1524m）研究海洋的物理性质。加拿大研制一艘大型的Theseus自治潜水器（1000m），用于在北冰洋冰层下的海水中放置光缆，它既可以用于“保持深度模式”运行，又可以用于“跟踪海底模式”运行。法国研制出的Epaulard（6000m）主要用于海底摄影和测量海底地貌，勘查多金属结核区、深海底生态调查，以及对沉船、电缆、废料的搜索等。日本开发出更先进的Pteroa（6000m）用于深海底调查。俄罗斯研制的SeaLion（6000m）、Yantar（6000m）和Drov（6000m）用于深水区水文、地质、工程调查与探索。上述国家研制开发不同类型、不同功能的无缆遥控潜水器都是当今AUVs的典型代表。
在中国大洋矿产资源开发研究协会支持下中科院沈阳自动化研究所与俄罗斯科学家合作研制开发CR-01型/CR-02型（6000m）无人无缆水下机器人（图2），能适应深海底平坦地形的多金属结核矿区工作环境，其探测内容只限于声学、光学和水文测量。
图2 CR-01型6000m水下自治机器人在太平洋作业
CR-01机器人于1997年在太平洋中国矿区完成了各项海底试验调查任务，并取得大量数据和资料。这表明中国已拥有这些高新技术的能力，并即将进入洋底多金属结核资源探测应用的实用阶段，也为我国21世纪进军深海大洋，开发海洋资源提供了强有力的技术手段。
“十五”期间，大洋协会组织有关部门承担国家“863”计划自动化领域的重点项目“7000m载人深潜器”，争取在2005～2010年前研制出能够在深海大洋底进行多项作业的包括多种资源取样，声学和光学探测、海洋环境要素测量、海底底质土工力学特性测量的载人深潜器。到那时，我国地球科学调查研究将进入真正的“上天、入地、下海、登极”的海、陆、空立体式探测系统。
（莫 杰）