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记者 张楠 郭茂英 徐超超 随着科学技术的进步，人类对海洋的认识越来越深入，发现现实中的海洋要比传说中的龙宫“富有”得多。深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，要得到这些宝藏，就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术。 我国深海采矿分“探”“评”“采”三步走。目前，“探”的工作已经基本完成，“评”与“采”的筹备工作正在一同推进，其中完善环境评价报告是重要一环，其难点在于长期原位监测手段不足，设计采矿车也必须获取海底沉积物的力学参数。而“国际首套全海深海底沉积物力学特性原位测试装置研制成功”，取得了获取海底沉积物力学参数关键技术的突破。这一装置，由中国海洋大学环境科学与工程学院、山东省海洋环境地质工程重点实验室贾永刚教授团队研发。 ◎“美吉号”解决了什么难题 潜到水下11000米后，“美吉号”通过传感器智能切换自己的“手”，用适合监测沉积物性质的探头在原位置完成力学性质测试。 作为国际首套全海深海底沉积物力学特性原位测试装置，“美吉号”解决了什么问题？贾永刚告诉记者，这个设备同时攻克了深海沉积物测试难、测不准两个难点。“从海底取样出来，就干扰了样本，再运回到实验室，测试条件又变了，永远测不准。” ◎“科技灵感，一定来自出海、下海” 贾永刚说，做科学研究，灵感很重要。灵感来自什么？一定来自实际，来自出海、下海！“进入深海大洋以后，我们也不闲着，只要出海就要去甲板上干活。” “我们团队的学生出海率是100%。”向海30余载，最让贾永刚欣慰的，是自己的科研成果真正写在了海洋上，为国家解决了实际问题。最让贾永刚自豪的，则是培养出了一批海洋科研的顶梁柱。 ◎一个项目带出三家高新技术企业 科研项目落地，离不开专业化的配套企业。而企业在服务重大项目的过程中，也能实现自身的高速发展。贾永刚团队一个项目带出了三家国家高新技术企业：深圳市智慧海洋科技有限公司已成为水声通信和水下无线组网技术的领军企业；苏州南智传感科技有限公司成长为国内地质与岩土工程光纤监测技术的知名企业；位于济南的山东拓普液压气动有限公司，也成了国内知名的液压系统设计和集成商，研发的作业机械手已经在蛟龙号上得到应用。 ◎离深海采矿还有多远 “美吉号”获取的深海沉积物力学特性参数用于深海采矿车的设计，而要到公海采矿，只有提交环境评估报告才能获取“许可证”，采矿羽流环境影响监测预测是其中的关键。 建立羽流模型、完善环评报告是项目的第一步。“接下来，我们要在海底组成监测物联网，数据可以实时传回实验室和相关部门。”贾永刚说，还要实现物联网的双向驱动，在实验室动动手指，就能调整万米海深现场的监测策略。 随着科学技术的进步，人类对海洋的认识越来越深入，发现现实中的海洋要比传说中的龙宫“富有”得多。深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，要得到这些宝藏，就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术。 我国深海采矿分“探”“评”“采”三步走。目前，“探”的工作已经基本完成，“评”与“采”的筹备工作正在一同推进，其中完善环境评价报告是重要一环，其难点在于长期原位监测手段不足，设计采矿车也必须获取海底沉积物的力学参数。而“国际首套全海深海底沉积物力学特性原位测试装置研制成功”，取得了获取海底沉积物力学参数关键技术的突破。这一装置，由中国海洋大学环境科学与工程学院、山东省海洋环境地质工程重点实验室贾永刚教授团队研发。 “美吉号”解决了什么难题 如果你看过《流浪地球2》，一定对影片中的水下作业机器人有印象。而在现实中进行深海作业，面临的困难常人难以想象。 相隔万米水深远程控制作业，如何在上百兆帕的压力下保障设备运转，如何从深海回收设备……贾永刚团队先后攻克了深海环境条件下传感器静水压力自平衡滤除、多量程探头智能组合施测、超短基线万米通信定位等系列技术，为深海超高压力（最大110兆帕）下海底超软土力学参数精准测试这一国际难题提供了中国方案。 2022年4月，习近平总书记在海南省三亚市考察中国海洋大学三亚海洋研究院，了解发展海洋科技情况。三亚海洋研究院在南海构建了“南海立体观测网”，牵头建设了“南海海洋大数据中心”，在服务国家海洋安全、资源开发、防灾减灾、海洋经济等方面发挥着重要作用。就在这一年，贾永刚团队的“美吉号”攻克万米海深，在国际率先实现了万米深海沉积物力学性质原位精准测试，高分通过了国家重点研发计划项目专家组的评价。 潜到水下11000米后，“美吉号”通过传感器智能切换自己的“手”，用适合监测沉积物性质的探头在原位置完成力学性质测试。 作为国际首套全海深海底沉积物力学特性原位测试装置，“美吉号”解决了什么问题？贾永刚告诉记者，这个设备同时攻克了深海沉积物测试难、测不准两个难点。“从海底取样出来，就干扰了样本，再运回到实验室，测试条件又变了，永远测不准。” 在原位进行测试有多精准——贯入阻力测试精度可达0.2千帕，而海底压力（最大110兆帕）与测试精度相差6个数量级，贾永刚打了个生动的比方：“相当于在飞速行驶的火车旁边去听别人手表齿轮的声音。” 为什么要对深海的“土”进行如此精准的测量？ “设计深海作业设备，首先就要获得沉积物的力学参数，才能了解它的承载能力。”贾永刚用未来的采矿车举了个例子，“一旦‘超重’陷进去，很可能就回收不上来了。” 同时，了解沉积物力学特性，对于海洋工程安全也有重要意义。 “在海洋动力荷载作用下，海底很容易发生地质灾害，侵蚀作用也比较明显。”贾永刚又举了个例子，“在海底铺设一条管线，可能过段时间它下面就悬空了，这就比较危险。” 今年3月，在三亚举行的南海开发与地质灾害高层论坛上，中科院院士、长安大学教授彭建兵对贾永刚团队给予高度评价。彭建兵认为，国家需要发展海洋工程地质，防止海洋地质灾害，其中海底观测技术难度很大，需要进一步深化和提高。 “国际首套全海深海底沉积物力学特性原位测试装置研制成功”入选中国地质学会2022年度十大地质科技进展，这是该团队继“国际首套复杂深海工程地质环境原位长期监测装备研制成功”入选2021年度十大地质科技进展后，再次有成果入选该榜单。在贾永刚团队努力下，我国深海工程地质原位监测技术居于国际领先地位。 “科研灵感，一定来自出海、下海” 进入深海研究之前，贾永刚团队对滩浅海的沉积物力学性质已经有了多年深入的研究。而在11000米的海洋最深处，原来成熟的研究设备无法正常运行，原来的测试方法也不能照搬，是一个全新的挑战。 从滩浅海迈向深海，结缘于一次偶然的邀约。 “一块儿去南海看看吧。”2010年，中国海洋大学物理海洋专家田纪伟向贾永刚发出了邀请。田纪伟也是“南海立体观测网”的探路人。 从南海回来后，贾永刚开始准备申请深海领域的研究项目。一直到第三次申请的时候，答辩仍没通过。从撰写计划到项目申请成功，贾永刚用了4年的时间。 “没有项目去就‘蹭’别人的船，给别的科研团队‘打工’找灵感”。贾永刚说，虽然项目没申请下来，但是一直在坚持基础的工作。贾永刚迈向深海的决心十分坚定。 2014年，贾永刚团队获得了国家重大科研仪器设备研制专项支持，进行海洋陆坡复杂工程地质环境的原位长期监测（水深1500米），为深海油气、水合物开发的环境地质监测提供技术支撑。这也是全国海洋工程地质领域的第一个重大仪器专项。 项目申请成功这一年，在山东大学学了四年土木工程的90后小伙子朱超祁，考入贾永刚门下，跟随贾永刚，一同向深海求学。 十余年的时间，伴着海风一晃而过。盐田过夜、拯救搁浅船、海上24小时奋战……都是贾永刚团队中年轻人难忘的记忆。 “当时真是一腔热血，不觉得苦不觉得累。”已经成为中国地质调查局天津地质调查中心骨干的团队成员文明征说，“最难忘的是雾天凌晨下船，开车回宾馆路上能见度太低，贾老师走在最前面给学生们探路的背影。” 2021年，贾永刚团队“国际首套复杂深海工程地质环境原位长期监测装备”研制成功，实现了在水下1500米连续12个月的原位监测。朱超祁构思了一个有趣的比喻：“这个项目就像给海洋戴上了手环，可以长期连续监测它的血压和脉搏。” 一开始陪同贾永刚去南海的研究生刘晓磊，如今成了教授、博导，并获得了国家优青、山东省优青的资助，成为实验室的学术带头人。朱超祁去年入选中国科协“青年人才托举工程”，担任国际期刊主编。 一批批上船就晕的年轻人，在贾永刚的指导下，历练成了“老海员”，成为国家海洋工程地质领域的青年翘楚。 深耕海洋30多年的贾永刚认为，要认识海洋，更重要的是得让海洋认识你。从畏惧海洋到与海洋建立感情，这是每次新生入学，贾永刚跟学生们传授的“秘诀”。 每一个进入贾永刚门下的学生，入学就要到海上当“调查队员”，从样品处理、记录资料等一点点小事做起，慢慢熟悉设备，逐渐成长到可以独立带队出海完成科研工作。 “海洋研究是实践性非常强的一个学科，在家里边做不出真正的研究。”在黄河入海口做研究时，贾永刚就经常带着学生光脚下海。 “硌到过一次脚，就开始思考为什么这么软的地方能形成硬壳。”这是贾永刚团队第一个山东省自然科学基金项目的由来。 “退潮以后在岸边吃饭，发现很多蟹子把土都倒到海床面上来了，我就带着学生思考生物的典型活动对沉积物的迁移会产生多大影响。”回忆到此处，贾永刚非常开心，他说，“你看，吃着饭又来了一个课题灵感。” 贾永刚说，做科学研究，灵感很重要。灵感来自什么？一定来自实际，来自出海、下海！“进入深海大洋以后，我们也不闲着，只要出海就要去甲板上干活。” “我们团队的学生出海率是100%。”向海30余载，最让贾永刚欣慰的，是自己的科研成果真正写在了海洋上，为国家解决了实际问题。最让贾永刚自豪的，则是培养出了一批海洋科研的顶梁柱。 一个项目带出三家高新技术企业 海洋科技实现高水平自立自强，必须加强原创性、引领性科技攻关，把装备制造牢牢抓在自己手里。 “之前我们用的是国外的设备，设备价格高，购买难”。迈向深海的十年，贾永刚早早就体会到了被“卡脖子”的难处，他说，“只有打造一支专业化工程技术队伍，才能保证研发的装备有传承、能应用、能服务社会”。 2015年7月，山东省科技厅批准建设山东省海洋环境地质工程重点实验室，贾永刚任实验室主任。这是中国海洋大学第三个山东省重点实验室。 “像这样学科交叉的重大项目，仅靠单个学院的力量很难完成，需要进行有组织的科研。”以实验室作为平台，贾永刚整合了中国海洋大学环境科学与工程学院、化学化工学院等四所学院的相关科研力量，发挥学校多学科综合优势，向“全海深”迈进。 山东省海洋环境地质工程重点实验室高级工程师权永峥告诉记者，在各类项目的资助下，实验室已研发了海洋工程地质环境原位观测装备近20套，在滩浅海油田、南海北部陆坡水合物试采区、太平洋多金属结核矿区投入应用。 科研项目落地，离不开专业化的配套企业。而企业在服务重大项目的过程中，也能实现自身的高速发展。贾永刚团队一个项目带出了三家国家高新技术企业：深圳市智慧海洋科技有限公司已成为水声通信和水下无线组网技术的领军企业；苏州南智传感科技有限公司成长为国内地质与岩土工程光纤监测技术的知名企业；位于济南的山东拓普液压气动有限公司，也成了国内知名的液压系统设计和集成商，研发的作业机械手已经在蛟龙号上得到应用。 全程参与全海深海底沉积物力学原位测试项目，给拓普液压的青年工程师高平留下了深刻的记忆。 “设备在深海出了问题就收不回来了。”回想起当时的情景，高平直言“压力山大”。 “忙到睡不着觉很正常。”已经从事深海装备研发近20年的拓普液压总经理刘敬喜说。在这个项目中，验收专家最终给项目组定下的测试指标是127兆帕。“这是按11000米的海底压力110兆帕的1.1倍，再加上海水的密度带来的压力计算的。”刘敬喜举了个例子，假如放一辆密封的汽车下去，肯定就压成片了。 如何解决深海压力问题，刘敬喜打了个有意思的比方：“就像一个气球装满水，放在水里就能平衡内外压不爆炸。”“美吉号”的液压设备就应用了这个原理。 通过深度参与这个项目，拓普液压完全掌握了全海深耐压密封技术，深海探测、深海采样再到深海模拟检测设备技术趋于成熟，并逐渐形成了自己的产品谱系。 谈及走入深海，刘敬喜说，还要归因于跟中国海洋大学和自然资源部海洋一所的缘分。2008年，拓普液压和海洋一所共同承担了863海底沉积声学调查设备项目。在一次评审会后，担任评审专家的贾永刚就找到了刘敬喜，希望他协助进行沉积物原位测试的设备研发。 两人一拍即合，从水下1500米到11000米的原位测试，拓普液压都作为贾永刚团队的协作单位全程参与。截至目前，拓普液压共承担了国家级的科研项目10项，其中9项都已经完成了验收。 20年来，山东拓普持续投入资金进行海洋装备研发。“除了履行企业社会责任，再过几年一定会迎来重要的战略机遇。”刘敬喜坚信，海洋装备是拓普液压最重要的商业版图之一。 离深海采矿还有多远 在“国际首套全海深海底沉积物力学特性原位测试装置”中，自然资源部海洋一所负责设备整体功能的测试检验，设计设备从布放到测试再到回收整个海试验收的环节。“关键要设计一个可靠的海试计划，最后能够实现万米的目标。”海洋一所工程中心副主任宋玉鹏说。 “装置海试与应用”课题由海洋一所牵头，青岛海洋地质研究所、国家深海基地管理中心等共4家单位共同参与。 “这几家单位具备国内最先进的深海科研能力和测试水平。”宋玉鹏说，后勤保障也至关重要，这几家单位都有大型的综合科考船。 组织深海测试，最大的成本就是船舶费用，如果单独租用大型科考船，费用很高。宋玉鹏说，项目海试期间，课题组充分利用青岛海洋国家实验室科考船共享机制，高效、节能地完成了海试工作，海试验收得到了专家组的高度认可。 “美吉号”获取的深海沉积物力学特性参数用于深海采矿车的设计，而要到公海采矿，只有提交环境评估报告才能获取“许可证”，采矿羽流环境影响监测预测是其中的关键。 目前，贾永刚团队承担的国家重点研发计划项目“深海采矿羽流影响监测模拟关键技术”的课题三“羽状流对底层环境影响”，也由海洋一所负责。采矿羽流就是指采矿车采集、运输、排出尾矿过程中产生的沉积物再悬浮与扩散。 “采矿车把底层沉积物干扰了之后，悬浮起来的沉积物会扩散和沉降。那么扩散和沉降的范围有多大？主要在哪个方向和哪些区域？深度有多少？会持续多久？通过做羽流模拟模型就可以进行预测和预判。”海洋一所资环中心主任孙承君给记者上了一节科普课。 “对沉积物进行化学参数分析，能够反映沉积物的特征和变化。”孙承君说，化学分析可以为传感器观测的数据作补充，比如判断采矿羽流影响的沉积物深度。羽流预测模型逐渐完善后，只要输入矿车工作参数和环境参数，经过计算，就可以预测采矿羽流影响的范围。 建立羽流模型、完善环评报告是项目的第一步。“接下来，我们要在海底组成监测物联网，数据可以实时传回实验室和相关部门。”贾永刚说，还要实现物联网的双向驱动，在实验室动动手指，就能调整万米海深现场的监测策略。 这是2022年“十三五”国家重点研发计划项目结题通过后，贾永刚再次立项的“十四五”国家重点研发计划项目，将在6000米的深海矿区打造海底监测物联网，建立数值模拟系统。这是向国际海底管理局提交环境评估报告的重要部分，也是中国30多年科研成果转化到商业采矿的重要节点。 眼里有光的人，一定能将事业做成 刚接到采访“国际首套全海深海底沉积物力学特性原位测试装置”研发团队的任务时，笔者是一头雾水。听了几位教授耐心的“科普”，才明白上述装置突破了海洋环境保护与综合利用的关键技术，也逐渐了解到山东的科学家们在海洋科技上一直向着更深处不断耕耘。 研究越来越深的关键，在于国家需求的引领。对于海洋科技和装备的不断投入，让“产学研”三方得以保持持续攻坚。 研究越来越深的关键，在于教学相长的传承。中国海洋大学贾永刚教授，一直记得中科院地质与地球物理所王思敬院士“一定要到深海底去研究深海”的嘱托。贾教授当年的学生，如今也成了科研骨干，与他互为支撑。 研究越来越深的关键，也在于情怀和热爱。到深海去做国家需要的研究，这是海洋科研人员共同的情怀。在采访教授、工程师和在校学生时，都能感受到他们参与经略海洋的自豪感。看到他们眼里的奕奕神采，自己也被感染和点燃。 眼里有光的人，一定能将事业做成。 责任编辑： |
