大洋一號“神器考”

撰文｜攝影｜向思源

大洋一號“神器考”

撰文｜攝影｜向思源

拖體、抓斗、CTD、浮游生物分層取樣器……這些人們在日常生活中基本聽都沒聽到的名詞是大洋科學(xué)考察工作中經(jīng)常采用的設(shè)備。一上船，在克服暈船引起的頭痛之外，還要“克服”這些陌生設(shè)備引發(fā)的各種問題：它們是什么？干嘛用？為啥這樣用等等，航渡期間，海上作業(yè)還未開始時(shí)，我始終不太明白調(diào)查隊(duì)員說起的“設(shè)備止蕩”是啥意思。

“你想啊！當(dāng)1噸多重、2米多長的拖曳體被高高吊起，準(zhǔn)備從船舶尾部A型架中間，沿著3米多深、4米多寬的狹窄船尾槽道放入海里進(jìn)行拖曳實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著船的搖擺起伏，吊起的拖曳體開始前后左右無規(guī)律地?fù)u擺起來。這個(gè)時(shí)候，調(diào)查隊(duì)員是不是就要為設(shè)備止蕩呢？”來自國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心的航段首席裝備助理谷志珉是第一個(gè)給我“科普”設(shè)備名詞的人。他一上船就“沒閑著”，成天與船上的各種設(shè)備“較勁”。啟航不久，在調(diào)試設(shè)備時(shí)谷助理的胳臂受了傷并縫了針。

“深海勘探包括觀察、測量、記錄和采集樣品。照相機(jī)和電視利用增光電子設(shè)備照射漆黑的海洋，使人類能夠看到大洋深處。”谷助理不厭其煩地給我講船上的設(shè)備，絞盡腦汁地用最通俗的語言為我解釋。

集成化光學(xué)拖體

“通過重建聲吶和地震測深設(shè)備獲得的聲學(xué)圖像，可利用計(jì)算機(jī)繪制海底地圖。拖曳側(cè)掃聲吶可按照預(yù)定航跡連續(xù)作業(yè)數(shù)日，來測繪大片海底，或用于勘查個(gè)別潛在礦址周圍的詳細(xì)地形。”（礦址指可以持續(xù)商業(yè)作業(yè)20 ~ 25年、每年產(chǎn)出150萬～400萬噸的“優(yōu)質(zhì)結(jié)核”的海底區(qū)域）

多波束

“地震剖面測量可提供有關(guān)海底上下巖石種類和巖層深度的數(shù)據(jù)；在水面上的海洋科考船能夠通過地球任何地方都可利用的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以誤差小于1米的準(zhǔn)確度記錄其確切位置。”

“拖網(wǎng)、抓斗和箱式取樣器等工具用于投入海底，采集海底表面、近底水層和淺表層的生物和地質(zhì)樣品；必須專門設(shè)計(jì)和處理這些工具，使提升到水面的動物樣品不致解體。”

“電視抓斗是用于深海海底采樣的機(jī)電設(shè)備，它經(jīng)過鎧裝纜吊裝可下放至深4000米水深的海底，通過攜帶的攝像機(jī)觀察海底，由甲板監(jiān)視系統(tǒng)操作斗體開合，根據(jù)需要對海底表面松散巖石、沉積物等進(jìn)行抓取采樣。”

“集成化光學(xué)拖體是一套基于鎧裝光電復(fù)合纜拖曳作業(yè)的高清攝像照相和水體環(huán)境探測的集成化拖體，系統(tǒng)主體是由一套高清照相機(jī)、一臺高清攝像機(jī)組成的光學(xué)探測系統(tǒng)，同時(shí)搭載高度計(jì)、濁度計(jì)、化學(xué)傳感器、超短基線等設(shè)備。隨著科考船慢速前行，科考隊(duì)員通過拖體可以實(shí)時(shí)看到上萬年未曾有人涉及的幾千米深度深海的地質(zhì)地貌和生物等信息并進(jìn)行攝影攝像，同時(shí)還可以獲取深海海域的水體溫度、鹽度、濁度等各種數(shù)據(jù)。”

此外，這個(gè)航段還進(jìn)行了溫鹽測量（CTD）和浮游生物拖網(wǎng)取樣。

CTD通過垂直剖面觀測獲取海水的溫度、鹽度、壓力、聲速等基本物理特征，上面有可安裝24個(gè)采水瓶的玫瑰形海水采集裝置，通過控制系統(tǒng)可以采集不同水層的海水樣品。這些樣品既可以用來分析海水中的營養(yǎng)鹽、pH、溶解氧、堿度等各種化學(xué)參數(shù)，也可以分析浮游植物種類、數(shù)量分布特征等生物要素，用于葉綠素a、初級生產(chǎn)力、微生物、微微型浮游生物和微型浮游生物研究。

浮游生物拖網(wǎng)取樣是海洋生物調(diào)查專用手段，9只網(wǎng)袋通過拉鏈連接器連接在不銹鋼框架的帆布上，水下控制單元中集成壓力、溫度、鹽度、濁度和葉綠素?zé)晒鈧鞲衅鞯榷鄠€(gè)傳感器，同時(shí)還配有兩個(gè)帶有角度補(bǔ)償功能的電子流量計(jì)。通過控制單元可以實(shí)現(xiàn)在連續(xù)的水層中進(jìn)行水平和垂直采樣，也能同步采集相應(yīng)的物理、化學(xué)和生物剖面數(shù)據(jù)。

大洋資源勘查的初期，取樣手段較為單一，主要有三種深海取樣裝置。一種是常規(guī)的地質(zhì)拖網(wǎng)，一種是常規(guī)地質(zhì)箱式取樣器；還有一種是無纜取樣器。所謂無纜取樣器，就是一種依靠改變自身重量可以自返回的取樣裝置。作業(yè)時(shí)，先灌滿鐵砂，裝置觸底后靠彈簧閉合，同時(shí)釋放掉鐵砂，由浮力球帶回海面，再由船靠近漂浮在海面上的取樣器打撈上來完成取樣。

深海電視抓斗

全船的格林尼治時(shí)間

航渡達(dá)到作業(yè)區(qū)時(shí)，我被分配到地球物理組，每天定時(shí)進(jìn)行多波束測量作業(yè)班報(bào)等相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄工作，船上的叫法是：打點(diǎn)。

具體來說，全體調(diào)查隊(duì)員被分為四個(gè)組，每組指定一個(gè)人每天值6個(gè)小時(shí)的班，在此期間，每隔半小時(shí)或者一小時(shí)記錄多波束測量數(shù)據(jù)、淺層剖面作業(yè)記錄、ADCP測量班報(bào)、海洋重力儀作業(yè)過程記錄等數(shù)據(jù)。

“打點(diǎn)”工作進(jìn)行了半個(gè)多月時(shí)，對每天重復(fù)進(jìn)行的工作有了刨根問底的想法，來自國家海洋局第二海洋研究所的何擁華老師是我們地球物理組的組長，是他親自給我指點(diǎn)如何進(jìn)行每天的班報(bào)記錄的。于是，我心里關(guān)于“到底多波束在“大洋一號”上是干啥的？為啥每個(gè)組都要專門派一個(gè)人堅(jiān)持24小時(shí)的打點(diǎn)？”這樣的疑惑油然而生。

“深水多波束是一種通過向海底發(fā)射超窄寬帶的聲波信號，然后檢測反射回的回波信號計(jì)算出水深數(shù)據(jù)，形成海底地形圖的大型設(shè)備，是海洋調(diào)查船的主要技術(shù)裝備之一。”何老師專業(yè)地解釋，當(dāng)我露出“求科普”的眼神時(shí)，何老師思考了一下繼續(xù)解釋到：“多波束是一種聲學(xué)設(shè)備，首先通過發(fā)射裝置形成一條很窄的聲波信號，瞬間向海底發(fā)射出去。在多波束附近能明顯聽到‘兵’的聲音，就是一條波束發(fā)射出去了。接收裝置接收到返回的回波信號后，通過一系列運(yùn)算轉(zhuǎn)換成一個(gè)水深條帶。然后再發(fā)出下一條聲波信號。連續(xù)不斷的測量下就能獲得連續(xù)的海底地形數(shù)據(jù)。通過后處理軟件再對這些數(shù)據(jù)集中處理，剔除錯誤的信號和噪聲后，就得到了精確的海底地形圖。多波束技術(shù)現(xiàn)在很成熟，我們船的多波束系統(tǒng)是全海深的應(yīng)用最廣泛的EM120系列的多波束系統(tǒng)，可以探測水深范圍是20米到1萬米，理論上講，連世界上最深的馬里亞納海溝也能探測。”

溫鹽深測量

“淺層剖面系統(tǒng)也是一種聲學(xué)設(shè)備，也是通過向海底發(fā)射能量集中的窄波聲波信號，然后檢測回波信號進(jìn)行工作的。它與多波束不同之處是多波束檢測海底面以上的回波信號，而淺剖系統(tǒng)則是屏蔽海底面以上的回波信號，專心接收海底以下的回波信號，從而得到海底以下的地層反射數(shù)據(jù)，然后通過后處理得到海底地層分層信息。我們船的淺剖系統(tǒng)是多波束同一家公司的產(chǎn)品，性能優(yōu)異，最大穿透深度能達(dá)到海底以下150米記錄。

ADCP是探測海流的，它可以探測最大水深600~800米的各層海流的速度數(shù)據(jù)。海流在哪里快？哪里慢？速度多少？在哪里分層等等。

海洋重力儀測量是測量海洋重力的變化。通過連續(xù)測量和測線，進(jìn)行后處理后得到海區(qū)的重力變化圖，對海面以下沒有GPS導(dǎo)航的潛艇來說有重要意義。”

“多波束相當(dāng)于全船的格林尼治時(shí)間。它提供位置、時(shí)間、水深等這些最基本的數(shù)據(jù)。我們把多波束記錄的所有數(shù)據(jù)串起來就是大洋科考作業(yè)全過程的一個(gè)記錄。多波束是全船科考行為的一個(gè)主線。專門派一個(gè)人記錄多波束數(shù)據(jù)，就可以記錄一個(gè)航段或者航次中的所有作業(yè)過程，掌握整個(gè)航段航次的工作進(jìn)展情況，檢查關(guān)鍵設(shè)備有沒有正常工作，還能進(jìn)行科考過程的回溯。”

多波束是我們探測海底的眼睛。在沒有多波束之前，我們只能摸索著作業(yè)。看不見海底究竟有什么東西，設(shè)備下潛下去就盲目地抓取；有了多波束，海底情況就一下子清晰起來。我們隨時(shí)可以知道船的位置下面的海區(qū)是什么情況，是海山還是海溝？地形有什么特征？所在作業(yè)區(qū)的海底地形是起伏還是下降或者是平坦等等。我們進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃時(shí)就有依據(jù)，設(shè)備下放也能估計(jì)到達(dá)海底時(shí)間，設(shè)備在海底拖曳時(shí)也能提前知曉水深編號情況等。

浮游生物拖網(wǎng)

溫鹽深測量