海牛Ⅱ號有多“牛”？2000米水下鉆孔，描畫未來開采“藏寶圖”！

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70%的面積。海洋根據(jù)深度可以分為幾個層次：首先是從海面到200米深的表層區(qū)域，這一層陽光充足，溫暖的水域養(yǎng)育了豐富的海洋生物。接下來是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，沒有陽光，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程，因此深海探測變得尤為重要。

深海探測技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程。在19世紀(jì)末，英國皇家海軍的“挑戰(zhàn)者號”于1872年至1876年進(jìn)行了一次開創(chuàng)性的深海考察。科學(xué)家們首次嘗試使用重錘和繩索進(jìn)行深海測量，通過這次考察，測量了海洋的深度，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)的開端，為后來的深海探測奠定了基礎(chǔ)。到20世紀(jì)中期聲納技術(shù)的發(fā)展，再到如今先進(jìn)的無人潛水器和深海鉆探設(shè)備的廣泛應(yīng)用，深海探測技術(shù)取得了飛速進(jìn)步。

而海底鉆機(jī)之于深海探測，如同天文望遠(yuǎn)鏡之于天文探測。沒有自主的深海鉆機(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“牛”，于南海超 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。這頭牛正是我國自主研發(fā)的深海鉆機(jī)——“海牛Ⅱ號”，實(shí)現(xiàn)了我國海底鉆機(jī)技術(shù)新的突破。

圖 1 “海牛Ⅱ號”

“海牛Ⅱ號”深海鉆機(jī)在深海探測領(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。

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

在深海鉆機(jī)研制領(lǐng)域，50米是一個重要的門檻，超過這一深度意味著具備國際先進(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)合國規(guī)定，公海礦產(chǎn)資源的優(yōu)先開發(fā)權(quán)歸屬于先行勘探的國家。因此，“海牛”海試成功為我國在公海礦產(chǎn)資源開發(fā)權(quán)上帶來了不可評估的優(yōu)勢。

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)人萬步炎教授表示，鉆探深度的增加必然帶來鉆機(jī)重量的增加，對普通科考船的海上作業(yè)難度也會相應(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”還配備了許多傳感器設(shè)備，到了海底，鉆頭會根據(jù)地層情況快速自動判斷并自適應(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，“海牛Ⅱ號”還具備原位探測巖石電阻率、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)與收放裝置對齊與靠攏困難、易發(fā)生沖擊碰撞的問題，實(shí)現(xiàn)了海底鉆機(jī)水中自動校正收放方位、垂直翻轉(zhuǎn)過程自動抱緊海底鉆機(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?？扇急谔厥獾暮Ｋ疃扰c壓力下呈現(xiàn)“冰”的狀態(tài)，一旦離開這個環(huán)境就會變成氣體。因此，普通的深海鉆機(jī)無法取樣這樣的物質(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。萬步炎介紹，這種保壓鉆機(jī)系統(tǒng)將應(yīng)用于我國在南海或東海，可燃冰取樣，無疑是我國可燃冰勘探的巨大成就與進(jìn)展，將有力推動我國可燃冰勘探事業(yè)與技術(shù)發(fā)展。

“海牛Ⅱ號”的問世是20多年堅(jiān)持不懈、持續(xù)研發(fā)的結(jié)果。2000年，萬步炎團(tuán)隊(duì)開始研發(fā)深海海底鉆機(jī)，2003年，團(tuán)隊(duì)研制出國內(nèi)首臺深海淺層巖芯取樣鉆機(jī)，在海底下鉆0.7米，獲得了首個巖芯樣品。2012年，“海牛Ⅱ號”的前身——“海牛號”研制項(xiàng)目正式啟動。2015年，“海牛號”在3000米海水下鉆了60米，使我國成為世界上第四個擁有能在水深大于3000米的海底進(jìn)行60米鉆探技術(shù)的國家。

如今，我國多條海洋科考船已配備了萬步炎團(tuán)隊(duì)發(fā)明的專利設(shè)備，并在深海鉆孔1000多個。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，“海牛Ⅱ號”將繼續(xù)在深海探測中發(fā)揮重要作用，未來將赴往沒有人類進(jìn)行海底鉆探作業(yè)過的馬里亞納海溝，挑戰(zhàn)萬米級水深地質(zhì)鉆探取樣，為我國深海資源勘探提供有力支持。

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文章由科普中國-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。
作者：蔡文垂 中國科學(xué)院長春光學(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