姬再良,董樹(shù)文

1)加拿大維多利亞大學(xué)地球海洋學(xué)院,加拿大維多利亞 V8N5J6;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037

人類對(duì)地球科學(xué)的研究,將會(huì)是永無(wú)止境的探索。對(duì)于人類來(lái)說(shuō),探索地球的未知領(lǐng)域并不比宇宙空間少。加拿大“海王星”是獨(dú)辟蹊徑,史無(wú)前例、前所未有的探測(cè)地球海洋真面目的工程項(xiàng)目,從而又一次揭開(kāi)了地球科學(xué)新的研究篇章。

千百年來(lái),人類一直是在地面或海面這個(gè)平臺(tái)來(lái)觀察地球的。自20世紀(jì)人類上天后,開(kāi)始利用空中遙測(cè)、遙感這第二個(gè)平臺(tái)來(lái)了解地球。21世紀(jì)開(kāi)始,人們又設(shè)想在極其廣闊的海洋、海底建立起第三個(gè)平臺(tái),在地球海洋中建立實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)體系,跨入嶄新的海洋網(wǎng)絡(luò)世界。

1 加拿大“海王星”的意義

實(shí)時(shí)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)體系,是在不同深度的海水層柱體中,對(duì)動(dòng)蕩不安的海底,對(duì)從未安分守己、相持不下、吞沒(méi)鄰邦、永不停息運(yùn)移著的地殼板塊,對(duì)生態(tài)環(huán)境變化、千姿百態(tài)的海洋生物群落進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)控、實(shí)時(shí)觀測(cè)、實(shí)時(shí)測(cè)量和實(shí)時(shí)直播。加拿大號(hào)稱“水下哈勃HST (Hubble Space Telescope)”的“海王星”(NEPTUNE,海洋網(wǎng)絡(luò)體系;NEPTUNE Canada,2011a)工程體系是觀測(cè)研究地球這一領(lǐng)域的一個(gè)典范和新創(chuàng)舉。通過(guò)直接把相關(guān)數(shù)字化信息傳送到互聯(lián)網(wǎng),觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)體系可以實(shí)時(shí)窺探海洋動(dòng)態(tài),使科學(xué)家及其愛(ài)好者們能隨時(shí)隨地窺探浩大的海底世界,將碩大無(wú)朋的大洋海底作為科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)中心、實(shí)驗(yàn)世界。對(duì)地球變幻莫測(cè)的本性、海洋變化萬(wàn)千的神秘面紗探賾索隱,開(kāi)啟研究地球的新篇章。

互聯(lián)網(wǎng)早已覆蓋地球七大洲,但僅占地球面積的 25%,若將占地球總面積 75%的四大海洋也互聯(lián)網(wǎng)化,那將會(huì)跨上開(kāi)拓研究地球、開(kāi)創(chuàng)前所未有認(rèn)識(shí)和了解地球的新天地。海洋網(wǎng)絡(luò)化,不僅將為科學(xué)家及愛(ài)好者們提供、開(kāi)拓新的研究整個(gè)地球及其海底地殼結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)的良機(jī),也為研究海底的化學(xué)和地質(zhì)特性、監(jiān)測(cè)海洋氣候變化對(duì)海洋生物的影響提供無(wú)窮無(wú)盡的手段,特別是針對(duì)海洋生物界生態(tài)體系與海底之間聯(lián)系的奧秘。同時(shí)也可解開(kāi)海洋流如何形成,海底火山噴發(fā)規(guī)律性,海洋是怎樣控制、影響和支配整個(gè)地球溫度變化之謎。借助加拿大“海王星”儀器設(shè)備提供的數(shù)據(jù)信息,還可以分析地球周期性氣候變化規(guī)律和數(shù)千年來(lái),特別是最近上百年來(lái),人類對(duì)地球的影響和踐踏的嚴(yán)重程度,能加深了解并逐漸解答。

曾任加拿大維多利亞大學(xué)地球海洋學(xué)院院長(zhǎng),加拿大海王星項(xiàng)目前任負(fù)責(zé)人的克里斯?巴恩斯教授(Dr.Chris Barnes;University of Victoria,2011)強(qiáng)調(diào):“加拿大‘海王星’首次把互聯(lián)網(wǎng)帶到了大海里去,不斷傳遞和交流源遠(yuǎn)流長(zhǎng)、價(jià)值連城科學(xué)研究的資料與信息！”但是網(wǎng)絡(luò)只是實(shí)現(xiàn)宏偉科學(xué)目標(biāo)的一個(gè)手段,其主要目標(biāo)就是研究人類所知甚少海底地殼的結(jié)構(gòu)、海底火山和地震活動(dòng)規(guī)律性,研究海底的化學(xué)和地質(zhì),監(jiān)測(cè)海洋氣候變化對(duì)海洋生物的影響,更重要的是關(guān)注海洋生物的生態(tài)體系,以及地球溫度變化旋律周期。巴恩斯還說(shuō):“我們要借助加拿大海王星這套新工具,利用新的研究手段,揭開(kāi)地球海洋的神秘面紗！”同時(shí),加拿大海王星也邀請(qǐng)世界上所有工業(yè)機(jī)構(gòu)、科學(xué)家、自然科學(xué)愛(ài)好者們及其數(shù)以萬(wàn)計(jì)網(wǎng)民們一起來(lái)參與、奉獻(xiàn)精力,為這項(xiàng)前所未有嶄新科學(xué)實(shí)驗(yàn)課題出謀獻(xiàn)策,并能夠開(kāi)創(chuàng)嶄新的地球探測(cè)計(jì)劃和海洋地學(xué)計(jì)劃。利用已開(kāi)啟的加拿大海王星檢測(cè)儀器,獵捕地球海洋數(shù)據(jù)信息,把地球科學(xué)研究推向新高潮。

2 加拿大海王星覆蓋范圍

無(wú)可非議,加拿大“海王星”(NEPTUNE Canada)的創(chuàng)建,是人類發(fā)展史的又一飛躍。在海洋各層體及海底建立安放一套長(zhǎng)期的“哨點(diǎn)、監(jiān)控站、實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系”,一直是海洋學(xué)家、氣象學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、海洋生物學(xué)家執(zhí)著的夢(mèng)想。近十多年來(lái),在克里斯?巴恩斯教授的帶領(lǐng)下,逐步建立健全一套宏偉壯觀、規(guī)模浩大的加拿大“海王星”(東北太平洋實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)體系 North-East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiments——NEPTUNE,CANADA,N C),并還將不斷擴(kuò)大,以覆蓋整個(gè)東北太平洋區(qū)的胡安·德富卡板塊 (The Juan de Fuca PLATE;央視國(guó)際,2004)。

以探險(xiǎn)家胡安?德富卡命名的胡安·德富卡板塊是一個(gè)逐漸消失的小板塊,它從胡安?德富卡海嶺生成,并在卡斯凱迪山脈消減帶或稱為卡斯凱迪俯沖帶處消減于北美洲板塊西緣的北部之下。

胡安·德富卡板塊的面積為 2×105km2,處于加拿大卑詩(shī)省和美國(guó)華盛頓州境內(nèi)的太平洋海底,夾在北美板塊和太平洋板塊之間,其地理位置與地球海洋科學(xué)研究?jī)r(jià)值連城、極其重要,特別是海底火山活動(dòng)、地震和海嘯的預(yù)報(bào)(Museum of Natural History and Culture,2011)。更為重要的是,能進(jìn)一步論證由大陸漂移學(xué)說(shuō)和海底擴(kuò)張學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上提出的板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)(Plate tectonics;Kullerud,2011;百度百科,2011)。在胡安·德富卡板塊上建造的“海王星”創(chuàng)舉工程,將有助于了解和解開(kāi)地殼運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其奧秘。胡安·德富卡板塊的消減形成了含有火山的卡斯凱迪山脈和海岸山脈的北部,它們都是太平洋火山活動(dòng)圈的一部分,從南部沿北美洲的西海岸向南直抵加利福尼亞州北部。著名的圣海倫斯火山就是卡斯凱迪俯沖帶山脈中的一座火山。在卡斯凱迪山脈消減帶上,發(fā)生了離現(xiàn)在最近的大地震——震級(jí)為9級(jí)的卡斯凱迪山脈地震。根據(jù)本地海嘯沉積物的碳同位素測(cè)年記錄,它發(fā)生于1700年前后。根據(jù)日本的海嘯紀(jì)錄,這次大地震發(fā)生的精確時(shí)間是1700年1月26日星期二傍晚。

3 在太平洋西北部的研究進(jìn)展

一項(xiàng)最新的研究發(fā)現(xiàn),太平洋西北,即大西雅圖市、維多利亞市、溫哥華市地區(qū),是地球板塊不斷的運(yùn)動(dòng)、碰撞形成的斷裂帶,也就是構(gòu)造板塊造成的斷層(fault line),遠(yuǎn)比之前專家們所設(shè)想的更深,(作者懷疑有多條,需進(jìn)一步研究證實(shí)),這就意味著下一次大地震一旦在西岸(West Coast)發(fā)生,位于美國(guó)華盛頓州西北的奧林匹克島(Olympic Peninsula)

將遭到嚴(yán)重破壞(Peninsula Daily News,2011a),胡安海峽(Juan De Fuca Strait)逆掩斷層帶？一旦劇烈的太平洋板塊和北美板塊擠壓、推移變形致使奧林匹克島受到重創(chuàng),維多利亞、溫哥華、西雅圖周邊地區(qū)必受株連,萬(wàn)民遭殃在所難免。

據(jù)多倫多星報(bào)報(bào)道:“下次9級(jí)大地震該輪到我們了嗎？(The Big One:Are we next?;Moneyville,2011)”,加拿大西海岸面臨著將要發(fā)生的強(qiáng)震及海嘯,堪稱西海岸的滅頂之災(zāi)。也許會(huì)如同日本 2011年 3月 11日發(fā)生的一切,后果會(huì)一樣糟糕或者更糟。問(wèn)題在于何時(shí)發(fā)生？可能在最近,也可能會(huì)過(guò)100年？200年？或更久以后才會(huì)發(fā)生。但可以肯定的是,一定是一個(gè)特大地震。

維多利亞大學(xué)教授,地殼構(gòu)造專家莊斯頓(Stephne Johnston)說(shuō):“從統(tǒng)計(jì)學(xué)的地震周期性來(lái)講,是時(shí)候了,所以遲早會(huì)發(fā)生大地震?！鼻f斯頓指出,加西地區(qū)為每 300至 500年發(fā)生一次大地震,上次大地震發(fā)生在1700年(Moneyville,2011)。盡管現(xiàn)在有尖端的科學(xué)技術(shù),還是很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到地震。他說(shuō):“去年智利大地震,以及2004年印尼蘇門答臘地震,加西地區(qū)位于太平洋板塊與北美板塊交界的‘卡斯凱迪俯沖帶’(Cascadia subduction zone)附近(圖6),遲早會(huì)遭遇類似的強(qiáng)震。”卡斯凱迪斷裂帶位于太平洋海底,南起美國(guó)加州北部,北至卑詩(shī)省西南部,長(zhǎng)約1100 km。

奧林匹克國(guó)家公園跟它附近的幾個(gè)國(guó)家公園都位于北美板塊和胡安?德富卡板塊(Juan de Fuca)的交匯處(圖1)。數(shù)百萬(wàn)年來(lái),胡安?德富卡板塊東側(cè)的大部分正在不斷地陷入北美板塊之下,巖石經(jīng)地幔加熱后成為熔漿,形成這地區(qū)一系列的活火山。位一個(gè)休眠火山或死火山。這地區(qū)平均每 300至 500年發(fā)生一次特大地震,強(qiáng)度比加州有史以來(lái)的任何一次地震都要強(qiáng)。上一次于 1700年發(fā)生的大地震,海嘯直卷到太平洋對(duì)岸的日本,在日本的大事跡史冊(cè)上有詳細(xì)記載。

圖1 胡安·德富卡板塊(摘自《MURAT YUKSELIR/THE GLOBE AND MAIL,SIMON FRASER UNIVERSITY》,姬再良編制;Simon Fraser University,2011)Fig.1 Juan de Fuca Plate(excerpt from“MURAT YUKSELIR/THE GLOBE AND MAIL,SIMON FRASER UNIVERSITY”,compiled by JI Zai-liang;Simon Fraser University,2011)

太平洋邊緣山地:包括東西兩道山帶和中間夾著一個(gè)不連續(xù)的陷落地帶。東西排列三個(gè)縱向帶:

(1)東部山帶:北起阿拉斯加山脈(Alaska Range),經(jīng)加拿大海岸山脈(Canadian Coast Mountains)、卡斯凱迪山脈(Cascadia Mountains),南到內(nèi)華達(dá)山(Sierra Nevada)。北帶山地形成較早,主要是侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)初的內(nèi)華達(dá)運(yùn)動(dòng),為一強(qiáng)烈褶皺、巖漿侵入和變質(zhì)地帶。由于經(jīng)歷了長(zhǎng)期的侵蝕,花崗巖大面積出露,部分地段又由于后期的火山活動(dòng)而被熔巖覆蓋。在第三紀(jì)末至更新世又復(fù)抬升,所以現(xiàn)在高度都在2000 m以上,有的高山也發(fā)育著現(xiàn)代冰川,阿拉斯加山脈的麥金利峰(Mount McKinley)海拔6193 m,是北美的最高峰。

(2)西部山帶:指太平洋邊緣山地的外側(cè)部分,它北自阿拉斯加半島上的阿留申山脈(Aleutian Range),東經(jīng)楚加奇山脈(Chugach Mountains),折向東南伸入加拿大境內(nèi)為圣厄來(lái)阿斯山脈,入海以島山形式出現(xiàn),包括亞歷山大群島(Alexander Archipelago)、夏洛特群島(Charlotte Islands)、溫哥華島(Vancouver Island)等,再向南為美國(guó)海岸山脈(U.S.Coast Mountains),其北段包括奧林匹克山等,南段為加里福尼亞海岸山脈,具有褶皺和斷層構(gòu)造,著名的圣安德列斯大斷層(San Andreas fault)就坐落在這里。該帶屬新生代造山帶,山地形成較晚,多地震。

(3)中部陷落帶:介于東、西山帶之間,因斷層作用或向斜式沉陷而形成一系列谷地,有的已成海灣。總之,太平洋邊緣山地的東部和西部山帶分屬中生代和新生代造山帶,三個(gè)縱向帶的分異則始于上新世末與更新世的地殼運(yùn)動(dòng),即東西兩側(cè)以背斜形式、中部以向斜形式發(fā)生不等的升降運(yùn)動(dòng)。地殼至今還處于不穩(wěn)定狀態(tài),火山、地震活動(dòng)時(shí)有發(fā)生。

自 1998年以來(lái),一隊(duì)加拿大和美國(guó)的科學(xué)家,在加拿大卑詩(shī)省西門菲沙大學(xué)(Simon Fraser University)地球科學(xué)教授 Andrew Calvert帶領(lǐng)下,一直在普吉特海灣從事地震災(zāi)害調(diào)查研究(SHIPS,for Seismic Hazards Investigations in Puget Sound),深入調(diào)查研究所收集的數(shù)據(jù)表明,該區(qū)的地震危險(xiǎn)和災(zāi)害程度觸目驚心。

這項(xiàng)研究由卑詩(shī)省西門飛沙大學(xué)(Simon Fraser University)地球科學(xué)專業(yè)的教授 Andrew Calvert牽頭(Simon Fraser University,2011),他表示,他們的這項(xiàng)研究提出在奧林匹克島底下有大量沉積巖巖石,它們從奧林匹克山(Olympic Mountains)表面一直往下延伸至近40 km處。而這些巖石就在斷層上方或者接近斷層,在俯沖的胡安?德富卡板塊 (Juan de Fuca plate)與重疊的北美大陸之間。

Calvert教授指出,斷層比科學(xué)家們之前所認(rèn)為的還要深大約7 km。胡安海峽(Juan De Fuca Strait)逆掩斷層帶存在與否？但至于這究竟意味著什么,還不是十分清楚,作者認(rèn)為需進(jìn)一步調(diào)查探索。

西岸的板塊會(huì)周期性的“抵抗升級(jí),白熱化”,部分?jǐn)鄬訒?huì)定期滑動(dòng),大約每14個(gè)月發(fā)生一次有感地震。Calvert教授說(shuō),人們之所以感覺(jué)不到震動(dòng),是因?yàn)槟切┱饎?dòng)相對(duì)比較小,并且要?dú)v經(jīng)幾周時(shí)間來(lái)釋放。

Calvert教授指出,每次西岸發(fā)生小滑動(dòng),它可能都在加載斷層較淺部位的地應(yīng)力場(chǎng)或構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),并最終將引發(fā)大地震,震級(jí)可達(dá)9級(jí)。他表示,大地震早晚會(huì)發(fā)生,只是時(shí)間問(wèn)題。他說(shuō),他不確定現(xiàn)在大地震是否延遲了,因?yàn)樯弦淮尉扌偷卣鹪谶@一地區(qū)發(fā)生可以追溯到1700年,而太平洋海岸通常每隔500到600年便會(huì)發(fā)生一次大型地震。

雖然這個(gè)研究還無(wú)法讓科學(xué)家們能夠準(zhǔn)確地給出下一次大型地震可能發(fā)生的地點(diǎn),但至少增加了人們對(duì)西岸地震知識(shí)的了解,同時(shí)引起人們對(duì)于探究地震可能給奧林匹克島帶來(lái)的潛在危害的更加關(guān)注,也表明在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)該去做更多的研究。

了解太平洋西北部演變史極為重要。地球科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)日新月異,過(guò)去的幾十年來(lái),科學(xué)家們對(duì)太平洋西北的地質(zhì)過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)已發(fā)生了巨大的變化。新技術(shù)讓他們能夠從太空研究這片土地,海底光纜實(shí)時(shí)觀測(cè)體系,監(jiān)視海底分秒的動(dòng)態(tài),繪制鄰近洋底地形地貌,探測(cè)更深的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組分,查明和預(yù)測(cè)該區(qū)地震的精確位置和震級(jí)。值得一提的是,科學(xué)家們可以直接測(cè)量大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中板塊運(yùn)移狀態(tài),重建地史上不同階段的地球形態(tài)。

4 加拿大“海王星”基礎(chǔ)設(shè)施及構(gòu)建進(jìn)展

4.1 硬件

加拿大“海王星”采用主干動(dòng)脈基礎(chǔ)設(shè)施和分支支脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體系,實(shí)現(xiàn)電力的供應(yīng)和通信傳遞,以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。重要的是,首先興建完善的主干動(dòng)脈基礎(chǔ)設(shè)施,而不是集中資金,去關(guān)注未來(lái)系統(tǒng)配套組件的設(shè)計(jì)和商業(yè)海底電信系統(tǒng)配套等問(wèn)題,更不去權(quán)衡未來(lái)數(shù)年儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)、革新,以及過(guò)早地要求高精度、高性能、更可靠的組件(圖2)。主干動(dòng)脈基礎(chǔ)設(shè)施電纜形成一個(gè)連續(xù)的環(huán)圈,通過(guò)阿爾伯尼港岸站聯(lián)結(jié)到維多利亞大學(xué)。海底海水中儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和安裝,均由阿爾卡特朗訊承包。

加拿大“海王星”是研究海洋的新手段、新方法。通過(guò)安裝好的5個(gè)匯結(jié)端(Notes)(圖3-圖6),陸基科學(xué)家借助觀測(cè)平臺(tái)網(wǎng)站匯結(jié)端上聯(lián)接的控制和監(jiān)測(cè)采樣儀器、攝像機(jī)和遙控車,為他們從海洋表面向下到海底來(lái)收集所需的數(shù)據(jù)。

圖2 加拿大“海王星”(N C)基礎(chǔ)設(shè)施體系示意圖(Beno?t Pirenne,2005;NEPTUNE Canada,2011b)Fig.2 Sketch map of Neptune Canada (N C)infrastructure system (Beno?t Pirenne,2005;NEPTUNE Canada,2011b)

圖3 加拿大“海王星”體系五個(gè)儀器分布圖(姬再良2011年編制;NEPTUNE Canada,2011a)Fig.3 Distribution of five instruments in Neptune Canadian(compliled by JI Zai-liang in 2011;NEPTUNE Canada,2011a)

圖4 海王星主干光纜路線,匯結(jié)端位置及阿爾伯尼海岸站(姬再良2011年編制;NEPTUNE Canada,2011a)Fig.4 NC’s cable route showing 5 nodes &Port Alberni shore station(compliled by JI Zai-liang in 2011;NEPTUNE Canada,2011a)

圖5 加拿大海王星網(wǎng)絡(luò)體系和美國(guó)東北太平洋區(qū)域海洋觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)(姬再良2011年編制;MariPro,2011)Fig.5 Regional Scale Nodes (RSN)-Cabled Ocean Observatories Initiative (OOI)and NEPTUNE Canada(compliled by JI Zai-liang in 2011;MariPro,2011)

數(shù)控觀測(cè)實(shí)驗(yàn)體系,包括來(lái)自政府阿爾伯尼港岸臺(tái)網(wǎng)的回程鏈路,傳遞到維多利亞大學(xué)的數(shù)據(jù)中心,主要是通過(guò)加拿大工業(yè)和教育先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)及研究組織獎(jiǎng)勵(lì)資助與肖商務(wù)解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn),提供一個(gè)專門的10 Gbps/10yr服務(wù)。

圖6 卡斯凱迪俯沖帶(胡安海峽逆掩斷層帶？)(姬再良2011年編制;Peninsula Daily News,2011b)Fig.6 Cascadia Subduction Zone(Juan De Fuca Strait overthrust belt?)(compliled by JI Zai-liang in 2011;Peninsula Daily News,2011b)

一系列傳感器和儀器設(shè)備,將運(yùn)行在整個(gè)加拿大“海王星”網(wǎng)絡(luò)體系。隨著時(shí)間的推移,舊傳感器和儀器設(shè)備可以隨時(shí)隨地更換,新穎傳感器和儀器設(shè)備將不斷增加,往往在匯結(jié)端和海底平臺(tái),通過(guò)濕節(jié)點(diǎn)“插入(加塞兒)”。

大約有400個(gè)儀器設(shè)備,在2011年底前安放到深達(dá)2.6 km的海底(NEPTUNE Canada,2011c)。這些儀器設(shè)備,從簡(jiǎn)單的溫度探頭,到復(fù)雜多功能的400 m垂直多傳感分析器(Vertical Profiler System),以及具備燈、攝像頭、探針和化學(xué)分析單位設(shè)備的遙控車。海王星所有的儀器都是專門設(shè)計(jì)的,可承受巨大的壓力和寒冷,以及北太平洋水環(huán)境腐蝕性鹽水的環(huán)境。主要儀器設(shè)備類型有下列數(shù)種:

地震儀,重力儀和加速度計(jì)(Seismometers,gravimeters and accelerometers);

地應(yīng)力壓力敏感應(yīng)器(Pressure sensors);

增感器(Augmenta);

深海履帶車(Benthic crawlers);

400 m垂直多傳感分析器(Vertical profiler system);

傳導(dǎo)溫度深度海流計(jì)(Conductivity-temperaturedepth current meters);

水聽(tīng)器,聲納,回波聲碼器(Hydrophones,sonar,echosounders);

聲學(xué)多普勒海流剖面儀(Acoustic doppler current profilers );

海底部壓力傳感器(Bottom pressure sensors);

測(cè)量二氧化碳,氧氣,甲烷,硝酸鹽等化學(xué)和氣體傳感器(Chemical and gas sensors for measuring carbon dioxide,oxygen,methane,nitrates,etc.);

測(cè)震儀,重力儀和加速度計(jì)(Seismometers,gravimeters and accelerometers);

高清晰度靜止畫面和視頻攝像機(jī)(High-resolution still-frame and video cameras with lights);

顯微生物和浮游生物的采樣和微生物孵化器(Microbe and plankton samplers and microbial incubators);

混濁度傳感器,傳輸器,沉積物收集器(Turbidity sensors,transmissometers,sediment traps);

底棲流模擬室(Benthic flow simulation chamber)。

加拿大“海王星”網(wǎng)絡(luò)體系將隨著時(shí)間的推移,以新?lián)Q舊的手段來(lái)更新儀器設(shè)備。通過(guò)海底連接器濕節(jié)點(diǎn)和平臺(tái)來(lái)完成“連接插入”。

4.2 軟件

加拿大“海王星”海洋水中基礎(chǔ)設(shè)施軟件系統(tǒng)的提供、支持和經(jīng)營(yíng)是至關(guān)重要的。軟件系統(tǒng)是廣泛服務(wù)于用戶與海底、海洋各深度間觀測(cè)體系之間的橋梁,相互呼應(yīng),建起三重監(jiān)管任務(wù)的效應(yīng)。

數(shù)據(jù)管理和存檔系統(tǒng)的主要功能在于下列幾方面:1)收集放入海洋中科學(xué)儀器采集到的數(shù)據(jù)信息,也就是說(shuō)通過(guò)水下各種各樣儀器設(shè)備,窺探、獵取和收集科學(xué)研究的數(shù)據(jù);2)提供永久性儲(chǔ)存,有不斷分配、發(fā)布和輸送所有數(shù)據(jù)的能力與潛力;3)允許授權(quán)科學(xué)家遠(yuǎn)程遙控,索取加拿大“海王星”觀測(cè)網(wǎng)體系中每一臺(tái)儀器提供的信息,從事交互控制實(shí)驗(yàn)、初級(jí)可行性實(shí)驗(yàn),利用Barrodale計(jì)算服務(wù)研究來(lái)完成可行性研究。國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)赫茲伯格天體物理研究所下屬的天文數(shù)據(jù)中心組提供基本需求,估計(jì)所需的經(jīng)費(fèi);4)控制管理加拿大“海王星”海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)及儀器的電力供用和信息傳遞。

數(shù)據(jù)管理和存檔系統(tǒng)(DMAS)由加拿大“海王星”(N C)自身的項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)完成,采用了靈活便捷的軟件模式(Agile)。項(xiàng)目組人員首次把這種開(kāi)發(fā)模式應(yīng)用于金星工程(Venus Project;VENUS,2011)項(xiàng)目中,自2006年以來(lái),該工程一直成功地輸送和傳遞著海洋科學(xué)數(shù)據(jù)。隨后,加拿大“海王星”也以此建立其系統(tǒng)規(guī)范并培訓(xùn)工作人員進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)和控制。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基金由加拿大工業(yè)和教育先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)及研究組織提供。開(kāi)發(fā)人員采用面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA),使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Services)來(lái)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和存檔系統(tǒng)各個(gè)組件的功能,建立起了一套實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)管理和存檔系統(tǒng)基于一個(gè)內(nèi)部信息消息總線,采用 Java編程語(yǔ)言,通過(guò)發(fā)布和訂閱的模式,使各個(gè)功能組件交互作用。在加拿大工業(yè)和教育先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)及研究組織的進(jìn)一步支持下,數(shù)據(jù)管理和存檔系統(tǒng)項(xiàng)目組應(yīng)用 Web 2.0技術(shù),建立起一套適用于專家和非專業(yè)人員用戶的系統(tǒng),能更方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)控制。這將允許用戶除了訪問(wèn)數(shù)據(jù)和儀器以外,還可以利用任何默認(rèn)或自定義加工代碼行來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、在線分析以和資源共享。這些社交網(wǎng)絡(luò)功能,將體現(xiàn)在“海王星”新的“海洋2.0”環(huán)境中。

另外,這也使用戶不僅能從加拿大“海王星”儀器設(shè)備獲取所需信息,而且可以自我選擇制訂程序設(shè)計(jì),從事在線數(shù)據(jù)顯示及分析,并且同步與其他用戶進(jìn)行交流磋商。所有用戶可共享網(wǎng)絡(luò)資源功能,也展現(xiàn)于加拿大“海王星”項(xiàng)目的“海洋2.0”系統(tǒng)工程中。

敏感遙控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接,并且能實(shí)現(xiàn)互動(dòng),它是新世紀(jì)高科技的推進(jìn)與探索。從而可以實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)的大范圍遙控監(jiān)測(cè),長(zhǎng)期檢測(cè)地球溫度變化及那些至關(guān)重要、威脅著人類生存的突變和災(zāi)難過(guò)程。“海王星”海洋觀測(cè)系統(tǒng)將是實(shí)現(xiàn)這一監(jiān)測(cè)目標(biāo)的先驅(qū)者?！昂Ｍ跣恰钡脑O(shè)計(jì),旨在海洋盆地區(qū)域?yàn)榭茖W(xué)家、教育工作者、決策者和公眾提供有關(guān)大自然宿主和人為操縱進(jìn)程的前所未有的新穎信息。數(shù)據(jù)管理及可視化的挑戰(zhàn)包括處理海量的多學(xué)科大量數(shù)據(jù)、同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和及時(shí)進(jìn)入各類研究模型,為研究人員團(tuán)體能夠協(xié)同操作提供數(shù)據(jù)和可視化工具。

4.3 構(gòu)建進(jìn)展

加拿大“海王星”,沿著 2008年海底鋪設(shè)的800 km主干動(dòng)脈電光纜,海洋網(wǎng)體系由5個(gè)主要觀測(cè)平臺(tái)網(wǎng)站——匯結(jié)端(Nodes)構(gòu)成,匯結(jié)端將配備系列傳感器,監(jiān)測(cè)浮游植物的興衰變化,葉綠素濃度,以及其他重要海洋事件。通過(guò)現(xiàn)有5個(gè)匯結(jié)端,陸基科學(xué)家及普通用戶可借助控制和監(jiān)測(cè)采樣的系列儀器、攝像機(jī)和遙控車等,獵取收集他們所需的從海洋表面到海底的數(shù)據(jù)信息。匯結(jié)端分別安裝在沿海岸100 m的海底至2700 m深的深海平原。監(jiān)測(cè)體系里已經(jīng)安裝了一系列的攝像頭、監(jiān)測(cè)海水物理化學(xué)變化的遙感器、地震監(jiān)測(cè)站、測(cè)量洋流的水文儀器、海水溫度計(jì)、養(yǎng)分測(cè)量器和海底鉆頭,這些儀器設(shè)備已于2009年12月8日正式啟動(dòng),用于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)直播,整體基礎(chǔ)儀器設(shè)備設(shè)計(jì)壽命為25年。另外,還附設(shè)有一系列的海底資源勘探和漁場(chǎng)預(yù)測(cè)體系。所有基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備,現(xiàn)在都與互聯(lián)網(wǎng)連接。這些體系都是交互式的,在海岸中心控制下,編制程序并接收數(shù)據(jù)。巴恩斯多次強(qiáng)調(diào),加拿大“海王星”控制中心,通過(guò)其安裝好的儀器設(shè)備,將實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)連通互聯(lián)網(wǎng),供國(guó)際科學(xué)界和全世界普通用戶全天候、全天時(shí)的使用,他還一再?gòu)?qiáng)調(diào),也特別重申了該計(jì)劃重要的教育作用及其深遠(yuǎn)意義。

主干動(dòng)脈電光纜可不斷傳送并提供10 kVDC電力,10 Gbps通信寬帶和數(shù)百個(gè)傳感器的設(shè)計(jì)壽命為25年。在變異萬(wàn)千的海洋環(huán)境中,提供充足的電力和高通信寬帶,建立、完善一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng),并能夠通過(guò)多元化途徑,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)叵嗷ミ\(yùn)作、相互波及影響的系列儀器設(shè)備,實(shí)時(shí)傳遞海洋科學(xué)信息,永不停息進(jìn)一步輔助、填補(bǔ)和提高其他海洋的觀測(cè)體系。

2009年12月8日,世界上最大最先進(jìn)的加拿大“海王星”實(shí)時(shí)海底觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)體系正式開(kāi)始運(yùn)作,現(xiàn)已起動(dòng)數(shù)百個(gè)太平洋海底已安裝的科學(xué)儀器和傳感器,為數(shù)以萬(wàn)計(jì)的科學(xué)家、科學(xué)愛(ài)好者們傳送各種各樣的科學(xué)數(shù)據(jù)信息。在過(guò)去一年中,該體系累積的數(shù)據(jù)和圖像達(dá)10 TB。2010年秋季,在胡安德富卡海脊奮進(jìn)嶺區(qū)(深海傳播中心,Endeavour Ridge)進(jìn)行了海洋巡航安裝工程。在最具挑戰(zhàn)性的區(qū)域安放了儀器設(shè)備。

阿爾卡特朗訊水下網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)總經(jīng)理艾蒂安·拉弗格說(shuō):“我們已經(jīng)在海洋里鋪設(shè)了數(shù)十萬(wàn)公里的電光纜線路網(wǎng),只需輕松按一下按鈕,信息就可以送往到世界各地的每個(gè)角落?！惫P者相信,在不久的未來(lái),我們居住的整個(gè)地球,無(wú)論是陸地,還是海洋,將會(huì)全部部署電光纖光纜網(wǎng)絡(luò)體系,連接數(shù)以萬(wàn)計(jì)越來(lái)越先進(jìn)的儀器設(shè)備,從而整個(gè)地球?qū)⒈痪W(wǎng)絡(luò)化。

5 加拿大“海王星”研究團(tuán)隊(duì)及經(jīng)費(fèi)支持

加拿大“海王星”項(xiàng)目長(zhǎng)(Project Director)克里斯?巴恩斯教授,是當(dāng)今世界上宏偉計(jì)劃的帶頭人,他把人類觀察、認(rèn)識(shí)和研究地球科學(xué)、大自然學(xué)科帶上新的臺(tái)階。他早期曾任滑鐵盧大學(xué)和紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)教授及主任,加拿大地質(zhì)調(diào)查主任主管,加拿大自然科學(xué)基金會(huì)董事長(zhǎng),維多利亞大學(xué)地球和海洋研究中心、地球和海洋科學(xué)學(xué)院任主任主管(Chris Barnes is Project Director for NEPTUNE Canada,University of Victoria)。2011年 6月底,克里斯?巴恩斯教授從總裁崗位上退下來(lái),但仍然關(guān)注“海王星”的事宜。2011年7月起,加拿大“海王星”的總裁(主任)由凱特莫蘭博士(Dr.Kate Moran)擔(dān)任。凱特莫蘭博士曾擔(dān)任為期兩年的美國(guó)奧巴馬政府白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室主任助理。在白宮,莫蘭曾多次建議奧巴馬政府關(guān)注海洋、北極和全球氣候變暖。

數(shù)百名科學(xué)家和工程師參與了、正在參與加拿大“海王星”計(jì)劃的實(shí)施與繼續(xù)運(yùn)行。加拿大方面由維多利亞大學(xué)負(fù)責(zé),并有十多所大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)參與,還有其它的一些與海洋有關(guān)的研究中心也參與其中。加拿大“海王星”體系由維多利亞大學(xué)主管及經(jīng)營(yíng),維多利亞大學(xué)(University of Victoria)擁有所有資產(chǎn)權(quán),同時(shí)具有經(jīng)營(yíng)操作(Owner/Operator)的優(yōu)先權(quán)。

建造該工程項(xiàng)目主體基礎(chǔ)設(shè)施的資金為1億加元,由加拿大革新創(chuàng)新基金會(huì)、加拿大卑詩(shī)省知識(shí)發(fā)展基金、實(shí)物支持產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)提供。最近,自然科學(xué)與工程研究理事會(huì)、CFI、卑詩(shī)省高等教育部和加拿大工業(yè)和教育先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)及研究組織(CANARIE,Canadian Advanced Network and Research for Industry and Education)提供了2400萬(wàn)加元的初始運(yùn)作資金。維多利亞大學(xué)(UVic)將率帶領(lǐng)12個(gè)加拿大大學(xué),其中也包括很多國(guó)際知名的科學(xué)家們,共同聯(lián)手合作來(lái)建造、運(yùn)轉(zhuǎn)和經(jīng)營(yíng)加拿大“海王星”。目前,加拿大“海王星”由30多個(gè)專職工作人員及顧問(wèn)組成的全職工作人員來(lái)經(jīng)營(yíng),正在全面起動(dòng)運(yùn)作。維多利亞大學(xué)正在經(jīng)營(yíng)與管理位于加拿大西海岸帶的沿海岸海底光纜網(wǎng)——金星(VENUS,2011),將與加拿大海洋網(wǎng)絡(luò)(Ocean Networks Canada,2011),美國(guó)東北太平洋區(qū)域海洋觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)Regional Scale Nodes (RSN)- Cabled Ocean Observatories Initiative(OOI)一起)(University of Washington,2011),不斷相互借鑒,互補(bǔ)管理經(jīng)驗(yàn),共同監(jiān)督和支持本區(qū)宏偉的工程課題。

6 應(yīng)用前景及目標(biāo)任務(wù)

加拿大“海王星”是人類史上浩然無(wú)際、前所未有的海洋工程項(xiàng)目,人人都可參與和利用。正在卑詩(shī)省西海岸溫哥華島的附近修造的世界上最大的光纖光纜“海王星”工程體系,將橫跨、延伸、覆蓋胡安?德富卡板塊北端。在廣闊的海底環(huán)境區(qū)域內(nèi),將星群般密集部署和安裝配備儀器設(shè)備。在不久的未來(lái),借助這些儀器,可實(shí)時(shí)直傳、瞬時(shí)不間斷地向網(wǎng)絡(luò)體系匯聚、輸送、傳遞數(shù)字化信息。太平洋海底數(shù)據(jù)將通過(guò)海底光纜通訊網(wǎng)絡(luò),高速傳遞到維多利亞大學(xué)新建的創(chuàng)新性高科技信息數(shù)據(jù)庫(kù)中心。擬定在今后 25年,即實(shí)時(shí)觀測(cè)體系工程的壽命期內(nèi),加拿大“海王星”將通過(guò)因特網(wǎng)絡(luò),不斷地為研究人員及愛(ài)好者提供免費(fèi)進(jìn)入浩大富集的海洋數(shù)據(jù)庫(kù)的機(jī)會(huì),獵取所需的實(shí)時(shí)直播、瞬時(shí)、或已存檔的數(shù)據(jù)資料。加拿大“海王星”中為數(shù)眾多的儀器設(shè)備,將給科學(xué)家、科學(xué)愛(ài)好者們提供全面、全方位的合作研究途徑。真誠(chéng)地期待和盼望通過(guò)海底觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)這一觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系,能夠使共同合作研究課題項(xiàng)目結(jié)出許多驚天動(dòng)地、前所未聞的碩果。

加拿大“海王星”,將在未來(lái)調(diào)查、了解和認(rèn)識(shí)地球和海洋的多元、變化萬(wàn)千、錯(cuò)綜復(fù)雜的進(jìn)程、現(xiàn)象和事件。將加拿大“海王星”的儀器設(shè)備安放在海底(海底鉆孔),通過(guò)提振浮標(biāo)固定在不同深度水層柱體之中。攜帶著數(shù)百個(gè)傳感器的130多個(gè)儀器,將被安放在加拿大“海王星”體系中,一些則附加在深海履帶爬行車和400 m海底豎立式跟蹤測(cè)量裝備上。

自2009年12月8日,“海王星”啟動(dòng)以來(lái),統(tǒng)計(jì)用戶和搜索的數(shù)據(jù)顯示,“海王星”很受世界各界人士的歡迎及關(guān)注,使用人數(shù)越來(lái)越多。

海底觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)主要、重要研究領(lǐng)域包括如下:海底火山的狀態(tài);地震和海嘯;礦物、金屬和碳?xì)浠衔镔Y源;海洋與大氣間的相互作用;氣候變化;海洋溫室氣體的循環(huán)過(guò)程;海洋生態(tài)體系;海洋的長(zhǎng)期變動(dòng),能源和資源的滋生再生過(guò)程;海洋哺乳動(dòng)物;漁業(yè)儲(chǔ)備;污染和毒性綻放。

在胡安·德富卡板塊境內(nèi)至少有一個(gè)活火山,它每隔幾年就噴發(fā)一次?？茖W(xué)家們感興趣的不僅是火山(圖 1),而更重要的是太平洋板塊擴(kuò)張,導(dǎo)致整個(gè)胡安·德富卡板塊連續(xù)不斷地插入北美大陸板塊底部。這個(gè)地區(qū)的地震和海嘯頻繁地發(fā)生,因此科學(xué)家們認(rèn)為這個(gè)觀測(cè)網(wǎng)對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)也是十分有用的。巴恩斯說(shuō):“哪怕是提前一分鐘的海洋地震海嘯的重大自然災(zāi)害預(yù)報(bào),對(duì)于某些諸如地震引起的海嘯自然災(zāi)難來(lái)說(shuō),可能都是極其重要的。同時(shí),及時(shí)的災(zāi)害預(yù)報(bào),可提前關(guān)閉輸氣管道和其它脆弱的設(shè)施?！边@個(gè)地區(qū)的海底結(jié)構(gòu)及海岸帶地質(zhì)構(gòu)造體系是相當(dāng)復(fù)雜的且眾說(shuō)紛紜。除了巖石帶,在靠近大陸邊緣的地方是很厚的新沉積層,那里有天然氣和石油。新的觀測(cè)網(wǎng)將用于連續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)控制地球溫度變化、多端洋流、化學(xué)物質(zhì)的集中和污染情況、水中養(yǎng)分的變化以及海底的生物情況。海洋生物多樣性是“海王星”計(jì)劃的重要研究方向之一,它還可用來(lái)觀察各種各樣的生物群落,包括鯨,那里的鯨一般下潛到1000 m的深度。

巴恩斯曾把加拿大“海王星”看成是家里的一棵圣誕樹(shù):“夫妻兩人先架起圣誕樹(shù),剛開(kāi)始只有很少的東西掛在圣誕樹(shù)上,后來(lái)買來(lái)了更好看的、更漂亮的、更新穎的裝飾物,幾年后,裝飾物掛滿了圣誕樹(shù),但要挑選和更換最好的掛上去。許多年后的‘海王星’,就會(huì)像一棵樹(shù)立在地球上人人皆知、前所未有的五彩繽紛、閃爍美麗、觸目關(guān)注的圣誕樹(shù)?！?/p>

加拿大“海王星”科學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)和任務(wù)如下:觀測(cè)和預(yù)防地震動(dòng)態(tài)和海嘯的危險(xiǎn);地殼運(yùn)移及沉積物的海洋流體通量,包括天然氣水合物;海洋和氣候動(dòng)力學(xué),包括酸化過(guò)程,養(yǎng)分流量、通量和供給以及對(duì)生物群的波及與影響;深海生態(tài)體系動(dòng)力學(xué);應(yīng)用工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究。

7 結(jié)論

加拿大“海王星”是獨(dú)辟蹊徑、史無(wú)前例、前所未有的工程項(xiàng)目。加拿大“海王星”期望和邀請(qǐng)人人參與,攜手并肩,同舟共計(jì),造福世界。在加拿大“海王星”(neptune@uvic.ca)文獻(xiàn)中,一再邀請(qǐng)所有工業(yè)機(jī)構(gòu)、科學(xué)家及其愛(ài)好者來(lái)參與、試驗(yàn)和體會(huì)我們的嶄新科學(xué)及創(chuàng)新,利用現(xiàn)有檢測(cè)儀器獵捕所提供的海洋數(shù)據(jù)信息。筆者可以預(yù)測(cè),該項(xiàng)目將會(huì)改變海洋科學(xué)的研究進(jìn)程,把海洋科學(xué),地球科學(xué)技術(shù),甚至宇宙空間學(xué)術(shù)推向新紀(jì)元。在未來(lái)十年,隨著其他幾個(gè)國(guó)家地區(qū),已建好小規(guī)模和正在計(jì)劃建造新光纜海洋觀測(cè)網(wǎng),逐漸增加和擴(kuò)大海洋光纜觀測(cè)網(wǎng)的范圍。開(kāi)辟和設(shè)計(jì)海洋觀測(cè)體系,是為了擴(kuò)展和深化地球海洋研究。不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),增加新穎匯結(jié)端和儀器設(shè)備,提供宏觀測(cè)試、監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資料信息,開(kāi)創(chuàng)新的地球海洋科學(xué)技術(shù)。

可以想象,海洋“哈勃”——“海王星”(NEPTUNE)工程體系中日新月異的軟硬設(shè)備,定會(huì)時(shí)過(guò)境遷,將會(huì)發(fā)生與日俱進(jìn)的創(chuàng)新、空前未有的大發(fā)展、及其海底動(dòng)態(tài)的新發(fā)現(xiàn),兩位作者時(shí)刻都在關(guān)注著,我們將會(huì)不斷地介紹給讀者們。

致謝:十分感謝克里斯托弗·巴恩斯教授,他曾經(jīng)無(wú)數(shù)次口頭描述和通過(guò)電子郵件發(fā)送有關(guān)加拿大“海王星”工程項(xiàng)目的最新進(jìn)展信息。編譯過(guò)程中,部分章節(jié)得到英年早逝的唐德敏 Ms.Karen Tang的增補(bǔ)、潤(rùn)飾。同時(shí),也得到姬寬良(Mr.Kevin Ji)、張法愚先生(Mr.Fayu Zhang)的修改,在此表示衷心感謝。另外,本文譯編信息還來(lái)源于克里斯·巴恩斯、馬利·辦斯特、弗恩·約翰遜,彼得·菲布斯、伯努·皮雷納的口頭咨詢和電子郵件。特別感謝《地球?qū)W報(bào)》編輯部主任魏樂(lè)軍博士對(duì)文稿的精心編輯,花費(fèi)了大量的精力,付出了辛勤的勞動(dòng)。