深海探测设备 -深海探测器的作用

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从20世纪60年代至今，发达国家率先向深海大洋进军，深海探测技术发展迅速。调查船、钻探船（平台）、各类探测仪器、装备，无人／载人／遥控深潜器、水下机器人、取样设备、海底监测网等相继问世，探测广度和深度不断刷新。在深海极端环境、地震机理、深海生物和矿产资源，以及海底深部物质与结构等领域取得一系列重大进展和新发现。

　1美国

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　　首开钻探深海底美国是世界上最早进行深海研究和开发的国家。早在1957年，美国科学家就曾提出莫霍计划，试图钻穿洋壳最薄处，获取地壳深部和地幔物质样品。后因钻探技术和经费问题而中途夭折。1964年，为进一步解决深海钻探问题，美国三大海洋研究所和迈阿密大学海洋与大气学院联合提出“深海钻探计划”（DSDP）。科学家为了得到整个洋壳6km的剖面结构，从而获取地壳、地幔之间物质交换的第一手实际资料，美国自然科学基金会从1966年开始筹划“深海钻探计划”，“格罗玛·挑战者”号深海钻探船首次驶进墨西哥湾，开始了长达15年的深海钻探。该船所收集多达百万卷的资料数据已成为地球科学的宝库，其研究成果证实了海底扩张，建立了“板块构造学说”，为地球科学带来了一场震撼世界的“地学革命”。同时创立了一门研究中生代以来古环境变化的新兴学科“古海洋学”。在两大国际合作计划中，美国也以其先进的技术处于领导地位。除了深海钻探船、深潜器、水下机器人、液压活塞取心器（HPC）、延伸式岩心筒（SCB）、Seabeam测深系统和Towcam深拖系统外，美国领先于世界的最先进技术是深海科学观测光缆。这一技术则是将观测平台放置海底，通过海洋研究交互观测网络（ORION）向各个观测点供应能量、收集信息，可以进行多年连续的自动化观测。科学家可以在陆地研究基地通过网络实时监测自己的深海实验，指令实验设备监测风暴、海流、波浪、潮流、藻类勃发、地震、浊流等各类突发事件的发生。美国拥有“阿尔文”号深潜器。1976年，美国海洋科学家在东太平洋和加拉帕戈斯断裂带水深2.5km处发现海底热液喷溢口；1978年，美法联合使用Cyana号，在东太平洋海隆首次发现热液硫化物；1979年，美国Alvin号再度下潜，发现了“黑烟囱”及其喷溢口周围呈环带状存活的生物群落。在载人深潜器技术上虽然落后于日本、法国、俄罗斯，但在AUV无人无缆水下机器人方面处于国际领先地位，应用于大深度、长航程和遥控遥测及军用，其代表产品是蓝鳍金枪鱼-21型自主式水下航行器，是美国军方研发的一种专业水下搜寻设备，它可以潜入水下4500m深处，在配置相关声呐后能以最高7.5cm的分辨率搜寻水下物体，在失联马航客机搜索中开始崭露头角。

　　２日本

　　最先进的深海钻探船日本在深潜器技术和运载系统方面居世界领先地位。日本的“地球”号是目前世界上最先进的深海钻探船（见上图）。“地球”号（5.7万吨级）能向海面下伸长1万米，在2.5～3km水深海域也能钻探到海底地壳下约7km处的地幔。船上配备先进的设备，如DeepTow深海曳航照相／声呐系统，可进行海底地形、地质、热液、资源等走航探测；液压活塞取样系统从海底钻取的岩心，就可以现场分析岩心的内部结构。“地球”号除了帮助人们探究地球形成和大地震发生的机理，通过分析地幔的物质成分来预测地震外，还担负着研究地下生物圈以探索生命起源，以及追踪过去气候变化的痕迹的任务。日本引以自豪的载人深潜器（HOV,Shinkai深海6500）和水下机器人技术（AUV，ROV）也广为应用于深海探测中。自治式深海探测器“浦岛”号可根据内置计算机预先设定的程序，计算自己的定位，自行走航。“浦岛”能够在更广阔的海域范围内自动收集研究全球气候变暖机制所必需的海水盐分浓度、水温等数据。万米级遥控无人探测器“海沟”号在建造完成后不久，于1995年3月就成功潜航至马里亚纳海沟10911m的深处，确认了海沟断崖和存活在3.5～10987m的深海极端环境下的6种有孔虫，并在马里亚纳海沟底部发现了约180种微生物。日本的区域性实时地球监测网（ARENA），可为研究地壳变动、地震机理、古环境和生命基因等提供实际的资料。为调查其专属经济区的海底资源，日本正在研发新一代无人深海探测器，作业深度可达2.5和4.5km。它可按照预先设定的路线程序潜入海里，在离海底50m的高度使用声波扫描地形，获取精确数据。近年来投入使用的2台水下机器人除了探测海底热液矿床外，还可以对Cu、Zn、Au、Ag、Ge、Fe、Mn、Co、Ni等矿物资源进行探测。有望在大洋海底发现锰、钴、铅、锌和其他稀有／稀土金属矿。

　　３巴西

　　一流的深海油气勘探开发技术巴西可用于3km水深的半潜式钻井综合平台已研制成功，这意味着大部分陆坡地区可以进行深水油气勘探开发。目前巴西国内开采的石油80%来自海上油气田，其中绝大部分集中在东南部里约热内卢州沿海的坎普斯海盆，东北部桑托斯盆地盐下层系和邻近海域（占巴西国内石油产量的85%）。近年由于在盐下层系发现丰富的油气藏，估计巴西石油储量在500～800亿桶之间，将足够开采50年。经过多年的发展，巴西国家石油公司在深海和超深海勘探开发领域具备了世界顶尖的技术水平。该公司不断刷新世界深海油气勘探开发的水深纪录（最深达3051m）。如利用3D地震技术陆续发现了大批深水油田，其中有4个是可采储量大于1亿吨的大型油田，可采储量共达13.51亿吨。为了提高自身在＞1km水深级别的石油勘探和生产技术的国际竞争力，巴西国家石油公司于1986年推出了第1个深海石油技术发展计划（PROCAP）。目前水深2km以下海底石油商业性开采已经实现，水下机器人可将采油设备运到海底安装，输油管将油井与海面上的油船连接，开采出来的原油就源源不断地输送到海面上的油舱。2007年11月，巴西国家石油公司成功研发出一种新型的海底原油开发技术，可使深水重油开采量提高近140%。这项“海底离心泵系统”新技术可日均产出2.4万桶原油，而利用常规技术（采油树）时其产量仅为1万桶。这种离心泵系统还可延伸到传统技术无法触及的小型、边缘和深水域的油气田。

　　４俄罗斯

　　深海载人潜水器有优势俄罗斯的载人深潜器一直处于比较领先的地位。前苏联就已拥有深海运载器和平1号、和平2号（见上图）、Pisces和MT-88自治水下机器人。近20年来，MIR-Ⅰ和MIR-Ⅱ在太平洋、印度洋、大西洋和北极海区共进行了20余次科学考察，包括对失事核潜艇“共青团员”号核辐射的定期监测、泰坦尼克号沉船的海底调查和洋中脊水温场地热流的测量，MT-88探测器曾多次下潜到太平洋5.2km大洋盆地对多金属结核矿区进行勘查。和平1号潜水器最深达水下6.17km，可持续作业14h，和平2号潜水器可深潜6.12km。俄罗斯的2台潜水器可以放在同一条科考船上进行必须由2台潜水器操作的科考活动，这是其他国家无法实现的。2007年8月，俄罗斯北极科考队使用深潜器，在北极点下潜至超过4km深的海底，安插了一面金属制作的俄罗斯国旗，充分显示了俄在深海潜水技术上的优势。俄罗斯还打算在6km深海载人潜水器的基础上，进一步研发水下超万米的探测器。1991年，俄罗斯建造了“北冰洋陆架号”第1艘海上钻探船，用于海上油气勘探开发活动。随后又建造了可在2～3km水深作业钻探平台，用于勘探开发深海油气资源。2000～2005年，俄建造了5艘5万吨级双壳体深海地质勘探船和2艘2.5万吨级深海矿物探测船，并装配有探测海底硫化物的遥控水下机器人。俄研制的海底采矿和扬矿样机已进行了200m水深的海上试验，深海试验的集矿机模型和管道提升试验在室内进行了6km压力试验。此外，还进行了用于海底山钴结壳采矿机的研制。

　　５欧洲各国

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　　深海技术各有特长在深海勘探和开发领域技术领先的国家远不止美、日、巴、俄4国，一些西欧和北欧的国家也各有擅长之处。在深海石油勘探开发方面，英国和挪威的钻采平台自给率达到80%，虽然平台装备的钻井、井探、固控等设备及海底完井设备大部分来自美国、法国和巴西，但他们分别在定位技术、钻机顶部驱动技术方面具有领先优势。英国的深海采矿技术主要为试验性开采系统，主要由泵吸采矿机、吊桶链或无人遥控潜水器组成。对大洋多金属结核主要采用3种采矿方法，即连续链斗法、水力升举法和空气升举法。通过进行比较研究和现场试验，认为空气升举法是开采结核的较好方法（每天可提升矿石产量达1万吨）。同时，还对红海金属软泥进行大量的调查研究。此外，英国研制的远程侧扫声呐GLORIA测绘系统处于世界领先地位。它在5km水深测量时，侧扫宽度可达60km，每个工作日可探测海底2万km2，是一种有效的大面积快速海底地形地貌探测工具，已广泛用于世界各深海大洋海底调查，并发现了一些新的海底峡谷、海底山和火山。法国的高压石油软管制造技术，半潜式、自升式钻井平台建造技术和深潜技术等著称全球。法国拥有载人的深潜器鹦鹉螺号、LaCyana、ROV探测器Epaulard和Victor自治水下机器人。Nautiie先后下潜过700余次，Cyana也有1500次的深潜纪录，Epaulard完成了150个航次下潜。先后共同完成了大洋多金属结核区域、海沟、海底火山、洋脊热液和深海生态的等调查或探测。德国拥有的“北极星”（见上图）、“流星”和“太阳”号都是常年在世界深海大洋作业的调查船，可从事海洋、地质、大气等领域研究。其中“太阳”号是第1艘具有动力定位系统的调查船，船上装备包括回声测深仪、沉积物探测仪、卫星导航系统、联网的计算机系统、荧光分光光度计、衍射仪等，可同步进行海洋地质、地球物理、地球化学等方面的综合性调查。德国的石油钻井设备制造技术及仪器仪表技术亦堪称世界一流水平。欧洲意大利的海底铺管技术、管线涂敷技术，瑞典的动力定位海底铺管技术，荷兰的大吨位海上浮吊技术及海底工程地质调查技术等均可称冠于世界前列。英、德、法等国制定了“欧洲海底观测网计划（ESONET）”进行长期海冰变化，生物多样性和地震活动观测。

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　　６韩国

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　　深海石油钻探船技术领先韩国于2007年6月使用“探海2号”船，在其附近海底采到“可燃冰”，成为继美国、日本、印度和中国之后第5个采集到实物样的国家。目前韩国正在研发6km深海探矿机器人。韩国三星重工业公司拥有建造深海石油钻探船的独到技术。迄今为止，全球共发出17艘深海石油钻探船的订单，三星获得其中的11艘，其竞争实力可见一斑。不久前，韩国工程师设计开发了一款巨型螃蟹机器人CrabsterCR200（上图所示），是当今世界上个头最大的深水行走机器人。能够胜任诸如海底地貌勘测、水下管道架设等普通设备难以完成的工作，而6条巨大而坚固的机械腿将让其有能力在起伏不平的海底保持平衡与移动能力。配备有高清彩色摄像机、声纳探测以及一根500米长的控制线缆等多种探测设备。未来科学家计划将其投放到黄海水域以探测并发现处于200米水下的12世纪沉船。

（来源：海洋工程）

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