開啟深淵之門
——海斗深淵前沿科技問題研究與攻關先導科技專項進展

中國科學院海斗深淵前沿科技問題研究與攻關戰略性先導科技專項研究團隊

中國科學院深海科學與工程研究所 三亞 572000

開啟深淵之門
——海斗深淵前沿科技問題研究與攻關先導科技專項進展

中國科學院海斗深淵前沿科技問題研究與攻關戰略性先導科技專項研究團隊

中國科學院深海科學與工程研究所 三亞 572000

海斗深淵已逐漸成為國際地球科學尤其是海洋科學的前沿陣地和研究熱點。“海斗深淵前沿科技問題研究與攻關”戰略性先導科技專項的設立旨在推動我國海洋科學事業的發展，引領世界深淵科學研究，建立我國深淵生物學、深淵生態學和深淵地學等海斗深淵學科體系；滿足和支撐國家海洋探測高技術需求，建立支撐我國深淵科學研究及技術攻關的技術體系。文章介紹了專項立項背景、研究目標、研究內容、組織管理架構及近期重要進展。

深淵，海斗深淵，中科院戰略性先導科技專項

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.09.016

海斗深淵（Hadal Trenches），簡稱深淵，專指海洋中深度大于 6 000 米的海溝區域[1,2]。全球共有 37 條深海溝，其中9條最深的海溝（例如馬里亞納海溝）分布在西太平洋。海斗深淵環境以壓力大、溫度低、無光黑暗、構造活躍、地震密集、生命奇特為特點，代表了地球上非常獨特的海洋極端環境[3-5]。這里孕育了地球上最神秘的生態系統，有著特有的洋流運動，與上層海洋與海底之間存在著廣泛的物質和能量交換。它與淺海（＜200 m）、半深海（200—3 000 m）和深海（3 000—6 000 m）一起，構成了一個完整的海洋體系，是驅動地球系統演化的關鍵一環。盡管它們有著如此重要的作用和迷人的魅力，但卻又是迄今人類知之極少且難以企及的海底區域。

1 海斗深淵前沿科技問題研究與攻關先導科技專項的設立

近年來，隨著深淵探測技術瓶頸被逐步突破，深淵科學正成為國際地球科學尤其是海洋科學中蘊含重大突破的最新前沿領域。它以大深度深淵潛水器、深淵探測裝置和深淵環境模擬平臺為主要技術裝備，探索深淵內發生的地質、化學、物理、生命等自然現象、過程及其規律，重點研究海洋最深處發生的生命過程與生命演化、俯沖作用和板塊活動、地化過程與礦床形成、深部釋氣與化能生命、海溝地形與洋流運動等。深淵科學問題代表了海洋科學發展的最前沿陣地之一，對其進行研究是我國占領國際海洋科學研究制高點的重要機會，對我國海洋科學事業的發展乃至國家整體科學創新實力的提高均有著重要的推動作用。

與深淵科學研究同樣倍受關注的是深淵技術的快速發展。當前，深淵探測裝備技術正在成為國際海洋科技競爭的焦點，代表著深海工程技術領域中的頂級挑戰，體現了一個國家的深海工程技術水平，目前我國各類研究計劃對深淵科學與技術的研究幾近空白。2014 年4 月10日，中科院正式啟動了“海斗深淵前沿科技問題研究與攻關”戰略性先導科技專項（B類），首席專家由國際深海科技領域知名學者丁抗教授擔任。該項目計劃利用“蛟龍號”深海潛水器和其他深海探測設備在馬里亞納海溝進行科學考察與試驗，建立和發展我國海斗深淵生物學、海斗深淵生態學、海斗深淵地學等多個學科體系，并以此為引導，進一步攻克全海深潛水器關鍵技術及全海深探測裝備關鍵技術，推動我國深海科學和深海裝備技術向最深的海洋區域進軍。

1.1 專項總體目標

本專項涉及的研究領域代表了海洋科學的最前沿之一，研究過程中所獲得學術成果和技術成果，將對我國海洋科學事業發展、深海探測技術進步起到極大的推動作用。

（1）聚焦深淵科學的前沿問題，在深淵生命演化及適應性、深淵環境演變及資源環境效應、深淵構造活動和地質演變等方面爭取重大科學發現或突破，使得我國在國際海洋科學研究領域占據重要位置，引領世界深淵科學研究的發展。同時，通過深淵科學問題的探索，能夠逐步建立起我國深淵生物學（Trench Biology）、深淵生態學（Trench Ecology）、深淵地學（Trench Geology）等學科體系。

（2）發展適應于深淵探測和科研需要的深淵探測裝備，突破深淵探測技術、深淵模擬實驗技術和全海深載人/無人潛水器瓶頸技術，建立支撐我國深淵科學研究及技術攻關的技術體系，將大力促進我國在材料技術、能源技術、導航技術、控制技術、運載器技術、深海作業技術等多種深海高技術領域取得長足進步，滿足和支撐國家海洋高科技事業發展的需求，并在新一輪國際深海科技的發展中占據前沿制高點。這將是一項開創性的工作，是最終形成我國全海深科研、探測及相應工程技術能力的第一步。

（3）深淵科技體系的建立涵蓋多種科學研究和深海高技術領域。因此，這不是任何單一的學科，或個別科研團體及人員所能夠完成的。經過數十年的發展，中科院在上述科學研究領域和高技術領域已經具備明顯的特色和優勢，形成了很強的綜合性高技術力量和科學研究力量。可以通過多學科、建制化的科研組織實施方式，進一步將相對分散的力量凝聚在深淵科技領域，加強人才的匯合和交流，為我國培養一支勇于創新、能夠在相對較短時間內突破深海科技前沿領域的隊伍。

綜上，專項的總體目標如下。

（1）聚焦深淵科學前沿問題，在深淵生命演化及適應性、深淵環境演變及資源環境效應、深淵構造活動和地質演變等方面爭取重大科學發現或突破，建立我國深淵生物學、深淵生態學和深淵地學等海斗深淵學科體系。

（2）發展適應于深淵探測和科研需要的深淵探測裝備，突破深淵探測技術、深淵模擬實驗技術和全海深載人/無人潛水器瓶頸技術，建立支撐我國深淵科學研究及技術攻關的技術體系，為開展和保障海斗深淵的科學考察和研究奠定堅實基礎。

（3）建立一個以深海科學與技術緊密結合為特色的深淵科技卓越中心，形成具國際競爭力的深淵科技力量綜合性聯盟體，使其成為深海科技領域具有國際影響的“創新高地”，發揮深淵科技在國家海洋發展中的重要戰略作用。

1.2 專項研究內容

深淵科學的探索不僅涵蓋了物理海洋、地球物理、海洋化學、地球化學、海洋地質、海洋生態、海洋生物、海洋環境等諸多學科領域的前沿科學問題，也涉及到材料、能源、導航、控制、運載器、深海作業等多種深海高技術領域的儲備和研發問題，科學與技術于此相輔相成，是一場長期、復雜和系統的工程。因此，本專項將按照“有限目標、重點突破”的原則，尋求行之有效的發展思路和組織管理方法，集中優勢力量解決當前迫切需要且最有可能獲得重要進展的三大核心科學問題和三大核心技術問題。圍繞本專項的 3 個科學問題和3個技術問題，專項設置如下 6 個項目。

項目一：海斗深淵的基本生物學特征及特有物種的起源、演化和環境適應機制；項目二：海斗深淵的基本環境特征及專屬性物理海洋和地球化學現象；項目三：板塊俯沖、構造活動與海斗深淵的形成和演化；項目四：深淵探測設備研制、應用及海上綜合性試驗平臺建設；項目五：全海深潛水器關鍵技術攻關；項目六：深淵環境模擬實驗系統。在 6 個項目中分別設置相關研究課題，針對性地開展相關研究工作。項目一、二、三是本專項的科學研究項目，將在深海科學研究領域體現出本專項的核心競爭力，它的成功實施將為建立我國包括深淵生命學、深淵生態學和深淵地學在內的深淵學科體系作出重要貢獻。項目四、五、六是本專項的核心技術研究項目，為專項科學問題的研究提供現場觀測、樣品采集以及實驗室模擬支持，是本專項的支撐系統。科學研究項目是本專項實施的目的，技術研究項目是本專項成功的前提，科學項目引導技術項目的前進，技術項目促進科學研究項目的發展。6個項目之間的關系（圖1）。

圖1 “海斗深淵”先導專項項目設置

1.3 專項組織管理

本專項具有跨學科、跨領域和跨行業的特征。其在橫向上將跨越通常沒有緊密聯系、在行政上分屬不同管理部門的科學研究團隊和高技術研發力量；在縱向上不僅涉及國際深海科技領域基礎性問題和通用技術，也將滲透和挑戰一些最為前沿的重大科學問題和瓶頸技術。為確保專項的實施，專項按照如下組織架構進行管理（圖2）。

圖2 “海斗深淵”先導專項組織架構

專項首席專家由深海所丁抗所長擔任，負責提出和策劃整個專項的發展戰略規劃、科研方向和目標、研究任務分解方案，統籌安排各項目之間的協同創新，批準專項核心成員的聘用。同時，專項將設立科學主管（Primary Investigator）及工程技術總師（Chief Technologist），分別由彭曉彤（深海所：首席科學家、中科院“百人計劃”）和張艾群（深海所：總工、國家“863”海洋領域專家、中科院“百人計劃”）擔任，協助首席專家組織、實施專項。

專項自啟動以來一貫堅持以下理念：通過專項的引領，將中科院在深海科技領域已經具備顯著特色和優勢，但卻相對分散的深海科技力量集合起來（特別是尚未進入海洋領域的研究力量），最大限度地發揮中科院人才聚集地的效能，為我國海斗深淵科技水平的跨越式提升提供支持。

這種開放、合作共享的專項管理思路，充分發揮了中科院學科全面、綜合的優勢，匯聚了中科院現有和潛在深海科學與工程技術力量。從 2014 年 4 月啟動至今的兩年多時間里，除了海洋所、南海海洋所、聲學所、沈陽自動化所等原本涉海的研究所，金屬所、大連化學物理所、上海硅酸鹽所、測量與地球物理所、地質與地球物理所、水生生物所等原未涉及海洋技術研究的團隊也在專項中也發揮了重要作用。目前，除深海所外，參加海斗深淵先導專項的中科院團隊已達 12 家（圖 3），高校、企業及部門院所也達 10 家（圖 4）。

圖3 參加海斗深淵先導專項的中科院內單位

圖4 參加海斗深淵先導專項的中科院外單位

2 專項進展

海斗深淵先導專項自啟動以來，已在多個布局方向取得較大的進展和突破。

2.1 深淵科考平臺——“探索一號”船

完成“探索一號”深淵科考平臺建設，作為深海工程技術作業及試驗平臺，“探索一號”將滿足我國在未來十多年內進行深淵探測與作業的迫切之需。該平臺可為全海深關鍵技術的研發提供海試平臺，可支撐我國萬米載人潛水器及無人潛水器的海上試驗與作業。2016年 6—8月進行的馬里亞納海溝首航，“探索一號”船出色、圓滿地完成了航次任務：船舶 DP2 動力定位系統的高精度定位性能，以及萬米測深探測系統、CTD采水器、沉積物取樣裝置、地震實驗系統等船載設備成功運行，表明了“探索一號”船作為我國 4 500 米和萬米載人/無人潛水器母船以及綜合性海斗深淵科考作業平臺，具備了 6 500 米以深海洋的常規探測作業以及支撐萬米深潛科考作業的能力。

利用船載絞車系統和沉積物采樣設備，獲得了 9 150米水深的箱式沉積物樣品，創造了同類型深海裝備作業深度的世界新記錄。航次還成功獲得了深度序列完整的海底沉積物樣本，從 7 000 米、8 000 米、9 000 米到最大水深 10 822 米。大深度沉積物樣本的獲取為研究深淵沉積對全球氣候變化的響應、深淵早期成巖活動、化能生命與地質活動內在聯系等重大科學問題創造了條件。

利用一系列采樣裝備，成功獲得了深度序列完整的馬里亞納海溝水樣，包括七千、八千、九千和萬米級水樣，最大采樣深度達 10 900 米。大深度水樣的獲取為揭示深淵水體生態環境演變、深淵物質循環以及極端高壓微生物學研究提供了珍貴的研究樣本。

本航次取得的成果，表明了萬米深海已不再是我國海洋科技界的禁區，這是繼蛟龍號七千米海試成功后又一個海洋科技的里程碑。

2.2 海底地震儀

專項部署支持的國產海底地震儀（OBS）工作深度首次突破 7 000 米。航次共投放了 9 臺 OBS，儀器回收率 100%，最大工作深度達 7 731 米，刷新了國產地震儀工作水深的新記錄。地震儀記錄數據完整，采集到了自1900年以來第三次發生在馬里亞納海溝大于 7.7 級的天然地震信號。

世界上首次在挑戰者深淵西部開展主動源人工地震勘探，以大容量氣槍為人工震源放炮 960 次，總長160.9 km。并成功獲得了一條完整的地震剖面。

2.3 深淵著陸器

專項部署的深淵著陸器“天涯”號獲取大量海底水樣（大于 100 升），這在國際同等或類似裝備上都無先例。“天涯”號深淵著陸器下潛 9 次，其中 8 次有效，深度分別是 5 530 米、6 985 米、7 034 米、7 526 米、7 850米、7 619 米、10 822 米和 5 076 米，獲得了 CTD、溶解氧數據和批量近底經原位固定的微生物樣品、近底水樣、視頻、照片及部分沉積物樣品，該著陸器成功捕獲批量深淵特征生物獅子魚及其他大型生物。

搭載自主研發的原位固定裝置完成了近十個站位的原位水體微生物收集工作，采樣實驗的最大深度達 7 850米，單次過濾水樣體積達 150 升。此裝置所獲得的樣品能最大程度地反演深淵底部原位環境下的微生物組學信息，為揭示深淵微生物群落結構、代謝途徑和環境適應機制提供了珍貴的研究樣本。

專項部署的“海角”號深淵著陸器下潛作業3次全部有效，深度是 5 504 米、6 665 米和 6 879 米。分別獲得海底樣品、視頻、照片等資料。在接近 7 000 米深度再次捕獲獅子魚、大型端足類鉤蝦。

2.4 “原位實驗”號升降器

專項部署支持的“原位實驗”號升降器下潛應用6次，下潛深度分別為 6 382 米、8 079 米、8 627 米、9 197 米、10 225 米和 10 935 米。在萬米海底成功進行了深淵底部氮循環、氨氧化的原位培養實驗，在世界在挑戰者深淵萬米深度再次成功捕獲端足類鉤蝦，并在挑戰者深淵最深點附近布放“CAS”中國科學院標識。

2.5 “海斗”號無人潛水器

專項自主研制的“海斗”號無人潛水器成功進行了一次八千米級、兩次九千米級和兩次萬米級下潛應用，最大潛深達 10 767 米。“海斗”號成為我國首臺下潛深度超過萬米并進行科考應用的無人自主潛水器，創造了我國無人潛水器的最大下潛及作業深度記錄，使我國成為繼日、美兩國之后第三個擁有研制萬米級無人潛水器的國家。利用海斗號成功獲得了 2 條九千米級（9 827 和 9740米）和 2 條萬米級（10 310 米和 10 767 米）水柱的溫鹽深數據。這是我國獲得的第一批萬米溫鹽深剖面數據，為研究海斗深淵水團特性的空間變化規律和深淵底層洋流結構，以及萬米載人潛水器的設計提供了寶貴的基礎資料。

2.6 水下滑翔機

專項部署自主研制的水下滑翔機最大下潛深度達到5 751 米，完成 8 個有效下潛周期的試驗并實時通過衛星傳回數據，創下了我國水下滑翔機的最大下潛深度記錄，接近目前水下滑翔機下潛深度的世界紀錄 6 000 米。

2.7 生物樣品

通過專項研制的深淵著陸器和升降器共進行了13個潛次的大生物誘捕實驗，在五千米、六千米、七千米、八千米、九千米及一萬米級深度獲取 2 000 余個大生物樣品，其中包括鉤蝦、深淵專屬的獅子魚以及未知物種。這是我國首次獲得具有深淵專屬特性的獅子魚以及萬米水深的大生物樣品。這些深淵大生物樣本的獲得為探索海斗深淵物種的起源與演化、群體遺傳特征及其共生微生物對極端高壓環境的適應機制提供了寶貴的樣本。

2.8 全海深載人球殼

萬米載人球殼、萬米浮力材料等核心技術取得重大突破，為國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項提供了關鍵的啟動條件；制備了國內首個驗證全海深壓力的鈦合金縮比球，并通過了190 MPa 靜水外壓試驗，為實現萬米載人潛水器載人艙材料、制造工藝、結構設計國產化邁出了關鍵性的一步。研制的標準模塊浮力材料具有較好的耐水壓性能，120 MPa 的水壓下 24h 吸水率在 0.25%—0.48%范圍。全海深固體浮力材料的研制工作已獲得了突破性的進展，取得了階段性成果。

2.9 超高壓模擬壓力筒、深淵極端環境模擬平臺

超高壓模擬壓力筒、深淵極端環境模擬平臺等深海科研重大基礎設施建成并投入運行，在緊鄰南海的戰略要地建成了面向全國提供服務的研發平臺，為我國將自主研發的 4 500 米載人潛水器/萬米載人潛水器/深海空間站等重大深海科技裝備的海試及運行維護做好了必要的條件準備。

2.10 專項文化

專項通過兩年的實施，逐步建立起“合作的文化，干事的文化，學術平等的文化”。

專項本著開放、合作共享的管理思路，充分發揮了中科院學科全面、綜合的優勢，匯聚了中科院現有和潛在深海科學與工程技術力量，逐步建立了深淵研究團隊。

專項通過組織實施“探索一號”深淵裝備海試及科考航次（TS01-01）、多種深潛裝備的應用以及密集性深淵科考作業的實踐，磨礪出一批海上一線作業指揮員，鍛造出了一支能夠進行萬米大深度科考作業的隊伍。

2.11 深海關鍵技術與裝備重點研發專項

通過兩年多的聯合攻關，海斗深淵專項已經初步構建了我國深淵科技前沿研究的人才高地，取得了一系列核心關鍵技術的突破，在國內外取得了良好的學術聲譽和影響力。海斗深淵專項已經取得的成績，為國家在“十三五”期間啟動全海深技術和裝備研制奠定了基礎，在優先啟動的國家重點研發計劃中，就包含了“深海關鍵技術與裝備”重點專項，并由海斗深淵專項的首席專家丁抗研究員擔任重點專項實施方案和申報指南編制專家組的組長。

在已經啟動的“深海關鍵技術與裝備”重點專項中，又將有半導體所、微電子所、安徽光機所、計算所等新一批研究力量進入深海研發領域。根據海斗深淵先導專項和國家重點專項的成功實踐，證明了中科院在深海技術領域具有非常大的潛力，也證明了以項目為引導的方式可以高效的發揮中科院在高新技術領域的集群優勢和先導引領作用，具有不可替代的優勢。

在研究內容和關鍵技術的設置方面，國家重點專項借鑒和引入了海斗深淵先導專項的思路，計劃重點突破制約我國在深海領域發展能力的深海運載、探測、戰略資源開發等核心共性關鍵技術，研制萬米載人及無人潛水器實現萬米深潛，以及完成 4 500 米載人潛水器的海試和試驗性運用。具體在項目層面，在 2016 年已經確定立項支持的項目中，有 13 項直接來自于海斗深淵先導專項的前期工作和孵化，另外還有1項中科院半導體所牽頭的“面向深海地球物理科學研究的新型磁震傳感器（2016YFC0301800）”項目，也是源自海斗深淵先導專項首席科學家丁抗研究員的組織和規劃。經過初步統計，海斗深淵先導專項孵化和牽引的項目占據了國家重點專項的 1/3，經費總額接近 9 億元。

海斗深淵先導專項對國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項的引領和孵化，充分體現了中科院在國家重大戰略科技前沿的先導引領作用，也是先導專項管理機構、首席專家先進管理理念和務實高效的工作所取得的成果。

3 未來工作重點及展望

專項將采取合理有效措施，以開放性模式吸引中科院乃至全國多學科力量，對“探索一號”TS01-01 航次取得的萬米級深淵樣品和數據進行廣泛、深入的科學研究，以其獲得深淵科學重大研究成果。

專項將利用目前獲得的深淵裝備研制技術優勢和航次作業經驗，盡快重返挑戰者深淵，執行第二次萬米深淵科學考察：加大力度進行 9 000—10 000 米深度的深淵環境探測及生物、水文和地質樣品的采集，并對專項自主研制的多型深淵裝備進行海上科學試驗和科學考察。

專項近期將結合國家重點研發專項“深海探測技術與裝備”的部署，將本專項的先進科學研究成果和技術裝備，通過國家重點研發專項的進一步支持和提升，逐步推向國家戰略層面，使我國深海科技研發處于國際前沿，為我國最終形成全海深的科技與工程能力奠定戰略性基礎，使我國不僅具有深空探月的能力，也能探索和研究地球上最深的海洋。專項還計劃將其中的部分成果予以轉移轉化，提高我國深淵探測能力，促進我國在材料技術、能源技術、導航技術、控制技術、運載器技術、深海作業技術等多種深海高技術領域取得長足進步，滿足和支撐國家海洋高科技事業發展的需求，并在新一輪國際深海科技的發展中占據前沿制高點。

1 Wolff T. The hadal community, an introduction. Deep Sea Research, 1960, 6(2)： 95-124.

2 Wolff T. The concept of the hadal or ultra-abyssal fauna. Deep-Sea Research, 1970, 17： 983-1003.

3 Zobell C E. Bacterial life at the bottom of the Philippine Trench.Science, 115(2993)： 507-508.

4 Fryer P. Evolution of the mariana convergent plate margin system. Reviews of Geophsics, 1996, 34 (1)： 89-125.

5 Lesley E B, Levin L A. Living deep： A synopsis of Hadal Trench Ecology. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5)： 137-143.

（相關圖片請見封二）

Open a Door to the Hadal Trenches—Progress on Frontier Study on Hadal Science and Technology

Team of Strategic Priority Program of on Frontier Study on Hadal Science and Technology
（Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China）

Recently, Hadal Trenches research has received tremendous attention in the field of Earth sciences especially Marine science. Strategic Priority Program (SPP) of Frontier Study on Hadal Science and Technology is dedicating to promote the development of the Marine science in China, leading the deep scientific research, and establishing a deep subject such as biology, ecology and geoscience. The implementation of the SPP on Frontier Study on Hadal Science and Technology will also support the requirements for Marine exploration, and establish a technology system on deep detection.

Trenches, Hadel Trenches, CAS Strategic Priority Program

*資助項目：中科院海斗深淵前沿科技問題研究與攻關戰略性先導科技專項（XDB06000000）修改稿收到日期：2016年9月8日