海底地质探测装备性能 -海底底质探测

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系统观思想强调研究问题的整体性、结构性、立体性、动态性、综合性等。我国著名地质学家李四光先生早在二十世纪二三十年代及此后数十年的地质研究中，明显地体现出地球系统科学思路，其一生的著述处处闪耀着系统科学的整体观、全局观。

1986年启动的国际地圈生物圈计划（IIGBP）对地球系统科学理念和理论的发展起到核心作用。1988年，美国国家航空航天局地球系统科学委员会出版了《地球系统科学》专著，标志着地球系统科学的问世。地球系统科学是在系统观思想中孕育，在地球科学分支学科不断交叉融合，观测技术、信息技术发展到一定程度的产物。

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海洋地质-地球物理作为地球科学研究的重要组成部分，它是一门以观测为基础的学科，其学术思想的创新、研究程度的提升都离不开观测及其数据长期累积。全球海洋地质-地球物理调查发展至今的150年间，先后获得了深海软泥、多金属泥、锰结核、块状硫化物、中央海岭、重力负异常、浊流、海底地形地貌图、大洋转换断层、大洋中脊体系与条带状磁异常等调查研究成果，形成了海底扩张说等理论成果，此后地学板块构造理论逐渐占据主导地位。截至2015年9月，我国已完成管辖海域16个1:100万图幅区域地质调查全覆盖，综合开展了浅-中-深全方位的地质-地球物理调查，对海底地形地貌、地球物理场、断裂构造及岩浆、环境地质要素和矿产资源等开展研究，探讨区域构造演化、大陆边缘性质、海盆形成和地壳结构等科学问题。当前在重点海域的1:25万图幅，沿海重点经济带及重点湾区的1:5万图幅也已开展调查。

海洋地质八号，图片来自网络

随着人类对海洋开发利用需求的增加，全球性资源、环境、生态、灾害等问题的研究解决，涉及地质、海洋、土壤、生物、大气等各类因子，已超出了单一学科研究能力范围，只有从地球系统整体着手，才可能理解全球性问题产生的原因，找到系统的解决方案。自然资源部中国地质调查局明确提出在地质调查指导理论上，要由传统地质科学向地球系统科学转变，是充分评价了全球及区域地学问题的复杂性、认识到全球科技快速发展这一趋势而作出的决策。

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本文通过文献搜集和资料统计分析，总结海洋地质-地球物理调查的现状特点，评述地球系统科学的研究进展，找到海洋地质-地球物理调查研究与地球系统科学之间的联系，指出地球系统科学理念的指导意义，对关注的问题做了论述。此外，本文还对未来海洋地质-地球物理调查研究方向做了展望，以期对今后的海洋地质-地球物理调查研究工作有一定的借鉴作用。

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一、海洋地质-地球物理调查的现状特点

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海洋地质-地球物理调查面向的对象是海洋水体、海底及海底岩石圈，依靠多种技术手段对地质体开展多方位观测，当前调查现状呈现4个特点。

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⒈调查平台多样化

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调查平台主要分四类，即空天的海洋卫星遥感、航空遥测载人机及无人机平台，海面的调查船、钻探平台、无人船平台、观测浮标网络，海水水体中的海洋潜标、载人/无人潜器平台，海床上的海底观测网络平台。

空天平台方面，我国航空物探实现了多型固定翼飞机、直升机、无人机、滑翔机、飞艇平台的对地探测能力、技术装备自主研发、多种装备和方法综合测量，可拓展在深海探测领域应用。无人水面航行器的测线航迹精度高达0.3m以内，可以开展浅水环境的海洋地质调查，水面无人艇的接口趋向通用性标准化，便于搭载多样化设备。无人机与无人艇联合可对难以到达的浅水及岛礁区开展海陆一体化地貌调查。

海面平台类型和数量众多。各国将调查船建设视为海洋科学调查研究重要保障，近50个国家拥有调查船，总数接近上千艘，我国各类海洋调查船87艘，大部分为综合性调查船。中国地质调查局在建全球首艘具备天然气水合物勘查试采、大洋科学钻探、海洋油气勘探三大功能的3万总吨级钻采船。新建调查船具备无人系统支撑功能，如南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）在建新型智能无人系统母船，广东智能无人系统研究院在建万吨科考船。

水下平台方面，潜标是开展海洋动力过程长期连续观测有效手段，可在海水中上下运动、实现自动剖面测量，分为水下绞车式、电机驱动沿锚系缆爬行式和净浮力式三种；水下可移动/可航行平台有自治式水下航行器（AUV）、水下滑翔器（AUG）、无人遥控潜器（ROV）、载人深潜器（HOV）、自持式剖面探测系统（Argo）等，具有灵活机动特点。

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海底观测网络平台采集的数据可支持多个海洋学科研究。如美国通过“海洋观测计划（OOI）”形成东北太平洋的近海-区域-全球三大海底观测系统。加拿大西部太平洋海床上的“海王星”海底观测网，穿过大陆架和深海平原，延伸到活火山脊扩张中心，数据可传到互联网上，以开展板块构造、水气交互与洋流、深海生态系统研究。日本ARENA海底观测网络跨越板块边界沿着俯冲带海沟建造，DONET海底观测系统布设在伊豆半岛东南海域监测地震海啸。欧盟的ESONET海底观测网优选了大西洋、北冰洋、黑海、地中海的10个海区布设，为地球物理学、海洋学等科学问题提供长期监测。我国东海浅海海底观测网、南海深海海底观测网试验系统，用于采集海底视频、地球物理、海底动力、地磁、物理海洋及地球化学数据，具有综合性立体观测、数据深度应用、多种海底观测计划交叉融合特点。

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⒉调查装备高精化

高精度观测、高分辨率数据采集和精细结构的刻画，是深化理解地球科学中有关壳幔形成、演化问题的深层次内核，调查装备高精化是实现这一目标的基础，国内外海洋地质调查装备精度在不断提升。浅水多波束测量精度可达1cm，7000m级深水多波束测量误差在2%以内。多波束侧扫声呐设备采用动态波束聚焦技术，提高海底地貌及目标体分辨率。参量阵浅地层剖面仪对海底10m以浅地层内具有很好分辨率。高分辨率单道地震设备对海域浅表地层划分、岩土工程评价有独特优势。海洋重力仪系统动态重复精度可达0.25mgal（2min以内）。海洋质子磁力仪的绝对准确度可达0.2nT。海洋拖缆地震装备由二维单缆长度12km以上发展到最大拖曳32缆的三维四维地震勘探系统，海上及海底的宽频带、多传感器、多分量地震调查，可以显著提高对陆海过渡带、油气储层、海底冻土带之下的沉积物认识程度，逐渐成为海上地震调查的行业标准，在沿海只能航行小船的区域，韩国研发了小型的三维地震采集系统，可以获得2.5m面元尺寸的数据体。2021年，我国研发成功适用于全海深（11000m）海底地震仪耐压玻璃球舱，节点地震仪性能进一步优化，海底工作的时间和水深得到大幅度提升，智能自动化技术得到应用。海床式静力触探系统最大贯入深度可达50～70m，作业水深可达1500m。井下式静力触探系统作业水深可达1200m。在水深3000m常规海洋地质钻探取心技术有较大进展。深水钻探装备将在智能化、无隔水管泥浆闭式循环、钻机绿色节能、高效取心技术及极地环境适应性方面取得突破。

⒊技术方法系列化

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海洋地质-地球物理调查衍生出更多技术方法手段，朝立体探测体系发展。一是潜水器系列，具备全海深的载人深潜器、无人遥控潜水器、自主式潜水器、水下滑翔机、水下拖曳系统等，形成了潜水器系列的立体探测技术体系；二是海洋遥感系列，航空载人物探/化探飞机及无人机的航空遥感观测；水色传感器、红外传感器、微波传感器、合成孔径雷达（SAR）的卫星遥感观测。海洋遥感平台载荷的技术方法应用集中在浅海区域及海岛礁区，包括海岸线监测与变迁、浅海水下地形反演、海岛礁分布等，已形成海洋遥感立体探测体系；三是海洋地质调查取样技术逐步向可视化、集成化、自动化、数字化和水下动力定位方向发展；四是地质地球物理调查技术由近海向深远海探测技术发展，由船载向近海底、原位观测技术发展，由单一探测向集成化、精细化、多方位立体式综合调查发展。总体看来，技术方法系列化，将不断拓展海洋地质-地球物理探测的空间领域，构建“空-天-海-潜”立体探测体系。

⒋调查目标综合化

首先，随着调查装备高精化和技术方法系列化，在一轮调查中可对多个要素调查监测，同步对一个海域地质体开展多要素调查，获取多方位数据资料，可提高识别准确度，减少多解性。如在海域区域地质-地球物理调查中，可同步开展海流、水质、温盐深、多波束水体探测及地形测量、重力磁力、地热流、沉积物取样及地层结构构造的单道、多道地震探测等调查观测。其次，各涉海单位各具自身优势和特色，从而对海洋地质-地球物理调查目标各有侧重。如美国伍兹霍尔海洋研究所主要开展海洋深部探测、海岸侵蚀、海洋洋流、海洋污染及全球气候变化调查；美国斯克里普斯海洋学研究所综合性很强，面向海气相互作用，深海锰结核，海岸侵蚀及污染影响，板块构造和海底扩张等200多个目标；法国海洋开发研究院主要调查研究海洋-岩石圈界面、海洋建模、海洋社会生态系统等；我国自然资源部所属的海洋地质调查研究单位基于公益性质，侧重于海洋基础地质综合调查等。

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二、地球系统科学理念的指导意义

⒈地球系统科学研究进展

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地球系统科学诞生于温室效应等的气候科学研究，目前在观测、机理、建模与解决方案4个方面取得进展。观测方面，美国建立了地球观测系统（EOS）对全球陆地表面、生物圈、地球空间、大气以及海洋进行长期观测；建立地球系统任务（ESM），加深对气候系统与气候变化认识；建立联合极轨卫星系统，用于天气预报和环境监测；发射Land-Sat系列卫星用于调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源，监视农、林、畜牧业和水利资源利用，监测自然灾害和环境污染等。法国研发了地球观测系统（SPOT）系列卫星，监测土地利用、植被及覆盖变化、自然灾害评估等。欧盟与欧洲航天局的“哥白尼计划”，由“哨兵”系列遥感卫星与陆地、海洋、大气等监测传感器组成，通过协调管理和集成，实现环境与安全的实时动态监测。我国的卫星、平流层飞艇和飞机高分辨率对地观测系统，应用于国土资源、环境保护、精准农业、防灾减灾等领域。机理研究方面，揭示了地球系统要素不同时空尺度下的变化规律与影响，包括大气过程、海洋过程、陆地过程、冰冻圈过程等，这些过程相互影响、相互作用。建模方面，美国地球系统建模框架（ESMF）拥有40多个模型，包含大气圈、大气动力学/物理学模型、海洋、陆地和陆表、水文学模型等。中国科学院开发了地球系统模式（CAS-ESM），集成了大气、陆面、陆冰、海洋、海冰等分量模式。解决方案方面，2015年《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》，目标是将全球平均气温较工业化前水平升高控制在2益之内，努力控制在1.5℃。

⒉对海洋地质-地球物理调查研究范式的指导意义

地球系统科学建立在遥感技术、计算技术和大量观测试验基础上，代表了地球科学集成研究的新方法。地球系统科学直面的问题具有全球性和复杂性，决定了其研究过程必然是以重大问题为导向，以开放集成为组织模式，学科融合，领域整合，将调查与评价、观测与探测、建模与预测作为其技术体系的“数据密集型科学发现”范式。海洋地质-地球物理调查研究既涉及岩石圈、壳幔结构等固体结构，也涉及水圈、大气圈等流体结构，成为联系内外部圈层的纽带，是地球系统科学研究的重要组成部分。

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海洋地质-地球物理调查研究方法包括野外调查、仪器观测、大地测量、航空航天和遥感技术、实验室分析测试、科学实验、历史比较法及综合分析法等，作为地球系统科学框架下的子系统，其调查研究范式正由经验范式、理论范式向数据密集型范式转变。一是大数据。数据来源、数据种类、数据量在大大增加。如全球海底观测网观测数据每年以PB级增长。海洋遥感数据种类、空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率不断增加和提高，数据量呈爆炸式增长。国际大洋钻探50余年来已执行297个航次，岩芯长度超过400km，形成15类近200项数据类型。中国地质调查局地质云平台的数据量达7PB。二是合作性。单个机构或团队不可能拥有所有调查数据及相应的研究能力，各单位必须各有侧重，协同合作。三是学科融合。在一轮海洋地质-地球物理调查观测中获得多学科数据资料，为学科融合研究提供了同步数据基础。四是数据驱动。海洋地质-地球物理调查数据具有数据体量大、种类多样、不确定性高的大数据特点，可将深度学习数据驱动作为对地质地球物理模型的补充与增强。

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⒊对海洋地质-地球物理调查研究方向和内容的指导意义

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地学界正以地球系统科学为框架制定发展战略。常规海洋地质-地球物理研究方向及内容涉及海岸与海底地形地貌、地质构造、岩石、沉积物、矿产资源及大洋地质历史等。近年来对海域天然气水合物、热液矿床、海洋气候、环境、生态系统、生物多样性、水文动力等资源与环境问题的关注得到加强，并延伸到岩石圈与水圈、生物圈、大气圈等交互作用。任纪舜先生提出大地构造研究必须跨越板块构造，将地球当作整体，用全球动力学，以至天地合一的动力学研究。要解决海岸带的问题，不能孤立地依靠狭窄的海岸带本身，需要向影响海岸带的内陆区域扩展，向海洋延伸，形成整合科学。我国近岸海洋地质调查，需要从地球系统和陆海统筹角度，精准对接经济社会发展需求，解决海洋开发过程中的问题。

海洋地质-地球物理调查研究方向及内容包含在整个地球系统科学大框架中。我国未来15—20年的重点调查区域在中国近海，尤其是南海；热点区域是西太平洋、南北两极；前沿领域是海域天然气水合物、近海盆地中-古生代深层油气、西太平洋板块构造活动机制及演化规律、海上丝绸之路沿线海域综合地质调查；跨学科研究则涵盖了大洋中脊、海底沉积物、矿物地化特征、深海采矿、板块俯冲过程、地震引发的海啸、海底热液及采矿、海底环境等。综合地质-地球物理探测手段可用于深部结构探测，如西太平洋雅浦俯冲带，国内利用高分辨率地震台站开展广角反射-折射海陆联测，研究西太平洋板块俯冲的影响，揭示了华北克拉通和扬子克拉通东部岩石圈减薄机理和过程，体现了陆海统筹的地球系统科学理念。

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⒋对海洋地质-地球物理调查技术架构的指导意义

海洋地质-地球物理调查技术架构包括调查平台、调查装备、技术方法、标准化体系等。随着空间技术、对地观测技术发展，各地学分支学科已认识到其研究对象仅是地球系统当中某个组元或子系统，要解决全球性可持续发展重大问题，需要在地球系统非均衡理论、耗散结构理论、引力场理论等核心指导下开展研究。

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调查平台方面，将逐步建立“空天-海面-水体-海床”全覆盖平台系统，如互相结合的深海钻探、深网观测、深潜探索的“三深”技术为海洋地质发展提供了技术支撑。

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调查装备及技术方法方面，将逐步建立各类立体探测体系，包括海洋地球物理调查间接技术方法，如声波地形地貌测量、地震、重力、磁力、地热、电磁测量等；直接地质技术方法如海底取样及钻探；非常规技术方法如水下机器人、水下摄影、海底原位观测、雷达测量等。

标准化体系方面，随着调查复杂性增加，实施过程中需要标准化体系管理。一是数据样品采集处理标准化，海洋地质-地球物理调查多源异构大量数据的获取手段在发生改变，为保障多年来先后数据的连贯性一致性，需要研制数据样品采集处理标准；二是样品数据同化标准化，各圈层的历史演变资料获取的方法和手段各异，精度不一，需要统一规范下的同化融合和集成，如为保证测量一致性，有必要开展海洋沉积物、多金属结核、富钴锰结壳等海洋地质标准物质系列的研制；三是数据融合标准化，多部门的海洋地质数据具有分布式、多源、异构的特点，需要开展数据融合的标准化。如地学元数据标准研究是各种地理信息共享的关键，利用元数据标准化，统一管理分散的数据资源，通过网络实现数据共享与服务；四是数据共享标准化，当前存在统一规范描述缺乏、共享机制不明、语义异构等问题，使数据在共享、融合和复用方面有所滞后，需要开展基于知识图谱的数据获取、访问和融合的构建方法及机制研究完善。

三、几个关注的问题

⒈合作调查研究

在国际合作方面，我国注重与“一带一路”沿线国家科研机构的海洋地质研究合作；随着“冰上丝绸之路”北极航道合作、《中国的北极政策》白皮书的发布，南极、北极国际合作有了良好局势；通过国际大洋发现计划（IODP）在南海北部洋陆过渡带钻探，国际交流合作提升了中国对钻探平台管理和人才培养，黑海天然气水合物地质调查、中国-巴基斯坦海洋科技是未来合作的重点。在国内合作方面，如2012年我国国家海洋调查船队成立，是由多个涉海部门共同打造的首个全国共享的海洋调查基础平台，主要承担国家海洋基础性、综合性和专项调查等任务，以及国家重大研究项目、国际重大海洋科学合作项目和政府间海洋合作项目涉及的调查任务。2017年广东海洋创新联盟成立，由海洋行政主管部门、涉海高校、海洋科研院所、涉海企业共同搭建，可实现大数据、重点实验室和科考船共享。我国成立的海洋组织具备一定的船队协调与运行管理职能，有利于统筹协调我国的海洋调查船，推动调查船的开放与共享。

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⒉大数据分析挖掘

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大数据方法论和网络基础设施的进步，推动形成了数字孪生地球的概念。随着信息技术和海洋观测的进步，海洋地质-地球物理调查作为海洋科学的重要部分，也正在进入大数据时代。同时，海洋地质-地球物理调查具有高投入、数据采集困难特点，数据采集往往跨越了较长的时间周期，应强调对已有数据及成果的综合利用，重视大数据处理技术研发应用，优化海洋地质-地球物理调查大数据的生命周期。德国科学家Markus提出了地球系统大数据挖掘的改进机器学习算法即混合模型方法，将物理过程模型与数据驱动机器学习的通用性相结合。在地质调查领域，卷积神经网络深度学习方法、关联规则和推荐系统算法等已开始被应用。基于云计算、大数据、人工智能等理念的“地质云”，目前正逐步应用于基础地质调查、海洋地球物理探测等领域。

⒊一体化信息化建设

信息与数据共享问题是制约地质调查发展的瓶颈，海洋地质信息化建设是大数据时代海洋地质-地球物理调查发展趋势，可有效挖掘信息中的利用价值。“数字海底”“数字海洋”是海洋地质学、地理信息系统、遥感、计算机等学科的融合，是一项长期、综合的海洋调查活动。海洋地质调查信息化包含野外数据采集的数字化技术、调查业务流程的在线化技术，分布式大型数据库技术以及海洋地质信息化工作标准等，信息化建设强调一体化理念。中国地质调查局“地质云V3.0”已发布使用，构建了地球科学“一张图”大数据体系，包含了海洋地质等11大类近百个核心数据库，将为全社会提供数据信息服务。青岛海洋地质研究所研发的海洋地质调查全流程信息化支持系统，可实现海洋地质数据采集、汇聚、存储、管理和服务全流程在线化模式，用于海洋地质数据在线汇聚、电子资料在线归档、项目信息化成果验收等。谷歌Earth开发了一种新的综合系统，可以实时提供海上工区的综合地球物理背景场数据，使得在地质-地球物理调查中，及时发现局部异常和观测错误，在线信息化可保障调查数据的准确有效。

⒋调查数据共享

数据共享可避免高成本数据资源重复采集与浪费，是世界地调机构的发展趋势。根据数据来源、精度和范围，开展数据分类定级研究，拓展数据共享范围，提高海洋地质地球物理信息资源利用率。以数据中心为实践主体，形成数据资源分类体系，突破数据共享中的元数据处理、分布式互操作、大数据智能分析、数据安全保密、数据同化等关键技术，逐步减少“数据孤岛”现象。在数据库技术上，实现各调查单位之间的面向业务的海洋地质调查数据的集成共享。加强数据共享基础设施建设，如广州海洋地质调查局以成图建库一体化为理念，实现了地理信息数据库数据与编图数据的一体化，搭建了数据共享服务平台。

四、展望

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我国的海洋地质-地球物理调查起步于二十世纪，先辈们的梦想是踏遍中国海，挺进太平洋，登上南极洲。地球系统科学时代海洋地质-地球物理调查的新使命是“查清中国海、经略三大洋、谋定南北极”，未来几点展望如下。

⑴调查理念：以地球系统科学理念为指导，促进海洋地质-地球物理调查工作转型升级，调查时间和空间范畴拓展，从相对独立的数据观测和数值模拟，转向新数据获取和大数据支撑模式的调查研究。调查区域涵盖重点海域、海岸带、岛礁、沿海重点经济带及湾区，重视陆海统筹。调查目标覆盖海洋水文、气象、化学、环境、生态、生物多样性、自然资源、地质地球物理等领域。

⑵装备技术：系统获取海洋地质-地球物理基础数据，开展多时空尺度、高精度高采样率调查。国家层面，建设多样式调查平台，装备向集成化、精细化、多方位发展，综合调查与专业调查相结合，建设“空-天-海-潜”海洋立体探测装备体系。涉海调查研究单位层面，每家单位支撑平台、装备技术难以全面覆盖，发挥各自优势，实现调查能力互补。

⑶方法手段：依托观测与模拟技术的进步，调查方法手段将转型拓展，更紧密与空间信息技术、大数据、云计算与人工智能相结合。

⑷合作研究：海洋地质-地球物理调查涉及多尺度、多场和多界面问题，要解决“大科学”海洋地质问题，多单位、跨部门、国际合作研究是必然趋势。

⑸数据融合、交换与共享：在数据综合集成、跨专业、跨学科的调查数据融合需求下，部门之间数据资料的融合、交换与共享是一个趋势。

【作者简介】文/韦成龙 王瑞 万晓明 裴丽欣，分别来自同济大学海洋与地球科学学院海洋地质国家重点实验室、中国地质调查局海口海洋地质调查中心、自然资源部海底矿产资源重点实验室、中国地质调查局广州海洋地质调查局。第一作者韦成龙，1976年出生，男，博士研究生，正高级工程师，主要从事海洋地质调查、探测技术方法与装备研究；通讯作者王瑞，1984年出生，男，硕士，高级工程师，主要从事海洋地质、工程钻探技术研究。本文为基金项目，海南省科技专项基金资助项目（ZDYF2023GXJS011）、广西壮族自治区开放基金资助项目（KFKT2022001）。

END

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信息来源 |文章来自《海洋技术学报》（2023年第3期），参考文章略，用于学习与交流，版权归出版单位与作者所有。

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转载：由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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