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海大专家团队研发可探查万米海沟的“千里眼”

2017-03-16

  在2016年度“中国十大海洋科技进展”评选中,“我国组织开展马里亚纳海沟多学科万米综合试验并取得一系列原创性成果”荣登榜单。这些原创性成果大幅深化了深渊海多尺度动力过程、微生物群落与海沟要素互作过程及海洋药物资源等方面的认知水平,为我国海洋环境安全保障以及全球海洋动力环境研究提供了重要支撑。

  海洋蕴藏着丰富的资源,同时也是全球气候系统中的一个重要领域。尽管随着科学技术的发展,人类的“足迹”几乎遍及海洋的每个角落,但以马里亚纳海沟为代表的大洋深海海沟仍是未被完全勘测的神秘区域。马里亚纳海沟深达11000多米,是全世界海洋最深之处,被称为“地球第四极”,一直是世界各国海洋科考的一个难关。

  为推动我国深海海沟科学研究与技术协同创新进程,开创海洋动力、地质、生物、化学等多学科深度融合,由中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室教授田纪伟领衔的中国海洋大学和青岛海洋科学与技术国家实验室(以下简称海洋国家实验室)专家团队,先后于2016年1月和9月组织开展了世界第四极观测系列航次,开展了马里亚纳海沟多学科万米综合试验,取得一系列原创性成果,打造了可以探查万米海沟的“千里眼”,为我国深海研究的发展贡献了智慧和力量


▴万米海洋科学综合观测潜标



  • 构建全球首个马里亚纳海沟综合观测网


  马里亚纳海沟是太平洋底层水经雅浦海沟进入菲律宾海,而后进入南海的必经之路,在海洋和地球深部碳平衡与碳循环中扮演着重要角色,在研究西太平洋暖池区深海过程对全球海洋环境变化及气候的影响中具有极其重要的地位。然而,由于缺乏对马里亚纳海沟长期连续综合观测的资料,严重制约了西太平洋暖池区深海过程研究的纵深交叉,致使海沟极端条件动力、地质、化学及生物过程相互作用机制,海沟储碳机理和对全球碳循环的影响,以及海沟深海过程对全球海洋气候的影响等前沿科学问题的研究进展缓慢。

  海沟过程的空间结构与时间变异研究是当今深远海研究的前沿领域。为开展海沟不同过程长期连续观测,中国海洋大学自主研发了深海多学科综合观测潜标,并在10500米深度成功布放了1套海洋科学综合观测潜标,潜标上集成了4套深海沉积物俘获器、CTD、海流计、溶解氧等用于多学科观测的传感器,和4套海洋动力过程观测潜标,这将为开展马里亚纳海沟深海动力过程、生物地球化学过程等方面的研究提供宝贵的现场资料。

  2016年1月,以田纪伟教授为首席科学家的“西太平洋中南部水体综合调查冬季航次及马里亚纳海沟综合试验航次”在马里亚纳海沟构建了由5套上述综合观测潜标、9套地震仪、1套深海边界层测量系统构成的深渊观测系统,这在国际上尚属首次。该系统以马里亚纳海沟全深度动力环境特征为主体,围绕深渊环境海底边界层动力过程与地质沉积过程、生物地球化学过程及海沟动力学演化过程等研究热点开展系统观测。

  2016年9月,田纪伟教授团队在“西太平洋中南部水体综合调查夏季航次及马里亚纳海沟综合试验航次”中,于马里亚纳海沟10500米深处成功回收了2016年1月布放的深海潜标,获取了包括物理海洋、海洋地质、海洋生物化学等多学科要素在内、时间达半年以上的海沟现场长期连续观测资料。该潜标为国际上首套成功布放并回收的万米多学科综合观测潜标,不仅标志着我国在潜标研发及布放回收方面达到国际领先水平,更奠定了我国在深渊海洋探索这一国际前沿领域的重要地位


▴布放三脚架海底边界层观测系



  • 自主研发世界首套大体积万米采水器等设备


  深海微生物基因组学、蛋白组学、代谢组学、脂类组学及其微生物与深海要素互作过程等方面研究需要大体积的水样,因此,深海大体积水样是开展深海生物地球化学过程研究的必要保障。一直以来受当前国际上采水设备技术能力的限制,马里亚纳海沟深层及底层大体积水样迟迟未能获取。针对这一技术瓶颈,中国海洋大学自主研发了世界上第一套万米大体积采水器等深海采样设备,于2016年1月顺利采获了马里亚纳海沟8700米深处的水样,2016年9月又获得马里亚纳海沟10500米处400升大体积水样和海沟侧坡处沉积物柱状样品。上述水样及沉积物样品为研究海沟动力过程、生命起源与演变、地球生物化学循环及其海洋药物资源提供了宝贵的现场数据、样品与资料。这也是目前在马里亚纳海沟深水区采到的最大体积的水样,还将成为深海微生物宏基因组、RNA、水团性质等方面研究的宝贵资料。

  同时,田纪伟教授团队在“西太平洋中南部水体综合调查航次及马里亚纳海沟综合试验航次”中,对4000米深海Argo浮标、远程AUV、波浪滑翔机、深水实时式/自容式高清摄像机、万米深水采样装置及深海万米重力沉积物采样器等8种完全自主研制的海洋仪器与装备开展了系统化的海上试验,为我国自主研发深海仪器装备产品提供了技术数据,改变了我国深海仪器与装备受制于人的被动局面。


▴自主研发的万米声学控制采水器



  • 从跟踪国际先进到引领世界深海科学创新


  中科院院士、海洋国家实验室主任、中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室主任吴立新教授表示,此次一系列深远海科考工作,特别是马里亚纳海沟大规模、长达近一年的定点多学科综合观测系统资料的成功回收,标志着这种被称为“把人类的眼睛放到万米深海”工程的成功实施,并促使我国深海科技创新能力从“跟踪国际先进水平”向“引领世界深海科学创新”改变。多学科领域综合考察任务的完成对促进中国海洋大学深远海综合海上调查的发展以及海洋学科交叉研究能力、协同创新实力提升具有重要意义。该航次是海洋国家实验室启动的以战略任务为导向的首个面向全国的远洋科考开放共享航次,标志着海洋国家实验室深远海科考平台进入实质性运行阶段,对我国海洋领域协同创新、共享机制的形成与应用具有重要意义。

  海洋国家实验室常务副主任王栽毅介绍说,“万米深海行动计划”使海洋国家实验室最终形成“深潜、深钻、深测”的强大能力,确立了我国在全球深海竞争中的主导地位。此次共享航次,是有效统筹国家涉海资源,打破行业条块分割、部门壁垒的有效实践。


▴田纪伟教授(中)在海上科学考察现场指导


  此次试验使我国对“地球第四极”的马里亚纳深海海沟研究从传统的短期航次调查研究进入了长期、连续、系统的观测研究时代。该综合试验所取得的一系列原创性成果,大幅深化了深渊海多尺度动力过程、微生物群落与海沟要素互作过程及其海洋药物资源等方面认知水平,为我国海洋环境安全保障以及全球海洋动力环境研究提供了重要支撑。

  除中国海洋大学,此次试验参与单位还有同济大学、厦门大学、山东大学、中国科学院海洋研究所、中国科学院深海科学与工程研究所、中国水产科学研究院黄海水产研究所、中国地质调查局青岛海洋地质研究所等国内十余家一流深海研究机构,这对于整合国内深海科学研究与技术队伍,推动我国深海科学与技术协同创新都具有里程碑意义。




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