海底地质构造图解 -海底地形结构图

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近期，“海牛Ⅲ号”作为国家重点研发计划项目正式启动，总设计师万步炎带领他的团队，肩负着海底地质勘查、稀土勘探等重要任务，再次向深海进发。

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地球约70%的区域被海水覆盖，而我国拥有漫长的海岸线和庞大的沿海海域面积，海洋开发是我国走向世界强国的必由之路。

30多年来，万步炎团队从零开始研发，如今，在太平洋等大洋，在我国的南海、东海等海域，“海牛号”系列已经钻出了2000多个“中国孔”，完成了多座国际海底矿山的普查勘探，结束了我国依靠租用国外钻探船开展海域“可燃冰勘探”的历史，开创了我国利用海底钻机开展海底工程地质勘查的先河。

今天，我们来了解，万步炎团队在被技术封锁的情况下，研发“海牛号”系列的艰辛历程。

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文 | 纪红建 中国报告文学学会副会长

编辑 | 谢芳 瞭望智库

本文为瞭望智库书摘，摘编自《大国制造》（湖南人民出版社2023年7月出版），原标题为《钻向大洋深处》，原文有删减，不代表瞭望智库观点。

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从湖南出发

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“可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。”

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1927年10月，毛泽东率秋收起义部队来到井冈山，创建了中国第一个农村革命根据地——井冈山革命根据地，并开辟了“以农村包围城市，武装夺取政权”这一具有中国特色的革命道路，中国革命从此星火燎原，从胜利走向胜利。

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1965年，这位70多岁的老人故地重游，感慨万千，兴奋之情溢于言表，创作了《水调歌头·重上井冈山》。伟人的愿望，在今天都变为现实：北斗卫星“可上九天揽月”，“海牛”深海钻机“可下五洋捉鳖”。

海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的命脉、战略的要地，一个国家的兴衰与海洋事业密不可分。

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深水半潜式生产储油平台——“深海一号”。

在海南陵水海域，全球首座十万吨级深水半潜式生产储油平台——“深海一号”傲然矗立在蓝海之上。这个庞然大物建成的背后，有着被誉为“深海神兽”的“海牛II号”的功劳——海底地质复杂，正是它钻入深海，勘探出最佳建造位置，让“深海一号”在海风海浪中稳如磐石。

2021年4月7日晚，这只“深海神兽”又悄然下潜，在南海2000米的水下，成功下钻231米，保压取到了天然气水合物（可燃冰）。这不仅填补了我国海底钻深大于100米、具保压取芯功能的深海海底钻机装备的空白，也刷新了世界深海海底钻机的钻深纪录。

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这意味着，我国具备了海洋资源全覆盖的勘探能力！

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“海牛Ⅱ号”正在进行海试作业。

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钢质构造的“海牛II号”是一个俯视图为八边形的物体，高7.6米，“腰围”10米，重12.5吨，水下重量10吨，是目前我国水下重量最大的地质勘探科考设备。它有3条可收放的“大长腿”，让自己在地形复杂的海底也能保持直立的姿态。到了海底，它就如同泥鳅一样灵活。

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它的最前端，是由金刚石和硬质合金等材料制成的钻头，如同“神兽”的犄角。科研人员设计了3种不同类型的钻头，既可取硬岩岩芯，也可取海底沉积物，还可进行原位探测。这种多功能钻头，是“海牛”团队的首创，目前国外无此项技术。

它的身体里嵌着78根钻杆，每根3米长，像左轮手枪的子弹一样排列着。工作时，通过圆盘旋转，机械手取杆上膛，把钻杆一根根钻进岩层，取到样品后再一根根缩回到身体里。

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它身上有上百个传感器，如同人的“眼睛”，靠着它们传送的信息，就可让钻头根据地层性状情况，快速自动判断并自适应调整钻进模式与参数，大幅提高了钻探效率、取芯率和取芯质量。

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它还拥有了“大脑”。以前操作“海牛”，一个命令一个按键，需要好几个人不眠不休地守着；现在智能化了，按一个按键执行一套指令，一个人就可轻松操作。在钻孔取芯的同时，它还能干“兼职”：原位探测岩石的电阻率、孔隙率，给孔内周边岩石拍照等。

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它“出生”在毛泽东的家乡——湘潭，由湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室主任万步炎教授领衔研发。那里不靠海，去港口乘船出海做海试，在高速公路上要跑一天。

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大海在召唤

4月里，湖南科技大学校园内一派春意盎然。个子不高、头发花白的万步炎笑容灿烂，话不高声。一见面，他就像邻家大哥一样，向我讲述起他和“海牛”的故事来。

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万步炎（左三）团队从零开始研发，开创了我国利用海底钻机开展海底工程地质勘查的先河。

“从洞庭湖畔说起吧！”万步炎的思绪一下回到了家乡。

1964年，万步炎出生于华容县三封寺镇，父母都是孤儿，门上挂着“光荣烈属”的牌子。外公彭明早年参加红军，担任过湘鄂西苏维埃政府七县巡视员，1932年在洪湖作战中牺牲，年仅31岁。他只听叔外公讲过，外公闹革命被抓去坐牢，家里卖了田，用箩筐装了钱去赎人。因外公是烈士，幼时，万步炎家里每年有300公斤救济粮；长大了，他才明白，外公干革命不是为他自己，而是为了一种信念。很多年以后，他终于与从未谋面的外公心灵相通：一腔热血报效国家的信念，坚不可摧。

小时候，因为一本《新华字典》，万步炎爱上了读书；因为一本《十万个为什么》，他爱上了科学，天天琢磨天上飞的东西。他给亲戚们科普，飞机为什么不会掉下来？卫星、火箭怎么上的天？为了让妈妈从“鸡屁股”里抠几毛钱，去供销社买书，他在地上打滚哭闹。他动手能力特别强，用废电池和手电筒里的灯泡，接上电线，点亮家里每间房。

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1978年，刚满14岁、正读高一的万步炎被老师拉去提前体验高考，没想到一举考中，成为恢复高考后第一批大学生。他填的志愿都是名校的航空航天和天文学专业，却被调剂到了中南矿冶学院地质系探矿工程专业，一下从“天上”掉到了“地下”。

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1985年，21岁的万步炎研究生毕业，被分配到长沙矿山研究院工作。最初，他从事的是陆地矿产的勘探开发。就在那年，研究院来了一位从国外留学归来的老专家，组建了海洋采矿研究室。

“步炎，有没有兴趣加入海洋采矿研究室？”老专家问。

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“国家的需要就是我的研究方向，虽然我没有干过，但是我愿意试一下。”万步炎没有犹豫，第一个加入了海洋采矿研究室。当时正值我国深海矿产资源研究开发事业起步阶段，他了解到不属于任何国家管辖的广袤的公海大洋，是一个尚待人类开发的巨大资源宝库。国际上奉行的是丛林法则，谁先勘探到谁就有优先开发权。几十年来，西方大国在全球四大洋大规模开展“蓝色跑马圈地”运动，许多优质海洋资源被划归到这些国家。

万步炎雄心勃勃地“下了海”，却没看到一朵“浪花”。前5年的时间，他在甘肃白银小铁山矿为尾矿管道输送提供技术支持，同时做些海洋采矿的理论研究。直到1990年，在六部委联合推动下，国务院在国家长远发展项目中设立大洋专项，成立中国大洋矿产资源研究开发协会（简称“大洋协会”），万步炎所在的团队才正式领到做海洋采矿系统研究的任务。

1992年3月，正是樱花盛开的时节，有着扎实外语功底的万步炎受邀前往日本开展海洋技术合作研究。一年后，因他超强的自学能力和动手能力，日方用百倍于国内的高薪挽留：你是中国人中的佼佼者，中国的条件比日本差远了，留下来吧！

万步炎拒绝了。中国海洋采矿技术确实几乎空白，但日方的技术封锁和对中国人无处不在的歧视深深刺痛了他。他暗暗发誓：中国落后于人的地方就是我努力的方向。

回国后，万步炎废寝忘食，埋头苦干，带领课题组建起了国内第一个可开展扬矿管道循环运行实验的可变倾角扬矿实验装置，参与建设了国内第一套深海扬矿软管输送试验系统、第一套缩小比例深海采矿湖试系统……他心朝大海，期待春暖花开。

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第一个“中国孔”

1998年，万步炎第一次登上远洋科考船，协助开展深海土工力学测试设备海试。整整一周，他躺在床上动弹不得，吃什么吐什么，胆汁都吐了出来。他对自己说：“要干活，不能这样一直躺着啊。”他支撑着爬起来，站一会儿，坐一会儿，摇晃着来到甲板上来回走，逼着自己吃东西，最后才慢慢适应。

但比晕船更难受的是，他看到船上小到塑料取样管，大到绞车，都是“洋品牌”。

更令人沮丧的在后头。一种叫“富钴结壳”的重要深海矿物资源，长在海山上，往年用自制的海底拖网拖过去，只能凭运气采到一点表层样品，并且无法确定确切的采样地点。那次，大洋协会花重金从俄罗斯租了一台海底钻机，试验钻探整整一个航次，颗粒无收。

海底钻机相当于天文学家的天文望远镜，有三个作用：深海资源勘探、工程地质勘探、深海科学钻探。它是一个工具，却直接关系着人类对海洋的探索能走多远。

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20世纪60年代，深海钻探采用钻探船，钻机放船上，用一根超千米长的钻杆穿过海水，抵达海底地层下钻，成本惊人。上万吨体量的船，在风浪洋流中靠分布在船周边的多个强劲螺旋桨推动，进行动力定位，耗费大量能源，钻探质量却不高。

1986年，美国人发明了海底钻机。可新问题又来了：十余吨的设备放海底，看不见摸不着，如何放下去收回来？如何供电、通信、自动化操作、在极端环境下操作？坏了如何停机修理？如何保证海底钻机所需的高度可靠性、自动化，以及抗海底恶劣环境的能力？诸多超高要求，让这项技术发展非常缓慢。直到2021年，除中国外，只有德国在海底下钻了130多米。

西方不卖海底钻机，租的又不中用，怎么办？大洋协会被逼无奈，1999年面向全国招标，做自己的海底钻机！见过海底钻机、学过陆地钻探、做过海洋采矿系统研究的万步炎和他的团队如愿中标。

没有任何可借鉴参考的技术资料，没有深海锂电池技术，没有深海控制与视频图像传输技术，没有深海液压技术，没有深海电机与变电技术，没有深海传感器技术……他们几乎白手起家，从零开始。

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万步炎心里憋着一口气，他自学机械设计、电子技术和自动控制，自己画图自己生产。图纸画了几千张，五六人的团队经常干到凌晨一两点，整机到部件完全自主创新，终于在2001年做出了中国自己的海底钻机。

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当把4.5吨的样机运到太平洋上海试时，却下不了海。原来承担海试任务的“大洋一号”船是从俄罗斯买的，说明书说其收放架可承载5吨的重量，到船上一测，只能承载2.5吨。

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无奈，重新运回来减重，一样设备都不能少，要减去两吨。这一减又花了两年时间，2003年夏天，我国首台深海浅层岩芯取样钻机终于海试成功，在海底下钻0.7米，打下第一个“中国孔”，取回了矿石样本。

别小看这0.7米，这是中国海底钻机挺进深海的第一步。第二年，这台钻机即投入大规模大洋资源勘探，每年要在大洋底部钻100多个“中国孔”。

2003年，万步炎获得科技部“863计划”的资助，又开始向新的目标发起冲锋。

第一台钻机放下去，只能钻一个孔取一次芯（即取样管里装的矿物样本）。2005年，万步炎团队成功研制出世界首台“一次下水多次取芯”的富钴结壳专用钻机，从海底传回的图像也由黑白升级成彩色。2007年，万步炎凭此获得国家科技进步奖二等奖。

用锂电池供电，取3次芯就没电了。2008年，国内首台采用光纤通信和3300伏高压供电的海底钻机问世。同年，国家开始勘探新的矿种，它们在海底地层中埋得更深，一根钻杆不够用了，万步炎又研制出钻杆海底快速自动接卸技术。

科考船海上工作一天，光油费就得20多万元。时间就是金钱，万步炎不断缩短卸杆接杆时间，到2015年，“海牛”每接一根钻杆的时间缩短至2分40多秒，而国外同类钻机得花5至10分钟。

更快，还要更深。

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2007年5米，2010年20米。国际公认50米是难以跨越的关口。2015年6月，万步炎亮出了能在海底深钻60米的“海牛I号”，且采用全自动绳索取芯技术，破解传统取芯方式越往深钻效率越低的问题。2021年，具备海底231米全程保压取芯功能的“海牛II号”钻机诞生，它能保证可燃冰从高压海底取上来不会失压分解气化。而此前，我国深海可燃冰钻探长期依赖租用国外设备。

上海交通大学研制的水下机器人叫“海马”，万步炎给心爱的钻机取名“海牛”。他很满意这个名字：“牛和马都是给国家干活的，需求少，贡献大。”他希望自己的钻机像牛一样有韧劲，不断向海底深钻。

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大海的考验

不过，桀骜的大海，喜怒无常，一次次向万步炎发出战书。

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万众瞩目的“海牛II号”曾差点葬身海底。2021年3月，万步炎团队赶在科技部验收前对其进行海试，出发前，为保证万无一失，他还专门花20万元给绞车做了一次全面检查和保养。

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科考船搭载“海牛Ⅱ号”驶向深海。

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30米水深浅海试验顺利完成。

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1000米水深深海试验也顺利完成海底作业，但就在开始回收钻机时，突然发出巨大的声响，是7年前从丹麦进口的配套收放绞车坏了事。绞车负责排缆的丝杠从轴承座中脱出，减速箱箱体破裂，盖子成了碎片。此时，钻机悬吊在1000米水下，离海底约6米，收不回，放不下。更惊险的是，根据天气预报，48小时后，强台风就要经过这片海域，船必须离开躲避。

只有48小时！如果不能回收钻机，就只能砍断脐带缆，把价值几千万的钻机丢弃在海底。如果这样，等待万步炎的，不是破世界纪录的成功，而是一次重大设备安全和财产损失事故，团队几年的血汗将化为乌有。

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坏消息如巨浪砸来，让人站不稳脚跟。他们紧急向丹麦厂家求助，答复是已经过了保修期，没遇过这种情况，爱莫能助；联系国内代理商上船修复，称无能为力。时间已过去了9小时，全船人都认为钻机没救了。

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难道只能砍断缆绳，把钻机丢弃在海底？

万步炎是见过大风大浪的，这么多年在科研一线的摸爬滚打，他有着坚定的信念：没有解决不了的技术问题，一定能把钻机救回来！

“我们自己修！”万步炎镇定自若，甚至有一种迎接挑战的兴奋。

第一晚，他们尝试各种办法修复损坏的部件，失败。万步炎感觉必须改变思路，不是修复，而是要另外构建一个液压系统替代原有电动系统损坏的部件。他马上做出设计，充分利用所带备件，没有就从现有系统上拆卸一切可用零件，花了近30个小时，终于把临时系统搭建并安装好。他亲自操作和指挥，将悬在深海中46小时的钻机救上了船。此时，离台风来袭只有两小时了。

风在吼，浪在叫，船已经在摇晃，两天只睡了5小时的万步炎终于松了口气。

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海试归来，万步炎面向我国海底工程建设的需求，朝海底原位探测又发起新一轮攻关。

2022年8月，他率队奔赴南海，在某海域120米水深处成功完成基于海底钻机的海底原位探测试验，开创了我国基于海底钻机的海底原位探测技术突破深海百米的新开端。

2023年，“海牛III号”作为国家重点研发计划项目正式启动，万步炎和他的团队成员向着更深、更广阔的海底挺进……

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阳光轻抚着湖南科技大学灰色的“海牛楼”，静静看着它，仿佛能听见南海的涛声。

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2010年，万步炎从长沙矿山研究院调到湖南科技大学。除了想在高校心无旁骛地做科研，他更看中了高校的人才库——可组建一支机械设计、钻探工艺、电路设计、软件编程等专门人才齐备的团队，也为海洋地质勘探培养后备人才，将海洋梦融入教育中。

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“海牛”所有关键技术全由“海牛”团队自主研发，目前已取得150余项国家专利、16项国际发明专利。近5年来，“海牛”团队共培养了8名博士、42名硕士。现在，“海牛”团队中“80后”“90后”成员占大半，个个身怀绝技。2021年，万步炎获得全国“最美教师”的荣誉；2023年，他被中宣部授予“时代楷模”称号。

万步炎和他团队的成员把目标瞄准了深度超过万米的马里亚纳海沟——一个至今还没有人类进行海底钻探作业的地方。

“看我这满头白发，其实我知道这是大海给我的馈赠，每次出海我头上的白发要增加5%。但即使这样，我仍乐此不疲，因为大海是我们的事业。”万步炎笑着说。

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透过他头上的白发，我们看到的是星辰大海。

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（瞭望智库实习生司马雨嫣对本文亦有贡献。）

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