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海牛Ⅱ號(hào)有多“?!保?000米水下鉆孔,描畫(huà)未來(lái)開(kāi)采“藏寶圖”!

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在地球表面上,我們生活的陸地只占據(jù)地球的一小部分,而海洋覆蓋了超過(guò)70%的面積。海洋根據(jù)深度可以分為幾個(gè)層次:首先是從海面到200米深的表層區(qū)域,這一層陽(yáng)光充足,溫暖的水域養(yǎng)育了豐富的海洋生物。接下來(lái)是200米到1000米深的中層區(qū)域,也稱為“薄光層”或“微光層”,光線逐漸減弱,只有一些特殊的生物能夠在這里生存。1000米到4000米是深層區(qū)域,這里完全黑暗,沒(méi)有陽(yáng)光,生物依賴化學(xué)能量生存,并且必須適應(yīng)極大的壓力和低溫。再往深處是4000米到6000米的深淵區(qū),這里幾乎沒(méi)有生物光,僅有少數(shù)適應(yīng)極端環(huán)境的生物種類。最后是6000米以下的超深淵區(qū),包括海溝和海槽,環(huán)境極其極端,生物種類稀少。

在廣袤的海洋中,深海區(qū)域則占據(jù)了海洋的絕大部分。然而,深海仍然是人類了解最少的領(lǐng)域之一。極端且神秘的深海環(huán)境,蘊(yùn)藏著豐富的資源,包括錳結(jié)核、鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等,這些資源在工業(yè)和科技發(fā)展中具有不可替代的價(jià)值。還擁有著獨(dú)特的生物多樣性,研究深海生物多樣性和生態(tài)環(huán)境,有助于我們更好地理解地球生命的演化過(guò)程,因此深海探測(cè)變得尤為重要。

深海探測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。在19世紀(jì)末,英國(guó)皇家海軍的“挑戰(zhàn)者號(hào)”于1872年至1876年進(jìn)行了一次開(kāi)創(chuàng)性的深??疾???茖W(xué)家們首次嘗試使用重錘和繩索進(jìn)行深海測(cè)量,通過(guò)這次考察,測(cè)量了海洋的深度,采集了海洋生物樣本,繪制了海底地形圖,并記錄了深海的溫度和鹽度等參數(shù)。這次考察被認(rèn)為是現(xiàn)代海洋學(xué)的開(kāi)端,為后來(lái)的深海探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。到20世紀(jì)中期聲納技術(shù)的發(fā)展,再到如今先進(jìn)的無(wú)人潛水器和深海鉆探設(shè)備的廣泛應(yīng)用,深海探測(cè)技術(shù)取得了飛速進(jìn)步。

而海底鉆機(jī)之于深海探測(cè),如同天文望遠(yuǎn)鏡之于天文探測(cè)。沒(méi)有自主的深海鉆機(jī),我們只能受制于人。2021 年 4 月,一頭高7.6 米、腰圍10米、體重12噸的在深海的“?!保谀虾3?2000 米水深的海底鉆出了 231 米深的孔,刷新了世界深海海底鉆機(jī)鉆探深度紀(jì)錄。這頭牛正是我國(guó)自主研發(fā)的深海鉆機(jī)——“海牛Ⅱ號(hào)”,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海底鉆機(jī)技術(shù)新的突破。

圖 1 “海牛Ⅱ號(hào)”

“海牛Ⅱ號(hào)”深海鉆機(jī)在深海探測(cè)領(lǐng)域取得了重大突破,攻克了全程保壓繩索取芯、鉆管存儲(chǔ)與鉆桿快速接卸、智能化與專家操作系統(tǒng)、海底鉆機(jī)安全可靠下放和回收等多項(xiàng)技術(shù)難題。科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年攻關(guān),開(kāi)發(fā)出大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯技術(shù),采用獨(dú)創(chuàng)的巖芯管全長(zhǎng)直接密封保壓取芯原理,最終實(shí)現(xiàn)了小口徑大孔深的高效、高可靠全孔全程保壓取芯。

與國(guó)外同類鉆機(jī)相比,“海牛Ⅱ號(hào)”具有多重優(yōu)勢(shì),其自動(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì)提高了作業(yè)的靈活性和精度。通過(guò)鉆探取樣分析,可以確定礦藏的儲(chǔ)量、品位和埋藏形態(tài),為未來(lái)的開(kāi)采提供詳細(xì)的“藏寶圖”。

在深海鉆機(jī)研制領(lǐng)域,50米是一個(gè)重要的門檻,超過(guò)這一深度意味著具備國(guó)際先進(jìn)的深海鉆探能力,能夠勘探更大埋深的海底礦產(chǎn)資源。更為關(guān)鍵的是,根據(jù)聯(lián)合國(guó)規(guī)定,公海礦產(chǎn)資源的優(yōu)先開(kāi)發(fā)權(quán)歸屬于先行勘探的國(guó)家。因此,“海牛”海試成功為我國(guó)在公海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)權(quán)上帶來(lái)了不可評(píng)估的優(yōu)勢(shì)。

鉆探深度從20米到60米的提升雖然看似只有短短的40米,但在3000米深海環(huán)境中是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人萬(wàn)步炎教授表示,鉆探深度的增加必然帶來(lái)鉆機(jī)重量的增加,對(duì)普通科考船的海上作業(yè)難度也會(huì)相應(yīng)提高,因此,如何在設(shè)計(jì)上進(jìn)行“輕量化”處理至關(guān)重要。

“海牛Ⅱ號(hào)”還配備了許多傳感器設(shè)備,到了海底,鉆頭會(huì)根據(jù)地層情況快速自動(dòng)判斷并自適應(yīng)調(diào)整鉆進(jìn)模式與參數(shù),解決了海底鉆機(jī)與配套取芯工藝對(duì)復(fù)雜地層的適應(yīng)性難題,大幅提高了鉆探效率、取芯率和取芯質(zhì)量。

在鉆孔取芯的同時(shí),“海牛Ⅱ號(hào)”還具備原位探測(cè)巖石電阻率、孔隙率,并拍攝孔內(nèi)周邊巖石照片等功能。在海底鉆機(jī)收放裝置的設(shè)計(jì)和工藝上,團(tuán)隊(duì)解決了因母船搖蕩導(dǎo)致海底鉆機(jī)與收放裝置對(duì)齊與靠攏困難、易發(fā)生沖擊碰撞的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了海底鉆機(jī)水中自動(dòng)校正收放方位、垂直翻轉(zhuǎn)過(guò)程自動(dòng)抱緊海底鉆機(jī)功能,提高了收放效率和安全性。

在800米到2000多米這一深度的壓力適合天然氣水合物——可燃冰的形成。可燃冰在特殊的海水深度與壓力下呈現(xiàn)“冰”的狀態(tài),一旦離開(kāi)這個(gè)環(huán)境就會(huì)變成氣體。因此,普通的深海鉆機(jī)無(wú)法取樣這樣的物質(zhì),必須保持同等壓力狀態(tài)下將可燃冰取出,這就需要“保壓取芯勘探系統(tǒng)”的支持。

萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行突破性的工作,計(jì)劃研制具備保壓取芯能力的海底鉆機(jī)系統(tǒng),滿足可燃冰勘探需求。萬(wàn)步炎介紹,這種保壓鉆機(jī)系統(tǒng)將應(yīng)用于我國(guó)在南海或東海,可燃冰取樣,無(wú)疑是我國(guó)可燃冰勘探的巨大成就與進(jìn)展,將有力推動(dòng)我國(guó)可燃冰勘探事業(yè)與技術(shù)發(fā)展。

“海牛Ⅱ號(hào)”的問(wèn)世是20多年堅(jiān)持不懈、持續(xù)研發(fā)的結(jié)果。2000年,萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)深海海底鉆機(jī),2003年,團(tuán)隊(duì)研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)深海淺層巖芯取樣鉆機(jī),在海底下鉆0.7米,獲得了首個(gè)巖芯樣品。2012年,“海牛Ⅱ號(hào)”的前身——“海牛號(hào)”研制項(xiàng)目正式啟動(dòng)。2015年,“海牛號(hào)”在3000米海水下鉆了60米,使我國(guó)成為世界上第四個(gè)擁有能在水深大于3000米的海底進(jìn)行60米鉆探技術(shù)的國(guó)家。

如今,我國(guó)多條海洋科考船已配備了萬(wàn)步炎團(tuán)隊(duì)發(fā)明的專利設(shè)備,并在深海鉆孔1000多個(gè)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,“海牛Ⅱ號(hào)”將繼續(xù)在深海探測(cè)中發(fā)揮重要作用,未來(lái)將赴往沒(méi)有人類進(jìn)行海底鉆探作業(yè)過(guò)的馬里亞納海溝,挑戰(zhàn)萬(wàn)米級(jí)水深地質(zhì)鉆探取樣,為我國(guó)深海資源勘探提供有力支持。

參考文獻(xiàn)

張勝,禹愛(ài)華,龍軍.“鉆”透一切困難——記國(guó)家卓越工程師、“海牛Ⅱ號(hào)”項(xiàng)目首席科學(xué)家萬(wàn)步炎[J].科學(xué)大觀園,2024,(11):76-77.

李曼.231米“海牛Ⅱ號(hào)”創(chuàng)造深海鉆機(jī)鉆探深度新紀(jì)錄[J].科技創(chuàng)新與品牌,2022,(01):65.

萬(wàn)步炎.“時(shí)代楷模”萬(wàn)步炎:鉆向藍(lán)海最深處[J].中國(guó)新聞發(fā)布(實(shí)務(wù)版),2023,(06):72-74.

姜茜昱.萬(wàn)步炎:鉆堅(jiān)研微,向蔚藍(lán)深海不斷進(jìn)發(fā)[J].湘潮,2023,(09):57-59.

文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。
作者:蔡文垂 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生

審核:蘇勤 海洋出版社 編審

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評(píng)論
科普科普知識(shí)的搖籃!
太師級(jí)
“海牛Ⅱ號(hào)”的誕生,是科技與探索精神的勝利。它不僅刷新了深海鉆探的深度紀(jì)錄,更為人類深入理解深海環(huán)境、開(kāi)發(fā)利用深海資源提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。在萬(wàn)步炎教授的引領(lǐng)下,“海牛Ⅱ號(hào)”正向著更廣闊的深海領(lǐng)域進(jìn)發(fā),續(xù)寫(xiě)深海探索的壯麗篇章。
2024-08-27
臭皮匠心
學(xué)士級(jí)
"海牛Ⅱ號(hào)"在深海鉆探領(lǐng)域確實(shí)非常"牛"。它的成就不僅體現(xiàn)在刷新了世界紀(jì)錄,更重要的是它代表了中國(guó)在深海資源勘探和開(kāi)發(fā)方面的技術(shù)進(jìn)步和自主創(chuàng)新能力。通過(guò)它的鉆探,我們能夠更深入地了解深海資源,為未來(lái)的開(kāi)采提供寶貴的"藏寶圖"。
2024-08-27
科普科普知識(shí)的搖籃!
太師級(jí)
“海牛Ⅱ號(hào)”不僅將在深海資源勘探中繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱,更計(jì)劃挑戰(zhàn)萬(wàn)米級(jí)水深地質(zhì)鉆探取樣,赴往人類未曾觸及的馬里亞納海溝。這將是深海探測(cè)技術(shù)的又一里程碑。
2024-08-27