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        向海圖強(qiáng),“夢(mèng)想”啟航

        2025-04-07 00:00:00高熙堯
        科普天地 2025年4期
        關(guān)鍵詞:作業(yè)

        2024年11月17日,我國(guó)第一艘大洋鉆探船——夢(mèng)想號(hào)正式交付,它是全球唯一一艘具備11000米鉆探能力的科考鉆探船,建有海洋科學(xué)、微生物、古地磁等九大功能實(shí)驗(yàn)室,總面積超3000平方米,堪稱海上移動(dòng)的“國(guó)家實(shí)驗(yàn)室”。

        那么,這艘大船為什么叫夢(mèng)想號(hào)?它又承載著那些夢(mèng)想呢?

        地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        夢(mèng)想號(hào)是大洋鉆探船,未來(lái)將承擔(dān)國(guó)家重大科技項(xiàng)目和國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃中的大洋科考鉆探任務(wù),它的夢(mèng)想是“打穿地殼、進(jìn)入上地?!焙汀伴_(kāi)發(fā)地球深部資源”,這也是人類長(zhǎng)期以來(lái)的夢(mèng)想。那它為什么要打穿地殼、研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢?

        眾所周知,我們生活的藍(lán)色星球——地球是一個(gè)球體,由內(nèi)到外分為地核、地幔和地殼。

        地殼是地球最外層的薄殼,平均厚度約為17千米,主要由巖石組成,包括花崗巖、玄武巖等不同類型的巖石。在地殼中,大陸地殼相對(duì)較厚,厚度為30~70千米,海洋地殼相對(duì)較薄,平均厚度僅有7千米。

        地幔位于地殼之下,厚度約為2900千米,分為上地幔和下地幔。上地幔中的物質(zhì)具有一定的流動(dòng)性,其中存在一個(gè)軟流層,被認(rèn)為是巖漿的發(fā)源地。軟流層為板塊運(yùn)動(dòng)提供了重要的動(dòng)力來(lái)源。

        地核是地球的核心部分,半徑約為3470千米。地核又分為外核和內(nèi)核,外核主要由液態(tài)的鐵和鎳組成。正是由于外核的液態(tài)金屬在不斷流動(dòng),地球磁場(chǎng)才得以產(chǎn)生。內(nèi)核則由固態(tài)的鐵和鎳組成,其溫度和壓力極高。

        簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)就像一顆雞蛋,地殼是蛋殼,地幔是蛋清,地核是蛋黃,其中地殼與地幔還存在一個(gè)分界面——莫霍面。

        地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。我們要認(rèn)識(shí)生存環(huán)境、解決可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題、減輕自然災(zāi)害的影響,就必須深化對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。雖然隨著科技的發(fā)展,地球物理學(xué)在20世紀(jì)后期迅猛發(fā)展,人類得以一窺地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奇妙之處,但到目前為止,人類的科學(xué)探索一直局限于地殼表層,無(wú)法打穿地殼,也就無(wú)從深入研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

        知識(shí)鏈接:科拉超深鉆孔

        蘇聯(lián)曾于1970年在科拉半島進(jìn)行陸上科學(xué)鉆探,耗時(shí)19年,鉆深達(dá)到12262米。該鉆孔被稱為“科拉超深鉆孔”,是目前世界上最深的鉆孔,但與莫霍面還相距甚遠(yuǎn)。

        大洋鉆探計(jì)劃

        其實(shí),要想了解地球內(nèi)部的情況,遁入地底是最直接的做法,可是上天容易入地難。在這個(gè)人類已經(jīng)可以乘著載人飛船進(jìn)入太空的時(shí)代,我們?nèi)匀狈τ辛ぞ呱钊氲氐祝驗(yàn)橹旅艿膸r石讓人寸步難行。于是,科學(xué)家轉(zhuǎn)變了思路——既然無(wú)法“登門拜訪”,那不妨請(qǐng)“主人”出來(lái)亮個(gè)相——在地殼上鉆洞,將地球內(nèi)部物質(zhì)取出來(lái)研究。不過(guò),大陸地殼平均厚度為35千米,深入其中十分困難,而海洋地殼有的地方厚度不足5千米,相比之下,從海底打穿地殼,抵達(dá)莫霍面就容易得多。

        1957年,美國(guó)科學(xué)家提出“莫霍計(jì)劃”,試圖通過(guò)深海鉆探研究地幔。由于困難重重,科學(xué)家只取得了少量洋殼玄武巖,但這對(duì)于地殼研究意義重大。

        1968年,美國(guó)科學(xué)家提出“深海鉆探計(jì)劃”,由格洛瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)鉆探船負(fù)責(zé)鉆探。隨后,英國(guó)、法國(guó)、瑞士、意大利等國(guó)科學(xué)家都參與到這一項(xiàng)目中來(lái),國(guó)際合作使得深海鉆探向著更廣泛、更深入的方向發(fā)展。此后15年間,格洛瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)完成了近100個(gè)航次,鉆井逾千口,回收巖芯約9.5萬(wàn)米,鉆井遍布除北冰洋以外的世界各大洋,海洋探索取得了重大進(jìn)展。

        1983年,深海鉆探計(jì)劃更名為大洋鉆探計(jì)劃,格洛瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)正式退役,它的工作由喬迪斯·堅(jiān)決號(hào)接替,冰島、丹麥、瑞典、芬蘭等國(guó)家也加入了這一計(jì)劃。 1998年,我國(guó)正式加入該計(jì)劃。

        大洋鉆探計(jì)劃持續(xù)到了2003年。之后,由26個(gè)參與國(guó)資助的海洋綜合鉆探項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施,并一直持續(xù)到了2013年。其間,日本建造了夢(mèng)想號(hào)誕生之前全球最大的海洋探測(cè)船地球號(hào)。

        從2013年10月開(kāi)始,大洋鉆探計(jì)劃的參與國(guó)通過(guò)國(guó)際海洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃繼續(xù)開(kāi)展合作,并持續(xù)至今。

        半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),國(guó)際上開(kāi)展了幾百個(gè)大洋鉆探航次,我國(guó)由于沒(méi)有大洋鉆探裝備,只有高價(jià)購(gòu)買船票才能參與其中。我國(guó)海洋事業(yè)起步晚,發(fā)展還比較落后,只有采用超常規(guī)手段才能脫穎而出,建造能力突出的大洋鉆探船就是這樣一種手段。如今,夢(mèng)想號(hào)正式入列,我國(guó)深??萍寄酥琳麄€(gè)海洋事業(yè)獲得極大提升,必將進(jìn)入國(guó)際深海研究的前沿與核心。依托夢(mèng)想號(hào)這一關(guān)鍵平臺(tái),我國(guó)正積極發(fā)起新一輪國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃,組織國(guó)際大洋鉆探航次,建設(shè)并運(yùn)行國(guó)際大洋鉆探巖芯實(shí)驗(yàn)室,聯(lián)合國(guó)際共同引領(lǐng)之后的世界大洋鉆探。

        知識(shí)鏈接:大洋鉆探

        大洋鉆探是指為了研究地球內(nèi)部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及蘊(yùn)藏在海底深部的能源資源等,對(duì)海底進(jìn)行的鉆探工程。大洋鉆探船是全球深海探測(cè)高新技術(shù)的集成,是目前深入海底深部取樣的唯一手段。目前,全球已有20多個(gè)國(guó)家先后參與了大洋鉆探國(guó)際合作計(jì)劃,但僅有3個(gè)國(guó)家建造過(guò)大洋鉆探船,我國(guó)就是其中之一。

        大洋鉆探重器——夢(mèng)想號(hào)

        承載著人類偉大夢(mèng)想的夢(mèng)想號(hào)于2024年11月17日在廣州正式入列,它是目前全球鉆探能力最強(qiáng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)功能最全、智能化水平最高、綜合運(yùn)維成本最低的鉆探船,可執(zhí)行大洋科學(xué)鉆探、深海油氣勘探和天然氣水合物勘查試采等國(guó)家戰(zhàn)略任務(wù),能大幅提升我國(guó)“深海進(jìn)入、深海探測(cè)、深海開(kāi)發(fā)”能力,為加快海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)、提高能源自主保障能力提供強(qiáng)大助力。

        夢(mèng)想號(hào)長(zhǎng)179.8米、寬32.8米,重約33000噸,續(xù)航力達(dá)15000海里,可以連續(xù)在海上工作120天;配備了基于蓄能閉環(huán)電網(wǎng)的DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng),可在6級(jí)海況下正常作業(yè),能在16級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下安全生存,具備全球海域無(wú)限航區(qū)作業(yè)能力。

        全球鉆探能力最強(qiáng)

        為了順利深入海底,實(shí)現(xiàn)11000米鉆桿的高效鉆探和取芯,夢(mèng)想號(hào)在鉆機(jī)能力和鉆桿存儲(chǔ)方面做了特別設(shè)計(jì)。

        在鉆機(jī)能力方面,它配置了全球最先進(jìn)的液壓舉升鉆機(jī),具有裝機(jī)功率小、鉆探效率高、補(bǔ)償能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),并集成了傳統(tǒng)隔水管、傳統(tǒng)無(wú)隔水管、輕型隔水管、無(wú)隔水管泥漿閉式循環(huán)4種鉆探模式和提鉆、繩索、氣舉反循環(huán)3種取芯方式,可實(shí)現(xiàn)從巖芯采集、輸送到存儲(chǔ)的全過(guò)程自動(dòng)化作業(yè),深海硬巖鉆探取芯效能提高了40%。

        在鉆桿存儲(chǔ)方面,夢(mèng)想號(hào)創(chuàng)新性配置了可拆式模塊化鉆桿堆場(chǎng)和通用型鉆桿移運(yùn)設(shè)施,并在井架內(nèi)設(shè)置了大容量鉆桿存儲(chǔ)區(qū),可以搭載11000米鉆桿及相應(yīng)的輔助鉆具,并實(shí)現(xiàn)鉆桿從堆場(chǎng)到井架作業(yè)區(qū)的高效轉(zhuǎn)運(yùn)。

        知識(shí)鏈接:深海中的手術(shù)刀

        夢(mèng)想號(hào)的超級(jí)鉆探系統(tǒng)被譽(yù)為“深海中的手術(shù)刀”,面對(duì)海底復(fù)雜多變的環(huán)境,它能夠精準(zhǔn)進(jìn)行鉆探作業(yè)。這個(gè)超級(jí)鉆探系統(tǒng)不僅具備超強(qiáng)的鉆探能力,還配備了先進(jìn)的控制技術(shù),可在深海高壓環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。這套系統(tǒng)的核心部件是一種特別設(shè)計(jì)的鉆頭,采用了最新的合金材料,能夠承受極高的壓力和摩擦力。

        科學(xué)實(shí)驗(yàn)功能最齊全

        作為全球最先進(jìn)的大洋鉆探船,夢(mèng)想號(hào)不僅鉆探能力強(qiáng),還實(shí)現(xiàn)了我國(guó)多功能船載實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的突破——建有全球面積最大、功能最全、流程最優(yōu)的船載實(shí)驗(yàn)室,總面積超3000平方米,可滿足基礎(chǔ)地質(zhì)、古地磁、無(wú)機(jī)地球化學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)、微生物、海洋科學(xué)、天然氣水合物、地球物理、鉆探技術(shù)等海洋全學(xué)科實(shí)時(shí)研究需求。此外,夢(mèng)想號(hào)還采用了數(shù)字孿生技術(shù),可實(shí)現(xiàn)鉆采作業(yè)全過(guò)程監(jiān)測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)智能協(xié)同。

        智能化水平最高

        設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)群策群力,始終堅(jiān)持自主研發(fā),為夢(mèng)想號(hào)配備了“船舶智慧大腦”。它包括中央控制系統(tǒng)和綜合信息化系統(tǒng),可實(shí)時(shí)匯聚分析2萬(wàn)余個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)作業(yè)智能監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)智能協(xié)同、健康智能保障、船岸智能融合,并且獲得了中國(guó)船級(jí)社智能集成平臺(tái)、智能機(jī)艙、智能能效附加標(biāo)志,智能化水平遠(yuǎn)超地球號(hào)和喬迪斯·堅(jiān)決號(hào)大洋鉆探船。在船載實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以巖芯為載體,夢(mèng)想號(hào)可實(shí)現(xiàn)鉆探船內(nèi)部巖芯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)共享和船岸一體化協(xié)同,實(shí)現(xiàn)船載實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和船岸協(xié)同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

        綜合運(yùn)維成本最低

        要具備各種先進(jìn)功能,離不開(kāi)強(qiáng)大的能源供應(yīng)。夢(mèng)想號(hào)采用新型蓄能閉環(huán)電網(wǎng)技術(shù),電站容量達(dá)到30兆瓦,相當(dāng)于一個(gè)25萬(wàn)人口縣城的用電規(guī)模。其電網(wǎng)由柴油發(fā)電機(jī)組、三元鋰電池組和電池管理系統(tǒng)組成,不僅能為海上作業(yè)提供強(qiáng)有力的保障,而且能使全船綜合能耗降低15%,提升全船運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性。

        “定海神針”的秘密

        普通船舶在海上受到風(fēng)、浪、流等的影響,想保持正常航向都困難,而夢(mèng)想號(hào)的設(shè)計(jì)要求是在6級(jí)海況下正常作業(yè),長(zhǎng)達(dá)萬(wàn)米的鉆桿必須像“定海神針”那樣穩(wěn)穩(wěn)鉆入海床中,這是如何做到的呢?

        動(dòng)力定位系統(tǒng)因不依賴拋錨或系纜、部署和撤離迅速、對(duì)水深不敏感等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在深海油氣開(kāi)發(fā)、潛水作業(yè)、海底管道和電纜敷設(shè)及科學(xué)考察等方面。它的工作原理是,利用計(jì)算機(jī)控制推進(jìn)器的推力大小和方向,以對(duì)抗由風(fēng)、浪、流等造成的外部作用力,從而使船體位置和船頭朝向保持不變,保證船體穩(wěn)穩(wěn)地保持在同一位置。

        夢(mèng)想號(hào)可以通過(guò)衛(wèi)星定位、聲吶定位、運(yùn)動(dòng)參考系統(tǒng)等傳感器計(jì)算外界環(huán)境力,再自動(dòng)向推進(jìn)器發(fā)出逆向推進(jìn)指令,實(shí)現(xiàn)在海中“不動(dòng)如山”。

        此外,在夢(mèng)想號(hào)上,動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中的傳感器、位置參考系統(tǒng)和控制器均采用冗余設(shè)計(jì),動(dòng)力和輔助系統(tǒng)分布在三個(gè)防火分隔區(qū)域。這樣一來(lái),任何一個(gè)艙室的動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生故障,都不會(huì)影響其他的動(dòng)力系統(tǒng),從而始終保證鉆桿正常工作,這就是三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)。

        綜合性能國(guó)際領(lǐng)先

        秉承“小噸位、多功能、模塊化”的設(shè)計(jì)建造理念,夢(mèng)想號(hào)突破了10大類、50余項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù),成功解決了大洋科學(xué)鉆探、深海油氣勘探和天然氣水合物勘查試采等多種功能同船融合設(shè)計(jì)的世界級(jí)難題,完成了多項(xiàng)國(guó)際首創(chuàng)設(shè)計(jì),綜合性能國(guó)際領(lǐng)先。

        穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性突出。夢(mèng)想號(hào)可在16級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下安全航行,在9級(jí)臺(tái)風(fēng)下360度方向保持船舶位置。

        作業(yè)海況適應(yīng)性強(qiáng)。夢(mèng)想號(hào)可在6級(jí)海況下正常作業(yè),適應(yīng)作業(yè)海況比國(guó)外最先進(jìn)的大洋鉆探船還多,具有更長(zhǎng)的作業(yè)窗口期。

        可變載荷能力突出。夢(mèng)想號(hào)最大可變載荷達(dá)15000噸,比海洋石油981號(hào)鉆井平臺(tái)提高了60%以上。

        自持力突出。夢(mèng)想號(hào)一次出??梢院叫凶鳂I(yè)達(dá)120天,比國(guó)外大洋鉆探船提高了60%。

        船舶機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。夢(mèng)想號(hào)最大航速超13節(jié),比國(guó)外最先進(jìn)的大洋鉆探船提高了8%。

        深海蘊(yùn)藏著無(wú)數(shù)資源。21世紀(jì)是“海洋科學(xué)的新世紀(jì)”,許多國(guó)家先后制訂了21世紀(jì)海洋發(fā)展戰(zhàn)略。同時(shí),海洋科學(xué)也在不斷發(fā)展,細(xì)分出諸多領(lǐng)域,如海洋地質(zhì)學(xué)、海洋生物學(xué)、海洋環(huán)境學(xué)等。海洋科學(xué)在歷經(jīng)古代、近代和現(xiàn)代的發(fā)展之后,必將迎來(lái)一個(gè)更為輝煌的新時(shí)代。

        夢(mèng)想號(hào)是一個(gè)海上多面手,它承載著人類探索海洋、認(rèn)識(shí)地球的夢(mèng)想。入列后,它將由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局運(yùn)營(yíng)使用,承擔(dān)國(guó)家重大科技項(xiàng)目和國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃中的大洋科考鉆探任務(wù)。作為我國(guó)今后超深水鉆探和水合物試采的核心裝備,夢(mèng)想號(hào)也將開(kāi)啟我國(guó)海洋科學(xué)發(fā)展的新篇章。

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