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深海高技术发展现状及趋势

来源:《海洋技术》2010年第3期 日期:2011-04-28 浏览量:
高艳波,李慧青,柴玉萍,麻常雷
 
(国家海洋技术中心,天津300112)
摘 要:深海高技术是海洋开发和海洋技术发展的最前沿和制高点,是国家综合实力的集中表现,也是目前世界高科技发展的方向之一。 深海高技术是综合性的技术,主要包括:深海环境监测技术,深水油气、矿产、生物及其基因资源勘查和开发技术,深海运载平台和作业技术。 文章综合了国外深海高技术发展的最新动态,研究了国外深海高技术的研究现状,分析了深海高技术的发展趋势,对了解认识我国与世界先进水平之间的差距,深入开展我国深海高技术的发展具有重要的意义。
关键词:深海;高技术;现状;趋势
1 前言
海洋约占地球面积的71%,水深大于300 m的深海/大洋面积约占海洋面积的88%,深海蕴藏着丰富的油气资源、矿产资源、生物及其基因资源。近年来,国际社会在深海和大洋领域的竞争日趋激烈。我国已清醒地认识到深海对于国家社会经济的可持续发展和国家安全的重要性,2009年5月科学技术部发布了《国家深海高技术发展专项规划》,这对我国深海高技术的发展有重大意义,也为我们发展深海高技术提供了良好的契机。发展深海高新技术,将为突破海水屏障,探查与开发深海资源,利用深海空间,提供技术装备和方法。
深海高技术是当前海洋技术发展的前沿与国际海洋竞争的制高点,也是世界高科技发展的方向之一[1]。深海高技术涉及的领域十分广泛,是综合性的技术,技术领域多有交叉。按照《国家深海高技术发展专项规划》的表述,深海高技术主要包括:深海海洋环境监测技术、深水油气及天然气水合物勘探开发技术、大洋矿产资源勘查开发技术、深海生物资源开发利用技术、深海潜水器与作业技术及深海通用技术等。深海高技术的支撑作用:一是占有深海资源的保障作用;二是对海洋整体技术的推动作用;三是对相关领域的技术形成辐射与带动作用[2]。
2 深海高技术发展现状
2.1 深海海洋环境监测技术
自20世纪80年代以来,美、加、日、英、法、德等海洋强国分别制定了海洋科技发展规划,推动了深海海洋环境监测技术的发展和日臻成熟,并纷纷建立了深海海洋观测系统或观测站。其中具有代表性的有:美国与加拿大合作的东北太平洋时序海底观测网实验 (海王星计划,NEPTUNE -the North East Pacific Time-Integrated Undersea Networked Experient)、夏威夷2号观测站(H2O-the Hawaii-2 Observatory)、海洋研究交互观测网络 (ORION-Ocean Research Interactive Observatory Network)、欧洲海底观测网(ESONET-European Sea Floor Ob-servatory Network)"、日本区域性先进实时地球监测网络(ARENA-Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in theArea)等。
2.1.1 海王星海底观测计划
海王星海底观测网计划(NEPTUNE)是美国和加拿大合作实施的一个项目,该观测网是目前世界上最大的海底观测网络,最大深度约3 000 m,1998年启动,2000-2003年期间出台详细的计划和系统设计,2004-2007年进行采购和安装,2006年开始局部运行,计划一直持续观测到2036年。NEPTUNE的目标是在太平洋东北部500km×l 000km的海底区域,即在整个胡安•德富卡(Juan deFuca)板块上布置长约3 000 km的光/电缆,把数百套海底观测仪器设备和30个海底实验室联成观测网络,以研究胡安•德富卡海底板块的运动。水下观测系统由光/电缆供电和传输数据,并与岸基控制站联结,然后进入因特网,供国际科学界及公众共享。有两个海岸基站控制中心,一个设在维多利亚,一个设在俄勒冈,通过基站发送控制指令和接收数据。
2.1.2 夏威夷2号海底观测系统[4,6,7]
夏威夷2号海底观测系统(H2O)主要用于海底地震监测,位于夏威夷和加利福尼亚正中间水深5 000 m的海底处,是世界上第一个海底地震监测网络系统。系统的接驳盒带有多个水密接插件,允许挂接多台套观测仪器设备,并进行远程操作。地震仪不间断工作,并与装有海水温度、化学量、海流等测量仪器的集装箱式装置相连接,观测数据输往夏威夷州立大学,H2O利用了海底废弃的电缆。H2O海底观测网络系统建设的驱动力首先是地震学研究和地震预报,后来地磁学、生物海洋学研究和海啸监测都利用了该海底观测网络。
2.1.3 海洋研究交互观测网络(ORION)[4,8]
美国国家基金会(NSF)从2004年开始组织实施"海洋研究交互观测站网"计划,该计划涵盖美国国内和国际合作海洋观测网的海洋观测计划,包括已经建立的多个海底观测网和观测计划,如海洋观测站启动计划(Ocean ObservatoriesInitia-tive- OOI)、海王星计划等。ORION为一个统一的海洋观测网络的结构和运行的所有方面提供了一个大环境,也促进了美国自然科学基金会和其他联邦、局之间的合作。ORION的职责是实施海洋研究交互观测网计划、管理网络建设、操作和维护网络。
基础观测网由3个主要部分组成:①利用海底电缆的区域观测;②沿岸观测;③浮标的全球观测。ORION系统的观测范围从海面到海水中,再到海底甚至到海底以下。目的是获得更多和更好的观测数据,包括那些很少发生或短暂发生但又很重要的现象数据,如海底火山喷发的数据等。也包括那些很多年都有某种倾向或波动的现象数据,如十几年或更长时间的气候波动数据。ORION系统的观测数据可以通过国际通信卫星传送给世界各地的数据处理中心进行处理,也可以把这些数据发送到国际互联网上,供有关人员分析使用。观测网既可以用光缆连接直至岸基控制中心,也可以通过锚系浮标和卫星通信系统与岸基控制中心联接,锚系浮标有卫星通信和水声通信能力,用太阳能电池板供电。ORION系统由通信系统、通信协议、观测仪器系统、数据存取与管理、接驳盒、电能供给、数据传输等分系统或装置组成,涉及很多相关的技术问题。
2.1.4 欧洲海底观测网计划[9,10]
2004年,英、德、法等国制定了"欧洲海底观测网计划(ESONET),针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题,在大西洋与地中海精选10个海区设站建网,进行长期海底观测。ESONET的目标是,探索在大西洋与地中海沿岸兴建海底观测网络系统的可能性。ESONET承担一系列海洋与地球科学研究项目,诸如评估挪威海海冰的变化对水循环的影响、监视北大西洋地区的生物多样性、监视地中海的地震活动,等等。ESONET汇集了来自欧洲大陆的14家研究所的高级科学家,他们希望根据项目的实际情况,逐渐发展完整的网络系统。该观测网络由不同地域间的观测网络系统组成联合体。网络计划协调员希望20a后ESONET将具备监视整个欧洲沿海海洋的能力。
2.1.5 日本新型实时海底观测网络[11]
日本海底电缆科学研究组于2003年1月提出了"先进的区域性实时地球监测网"(ARENA)计划。该计划由日本东京大学主持,其目标是沿日本海沟建造跨越板块边界的光缆连接观测站网。其早期目标是地震观测,目前科学家们期望ARENA能提供多学科的资讯,如地震、海洋学和生物学信息。该监测网利用铺设于海底的有缆网络和配置于海底网络上的观测仪器,开展海底监测。通过覆盖相关海域和海底的综合性监测网和长时序的监测,构筑起海洋学、地球物理学、地震学,以及海水资源、海底能源开采等多学科、跨领域的应用平台,为试验验证、科学研究、深海海洋工程服务。在ARENA计划中,有多种观测手段,如深海浮标、沿岸浮标、水下滑翔器、AUV、漂流浮标、卫星和飞机等,并用海底电缆将海底观测仪器设备组成网络。通过这些手段可以实现对关注海域的四维观测。
2.2深水油气及天然气水合物勘探开发技术
海洋蕴藏着丰富的石油和天然气资源。国际能源机构最新统计数字表明,海洋油气总储量的44%蕴藏在大于2 000 m的深水区,在水深超过500m的大陆坡区已发现50多亿t油当量的油气资源。目前,全世界从事海洋油气开发的国家已达100多个,遍及40多个沿海国家的海域,勘探范围包括除南极大陆以外的所有大陆架。世界深水油气勘探开发主要集中在"金三角"地区,即美洲的墨西哥湾、拉丁美洲的巴西海域及西非海域。世界深水区域已探明储量达500亿桶油当量,未发现的潜在资源量约1000亿桶油当量。目前,国际上海洋油气勘探的三维地震、叠前深度偏移、多波地震等技术,以及直接指示石油烃类的地球化学勘探技术发展很快,是海上油气勘探的技术前沿。通过钻井、完井、井下测量、信息采集、传输、控制技术紧密结合,将水面上的人工控制发展为水下全自动控制,实现智能钻井与完井,成为深水钻完井技术的发展趋势。适合于深水油气开发的新型平台、多功能浮式生产储油装置、水下生产系统,是深水油气开发的关键重大技术装备和发展热点。深水油气开发面临的主要难题有:复杂的油藏地质,极端的灾害性环境,极大的静水压力,海底低温条件,远程遥控操作,水下分离和水下生产,长距离的水下井口回接,油气储藏和外输,稠油油藏开发,流动安全保障,合理的采收率,等。针对这些难题,相关国家已开展了较深入的研究,并取得了一系列研究成果。深水油气开发荟萃了众多尖端的科学技术和重大技术装备。美国是深海油气资源开发技术水平最先进的国家,拥有最先进的“J”型铺管船和滚筒式铺管船,几乎垄断了深水铺管市场;致力于各种新型平台的开发,形成了以张力腿平台、深吃水立柱平台、半潜式平台、顺应塔平台为代表的多种深水平台系列。巴西的深水技术位居世界先进水平,石油自给率达到80%左右。英国和挪威的钻采平台自给率达到八成。法国的高压石油软管技术、平台技术、测井技术、LPG储运设备制造技术独树一帜。荷兰拥有世界上最先进的大型起重船,几乎垄断了深水大型平台安装市场。意大利的海上铺管技术和管线涂敷技术,瑞典的动力定位铺管技术,德国的钻井设备制造技术和海上液压工业装备技术及大功率变频电力拖动技术,亦各有特色。日本在平台建造、海洋工程结构、石油管材以及配套机电仪器设备方面也具有很强的国际竞争力。此外,韩国、新加坡的海洋石油钻采平台建造技术也在世界崭露头角。
近年来,中国的深水油气勘探开发技术发展迅速。2010年2月26日,中国建造的第六代半潜式平台“海洋石油981”顺利出坞,最大作业水深3 000 m,最大钻井深度10 000 m,能抵御200a一遇台风,最大甲板可变载荷9000万t,适用于全球海域,2011年建成[13]。2009年6月,世界上首座圆筒形超深水海
洋钻探储油平台“SEVANDRILLER”建造成功。这是中国为挪威SEVAN MARINE公司建造的第六代半潜式钻探储油平台,造价6 亿美元,属于当今世界海洋石油钻探平台中技术水平最高、作业能力最强的高端产品。设计水深3810m,钻井深度12 192 m,配置DP-3动力定位系统和系泊系统,适应北海-20℃的恶劣海况,甲板可变载荷15 000 t,拥有15万桶原油的存储能力[13]。
海底沉积物中的可燃冰是后石油时代的新能源,其主要成份是甲烷和水,分子结构式为CH4•8H20。其形成条件是合适的温度、适当的压力、足够的甲烷气体。据估计,在海底区域可燃冰的分布面积占地球海洋总面积的1/4。目前,在全球海洋及陆地已探明的可燃冰储量相当于全球传统化石能源储量的两倍以上,其中海底可燃冰的储量够人类使用1 000a。因此,对可燃冰的研究、勘探与开发引起国际社会的极大关注。
开发可燃冰存在的重大难题是环境问题。甲烷的温室效应为CO2的20倍,全球海底可燃冰的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3 000倍。开采中若有不当,引发甲烷井喷,将产生无法想象的后果。而且,固结在海底沉积物中的可燃冰一旦井喷式气化,将会严重改变海底沉积物的工程力学特性,造成海底滑坡、海啸、海水毒化,甚至大陆边缘坍塌。目前,国际上可燃冰的研究与勘探进入高峰期,直至2009年世界上至少有30多个国家和地区参与其中。日本、美国、加拿大等国家在可燃冰的开采技术方面也取得了较大的进展。至今正在研究的开采方法有热解法、降压法、二氧化碳置换法。日、加两国科学家合作,采用降压法试验性开采本州岛附近海域的可燃冰资源。美国正在研究和试验一种可降低压力的空芯钻技术,通过降压使可燃冰气化为甲烷气体,然后采用常规技术开发甲烷气体。2008年6月,日本和美国的能源部长签署了为期3a的合作研究与开发可燃冰的协议,其可燃冰探明储量可以维持日本100 a的天然气消费。印度是继美、日之后第三个获得可燃冰样品的国家,计划近年内将投入商业性试开采。韩国2005年就公布了《可燃冰开发10年计划》,并在韩国东海发现了总天然气蕴藏量约6亿t的可燃冰,可以满足韩国30a内对天然气的需求,计划2015年正式进入商业化试开发。
2.3 大洋矿产资源勘查开发技术
大洋矿产资源包括多金属结核、富钴结壳、多金属热液硫化物,广泛分布在各大洋海域的海底沉积物表层。全球洋底多金属结核的蕴藏量约3万亿t。深海底还存在富钴结壳和富钴砂矿,富含钴、镍及其它稀有金属,与钴有关的金属含量约为陆地资源的10倍[14]。
大洋矿产资源勘查技术,主要包括声探测、光成像、海底原位探测和取样、海底载人或无人(遥控、自治)深潜器,以及海洋地球物理、地球化学联合勘探等技术。目前,在大洋矿产资源开发技术上处于世界领先水平的国家主要是美国、日本和欧洲一些国家。多金属结核开采系统技术已基本成熟,并进行了实海试验。大致有流体提升采矿系统、连续链斗采矿系统、海底机器人采矿和集输系统、拖网采集法等。流体提升采矿系统是世界各国试验研究的重点。根据提升方式不同,又分为水力提升和空气提升。水力提升系统由海底集矿装置、高压水泵、浮筒、采矿管四部分组成。大功率高压水泵装置在浮筒内,通过高压使采矿管内产生5 m /s的高速上升水流,使多金属结核和水一起由海底提升到采矿船内。
空气提升采矿系统由大功率高压气泵、采矿管、集矿装置三部分组成。高压气泵装在船上,采矿作业时在采矿管中产生高速上升的固、气、液三相混合流,将经过筛滤选择的多金属结核提升到采矿船内,其提升效率为30%~35%。以上两种采矿系统已达到日产1万t的采矿能力。日本正在研制的流体挖掘式采矿实验系统,工作水深可达5 250m;英国正在研制的空气提升采矿系统,估计日产多金属结核1万t。法国研制的多金属结核采集海底机器人系统,可以在水下高速航行,自动下潜到6000m海底,采集多金属结核,并能沿海底航行,然后用液压技术按照程序自动返回海面。它包括海上支援设备(6 000 t半潜平台),能操纵一条长5 000 m、直径400mm的钢制复合材料管道。管道总重800t,管道底部有一个中间站,其上有一条6 000 m长的软管在海底移动,收集多金属结核。安装在管道上的液压泵将结核矿举升到水面。由于这一系统具有不受波浪、气候的影响和不破坏环境的特点,是一项很有发展前途的深海采矿技术。
目前,发达国家洋底资源开发技术的研究重点已转向多种资源的全方位开发技术研究,并出现了多用途海底矿产资源综合考察船,它具有极高的探矿速度和精度。俄罗斯2005年前已建造了3~6艘排水量2~2.5万t级的采矿船,船上分别配备有采集洋底多金属结核和海山区富钴结壳的遥控潜水器。
热液多金属硫化物矿是目前大洋矿产资源勘探的热点,目标是占有资源。热液矿床有块状和软泥状两种。块状矿体分布集中,矿石硬度高,密度大,需用海底钻机钻孔和内爆炸方法使矿体碎裂,然后用集矿机和扬矿机将矿石输送到水面。美国正在用这种技术试开采3000m水深的海底热液矿,系统由爆破装置、矿石破碎机、吸矿管以及采矿船、运输船、钻探供应船组成,预计2020年可投入商业性开采。对于软泥状热液矿,需要在采矿船下拖一根2 000多m长装有抽吸装置的钢管柱,先将粘稠的软泥变稀,再通过真空抽吸装置和吸矿管将金属软泥吸到采矿船上。该方法现已进入商业性试开采阶段。
2.4 深海生物资源开发利用技术
深海生物生活在高压、低温(0~4℃)或者高温(250~400℃)、高盐、有机物含量低、黑暗的恶劣环境,为了适应恶劣的生存环境,这些生物必须含有某些地面生物不具备的基因。同时,深海生命是地球上最古老的生命形态之一,对它的研究将为揭开地球上生命起源之谜提供更多的证据。因此,深海生物群基因在地球形成和人类、生物进化研究方面有着极高的参考价值[15]。
目前,欧洲、日本以及美国都有由政府资助的研究计划,来推动和协调极端微生物的研究和开发,并己有数十年的研究基础。例如,欧洲的“细胞工厂”就是一个深海极端微生物的研究小组,它由来自欧洲不同国家的40个学术机构和工业团体组成。美国Scripps研究所、WoodsHole海洋研究所以及国家癌症研究所也有类似的深海极端环境微生物研究计划。在日本,海洋科学技术中心和一些大学也有从事深海极端微生物研究的研究小组,如著名的Deep-star研究计划[16]。美国和日本都有深海载人或无人缆控潜水器,为深海极端生物的研究和采样提供了极好的条件。
美国、欧盟、德国、日本、加拿大、中国等国家研制了一些深海生物保压取样装置。欧盟海洋科学和技术计划支持研制的保压取样器(HPSS),最大工作水深为3 500 m,最多可以同时携带8个取样筒,内置一个气体室进行压力补偿。该取样器已成功的采集到深海浮游微生物样本[17]。美国研制的深海热液保压取样器,最大工作水深为4000m,采用耐腐蚀的钛合金制作,可采集最高温度达400℃的热液样品。该取样器内置气体室用于压力补偿,采用浸油电机主动取样,设计有样品转移接口以便于二次取样[18]。热液中生存有耐高温的热液微生物。
2.5 深海潜水器与作业技术
深海潜水器是勘查和开发利用深海资源、调查观测深海环境、有效利用深海空间的关键技术装备。近年来世界深海潜水器技术发展很快,先后建造了多种类型的深潜器,包括有人和无人的深潜器,用于水下探测和作业,其工作范围遍及全球大陆坡深水区、洋中脊、海台、海底山、火山口、裂谷、洋盆、海渊和万米深的海沟,获得了大量的地质、沉积物、矿物、生物、地球化学与地球物理资料、样品,以及意想不到的
重大发现[19]。
2.5.1 深海遥控潜水器(ROV)
在所有潜水器中,目前技术最完善、使用最广泛的是无人有缆遥控潜水器。自1974年世界上诞生第一套商用RCV-225观察型ROV后,据美国TEXASA&MUNIVERSITY的RobertJWagner负责的课题组2000/2001年进行的世界ROV调查结果,目前世界上大型ROV主要厂商36家,拥有各种大型ROV476套。下潜最深的ROV是日本JAMSTE(JAPANMARINESCIENEC&TECHNOLOGY CENTER,2004年更名JapanAgencyforMarine-EarthScience andTechnology)投资45亿日元研制的KAIKO号ROV,最大下潜深度达11000m。1994年曾到达11000m海底进行进海底板块俯冲情况调查。目前潜深大于3000m的ROV已超过30套。目前能够制造深海ROV的国家有美国、日本、法国、英国、、加拿大、俄罗斯、中国。
日本的KAIKO号ROV主要用于深海考察、观测、救助和协助水下载人潜器等作业,可以完成水下摄像和照相、水下观测仪器的投放和回收,还可以通过机械手完成抓取、取样等水下作业任务。1995年3月24日,KAIKO号ROV进入马里亚纳海沟的查林杰海渊底部,经修正后的实际水深为10911.4m,创造了新的世界潜深纪录。目前JAMSTEC拥有的ROV系统,分别是KAIKO 7000Ⅱ和Hyper Dolphin。
KAIKO7000Ⅱ的最大工作水深为7 000 m,是目前世界上下潜深度最大的ROV,可进行海底沉积物、生物、微生物采样。Hyper Dolphin是强作业型ROV,最大工作水深为3 000 m。2006年,Hyper Dolphin和Shinkai 6500成功完成了联合下潜。JAMSTEC研制的另一套大深度小型无人探查机ABISMO,于2008年6月3日在潜深10 258 m处,应用重力活塞取样器成功获得水深10350m处海底的沉积物样品。
美国的ATV(Advanced Tethered Vehicle) ROV,其设计作业深度为6 100 m,主要用于海洋科学考察。1990年6月ATV成功地下潜至夏威夷岛附近的莫洛凯岛断裂区,下潜深度为6 276 m。美国Woods Hole海洋研究所(WHOI)分别于1988年和2002年研制成功第一代和第二代Jason号ROV,可进行海底观察和采样作业,2009年5月,Jason Ⅱ首次发现并记录下太平洋4 000 ft水深处海底火山爆发的影像。此外,美国Eastport国际公司相继建造了GEMINI、Magellan 725、Magellan825三套深海ROV,它们主要用于商业运行。俄罗斯在深海ROV研究方面具有很强的技术实力,由Okeangeofizika 研究院研制开发的RTM系列可达海洋深度500~6 000 m。潜水深度6 000 m的RTM6000在空气中重4 000 kg,航行速度为0.5 m/s。2001年5月,打捞 "Kursk"号核潜艇的初期阶段使用了RTM6000ROV。法国在深海ROV研究方面拥有较长的历史,由Ifremer开发的Victor 6000 深海作业型ROV于1997年初进行了海试。Victor6000在海洋考察方面取得举世瞩目的成绩,通过更换不同的作业工具,可以完成海底取样、探测和地球物理测量等深海作业任务。
加拿大拥有Hysub 5000 ROV,最大潜水深度为5 000 m,现由加拿大维多利亚科学潜水设备公司使用。此外,挪威、新加坡、巴西、英国、中国也都拥有3 000 m以上ROV。其中英国开发的DOSS-3500大型水下作业ROV作业深度能达到3000m,主要用于海洋调查、取样和水下工程作业[20]。
2.5.2 自治式无人潜水器(AUV)
国际上现有设计工作深度6 000 m的AUV共5艘,包括美国的AUSS号、俄罗斯的MT-88、法国的PLA2和中国的CR-01、CR-02。美国WHOI新建造的“岗哨号”(Sentry)于2008年初交付使用,并取代“自治式海底探测者号”(ABE)。德国研制的“DeepC”号AUV,2007年投入使用,最大潜深4 000 m,续航时间60h,航程400km;同时,正着手试验用于探测南极冰层、可在浮冰下行驶的AUV。挪威研制的Hugin3000AUV,最大潜深3 000 m,是一种观测与作业功能兼备的、远程声遥控与智能自治相结合的混合型AUV,能够对深海海底进行近距离的高分辨测绘。
日本制造的URASHIMA号AUV-EX1,长10 m,直径1.3m,空气中重7.5 t,可以搭载各种探测仪器,最大工作深度为3500m。动力系统为锂离子电池与固体高分子电解质型燃料电池,巡航速度为3 kn,以锂离子电池为动力源时其巡航距离100 km,以燃料电池为动力源时其巡航距离则可达300 km以上。AUV-EX1的导航系统采用环形激光陀螺惯导系统和超声多普勒测速仪,上浮时可通过GPS定位,或利用水下海底声学信标进行方位修正。2005年2月28日,URASHIMA号AUV-EX1创造了潜深800 m、连续巡航317 km,56 h的世界纪录,这是一个很大的突破。
美国WHOI有潜水深度5 000 m的"自治式海底探测者"(ABE)和潜水深度达2000m的"海床号"(SeaBed)AUV。ABE工作深度可达4 500 m,是一台专为美国科技界设计的深海潜器,经常与“阿尔文”号载人潜器或"詹森"号有缆遥控潜器配合使用,对海底进行最接近的详细探查。
2.5.3 载人深潜器(HOV)
在载人潜器技术方面,美国、俄罗斯、法国、日本一直走在世界的前列。1964年美国第一个研制出深海载人潜器Alvin(阿尔文)号,最终设计潜深4 500 m,可到达全球63%的海底;1984年,法国研制出载人深潜器“鹦鹉螺号”,最大潜深6000m,可到达全球97%的海底;1987年前苏联和芬兰联合研制的“Mir1”和“Mir2”深海载人潜器,最大潜深也是6000m。1989年日本研制出“深海6500号”,最大潜水深度6500m,用于海底地震监测、海底地质与地球物理学研究以及东海陆架勘查,是当前世界上在用的载人深潜器中潜水深度最深的,可对全球99%的海底进行考察。
2007年度最具有轰动效应的是两台俄罗斯载人潜器--“和平1号”(MIR1)和“和平2号”(MIR2)在北极海底插上了俄罗斯国旗。2007年春,在圣彼德堡,一艘新型深潜器被交付给俄罗斯海军,该潜器被命名为AS-37,额定最大潜深6 000 m,总重25t,采用了钛制壳体,由俄罗斯科学院希尔绍夫海洋研究所管理,主耐压舱可容纳3人。
美国正在建造载人深潜器“新阿尔文号”(NewAlvin),以替代服役43年的阿尔文号(Alvin),设计最大潜水深度6500m,预计2010年下水。NewAlvin的压舱系统使深潜器能在任何深度悬停,以进行水下观测和研究。载员3人,具有在24 h内连续下潜2次的能力。与Alvin号相比,NewAlvin号下潜深度增加,上浮下潜速度和能量密度提高,操纵性和导航性改进,乘员环境改善。计划利用NewAlvin来研究海脊侧面上的热液喷泉,以及大陆架处热液硫化物的运动状况,观测深海极端环境条件下生存的海洋生物体的迁移特征,调查海底下的新能源和寻找新的海底生物。
在未来的深海装备中,载人潜器仍将是主要的工具和核心装备。日本深海技术协会结合日本未来深海科研的需要,提出了一个有五个不同最大作业深度和巡航时间的载人潜器研发计划,分别是11 000 m(全海深)级别、6 500 m级别、4500m级别、2000m级别和500m级别。11 000 m级别是一个纯粹的载人潜器,6500 m级和4 500 m级除了装备机械手以外,也能操控微型无人潜器进行作业。2000m级和500m级则作为一个水下作业系统的神经中枢,是多种潜器和作业工具的基础,可以操控它们进行各种内容丰富的水下作业。印度也积极发展载人深潜器技术,已公开发布了4000m载人潜水器的需求方案说明书(RFP)。此项目由印度国家海洋技术中心牵头,印度政府已将一艘104 m长的海洋考察船--“SagarNidhii”号投入现役,将成为4000m潜器的母船。中国的“和谐”号7000m有人潜器已完成了建造,并进行了千米水深的实海试验,已配备了相应的工作母船,培训了潜艇操作员。
3 深海高技术发展趋势
3.1 深海海洋环境监测技术向实时、立体、长时序方向发展可视化的、实时的、长时序的深海环境监测,对海洋矿产资源的成矿机理、开发环境、环境影响评价等研究,对深海生物及其基因研究,都有重要意义。深入海洋内部看海洋,在实验室内研究海洋,从视频和网络中学习海洋知识,已成为21世纪海洋科学技术发展的新特点和新趋势。发展适于深海环境监测的传感器或仪器,发展适于深海环境观测的移动或固定平台,发展水下观测系统的供电、数据通信和组网技术,发展空间、水面、水下、海底多平台立体观测技术,建立长期的水下或海底观测网,是深海海洋环境监测技术发展的基本趋势。目前,海底长期观测网已成为发达国家争相发展的热点,而基于海床的海底观测成为继调查船和卫星之后的第三个海洋观测平台,新技术的发展和应用显著提高了海洋环境信息的获取能力,从而也推动了海洋科学的深层次发展。
3.2深水油气资源开发技术和装备成为国际高技术竞争的热点
目前,深水油气勘探与开发不断刷新记录,钻探水深已达3 051m,深水勘探钻井船最大工作水深已达6 000 m,水下湿式采油树最大应用水深已达2714m,浮式生产储油平台最大应用水深已达2414m。随着深海油气和天然气水合物资源的勘探开发逐步向更深的海域推进,深水高精度地震勘探、复杂油气藏识别、深水钻完井技术,以及大型物探船、钻井/生产平台、多功能浮式生产储油装置、天然气水合物开发技术装备等深水油气勘探开发技术与装备,将成为国际海洋高技术竞争的热点之一,并引导和支持深水油气产业的发展。
3.3 深海底矿产资源勘探开发技术日趋成熟,并支持相关产业的形成和发展
深海矿产资源勘查技术向着近海底和原位勘探方向发展,精确识别、原位测量、保真取样、快速评估等技术已成为发展重点。多金属结核、钴结壳、热液硫化物的开采技术将完成技术储备和试验性开发研究,预计在10~15a的时间内,深海矿产资源将进入商业性开发的初期阶段。深海微生物的保真取样和分离培养技术不断完善,深海微生物及其基因资源在医药、农业、环境、工业等领域将获得较为广泛的应用。热液冷泉等特殊生态系统的研究,将在揭示深海特有的生命现象和生命规律方面获得重大突破。
3.4 深海运载与作业技术装备将日趋成熟并获得广泛应用
深海运载与作业平台包括遥控潜水器、自治潜水器、载人潜水器及其组合和配套的作业工具,发展多功能、实用化、高可靠、作业时间长的深海运载和作业平台,并实现装备之间的相互支持和联合作业,支持深海资源和环境调查及资源开发,已成为国际深海运载与作业技术的发展趋势。新型深海运载和作业平台将不断涌现,而且功能不断完善,性能不断提高,能力不断增强,并获得广泛应用[21]。
致谢:本文在写作过程中得到了朱光文研究员的指导与修改,在此表示深深地感谢! 另外,对他和葛运国两位研究员在作者从事十年海洋技术战略研究工作中的辅佐与关怀,表示诚挚的谢意和崇高的敬意!