大洋一號(hào)“神器考”

撰文｜攝影｜向思源

大洋一號(hào)“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?cè)谌粘Ｉ钪谢韭?tīng)都沒(méi)聽(tīng)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(wèn)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(kāi)始時(shí)，我始終不太明白調(diào)查隊(duì)員說(shuō)起的“設(shè)備止蕩”是啥意思。

“你想?。‘?dāng)1噸多重、2米多長(zhǎng)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(kāi)始前后左右無(wú)規(guī)律地?fù)u擺起來(lái)。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(lái)自國(guó)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(méi)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(cè)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(lèi)能夠看到大洋深處?！惫戎聿粎捚錈┑亟o我講船上的設(shè)備，絞盡腦汁地用最通俗的語(yǔ)言為我解釋。

集成化光學(xué)拖體

“通過(guò)重建聲吶和地震測(cè)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(lái)測(cè)繪大片海底，或用于勘查個(gè)別潛在礦址周?chē)脑敿?xì)地形?！保ǖV址指可以持續(xù)商業(yè)作業(yè)20 ~ 25年、每年產(chǎn)出150萬(wàn)～400萬(wàn)噸的“優(yōu)質(zhì)結(jié)核”的海底區(qū)域）

多波束

“地震剖面測(cè)量可提供有關(guān)海底上下巖石種類(lèi)和巖層深度的數(shù)據(jù)；在水面上的海洋科考船能夠通過(guò)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和處理這些工具，使提升到水面的動(dòng)物樣品不致解體?！?/p>

“電視抓斗是用于深海海底采樣的機(jī)電設(shè)備，它經(jīng)過(guò)鎧裝纜吊裝可下放至深4000米水深的海底，通過(guò)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(kāi)合，根據(jù)需要對(duì)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(cè)的集成化拖體，系統(tǒng)主體是由一套高清照相機(jī)、一臺(tái)高清攝像機(jī)組成的光學(xué)探測(cè)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(xiàn)等設(shè)備。隨著科考船慢速前行，科考隊(duì)員通過(guò)拖體可以實(shí)時(shí)看到上萬(wàn)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(cè)量（CTD）和浮游生物拖網(wǎng)取樣。

CTD通過(guò)垂直剖面觀測(cè)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(guò)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(lái)分析海水中的營(yíng)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(lèi)、數(shù)量分布特征等生物要素，用于葉綠素a、初級(jí)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(zhuān)用手段，9只網(wǎng)袋通過(guò)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(guò)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(wú)纜取樣器。所謂無(wú)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(mǎn)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(lái)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(cè)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(lái)說(shuō)，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(cè)量數(shù)據(jù)、淺層剖面作業(yè)記錄、ADCP測(cè)量班報(bào)、海洋重力儀作業(yè)過(guò)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(duì)每天重復(fù)進(jìn)行的工作有了刨根問(wèn)底的想法，來(lái)自國(guó)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(zhǎng)，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(hào)”上是干啥的？為啥每個(gè)組都要專(zhuān)門(mén)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(guò)向海底發(fā)射超窄寬帶的聲波信號(hào)，然后檢測(cè)反射回的回波信號(hào)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(zhuān)業(yè)地解釋?zhuān)?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(guò)發(fā)射裝置形成一條很窄的聲波信號(hào)，瞬間向海底發(fā)射出去。在多波束附近能明顯聽(tīng)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(hào)后，通過(guò)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(hào)。連續(xù)不斷的測(cè)量下就能獲得連續(xù)的海底地形數(shù)據(jù)。通過(guò)后處理軟件再對(duì)這些數(shù)據(jù)集中處理，剔除錯(cuò)誤的信號(hào)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(cè)水深范圍是20米到1萬(wàn)米，理論上講，連世界上最深的馬里亞納海溝也能探測(cè)?！?/p>

溫鹽深測(cè)量

“淺層剖面系統(tǒng)也是一種聲學(xué)設(shè)備，也是通過(guò)向海底發(fā)射能量集中的窄波聲波信號(hào)，然后檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行工作的。它與多波束不同之處是多波束檢測(cè)海底面以上的回波信號(hào)，而淺剖系統(tǒng)則是屏蔽海底面以上的回波信號(hào)，專(zhuān)心接收海底以下的回波信號(hào)，從而得到海底以下的地層反射數(shù)據(jù)，然后通過(guò)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(cè)海流的，它可以探測(cè)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(cè)量是測(cè)量海洋重力的變化。通過(guò)連續(xù)測(cè)量和測(cè)線(xiàn)，進(jìn)行后處理后得到海區(qū)的重力變化圖，對(duì)海面以下沒(méi)有GPS導(dǎo)航的潛艇來(lái)說(shuō)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(lái)就是大洋科考作業(yè)全過(guò)程的一個(gè)記錄。多波束是全船科考行為的一個(gè)主線(xiàn)。專(zhuān)門(mén)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(guò)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(méi)有正常工作，還能進(jìn)行科考過(guò)程的回溯?！?/p>

多波束是我們探測(cè)海底的眼睛。在沒(méi)有多波束之前，我們只能摸索著作業(yè)。看不見(jiàn)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(lái)。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(hào)情況等。

浮游生物拖網(wǎng)

溫鹽深測(cè)量