從研發(fā)出國際首臺耐高溫拉曼光譜探針，到搭建國際首套深海原位光譜實(shí)驗(yàn)室，青島海洋科技工作者們不斷打破科研禁區(qū)——
鍛造深海探測重器，“海洋之眼”看得更深更透
走向深海，裝備先行。如果沒有專業(yè)裝備支撐，就不能實(shí)現(xiàn)深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)，難以進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋。
在相當(dāng)長的一段時間里，我國的深海裝備一直落后于西方先進(jìn)國家。比如在極具代表性的載人深潛裝備領(lǐng)域，我國一度缺席了近50年。但在建設(shè)海洋強(qiáng)國的背景下，我國海洋事業(yè)快速發(fā)展。如今，以我國自主研制的“蛟龍”號為代表的深海高科技裝備實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到個別領(lǐng)域領(lǐng)跑的重大跨越。
12月7日，中科院海洋所發(fā)布消息稱，其近海底地質(zhì)過程團(tuán)隊(duì)繼研發(fā)出國際首臺耐高溫拉曼光譜探針后，又成功研制出國際首套深海多通道拉曼光譜探測系統(tǒng)（以下簡稱“多通道拉曼系統(tǒng)”）。這是我國深海探測裝備的又一利器。借助于該系統(tǒng)，科研人員在我國南海冷泉區(qū)搭建了國際首套深海原位光譜實(shí)驗(yàn)室。
科研人員利用“科學(xué)”號科考船、“發(fā)現(xiàn)”號ROV開展深海科學(xué)探測。
“建設(shè)海洋強(qiáng)國，我一直有這樣一個信念?！?習(xí)近平總書記在青島考察時的殷殷囑托，鼓舞著海洋科技工作者奮力馳騁。從研發(fā)出一根拉曼探針，到搭建起海底實(shí)驗(yàn)室，這背后，是青島科學(xué)家深受建設(shè)海洋強(qiáng)國感召的多年求索，也是我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略深入實(shí)施的最好例證。
打破深海探測“不讓碰”的科研禁區(qū)
自我介紹時，張鑫研究員常常說“我是做技術(shù)的”。2008年，他在國外從事深海拉曼光譜探針研發(fā)；2009年，他到中科院海洋所工作，始終致力于深海原位探測技術(shù)研究。作為中科院海洋所近海底地質(zhì)過程團(tuán)隊(duì)主要成員，近年來，張鑫取得的一大成果，就是自主研發(fā)出國際首臺耐高溫（450℃）拉曼光譜探針，引領(lǐng)了國際深海原位探測技術(shù)發(fā)展。
拉曼光譜探針的外形，就像一個放大了的針管。它的工作原理，是在深海中將一束激光打出去，根據(jù)光的返回信號就可以獲得被測物質(zhì)的化學(xué)成分、生理狀態(tài)。相較于把深海樣品帶回陸地實(shí)驗(yàn)室再檢測，這種無須傳統(tǒng)取樣方式的原位探測不僅更便捷，而且探測結(jié)果更準(zhǔn)確。同時，這種探測方式還不會破壞海洋生物及其生存環(huán)境，張鑫因此把研發(fā)的探針命名為RiP，意即讓深海的生物可以“安養(yǎng)生息”。
海洋所研發(fā)的多通道拉曼系統(tǒng)開展深海探測與實(shí)驗(yàn)。
利用拉曼光譜的方式開展深海原位探測，在國外并不新鮮。但很少有人知道，研發(fā)耐高溫的拉曼光譜探針曾一度是個難點(diǎn)?！拔业矫绹商乩麨澈Ｑ笱芯克髮W(xué)的第一天，我的導(dǎo)師、該研究所的第三任所長彼得·喬治·布魯爾就告訴我，不能拿深海拉曼光譜儀器來測高溫環(huán)境，比如深海的熱液噴口。因?yàn)樗荒透邷?，很容易被燒毀?！?張鑫回憶說，研究所也曾嘗試解決此問題，但一直沒有找到行之有效的方法。因此導(dǎo)師劃定了幾個深海拉曼技術(shù)的禁區(qū)，其中深海熱液堅(jiān)決“不讓碰”。
深海熱液俗稱“黑煙囪”，在海底的形狀幾乎與煙囪一模一樣，噴口流體溫度可達(dá)450℃。從海底噴出的熱液流體，含有銅、鋅、鉛、金、銀等多種元素，不僅為大量深海生物提供了食物，在無光的海底孕育了極端的生命現(xiàn)象，而且與冷海水相遇后可以在熱液噴口附近堆積，形成一種叫作“熱液硫化物”的礦物，是具有巨大開發(fā)遠(yuǎn)景的海底礦產(chǎn)資源。正因如此，深海熱液區(qū)備受國際關(guān)注，但一直缺乏對其開展原位探測的相關(guān)技術(shù)手段，只能先將深海樣品取樣，然后帶回陸地實(shí)驗(yàn)室開展分析研究。
科研人員利用高溫拉曼光譜探針對高溫?zé)嵋簢娍陂_展原位探測。
回到國內(nèi)，張鑫研發(fā)過常規(guī)的拉曼光譜探針，也利用相關(guān)設(shè)備取得了一些成果，比如首次在南海發(fā)現(xiàn)裸露在海底的可燃冰。當(dāng)然，面對深海熱液這種極端環(huán)境，研發(fā)耐高溫的拉曼光譜探針就不得不提上日程。2015年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)突破了光學(xué)鏡頭不耐高溫等技術(shù)難點(diǎn)，研發(fā)出國際首個可以直接插入450℃深海熱液噴口的拉曼光譜探針。彼得·喬治·布魯爾教授看過利用該探針取得的數(shù)據(jù)后大為稱贊：“過去需要在實(shí)驗(yàn)室一個月完成的工作，現(xiàn)在只需要10分鐘就能得到結(jié)果。”
截至目前，耐高溫拉曼光譜探針已廣泛應(yīng)用到中國和美國多家海洋研究機(jī)構(gòu)，搭載“蛟龍”號載人潛水器、“發(fā)現(xiàn)”號無人纜控潛水器等下潛150余次，取得了“在深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下存在超臨界二氧化碳和氣態(tài)水”等多項(xiàng)重大成果。該深海探測裝備2021年入選我國“十三五”科技創(chuàng)新成就展。
在南海建設(shè)國際首套深海原位光譜實(shí)驗(yàn)室
耐高溫拉曼光譜探針，主要搭載在“蛟龍”號、“發(fā)現(xiàn)”號等潛水器上開展應(yīng)用。而中科院海洋所本次研發(fā)的多通道拉曼系統(tǒng)，使用方式則是固定在深海坐底長期觀測系統(tǒng)（深海著陸器）上。相較而言，此前科研人員利用拉曼光譜探針主要用于深海探測和發(fā)現(xiàn)，而多通道拉曼系統(tǒng)的應(yīng)用，還可以長期開展深海原位實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)于將實(shí)驗(yàn)室搬到了海底。
“如果只是做深海原位探測，相當(dāng)于在海底‘看了一眼’而已，可以看到有什么，但并不清楚深海極端環(huán)境與生命的演化過程。所以我們要建立海底實(shí)驗(yàn)室，開展深海原位實(shí)驗(yàn)?！睆場握f。
這是一個長期、復(fù)雜的過程。首要一步是海底選址。從2015年開始，中科院海洋所近海底地質(zhì)過程團(tuán)隊(duì)開始嘗試在我國南海海底布設(shè)深海著陸器。深海著陸器自帶高清攝像機(jī)，相當(dāng)于在深海海底安裝了24小時監(jiān)控，因此被稱為“海洋之眼”。2015年至2020年，“海洋之眼”幾經(jīng)放置、回收，在水下工作總時長超800天，獲取大量深海數(shù)據(jù)，最終助力科研人員選定適合做海底實(shí)驗(yàn)室的南海冷泉區(qū)。
海洋所拍攝的深海高溫?zé)嵋簢姲l(fā)。
冷泉是深海熱液之外的又一個極端環(huán)境，其周圍常常生活著不依靠陽光而生存的大量生物，是研究地球生命起源的熱點(diǎn)，是開展深海原位實(shí)驗(yàn)的理想?yún)^(qū)域。地址選定了，如何建立海底實(shí)驗(yàn)室？這又是一大難題。2020年，張鑫開始提出多通道拉曼系統(tǒng)的理念。
多通道拉曼系統(tǒng)，是把多個拉曼光譜探針安裝在一個系統(tǒng)里，然后將該系統(tǒng)固定在深海著陸器上并布設(shè)在海底，以此開展深海原位探測和實(shí)驗(yàn)?！耙郧笆褂美庾V探針，是把它安裝在潛水器上，因?yàn)槭且桓结?，所以是單點(diǎn)探測。同時，受潛水器作業(yè)時間等限制，拉曼光譜探針在海底探測的時間很短，更無法開展長期原位實(shí)驗(yàn)?！睆場谓榻B，現(xiàn)在研發(fā)的多通道拉曼系統(tǒng)，因?yàn)榭梢蚤L期布設(shè)在海底，所以可以按月、季、年的尺度來開展深海探測和實(shí)驗(yàn)。同時，該系統(tǒng)安裝了4個拉曼光譜探針，可以針對某一區(qū)域的不同場景同時開展探測實(shí)驗(yàn)，這不僅極大提高了效率，而且能更精準(zhǔn)研究深海變化規(guī)律。
2020年，張鑫帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多通道拉曼系統(tǒng)經(jīng)海試驗(yàn)證可行。2021年，完成原型機(jī)建造，并經(jīng)海試驗(yàn)證可靠。今年，科研人員利用該系統(tǒng)在我國南海冷泉區(qū)成功建設(shè)了國際首套深海原位光譜實(shí)驗(yàn)室，并實(shí)現(xiàn)常態(tài)化運(yùn)行。
從前期研發(fā)出一根拉曼探針，到如今搭建起海底實(shí)驗(yàn)室，這是一大跨越。“目前這個深海原位光譜實(shí)驗(yàn)室，不僅布局了多通道拉曼系統(tǒng)，而且還搭載了CTD（溫鹽深儀）、ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）等近10種海洋傳感器和采樣裝置，成為開展深海原位探測實(shí)驗(yàn)的理想平臺?！?中科院海洋所近海底地質(zhì)過程團(tuán)隊(duì)主要成員、教授級高工欒振東展望說，有了該實(shí)驗(yàn)室的加持，我國深海探測研究將邁進(jìn)新階段。
推動“初具雛形”的海底實(shí)驗(yàn)室日臻完善
“我感到很幸運(yùn)，在回國工作后不久，海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略就提出來了。我們這些年輕的海洋科技工作者趕上了海洋事業(yè)發(fā)展的好時代。正是在這個大背景下，我們的一些想法才能不斷落地?！被仡櫼宦纷哌^的海洋路，張鑫如是說。
這是張鑫的肺腑之言。時間回到他剛參加工作的2009年，當(dāng)時中科院海洋所不僅沒有現(xiàn)代化的科考船支撐深?？瓶?，而且沒有潛水器為拉曼光譜探針的應(yīng)用提供支撐。在參加工作后的很長一段時間里，由于國內(nèi)不具備科研條件，張鑫每年都要花費(fèi)兩三個月出國做實(shí)驗(yàn)。不過，自2010年以來，情況發(fā)生了很大改變。先是我國綜合性能最先進(jìn)的科考船“科學(xué)”號開工建造，2012年交付中科院海洋所管理運(yùn)行，讓我國真正具備了走向深海大洋的能力。繼而中科院海洋所“發(fā)現(xiàn)”號無人纜控機(jī)器人開工建造，2014年交付使用，為深海探測提供了有力手段。張鑫表示，如果沒有這兩個深海重器，他在國內(nèi)就沒法開展深海研究工作。
海洋所探測到的深海氣態(tài)熱液流體噴發(fā)形成的“倒置湖”現(xiàn)象。
國家為海洋科技工作者提供舞臺，個人更需要自勉。如今已退休的“科學(xué)”號船長隋以勇多次見證和參與了中科院海洋所近海底地質(zhì)過程團(tuán)隊(duì)的深海探測工作。2015年，彼時的科研團(tuán)隊(duì)在深海探測領(lǐng)域還處于摸索階段，布設(shè)深海著陸器常常需要很長時間。“科考船受海流、海風(fēng)等影響會不斷晃動，深海著陸器在海水中也會不斷晃動。當(dāng)布設(shè)深海著陸器時，我需要時刻細(xì)微調(diào)整科考船以保證深海著陸器準(zhǔn)確到達(dá)海底位置?！?隋以勇回憶說，有一次，他連續(xù)操作科考船20多個小時，費(fèi)盡周折。后來，隨著團(tuán)隊(duì)全面掌握海底環(huán)境信息，布設(shè)深海著陸器的時間不斷縮短，從10個多小時到7個多小時，如今只需要2小時左右。
這其中發(fā)揮重大作用的，是欒振東開展的工作?！耙郧拔覀儧]有條件，只能通過船載設(shè)備獲得相對粗糙的米級海底地形地貌圖。有了‘發(fā)現(xiàn)’號潛水器后，我們可以搭載著高精度海洋儀器，靠近海底開展深海激光掃描作業(yè)，從而得到厘米級分辨率的海底地形地貌圖。” 欒振東表示，通過這些數(shù)據(jù)，他們還在南海冷泉區(qū)還原了海底的真實(shí)場景，并應(yīng)用于實(shí)際導(dǎo)航中。當(dāng)再布設(shè)深海著陸器時，不僅提高了工作效率，而且避免了前期發(fā)生的深海著陸器卡進(jìn)巖石縫隙難以回收的窘境。
早期的深海著陸器，主要依靠安裝的高清攝像機(jī)用于海底監(jiān)測和確定海底實(shí)驗(yàn)室的位置。如今，深海著陸器安裝了多通道拉曼系統(tǒng)、CTD等眾多儀器，可以長期開展深海探測和實(shí)驗(yàn)?！氨姸嘣O(shè)備長期在海底運(yùn)行，需要由深海著陸器統(tǒng)一提供電源，因此對能源系統(tǒng)提出了更高要求?！?欒振東說，通過電池調(diào)配技術(shù)、水下節(jié)能技術(shù)等完善優(yōu)化，目前深海著陸器的續(xù)航力已增加50%，可支撐各儀器設(shè)備開展探測實(shí)驗(yàn)600余天。未來，他們還將不斷優(yōu)化各項(xiàng)內(nèi)容，推動深海數(shù)據(jù)實(shí)時回傳。
“我們現(xiàn)在搭建的海底實(shí)驗(yàn)室已初具雛形，我的夢想是在該基礎(chǔ)上建立一個光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。不僅僅使用拉曼光譜技術(shù)，而且要把更多的光譜技術(shù)都用于深海海底，不斷豐富對深海的認(rèn)知?！?張鑫相信，融入海洋強(qiáng)國建設(shè)，激揚(yáng)青春，大有可為。(青島日報/觀海新聞記者 李勛祥)
