紫外拉曼光譜儀等眾多神器助科考隊再探萬米深淵

  繼2016年我國首次綜合性萬米深淵科考活動圓滿結(jié)束后，科考隊攜國產(chǎn)水下滑翔機(jī)、國產(chǎn)海底地震儀及紫外拉曼光譜儀等神器再探萬米深淵，并于近期順利返航。
  “海翼”號7000米水下滑翔機(jī)布放中。(資料圖片上) 萬米級海底地震儀在馬里亞納海溝布放中。(資料圖片右) “探索一號”科考船停靠在南海救助局三亞基地救助碼頭。(資料圖片下)
  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(jié)束了TS-03航次，返航回到三亞。在長達(dá)68天、航行7929海里、執(zhí)行了113項試驗(yàn)與科考任務(wù)的海上萬米科考過程中，科考隊曾連續(xù)遭遇惡劣海況的干擾，也多次經(jīng)歷了裝備損失和試驗(yàn)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(jì)錄？
  國產(chǎn)水下滑翔機(jī)
  6329米，刷新世界紀(jì)錄
  本航次中，“海翼”號深?；铏C(jī)在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵上完成了大深度下潛觀測任務(wù)，并安全回收。其最大下潛深度達(dá)到了6329米，刷新了水下滑翔機(jī)最大下潛深度的世界紀(jì)錄，為我國深淵科考提供了新的科考手段。此前，水下滑翔機(jī)最大下潛深度的世界紀(jì)錄是6003米，由美國科學(xué)家創(chuàng)下。
  水下滑翔機(jī)是一種新型水下機(jī)器人，它通過調(diào)節(jié)自身浮力和姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)在水中滑行，并收集水體信息，具有低功耗、高靜音的特點(diǎn)，可以對特定海域?qū)嵭懈呔却蠓秶乃w觀測。
　“海翼”號水下滑翔機(jī)由中國科學(xué)院沈陽自動化所研制，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，是新型水下觀測平臺。自原理樣機(jī)的研發(fā)到深淵觀測任務(wù)的圓滿完成，“海翼”號已經(jīng)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(jī)20余臺。
  此次，“海翼”號水下滑翔機(jī)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(wù)。它累計工作87個小時，總航程超過130公里，最大下潛深度達(dá)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(jī)。這證明了，“海翼”號水下滑翔機(jī)作為一種新型海洋智能設(shè)備，能夠?qū)ΜF(xiàn)有深淵觀測任務(wù)提供新的解決方案。這次試驗(yàn)的結(jié)果將有助于提升和改進(jìn)“海翼”號的更大下潛深度。
  在此次觀測任務(wù)中，“海翼”號水下滑翔機(jī)收集了大量高分辨率深淵區(qū)域水體信息，為海洋科學(xué)家研究該區(qū)域的水文特性提供了寶貴的資料。
  國產(chǎn)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(diǎn)，是我國自主研發(fā)的萬米級海底地震儀。其在世界最深處——馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵取得成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國成為世界上繼日本之后，第二個具有自主研發(fā)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(zhàn)者深淵完成了兩條萬米級人工地震剖面，標(biāo)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(xué)探測的重要設(shè)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(rèn)識海底地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。
  本航次一顯身手的萬米級海底地震儀，由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所經(jīng)過近20年持續(xù)努力，堅持自主創(chuàng)新研發(fā)而成。借助其完成的兩條萬米級人工地震剖面，剖面設(shè)計長度600公里，實(shí)際作業(yè)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(shù)據(jù)記錄完整，數(shù)據(jù)質(zhì)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(qū)近半年的天然地震和微動數(shù)據(jù)，為該區(qū)海底地殼速度結(jié)構(gòu)成像研究、近震參數(shù)研究提供了寶貴的資料。另外，本航次在該地區(qū)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(shù)據(jù)對于開展地球最深點(diǎn)馬里亞納海溝俯沖帶結(jié)構(gòu)研究有著非常關(guān)鍵的意義。這一工作的成功也標(biāo)志著我國在大深度海底地震探測技術(shù)領(lǐng)域步入國際先進(jìn)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(shí)驗(yàn)號、萬泉號、天涯號深淵著陸器對我國自主研發(fā)的一系列深海裝備開展了成功的試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，其中就包括世界首次獲得成功應(yīng)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(chuàng)造了拉曼光譜儀最高深海探測紀(jì)錄：7449米。
  由于拉曼光譜技術(shù)可對處于海水條件下的物質(zhì)作原位、準(zhǔn)確的測定，深海拉曼光譜儀器一直是深海資源探測領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)，國內(nèi)外許多研究團(tuán)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(xiàn)嚴(yán)重的熒光干擾。
  早在1998年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦團(tuán)隊就研制了國內(nèi)第一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(yōu)勢。
  在此基礎(chǔ)上，將紫外拉曼光譜技術(shù)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(xué)意義，在高端儀器研制方面更是一種創(chuàng)舉。
  但相關(guān)儀器的研制還面臨兩大難題：激發(fā)光越到紫外區(qū)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(fā)團(tuán)隊需要將紫外拉曼光譜儀的分光系統(tǒng)縮小到一個筆記本大小；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(tuán)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(shù)，歷經(jīng)3年攻關(guān)，研發(fā)成功滿足深海極端條件應(yīng)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(yīng)用的工程化。
   “此次海試驗(yàn)證成功，表明我國從此可以對全世界99%以上海域?qū)嵭蟹肿庸庾V探測，為我國深海礦藏和能源資源的開發(fā)、海洋科學(xué)研究提供利器。”范峰滔說。
   探查深海大取樣
   8152米發(fā)現(xiàn)魚類生存最大深度
   在本航次中刷新世界紀(jì)錄的，不僅有各類“下海”的神兵利器，還有它們?nèi)』氐母鞣N樣品、數(shù)據(jù)和視頻資料。
  我國研發(fā)的深海攝像機(jī)在挑戰(zhàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)的4型裝備，20次進(jìn)入挑戰(zhàn)者深淵大于10800米的海底，最深達(dá)到10911米，累計著底作業(yè)時間長達(dá)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(jīng)過原位化學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)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(biāo)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(chǔ)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(huán)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(zhì)取樣的深度紀(jì)錄。
  再探萬米深淵，屢破世界紀(jì)錄。中國人以出色的表現(xiàn)證實(shí)：萬米海斗深淵不再是中國科學(xué)家的禁區(qū)，中國科學(xué)家有能力在這一世界前沿科學(xué)領(lǐng)域開創(chuàng)性地開展科研工作，為人類科技進(jìn)步作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。
  編輯點(diǎn)評
  隨著我國科研水平的不斷提升，近年來，國產(chǎn)重大科學(xué)儀器不斷被研發(fā)并投入使用，科考隊攜國產(chǎn)神器再探萬米深淵，不僅展示了我國雄厚的科研實(shí)力，更向全世界展示了中國科學(xué)家不畏艱難，探索科學(xué)的精神。