海底觀測站的兩種發展模式

李慧青，李 燕，哈 謙

（國家海洋技術中心 天津 300112）

海底觀測站的兩種發展模式

李慧青，李 燕，哈 謙

（國家海洋技術中心 天津 300112）

文章簡要介紹了海底觀測站的歷史。闡述了這一發展過程中存在的兩種模式及其基本要素，對兩種模式的投入成本、功能與效率及其未來發展做了比較，以期對我國未來的海底觀測站／系統的建設有所借鑒。

海底觀測；光電纜組網；模式

人類在地球上居住，就必須了解地球，而了解地球是從對地球的觀測開始的。假如把地面與海面看作地球科學研究的第一個觀測平臺，而把空中和空間看作第二個觀測平臺，那么近年來海底就成為地球科學研究的第三個觀測平臺［1］。

在第三個平臺上進行的地球科學觀測活動是從20世紀50年代前后開始的，從90年代以來取得了快速的發展。1995—2002年期間，歐盟先后實施了兩期地球物理學和海洋學深海研究站計劃；1998年開始，美國與加拿大合作，組織實施了東北太平洋海底網絡實驗計劃。通過這些項目的實施，以期對各個觀測點實現自動、長時序觀測，從而獲得曾經是“深不可測”的海洋內部信息。

海底觀測區別于海面和空間觀測的特點是，難度大、費用高、結果具有不確定性。因此，以什么方式和規模來發展海底觀測是需要科學界、政府和社會等多方面統籌考慮和協商的系統工程。在回顧海底觀測發展歷史的基礎上，對單框架式海底觀測站和光電纜組網式海底觀測系統的優缺點及發展方向進行了分析，以期對我國未來的海底觀測站建設有所借鑒。

1 海底觀測發展史

海底觀測大致可分兩類：一類是以海底地震和地質構造及其變化研究為主的對海底的觀測；另一類是以海洋學、海洋生物學、海洋生態動力學等研究為主的在海床上進行的對水體的觀測。總的趨勢是，在海床上利用觀測儀器設備對海床以下的地質構造和海床以上的水體、生物及生態進行綜合的觀測和研究。

海底觀測最早的主題是地震。早在1937—1940年間，美國W.M.尤因等就進行過海底地震觀測的嘗試［2］。1966年，曾在千島群島至堪察加的近海，安裝了18臺地震儀，進行了3次地震觀測。1968年，日本利用新研制出的海底地震儀，在海底進行了33d的持續觀測；1968—1970年，在相模灣的3個地區進行了海底地震的系統觀測。1966年，莫斯科大學研制了海底地震儀，并在印度洋進行了海底地震觀測［3］。

最早的大規模洋底調查觀測活動是大洋鉆探計劃，它起源于1961年的美國莫霍計劃。1968年開始深海鉆探計劃DDP（Deep－Sea Drilling Project，1968－1983），之后又相繼實施了大洋鉆探計劃ODP（Ocean Drilling Programme，1985—2003）和綜合大洋鉆探計劃IODP（Integrated Ocean Drilling Programme，2003—），這是國際地球科學歷時最長、規模最大的合作研究計劃。從1968—2003年，35年來在全球各大洋鉆井近3000口，從北極大洋到南極威德爾海，覆蓋了整個世界大洋，采集了沉積樣品和巖石標本，記錄了鉆孔地球物理和地球化學信息，建立了長時間尺度的巖芯觀測。“綜合大洋鉆探計劃”（IODP）計劃打穿大洋殼，揭示地震機理，查明深部生物圈和天然氣水合物，并從地質變化中理解極端氣候和快速氣候變化的過程［4］。

上述各種海底觀測活動的共同點是：它們都是在洋底進行的點上觀測，即通過鉆孔取樣和在鉆孔中布放儀器進行定點觀測。然而，從海洋科學基礎研究的目的出發，例如探索海洋氣候變化對不同水深海洋生物產生的不同影響，探索深海生物的生態系統動力學和生物多樣性等，還需開展對海洋乃至海底的物理、化學和生物量的觀測，如海洋的流、浪、潮等動力參數，海底的結構構造參數和海洋的pH、二氧化碳、溶解氧、營養鹽和蛋白總量等化學和生物量參數。而從開發海底資源的目的出發，海底觀測系統還需要研究并弄清以下3個方面的問題：一是研究礦物生長與發展，如熱液硫化物的生成機理研究；二是開展面向生物資源開發的特定地區生態系統研究，如熱液生態體系的研究；三是進行大洋資源開發過程及其后續過程的環境變化監測，從而避免資源開采過程對海洋環境帶來的不良影響。

綜合實現上述各種科學目的，就需要將觀測儀器設備布放到海底去，并將設在海底和埋在鉆井中的監測儀器聯網，進行長時間連續的自動化觀測。這種觀測網既能向下觀測海底和大洋深部，又能通過錨系向上觀測大洋水層，還可以投放能自動與觀測網的節點連接上網的活動型深海觀測站。科學家可以通過網絡，在陸基實驗室內實時或近實時地觀測自己的深海實驗項目，指令實驗設備對風暴、藻類勃發、地震、海底噴發和海底滑坡等各種過去很難及時觀測的突發災害事件進行過程跟蹤監測。

因此，從20世紀90年代開始，隨著海洋和海底科學的發展，海底觀測開始由點向面的發展，目前正在向立體、四維的方向邁進［5］。國外海底觀測站的主要模式有單框架式和光電纜組網式兩種，根本區別在于數據的實時通信能力和持續觀測能力。

2 單框架海底觀測站

單框架海底觀測站是指一套相對獨立的、不依靠光電纜由岸基站供電和通信的海底觀測設備。采用單框架海底觀測站開展海底觀測和實驗研究的國家主要在歐洲。此處介紹歐盟資助的GEOSTAR系統［6］，這一系統由3個部分組成：海底站、有纜機器人和通信系統。

2.1 海底站

觀測儀器設備安裝在耐海水腐蝕的金屬框架內，工作深度4000m。儀器設備包括：①傳感器和儀器；②由鈦盒封裝的電子系統和儲存數據的硬盤；③通信系統的水下部件；④鋰電池電源。鋰電池的使用壽命目前可達1年以上，發展方向是鋰電池可以由海表面的能源浮標進行充電。數據采集和控制系統單元DACS（data acquisition and control system unit）是一個數據獲取和控制中心。GEOSTAR DACS能完成以下任務：管理和獲取來自于所有學科包和傳感器的數據；制備和連續升級根據要求即將發出去的經常性數據信息，包括事件的偵查結果；驅動收到的指令（例如，數據請求、系統重構、重新啟動）；在內存備份數據。DACS管理大量的、取樣速度完全不同的數據流，按照高精度時鐘確定的獨特的參考時間標記每個數據。傳感器選用24V、350mA以下的低能耗產品。

2.2 輔助設備

一種用于水下科學目標的遙控作業機器人MODUS（mobile docker for underwater sciences），專用于布放和回收海底觀測站。通過一條專用的光－電纜在船上遙控它，并為它提供能源。MODUS輸送系統運行過程中需要的貨物，其測量記錄系統在布放期間也是觀測站的初始通信線。它裝備了鎖緊／釋放和推進器，推進器裝在一個圓錐體的框架上，這樣有助于對接。目前裝備了4個推進器，包括2個水平向、2個豎直向推進器。框架上還裝備了用于偵查海床的錄像機、異頻雷達收發機、指南針、深度計和聲吶。

2.3 通信方式

有兩種獨立的通信方式：一種是浮式數據盒，當數據已經滿負荷或遇到緊急情況時，它會自動或接受指令浮到海面。這種數據盒又分兩種，一種是消耗式的，數據儲存容量64kB；另一種是儲存式，數據存儲容量為40MB，通過Argos衛星定位通信系統傳遞其位置信息和數據。另一種通信方式，是基于雙向垂直聲通信原理的機會船聯絡或浮標聯絡，頻率12kHz，速度可達到2 400bit／s。

3 光電纜組網的海底觀測站

世界各地已經建立了一些不同規模和用途的光電纜海底組網觀測站。此處以美國近海試驗場蒙特利灣加速研究系統（monterey accelerated research system，MARS）為例，介紹光電纜組網式海底觀測站的基本要素［7］。

3.1 海底站

MARS光電纜的末端是一個由防拖網大鋼架保護的觀測設備，高約1.2m，寬4.6m。這種防拖網框架為MARS觀測臺的電子儀器“內臟”提供了保護。框架的四面各有一個門，允許ROV（remote operated vehicle）連接端子進出（圖1）。觀測臺成為深海中的電腦網絡中心和電力變電所，其工作深度900m。

電子儀器“內臟”由兩個鈦質壓力容器組成，懸接在一塊浮體之下。一個容器內部是電子設備，用于路由數據和儀器的電源控制；另一個容器相當于變電站，將高壓電轉化成適用于科學儀器的低壓電。

Mars電纜將由岸基站提供的10kV的高壓電輸送到學科節點處。在學科節點內部轉換器將電壓降到儀器可接受的375V交流電和48V的直流電。共有學科節點8個，利用它們，每個試驗可以發送高達100Mbits／s的數據給陸地科學家，科學家也可以反過來發出修改程序、重裝儀器的指令。

圖1 MARS海底站及其鋼框架

3.2 輔助設備

52km長的光電纜為系統提供電源和通信。有了持續不斷的電力供應，MARS觀測臺上的儀器就可在海底持續觀測數月甚至幾年。通過實時通信網絡系統，建立數據獲取／管理以及系統控制。如果某臺觀測儀器出了問題，科學家就會及時發現。如果是程序方面的問題，可以由工程師進行遠程修復或重新設計程序；而修復或重新設定子系統或儀器，則需要水下機器人進行現場作業。

3.2.1 光電纜

光電纜本身由一個銅質電信號傳線和一組光纖組成，比一根普通的軟膠管稍粗。這些光電纜鋪設時埋在深約1m的海底溝槽內，以防被船錨、捕魚裝置等鉤掛。銅質導線以10kW的功率將位于加州的陸地站上的電力傳送給海底的設備，而光纖則以2000Mbits／s的速度把這些科學儀器所采集的數據傳送給岸基站上的研究人員。

3.2.2 機器人

有纜機器人Ventana負責海底站的安裝，負責在科學節點上安裝、回收、修理觀測子系統或儀器。

自治機器人Benthic Rover擴大了海底觀測范圍。它有自己的電池系統，可完全獨立行駛，也可用一條長長的延伸線與海底觀測站相連，得到電力補充和數據中轉。Benthic Rover的鈦制耐壓球用來保護機器人的核心——電子部分和電池。為了避免機器人太重而陷入海底的柔軟淤泥中，采用抗壓浮力材料，因此，機器人在空氣中的重量約1 400kg，在水中的重量僅為45kg。機器人前端安裝兩把旋轉刷子，用于清理履帶上的泥土；機器人行駛過程中會攪起海底沉積物，擾亂視線，影響測量工作，因此，它行動極為緩慢——約1m／min。此外，機器人還能感應水流的方向，自動順著水流方向前行，有效避免激起的泥沙影響。

4 兩種模式的發展趨勢

4.1 應用單框架海底觀測站進行的海底觀測研究

自Geostar歐盟第4、5框架項目開發出來后，工作向兩個方向延展：一是單套觀測站特殊應用；另一是將Geostar升級為一個海底觀測網的基本節點。這兩個方向的發展已經產生了另5種Geostar級的觀測站，形成了歐洲深海底觀測網的雛形［6］。

2000—2002 年，在意大利沿海建立了海下1號觀測網站SN1（submarine network 1），主要開展地震、海洋學和環境海洋學方面的監測。2005年利用歐洲中微子海底望遠鏡工程，即中微子地中海觀測站NEMO（neutrino mediterranean observatory）的光電纜系統的能源和通信渠道，為NEMO提供海洋環境實時監測，成為歐洲第一個光電纜式海底觀測站。

2002—2004 年期間，甲烷氣監測模塊GMM（gas monitoring module），作為歐洲的能源、環境和可持續發展項目“地質災害長期海底觀測傳感器陣列”中的子項目，專門長期監測海底甲烷。

歐洲的ORION－GEOSTAR－3（2002－2005）項目，以一個位于水下3300m的GEOSTAR為主要節點，加上1km之外的觀測站以及一個近岸的水深44m的副節點觀測站，組成一個多參數海底觀測系統。

意大利出資，建立了南極多學科深海底實驗室（multidisciplinary antarctic benthic laboratory，MABEL），環境條件為空氣溫度－15℃，冰水溫度－2℃，開展了多參數監測試驗。

歐盟資助的Cadiz海底觀測站，將傳感器直接安置在3200m深的地質構造重要位置，以監測板塊運動。傳感器系統裝備了新穎的海嘯監測儀，一旦傳感器系統有反應，可立即發出海嘯警報。

4.2 應用光電纜組網海底觀測站進行的海底觀測研究

目前由光電纜連接的海底觀測站，結構較完整、觀測項目較綜合的是美加合作的NEPUNE。加拿大承擔的部分是Neptune Canada，其中的4個海底觀測站已開始工作，最深在400m，而僅用于地震、海嘯觀測的平臺在水深2 660m。

已經開展的研究項目有［8］：①Barkley Canyon海區水合物起源；②近海海洋過程中生物物理的內在關聯；③Bullseye Vent海區可燃冰地質物理圖像研究；④水體攪動對深海生態系統的影響；⑤海溝熱液系統中熱與質通量和生物化學、物理過程相對應熱與質波動反映的綜合觀察；⑥大洋殼體水文地質研究；⑦加拿大海王星地震儀網；⑧溫哥華島西海岸海洋生態系統研究，確定初級和次級生產力的生態生物物理因素，以及對魚和鯨的影響；⑨實時觀察北美西海岸海嘯和其他巨浪，并模型化。

4.3 兩種模式比較

首先，在經費的基本投入方面：單框架海底觀測站的投資相對節省，因為單框架式海底觀測站不需要對電力和通信設備單獨大量投入。歐盟對GEOSTAR的開發僅投入了460萬歐元［9］。加拿大近海的VENUS（versatile ecomonitoring network by undersea－Cable system）站點建設投入了1 030萬加元，建立Neptune Canada一期光電纜網投入3900萬加元，以后又增加節點，追加投入2000萬加元。到目前為止Neptune Canada已經投入約1億加元［10］。即單框架式作為一個小規模海底觀測站，其基本經費投入是很低的。光電纜組網式可測范圍越大，經費使用效率越高，但基本經費投入是相當可觀的。

其次，在研究成果產出效率方面：在投入460萬歐元后，GEOSTAR就可以展開有針對性的研究活動；Neptune Canada是在投入了1億加元之后才可以展開各種研究活動。

再者，在發展方向方面：歐盟在GEOSTAR技術日趨成熟的基礎上，對海底觀測站的未來有遠大的計劃。歐盟已制訂出歐洲多學科海底觀測站計劃EMSO（European Multidisciplinary Seafloor Observatory）和歐洲海洋觀測網絡計劃ESONET（European Sea Observatory Network）［11］，計劃在大西洋與地中海精選12個點（北冰洋、挪威海、北歐海、派恩深海平原、亞速爾群島、利古利亞海、大加那利島、伊比利亞邊緣、西部愛奧尼亞海、希臘弧、馬爾馬拉海以及黑海）設站建網，進行長期海底觀測。加拿大對海底觀測最舍得投入，Neptune Canada計劃在胡安·德富卡板塊有6個節點，但離岸最遠、離海面最深的Endeavour Ridge和Middle Valley綜合觀察站點仍在等待進一步資金投入。美國最早的光電纜式海底觀測站，是利用退役通信光纜建立的監測地震信息的夏威夷－2海底觀測網，其后具有影響力的是1996年新鋪光電纜建起的新澤西近海長期生態觀測站LEO－15（long－term ecosystem observatory－15），海底站深度為15m［12］。而美國2008年提出的投資力度為3.3億美元／6a的海洋觀測計劃OOI［13］（Ocean Observatories Initiative），其海底觀測站僅在胡安·德富卡板塊部分，投入1 200萬美元，2011年7月才開始鋪設光電纜。OOI其他5個觀察站均不再建立光電纜式觀測站。而在近海光電纜觀測站方面，美國于2003年在馬薩諸塞近海又建立了近海觀測站MVCO［14］（Martha＇s Vineyard Coastal Observatory），海底站深度為12m。LEO－15和MVCO的海底站為與節點相連的觀測子系統提供電源和數據通信。由此可見，美國對深海光電纜觀測站的投入十分謹慎。

綜上所述，從投資和科學研究效率的角度考慮，光電纜連接海底觀測站不一定是深海觀測的唯一最佳選擇。因為單框架式海底觀測站投資相對不多，就可在幾千米水深工作一年以上，而且可回收并反復使用，從而獲得相當大海域的階段性觀測資料；雖然其大多數通信是非實時的，但在大多數情況下可以滿足科學研究的需求。深海光電纜式海底觀測站的一次投入大，并且光電纜的使用壽命一般不超過30年，在金融危機的背景下，連美國都在觀望，所以對光電纜組網的寬海域深海底觀測站建設應采取謹慎的態度，而對沿海淺水域的海底觀測站則仍然有較好的發展空間。

由于光電纜的實時通信能力和長時間的供電能力，為海洋學及海洋生物和地質過程的研究創造了條件，為地球科學、海洋學、生物學、生態動力學等學科的創新發展提供了基礎，對推動地球和海洋科學的發展有重大意義。同時，實時觀測特別有助于引發公眾和學生的興趣，在普及海洋知識方面會起到很好的教學效果。另外，這種海底觀測站可以作為近（淺）海觀測站的一部分，為其他觀測設備提供能源和通信，對于完善近岸監測網絡、服務海洋經濟、普及海洋知識、提高對海洋的認識也是十分必要的。

［1］汪品先.從海底觀察地球：地球系統的第三個觀測平臺［J］.自然雜志，2007，29（3）：125－130.

［2］詞霸漢語頻道.海底地震觀測［EB／OL］.（2009－03－16）［2011－12－12］.http：／／hanyu.iciba.com／wiki／125919.shtml.

［3］阮愛國，李家彪，馮占英，等.海底地震儀及其國內外發展現狀［J］.東海海洋，2004，22（2）：19－27.

［4］劉志飛，拓守廷.科學大洋鉆探回顧與展望［J］.自然雜志，2007，29（3）：141－151.

［5］FAVALI P，BERANZOLI L.Seafloor observatory science：a review［J］.Annals of Geophysics，2006，49（2／3）：515－567.

［6］FAVALI P，BERANZOLI L.Geostar technology［J］.ESO News Winter，2008－2009，2（3）.

［7］Monterey Bay Aquarium Research Institute.A new way of doing oceanography［EB／OL］.（2012－02－07）［2012－05－10］.http：／／www.mbari.org／mars／.

［8］NEPTUNE Canada.Research projects［EB／OL］.（2012－01－01）［2012－02－28］.http：／／www.neptunecanada.com／research／research－projects／.

［9］European Commission.The star of the deep sea abyss［EB／OL］.（2001－11－26）［2012－01－15］http：／／ec.europa.eu／research／news－centre／en／env／01－12－env03.html.

［10］CHRISTOPHER R.Barnes and，NEPTUNE Canada Team.Building the world’s first regional cabled ocean observatory（NEPTUNE）：realities，challenges and opportunities［R］.Vancouver，BC，Canada：MTS／IEEE Oceans，2007.

［11］EMSO.The european multidisciplinary seafloor observatory［EB／OL］.（2012－01－01）［2012－02－28］.http：／／www.emso－eu.org／management／.

［12］Coastal Ocean Observation Lab at Rutgers University.Coastal predictive skill experiments at LEO［EB／OL］（2002－06－03）［2011－03－19］.http：／／marine.rutgers.edu／mrs／LEO／LEO15.html.

［13］Consortium for Ocean Leadership.Ocean observatories initiative（OOI）［EB／OL］.（2010－01－01）［2011－01－25］http：／／www.oceanleadership.org／programs－and－partnerships／ocean－observing／ooi／.

［14］Woods Hole Oceanographic Institution.Martha’s vineyard coastal observatory edgartown，massachusetts［EB／OL］.（2008－01－01）［2011－01－09］.http：／／www.whoi.edu／mvco／description／description2.