劉保華，丁忠軍，史先鵬，于凱本，李德威，李寶鋼

(1. 國家深?；毓芾碇行模綎| 青島 266061)

載人潛水器在深?？茖W(xué)考察中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉保華1，丁忠軍1，史先鵬1，于凱本1，李德威1，李寶鋼1

(1. 國家深?；毓芾碇行模綎| 青島 266061)

載人深潛技術(shù)是深海技術(shù)的前沿與制高點(diǎn)，也是深?？瓶甲钕冗M(jìn)的技術(shù)手段之一。20世紀(jì)60年代以來，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，美國、法國、俄羅斯、日本等國在載人潛水器的研制和應(yīng)用上取得了快速的發(fā)展，先后掌握了大深度載人深潛技術(shù)，具備了在復(fù)雜海況下進(jìn)行水下作業(yè)的能力，實(shí)現(xiàn)了對深海和大洋洋底的現(xiàn)場觀察、探測和取樣等。目前，深海載人潛水器的考察范圍已經(jīng)遍及全球大陸坡深水區(qū)、洋中脊、海山、海溝和洋盆等海底區(qū)域，獲得了大量的深海地質(zhì)、地球物理、生物、化學(xué)和環(huán)境方面的信息或樣品，取得了一批重大的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新性的研究成果，推動了深?？茖W(xué)的發(fā)展。我國自主集成研制的“蛟龍”號載人潛水器順利完成了7 000 m級海試，并于2013年開始開展了試驗(yàn)性應(yīng)用，取得了豐碩的科考成果。本文簡要介紹了世界載人潛水器的發(fā)展現(xiàn)狀及其在深?？茖W(xué)考察中的技術(shù)優(yōu)勢，綜述了國內(nèi)外載人潛水器在深海地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)和物理海洋學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況。

載人潛水器；深海；科學(xué)考察；地質(zhì)科學(xué)；生物科學(xué)；物理海洋

1 引言

載人潛水器是深海運(yùn)載裝備的一種，由于載人潛水器在現(xiàn)場觀察、水下作業(yè)等方面的技術(shù)優(yōu)勢，得到了世界發(fā)達(dá)國家的高度重視，美國、法國、俄羅斯、日本先后研發(fā)了大深度載人潛水器，并且在深海地球科學(xué)、生命科學(xué)、水下工程施工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中美國的“阿爾文”號(見圖1)下潛已經(jīng)超過5 000次，取得了一批重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和原創(chuàng)性研究成果，為深?？茖W(xué)的發(fā)展發(fā)揮了不可替代的作用。2012年7月16日，我國自主集成研發(fā)的“蛟龍”號(見圖1)載人潛水器圓滿完成了7 000 m級海試，最大下潛深度達(dá)到7 062 m，使我國成為繼美國、法國、俄羅斯、日本之后第5個(gè)掌握大深度載人深潛技術(shù)的國家。自2013年至今，“蛟龍”號在南海、東北太平洋、西北太平洋、西南印度洋等海域開展了試驗(yàn)性應(yīng)用航次，取得了豐碩的科考下潛成果，有效地推動了我國的深?？茖W(xué)與技術(shù)發(fā)展。

本文簡述了國內(nèi)外載人潛水器的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)，介紹了國內(nèi)外載人潛水器在深海地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)和物理海洋學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，旨在使我國海洋科技工作者對載人潛水器有更多的了解，推動“蛟龍”號載人潛水器及其在深?？茖W(xué)考察中的應(yīng)用。

2 國內(nèi)外載人潛水器研究進(jìn)展

載人潛水器包括大深度型和中淺水型載人潛水器。美國、日本、法國、俄羅斯和中國均操作有當(dāng)前世界上僅有的幾艘大深度載人潛水器。近些年來，印度、韓國、葡萄牙和西班牙等國也正在開展或著手開展載人潛水器的研制與應(yīng)用[1]。從載人潛水器的發(fā)展歷史分類，可分為3個(gè)發(fā)展階段。

圖1 美國的“阿爾文”號和我國的“蛟龍”號載人潛水器Fig.1 Alvin manned submersible of the U.S and Jiaolong manned submersible of China

第一個(gè)階段載人潛水器的研制與應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，應(yīng)用目的主要在于追求人類潛入海底的深度，潛水器一般不具備動力，能力僅限于水下觀察。該階段載人潛水器發(fā)展兩個(gè)里程碑性的代表事件是美國人應(yīng)用的“彼比”號和“曲斯特”號載人潛水器。1934年，美國動物學(xué)家彼比和工程師巴頓鉆進(jìn)直徑約為1.37 m的“彼比”號鋼質(zhì)圓球，通過與圓球連接的纜繩下潛到水深922 m處，觀察到一些曾未見到的海底生物?！氨吮取碧柺禽d人潛水器的雛形，潛水器外部僅配置有兩個(gè)觀察窗和一個(gè)250 W的照明燈，未配置動力及推進(jìn)器，潛水器的上浮和下潛依賴于母船端控制繩索的收放。又經(jīng)過約30年，在1960年1月，美國海軍唐·沃什和雅克·皮卡德乘坐“曲斯特”號載人潛水器成功下潛至馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”，并創(chuàng)造了10 915 m的下潛記錄[1]。同“彼比”號潛水器相比，“曲斯特”號從結(jié)構(gòu)和功能上都進(jìn)行了諸多改進(jìn)，但是仍然比較笨重，較難實(shí)現(xiàn)頻繁下潛，自動化程度依然較低。

第二代載人潛水器進(jìn)入了快速的主流發(fā)展時(shí)期，主要為大深度應(yīng)用型載人潛水器。相比第一代，除了追求下潛深度外，其操縱控制性、水下通信、作業(yè)搭載能力、科學(xué)考察成果獲取技術(shù)等方面都有了質(zhì)的飛躍[2]。據(jù)美國海洋技術(shù)協(xié)會MTS載人潛水器分會的數(shù)據(jù)庫顯示，目前全世界比較活躍的載人潛水器有96臺，其中下潛能力超過1 000 m的有16臺(見表1)。這些潛水器被廣泛地應(yīng)用于深?？茖W(xué)考察、水下觀光和國家安全等領(lǐng)域，特別在深?？瓶碱I(lǐng)域，取得了眾多世界矚目性的科學(xué)考察成果。該階段具有代表性的潛水器包括美國的下潛能力為6 500 m級“阿爾文”號、法國的6 000 m級“鸚鵡螺”號、俄羅斯的6 000 m級“和平Ⅰ”和“和平Ⅱ”號[3]、日本的6 500 m級“深海6500”號載人潛水器[4-5]，這些深海應(yīng)用型載人潛水器除了配備先進(jìn)的動力系統(tǒng)外，還配置了水下照相機(jī)、攝像機(jī)以及機(jī)械手等作業(yè)工具，使科學(xué)家能夠親自進(jìn)入海底開展豐富多樣的深?？茖W(xué)考察。我國于2009年自主集成研制了7 000 m級“蛟龍”號載人潛水器，并于2012年在馬里亞納海溝順利完成了海試，創(chuàng)造了同類型載人潛水器的最大下潛深度7 062 m。自2013年開始的3-5年，“蛟龍”號進(jìn)入了試驗(yàn)性應(yīng)用時(shí)期，并已在南海、西北太平洋、東北太平洋、西南印度洋等海域進(jìn)行了科考下潛作業(yè)，為我國深?？茖W(xué)家探究深海提供了強(qiáng)有力的平臺和技術(shù)支撐，科學(xué)家下潛熱情異常踴躍，在取得了豐碩的深?？茖W(xué)考察成果的同時(shí)，也推動了深海技術(shù)及裝備產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)載人深潛相關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)化，目前我國正在著手4 500 m級載人潛水器的研制。可以說，第二代載人潛水器依然將是深海科學(xué)考察的主流。

第三代載人潛水器正處于初級發(fā)展階段，主要是以萬米級載人潛水器為主要發(fā)展方向，在追求最大下潛深度的同時(shí)，更注重潛水器搭載人數(shù)的增加及水下作業(yè)的靈活性和成效性。繼“曲斯特”號下潛至挑戰(zhàn)者深淵后，著名電影導(dǎo)演卡梅隆獨(dú)自搭乘“深海挑戰(zhàn)者”號實(shí)現(xiàn)了挑戰(zhàn)者深淵的再次下潛，實(shí)現(xiàn)了挑戰(zhàn)者深淵區(qū)域的進(jìn)一步考察。然而，“深海挑戰(zhàn)者”號更多地以深海探索和冒險(xiǎn)為主要目的，不是一臺真正意義的科考應(yīng)用型載人潛水器。另外，包括中國在內(nèi)，日本、美國等國均啟動了萬米級載人潛水器的研制計(jì)劃。深海海槽、海溝將是萬米級載人潛水器大顯身手的主戰(zhàn)場。

表1 大深度載人潛水器統(tǒng)計(jì)(大于1 000 m)Tab.1 Statistics of deep manned submersibles (over 1 000 m)

與其他深海科學(xué)考察裝備相比，載人潛水器具有如下應(yīng)用優(yōu)勢：(1)由于配備了完善的動力和操作系統(tǒng)，具有前進(jìn)后退、上浮下潛、懸停定位等能力，可以精確行駛到預(yù)定目標(biāo)區(qū)；(2)可搭載科學(xué)家進(jìn)入海底深處，身臨其境，利用人的感官視覺實(shí)現(xiàn)對海底地質(zhì)、生物等目標(biāo)物的長時(shí)間連續(xù)、直接觀測；(3)科學(xué)家和潛航員的密切配合，可以實(shí)現(xiàn)“邊觀察、邊操作”，靈活自如地執(zhí)行海底作業(yè)任務(wù)；(4)搭載有先進(jìn)的海底地形地貌、海洋環(huán)境參數(shù)等探測儀器，可以對目標(biāo)物進(jìn)行近距離精細(xì)測量；(5)載人潛水器一般還預(yù)留多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可根據(jù)考察任務(wù)的需要，靈活搭載各類取樣器、傳感器等作業(yè)儀器裝備，完成多種深海作業(yè)任務(wù)。

深海載人潛水器總體的發(fā)展方向朝著能源供給效益更高、觀察范圍更廣、作業(yè)能力更強(qiáng)、下潛深度更大、下潛成本降低的方向發(fā)展。

3 載人潛水器在深?？瓶贾械膽?yīng)用研究

載人潛水器在深?？瓶贾兄饕獞?yīng)用在地質(zhì)科學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域，下潛應(yīng)用取得了豐碩的科考成果，研究成果多次在GGR、Deep-SeaResearch等著名國際雜志發(fā)表。載人潛水器在深海地質(zhì)方面的潛在研究應(yīng)用領(lǐng)域主要包括洋中脊板塊運(yùn)動過程、板塊匯聚邊界動力學(xué)、被動大陸邊緣、深海地球化學(xué)、深海天然氣水合物形成等。載人潛水器在生物科學(xué)中得到了更加廣泛地應(yīng)用，通過載人潛水器對深海極端特殊環(huán)境生物及其群落的科考下潛，人們對生命起源、生物進(jìn)化繁衍機(jī)制、生物基因等方面有了全新的認(rèn)識，開啟了諸多重大發(fā)現(xiàn)。載人潛水器在生物科學(xué)方面的潛在研究應(yīng)用領(lǐng)域主要包括深海底棲生物進(jìn)化及其生態(tài)系統(tǒng)、碳循環(huán)對中層水和深海底層生態(tài)群落的影響機(jī)制、中層水體生態(tài)群落的結(jié)構(gòu)、深海生物交互方式、凝膠狀動物(如水母)及其浮游生物食物鏈、物種形成及生物多樣性等。另外，載人潛水器在物理海洋學(xué)研究方向也有應(yīng)用，主要是通過自身搭載的溫鹽深等物理海洋學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)深海特定區(qū)域的觀測研究[6]。為此，本部分將重點(diǎn)從載人潛水器在深海地質(zhì)、深海生物和物理海洋3個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行論述。

3.1 深海地質(zhì)

3.1.1 海底地質(zhì)現(xiàn)象觀察

載人潛水器配置有先進(jìn)的水下照明、照相和攝像設(shè)備，隨著電子信息技術(shù)的不斷改進(jìn)，該類設(shè)備的性能也迅速發(fā)生著質(zhì)的飛躍。利用該類設(shè)備，科學(xué)家不僅能夠在深海海底近距離觀察各種地質(zhì)現(xiàn)象，而且還能將觀測信息進(jìn)行記錄和保存，從而為深海地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)理論研究提供有效的證據(jù)。

1971—1975年美國和法國聯(lián)合實(shí)施了French-American Mid-Ocean Undersea Study(FAMOUS)計(jì)劃[7—10]，其目的是在深海鉆探的基礎(chǔ)上，由科學(xué)家乘坐載人潛水器直接對大洋中脊進(jìn)行近距離觀測。在該計(jì)劃中，美國的“阿爾文”號與法國的 “西安納(Cyana)”號載人潛水器共執(zhí)行下潛57次，對洋中脊谷底進(jìn)行了超過200 h的觀察、照相等作業(yè)，直接觀察到了新生的洋殼和轉(zhuǎn)換斷層，在洋中脊谷底發(fā)現(xiàn)了新鮮的熔巖和年青的火山，以及平行于裂谷延伸的正斷層、張性裂隙和巖墻露頭等，證明了大洋中脊的確是洋殼生長和擴(kuò)張的場所，為板塊構(gòu)造理論提供了最直接、最可靠的證據(jù)。

1977年，美國的“阿爾文”號在東太平洋加拉帕斯裂谷進(jìn)行深海地質(zhì)考察時(shí)，在水深2 500 m處發(fā)現(xiàn)了高溫?zé)嵋簢娍谝约皣娍诟浇藗儚奈匆娺^的生物群落，這也是人類第一次近距離觀察到海底熱液噴口。隨后，科學(xué)家們利用載人潛水器又相繼在大西洋、印度洋、北冰洋、紅海和西太平洋等海域發(fā)現(xiàn)了多處海底熱液噴口[11—20]。

我國“蛟龍”號載人潛水器自2009年海試以來，對我國東北太平洋多金屬結(jié)核合同礦區(qū)、西北太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)及西南印度洋多金屬硫化物礦區(qū)，以及中國南海發(fā)現(xiàn)的冷泉區(qū)的部分區(qū)塊進(jìn)行了較為詳盡的地質(zhì)調(diào)查，開展了卓有成效的底質(zhì)地形勘測、礦物豐度評估等科考工作。圖2為“蛟龍”號搭載海洋地質(zhì)學(xué)家在2013年度西南印度洋航次中拍攝的低溫彌散流噴口。

在西南印度洋試驗(yàn)性應(yīng)用航次中，對我國位于西南印度洋的多金屬硫化物礦區(qū)進(jìn)行了深入的地質(zhì)環(huán)境觀測，對該區(qū)域的熱液噴口分布進(jìn)行了較為詳盡的勘查，這對于今后進(jìn)一步利用載人潛水器開展下潛科考，提高調(diào)查效率，奠定了基礎(chǔ)(圖2)。

圖2 “蛟龍”號在西南印度洋發(fā)現(xiàn)的低溫彌散流噴口Fig.2 Jiaolong discovered low-temperature diffuse flow vents in southwest Indian Ocean

3.1.2 海底地質(zhì)取樣

深海作業(yè)型載人潛水器均配置有先進(jìn)的多功能機(jī)械手以及保真取樣、潛鉆取芯工具等作業(yè)工具，使科學(xué)家在海底非常方便地進(jìn)行沉積物或巖石取樣。在FAMOUS計(jì)劃中，美國的“阿爾文”號與法國“西安納”號載人潛水器聯(lián)合對大西洋中脊開展了為期5年的科學(xué)考察，科學(xué)家通過機(jī)械手取得了大量的海底沉積物、巖石和礦物樣本，為大洋中脊的深入研究提供了有力的支撐。1977年，美國的“阿爾文”號在東太平洋加拉帕斯裂谷發(fā)現(xiàn)海底熱液噴口的同時(shí)，直接抓取到了熱液硫化物樣品，開啟了海底熱液硫化物研究的時(shí)代。

在海試和試驗(yàn)性應(yīng)用航次中，“蛟龍”號利用機(jī)械手或鏟斗等作業(yè)工具也取得了大量的地質(zhì)樣品。圖3為“蛟龍”號在西南印度洋我國多金屬硫化物礦區(qū)采集硫化物煙囪體時(shí)的照片。

圖3 “蛟龍”號在西南印度洋高溫?zé)嵋簢娍诓扇×蚧餆焽梵w樣Fig.3 Jiaolong sampled massive sulfide from high-tem-perature hydrothermal vents of southwest Indian Ocean

3.1.3 深海地球物理調(diào)查

載人潛水器可搭載先進(jìn)的深海多波束及側(cè)掃聲納系統(tǒng)，貼近海底目標(biāo)區(qū)進(jìn)行詳細(xì)勘測，這樣不僅避開了海面各種干擾的影響，而且提高了勘測的分辨率，從而可以獲得精細(xì)的海底地貌形態(tài)。

在1974年的FAMOUS項(xiàng)目和1979年的RITA項(xiàng)目中，利用搭載在“阿爾文”號上的多波束測深和側(cè)掃聲納系統(tǒng)，對大西洋中脊和東太平洋海隆進(jìn)行了精細(xì)勘測[21—22](見圖4)，獲得了大量有價(jià)值的海底地形地貌數(shù)據(jù)，為研究各種地質(zhì)現(xiàn)象提供了重要依據(jù)[23—24]。1999年，美國和日本兩國利用“深海6500”號，對夏威夷群島海底火山進(jìn)行了聯(lián)合勘查，并獲得了海底火山的精細(xì)地貌特征，為研究這些海底火山的成長及衰亡規(guī)律提供了第一手的資料。

圖4 “阿爾文”號載人潛水器測得的洋中脊地形圖Fig. 4 The topographic map of mid-ocean ridge measured by Alvin

目前，“蛟龍”號載人潛水器主要配置有測深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、擬增置多波束聲吶系統(tǒng)，從而為精確測量一定區(qū)域內(nèi)的精細(xì)地形地貌提供技術(shù)條件保障。

3.2 深海生物

載人潛水器及其搭載的探測和取樣設(shè)備，可以到達(dá)海洋深處，方便地對深海底棲生物進(jìn)行直接觀察、拍照，還可以對目標(biāo)物進(jìn)行保真取樣，回到實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行分析和培育，揭示深海生物生存和演化之謎[25]。

3.2.1 深海熱液區(qū)生物群落

深海熱液區(qū)是目前國際上開展深海生物勘察研究最為活躍的區(qū)域，主要存在于水深2 000 m左右的大洋中脊和活動斷裂帶上。深海熱液區(qū)附近生物群落物種及數(shù)量極為繁盛，這些生物從熱液化學(xué)物質(zhì)中攝取營養(yǎng)和能量，比如H2S、CO2、H2和CH4等，它們具有獨(dú)特的生存代謝機(jī)制。自從在海底熱液噴口附近發(fā)現(xiàn)生物群落以來，逐漸掀起了深海生物研究的熱潮[26]。在過去的30多年間，對熱液噴口生物的新種發(fā)現(xiàn)速度一直維持在平均每個(gè)月描述兩種的水平。目前已描述的熱液生物新種已有近600種，包括了原生動物門和12個(gè)后生動物門，其中超過85%的熱液生物為地方特有種(見圖5)。從寄生在熱液噴口附近的嗜熱微生物中提取的嗜熱菌，可用于細(xì)菌浸礦、石油及煤炭的脫硫，在發(fā)酵工業(yè)中，可以利用其耐高溫的特性，提高反應(yīng)溫度，增大反應(yīng)速度，減少中溫型雜菌污染的機(jī)會。此外，嗜熱菌研究中最引人注目的方向之一就是深海生物基因及其遺傳工程的相關(guān)研究。

1977年，“阿爾文”號載人潛水器在太平洋加拉帕戈斯群島東北300 km水深約2 550 m處的海底熱液噴口附近，發(fā)現(xiàn)了繁盛的生物群落，包括環(huán)節(jié)類、甲殼類、軟體類、須腕動物和魚類等[27]。1984年，“阿爾文”號載人潛水器又在大西洋3 200 m的海底洋中脊附近發(fā)現(xiàn)了類似的生物群落，這些生物生長很快，從海底噴出的熱水含有大量的H2S，這些動物不僅本身有同化H2S的能力，它們還能依靠共生的硫磺細(xì)菌的化能合成作用，將H2S轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。在“阿爾文”號的MAR97航次，在大西洋洋中脊的熱液區(qū)，利用配備在載人潛水器本體上的機(jī)械手和吸管采樣器，采集到了大量的深海生物樣本[28]。

法國的“鸚鵡螺”號載人潛水器在深海生物研究領(lǐng)域也開展了大量的工作。在1997年8月至9月的MARVEL航次中，對大西洋洋中脊(36°13.8′N，2 270～2 320 m水深)處的熱液噴口開展了首次科考下潛[29]。一年之后，在“鸚鵡螺”號載人潛水器的AMORES航次，對該熱液口進(jìn)行了再次科考下潛，利用載人潛水器上配備的保真采樣器，采集到了熱液口附近的6個(gè)采樣本，為后期深入開展深海生物研究奠定了基礎(chǔ)[30—31]。針對熱液噴口附近厭氧氨氧化微生物(anammox)對生物群落的作用[32]，該項(xiàng)目科考隊(duì)利用“鸚鵡螺”號載人潛水器和“Victor 6000”號水下機(jī)器人，在大西洋中脊海域不同溫度的5個(gè)熱液噴口附近采集到熱液和生物樣本，開展了對比研究。

2013年，“蛟龍”號西南印度洋科考航次，是我國首次利用載人潛水器開展熱液區(qū)精細(xì)勘查，首次對西南印度洋熱液區(qū)的熱液、生物、地質(zhì)的耦合作用進(jìn)行了多學(xué)科綜合研究?！膀札垺碧枌ξ髂嫌《妊笾屑?個(gè)不同熱液區(qū)的生物組成、豐度和分布進(jìn)行了較為系統(tǒng)的勘察。載人潛水器下潛作業(yè)獲得生物樣品635份。目前，我國深海生物學(xué)家正在結(jié)合獲得的樣品開展種類鑒定、特征參數(shù)測量、群落多樣性、分子系統(tǒng)發(fā)育、種群遺傳、微生物等相關(guān)研究，有望獲得新的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

圖5 深海熱液區(qū)生物群落Fig. 5 Deep-sea biological communities in hydrothermal vent area

圖6 西南印度洋熱液黑煙囪附近生長的貽貝Fig.6 Mussels live around the black smokers of hydrothermal vents in southwest Indian Ocean

3.2.2 深海冷泉區(qū)生物群落

在大陸坡和深海區(qū)的天然氣水合物分布區(qū)域，當(dāng)海底升溫或減壓，就會釋放出大量的甲烷，在海水中形成甲烷柱，即所謂的“冷泉”。在冷泉附近往往發(fā)育著依賴這些流體生存的冷泉生物群落，這是一種獨(dú)特的黑暗生物群落，最常見的生物有靠化能合成作用生存的管狀蠕蟲、雙殼類、腹足類和微生物菌等，因此又被稱為“碳?xì)浠衔锷锶郝洹薄?/p>

2006年5月，在墨西哥海灣北部的大陸斜坡約1 070～2 740 m的8個(gè)冷泉區(qū)域，科學(xué)家利用“阿爾文”號載人潛水器進(jìn)行了冷泉生物群落的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)冷泉附近動物生活習(xí)性各不相同，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了動物群體和海底沉積物中的微生物群體之間的獨(dú)特聯(lián)系，對冷泉附近微生物的演變過程開展了深入研究[33—35]。在2007年馬爾馬拉海的MARNAUT任務(wù)航次，利用“鸚鵡螺”號載人潛水器對該海域的冷泉、海底底棲動物、生物多樣性、生物的化能合成作用以及海底生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)地調(diào)查研究[36]。

2013年，“蛟龍”號試驗(yàn)性應(yīng)用航次在南海實(shí)施，載人潛水器首次搜索觀測到了面積約為2 000 m2的由大量的毛瓷蟹、蜘蛛蟹、深海蝦、貽貝等構(gòu)成的冷泉生物群落(圖7)?？茖W(xué)家通過對冷泉區(qū)生物生存方式和狀態(tài)的各項(xiàng)研究，了解該冷泉區(qū)生物群落結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性以及與其他冷泉區(qū)生物群落的異同點(diǎn)，這對保護(hù)海洋生物多樣性和海洋生態(tài)環(huán)境具有積極的促進(jìn)作用。

圖7 “蛟龍”號機(jī)械手采集貽貝等冷泉區(qū)生物樣品Fig.7 Mussels and other biological samples of the cold seep area were collecting by the manipulator of Jiaolong

3.2.3 深海大生物

除了對深海生物群落開展綜合研究外，國內(nèi)外生物學(xué)家還搭乘載人潛水器，對生活在深海中的大生物進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1977年，“阿爾文”號載人潛水器在太平洋加拉帕戈斯群島東北水深2 550 m處的海底熱液噴口附近的生物群落中發(fā)現(xiàn)了大量的環(huán)節(jié)類、甲殼類、軟體類、須腕動物和魚類等深海大生物，其中，大型的管棲蠕蟲狀須腕動物成團(tuán)成簇存在，管長達(dá)5 m，直徑4 cm，生物密度可達(dá)15 kg/m2。在1984年“阿爾文”號對大西洋洋底深海熱液噴口附近生物群落的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了熱液噴口附近的蛤類，其代謝速度比一般蛤類快約500倍?！鞍栁摹碧栐贛AR97航次中首次在大西洋中脊的熱液區(qū)利用配備的機(jī)械手和吸管采樣器，采集到了包括蚌類、小蝦、螃蟹、腹足動物和多毛目環(huán)節(jié)動物等大量生物樣本(見圖8)，并且在清洗蚌類及采樣籃的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了大量的無脊椎生物。

對深海大生物的研究不僅是對現(xiàn)存的深海生物進(jìn)行研究，還包括對生物遺骨及其附近生物的研究。1992年，“深海6500”號載人潛水器在日本鳥島海域4 146 m深處發(fā)現(xiàn)了古鯨遺骨，在22塊古鯨骨附近發(fā)現(xiàn)了大量寄生的貝類和小蝦。1998年和1999年間，“阿爾文”號在Santa Cruz海盆人為放置的鯨魚尸骨附近進(jìn)行了線蟲生物群落的采樣試驗(yàn)，在鯨骨放置好后的第1.5和第18個(gè)月，利用“阿爾文”號機(jī)械手上的取樣裝置，在離鯨骨分別為0 m、1 m、3 m、9 m和30 m的地方，對鯨骨附近的沉積物進(jìn)行了收集采樣[37]。另外，利用“阿爾文”號在美國東海岸布放海底試驗(yàn)箱，收集到深海軟體動物標(biāo)本，進(jìn)一步對深海軟體動物及其與家族關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究[38]。

“蛟龍”號載人潛水器自海試至試驗(yàn)性應(yīng)用航次以來，利用高清攝像系統(tǒng)，也拍攝記錄了眾多的深海大生物系統(tǒng)，包括深海海參、海星、?？?、鼠尾魚、獅子魚、蜘蛛蟹、磷蝦、毛瓷蟹、貽貝、端足類生物等(見圖9)。利用機(jī)械手還獲取了部分深海大生物。目前，一些深海大生物吸取、誘捕型作業(yè)工具正在被研制，潛水器有望在未來應(yīng)用中獲取更多的深海大生物。

3.3 物理海洋

載人潛水器在物理海洋研究中也得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用在海流熱通量、大洋環(huán)流、熱液口溫度場分布等研究領(lǐng)域。

1977年，“阿爾文”號在太平洋加拉帕哥斯群島附近的海底發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)熱液口，之后又相繼在大西洋和太平洋發(fā)現(xiàn)了24余個(gè)熱液噴口。從此，海底熱液噴口附近海水的流動形態(tài)、熱液噴發(fā)對大洋環(huán)流模型的影響、洋殼熱通量等一大批新的科學(xué)問題成為物理海洋學(xué)研究的重要內(nèi)容。1988年7—9月，Schultz等人利用“阿爾文”號潛水器對東北太平洋Juan de Fuca洋中脊Endeavour段熱液噴口熱通通量進(jìn)行了測量，并利用溫度傳感器陣列獲得了熱液噴口周邊的溫度場分布。1993年12月，“鸚鵡螺”號潛水器對大洋中脊存在的表流(sheet flows)進(jìn)行了觀察。1994年，日本“深海6500”潛水器在東太平洋隆起南部進(jìn)行了8次下潛，開展熱液流場等方面的觀察與研究。

圖8 “阿爾文”號在大西洋海底拍攝到的深海軟體動物(左圖)和蝦類生物(右圖)Fig.8 The deep-sea mollusks (left) and shrimp (right) were captured by Alvin in Atlantic

圖9 “蛟龍”號拍攝的深海大生物(左上：海參；右上：鼠尾魚；左下：?？①O貝；右下：磷蝦)Fig.9 Big creatures captured by Jiaolong (left upper: sea cucumber; right upper: sagefish; left lower: sea anemone; right lower: krill)

4 結(jié)語

利用搭載在載人潛水器上的儀器設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對深海目標(biāo)進(jìn)行有效的觀察、探測和取樣等，是開展深?？茖W(xué)研究的重要手段。20世紀(jì)60年代以來，載人深潛器在深海地質(zhì)、深海生物等研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，取得了一大批深?？茖W(xué)重大發(fā)現(xiàn)和研究成果。我國在深?？茖W(xué)研究領(lǐng)域明顯落后于發(fā)達(dá)國家，其根本原因是深海探測能力不足。“蛟龍”號載人潛

水器7 000 m級海試成功及試驗(yàn)性應(yīng)用航次的開展，標(biāo)志著我國已具備了載人深潛的作業(yè)能力。充分利用這一先進(jìn)技術(shù)和手段，開展深海相關(guān)科學(xué)考察和研究，對于推動我國深?？茖W(xué)的快速發(fā)展有重要意義。

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Progress of the application and research of manned submersibles used in deep sea scientific investigations

Liu Baohua1，Ding Zhongjun1，Shi Xianpeng1，Yu Kaiben1，Li Dewei1，Li Baogang1

(1.NationalDeepSeaCenter，Qingdao266061，China)

Deep submergence technology is the cutting edge and one of the most advanced deep-sea technologies. With the development of high technology since 1960s，countries such as America，Japan，F(xiàn)rance and Russia have made a rapid progress in the development and application of manned submersibles; they have mastered this technology successively and are capable of applying it to theinsituobservation，detection and sampling at complex deep ocean conditions. To date，the vehicles have been applied to obtain deep-sea geological，geophysical，biological，chemical and environmental information at areas including continental slopes，mid-ocean ridges，seamounts，sea-floor trenches and ocean basins all over the world，based on which，a batch of important findings and innovative results have been achieved and thus improving the deep sea research. China self-designedJiaolongmanned submersible has successfully completed 7 000 m class sea trial. The test operational phase has been conducted since 2013，and rich scientific investigations have been achieved via the successful voyages. This paper briefly describes the current status of the development of manned submersibles of each country and their advantages in deep ocean research，and reviews the application in marine geology，biology and physical oceanography of manned submersibles developed by domestic and foreign countries．

manned submersibles; deep sea; scientific investigation; geosciences; biological sciences; physical oceanography

2015-06-26；

2015-08-12。

科技部國際科技合作項(xiàng)目(2012DFA20970)。

劉保華(1960—)，男，山東省嘉祥縣人，博士，研究員，從事海洋地球物理調(diào)查與研究。E-mail:bhliu@fio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.10.001

U674.941

A

0253-4193(2015)10-0001-10

劉保華，丁忠軍，史先鵬，等. 載人潛水器在深海科學(xué)考察中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].海洋學(xué)報(bào)，2015，37(10)：1—10，

Liu Baohua，Ding Zhongjun，Shi Xianpeng，et al. Progress of the application and research of manned submersibles used in deep sea scientific investigations[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(10)：1—10，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.10.001