第1章 深海极端环境探测意义及技术发展现状
　　深海通常指水深大于200m的海洋。由于地球近四分之三的面积被海洋覆盖，平均深度为3800m，且其平均深度集中于2000～6000m（图1-1）（Seibold and Berger，2017），即使按1000m深度来定义深海，其占据世界海洋的体积也达到75%。从外太空看去，地球绝大部分观察到的区域是深海，就仿佛一颗蓝色的水球，因此可以说我们居住的这颗星球绝大多数表面是由深海组成的。
　　图1-1 海底和陆地整体深度分布（Seibold and Berger，2017）
　　浅黄色至深灰色区域：地球表面陆地海拔和海洋深度的分布频率
　　深海是地球上最为重要的极端环境之一。所谓“极端环境”，首先是针对生命而言的，因此受人类自己对环境看法的影响，任何环境或生境，只要其中影响生命循环的主要参数之一具有非常高或非常低的值，都可以定义为极端环境（Prieur，2007）。就此意义来看，深海是当之无愧的极端环境。秦蕴珊（2004）认为“深海极端环境”有两方面的含义：一是理化环境上的极端，二是地质环境上的极端。从理化环境上看，深海具有高压、低温、没有阳光、缺氧的特征，曾被认为是生命的禁区（Forbes，1844），在这种环境下存在的生物生态系统与浅海区截然不同。从地质环境来看，深海也非常复杂。最先，深海面积巨大，在5.1亿km2的地球表面积中，有3.62亿km2是海洋，其中大约95%是深海。在面积广阔的深海海底不但分布着约60 000km长的洋中脊，还孕育了海山、深海平原、深渊、海沟、峡谷等多种地质地形地貌，因此，也可以看作另外一种意义的极端。近年，张鑫等（2022）又通过实地调查结果重申深海环境具有物理上（如温度、辐射、压力等）和化学上（如盐度、pH、氧含量等）的极端，是由多因子共同塑造的一个统一系统，拥有深海平原、海山、热液、冷泉及深渊等特殊环境，导致海底地形、理化因子的剧烈变化。
　　深海是地球上未被探索的最后疆域，相对于宇宙外太空，深海素有“内太空”之誉。在人口、资源和环境矛盾日益严峻的今天，从近在咫尺的海洋寻求出路，与遥不可及的外星球相比，是更为现实的选择。深海孕育了地球上最大的生态系统，其生物多样性也是最高的区域之一（Ramirez-Llodra et al.，2010），特别是热液、冷泉、深渊等极端环境，分布着独特且繁盛的深海暗生命系统，不断颠覆着人类对于生命极限的认识，甚至被认为是生命起源的初始地，对深海极端环境的探测及研究在整个地球科学和全球变化研究中都处于十分重要的地位（李超伦和李富超，2016）。此外，深海孕育着丰富的油气和矿产资源，深海平原的锰结核、海山中的富钴结壳、热液喷口中的多金属硫化物以及陆坡区的天然气水合物都已经引发了人类勘探的热情，也成为人类社会未来可持续发展的可靠储备。
　　然而，由于隔着巨厚的水层，深海探测的过程困难重重，人类对深海的探索非常有限。据统计，人类已探索的深海区域仅占整个深海面积的5%（吴立新等，2022），可以说人类对深海的了解程度还比不上对月球甚至火星表面的了解程度。直至今天，人类活动和气候变化驱动的深海环境波动、生态系统变化以及能量与物质交换循环机理仍未得到足够重视和了解。因此，对人类而言，深海进入、深海探测和深海开发的大幕刚刚拉开，深海将成为继太空之后下一个关系到人类社会发展和政治格局的重要制高点，注定是世界科技竞争前沿的重要领域之一。
　　1.1 深海极端环境的探测意义
　　深海极端环境往往是珍贵矿产资源、生物基因资源的富集区，并且也是关键生物地球化学过程的活跃区，因此备受关注。总体来说，现代深海极端环境探测具有如下三方面的意义。
　　1.1.1 深海极端环境富集多种重要的矿产资源
　　深海是一个规模巨大的聚宝盆，蕴藏着石油、天然气、天然气水合物等能源矿产以及锰结核、富钴结壳和热液金属硫化物等金属矿产，受控于不同的海底特征或地质单元（图1-2）、构造背景和水动力条件等因素。随着海洋勘探的发展，海底矿产资源逐渐被发现并逐步实现开采。深海资源的开发利用不仅有利于缓解全球矿产资源供需紧张的困局和保障国家能源资源安全，而且对提高我国海洋的治理能力具有重要意义。
　　图1-2 深海矿产资源与海底特征对应模式（Sharma，2017）
　　从世界范围看，全球海洋油气资源丰富。大陆架浅水区发现的油气储量约占海域发现油气储量的60%，其余约40%分布在大陆坡的深水、超深水区。深水油气勘探开发已成为海洋油气勘探开发的热点领域（王陆新等，2020）。全球深水油气资源尚处于勘探早期阶段，仍有大量资源待发现。据统计，全球累计获得深水和超深水石油、天然气可采储量分别为4.12×1010t、1.32×1014m3，分别占全球常规石油和天然气可采储量的7.3%和24.3%；深水和超深水石油、天然气累计产量分别为3.8×109t、4.2×1012m3，剩余可采储量分别为3.8×1010t、1.27×1014m3，分别占全球常规石油和天然气剩余可采储量的9.9%和29.6%，主要分布在巴西、墨西哥湾、西非三大热点地区（王陆新等，2020）。
　　天然气水合物是深海海底另外一种储量巨大的能源，而且海底冷泉活动通常又伴随浅表层天然气水合物的发育（浅表层天然气水合物的定义见第8章），或者说天然气水合物支持了海底冷泉活动（Suess，2014），因此是海底冷泉极端环境存在的物质基础。天然气水合物是由天然气中小分子气体（如甲烷、乙烷等）在一定的温度、压力条件下和水作用生成的一类笼形结构冰状晶体。据估计，全球天然气水合物的资源总量换算成甲烷为1.8×1016～2.1×1016m3，碳储量约相当于世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍（Makogon et al.，1981；Englezos，1993）。天然气水合物99%的资源量分布在海洋，且主要在深海区（Collett et al.，2009），在海底很多地方还裸露出现于海床之上（图1-3），尤以墨西哥湾*为著名（Ruppel and Kessler，2017）。形成天然气水合物的主要气体成分为甲烷，在标准温度—压力条件下，1m3甲烷水合物可释放164m3的甲烷气体，其燃烧热值是煤炭的10倍，是普通天然气的2～5倍。与传统能源相比，水合物燃烧后的主要产物是二氧化碳和水，不会生成有害气体和杂质，因此天然气水合物是21世纪更具潜力接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一。我国是当前世界上天然气水合物勘探开发技术的**者，已在南海北部开展了近二十年的天然气水合物资源调查工作，包括理论与技术攻关，并于2018年将其列为第173个矿种。2017年5月我国在南海北部神狐海域进行的*次海域天然气水合物试采成功，实现了我国天然气水合物开发的历史性突破。2020年3月又成功实施了第二轮试采，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”重大跨越，迈出了天然气水合物产业化进程中极其关键的一步。
　　图1-3 墨西哥湾深海海底的天然气水合物（中间白色物质）被上面的贻贝和碳酸盐结壳所覆盖（Ruppel and Kessler，2017）
　　深海多金属结核亦被称作铁锰结核或锰结核，是一种以Fe、Mn为主要元素并含有一定量Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Li以及稀土元素等多种金属元素的海底矿产资源。多金属结核（图1-4）主要分布于水深4000～6500m、沉积速率低于10mm/ka的深海平原。据估算，全球大洋底多金属结核资源总量为3×1012t（Mero，1965），具有商业开采潜力的资源量可达7.5×1010 t（Archer，1979），被认为可能是海底分布最广、储量最大的金属资源。富钴结壳（又称“铁锰结壳”）是继大洋多金属结核之后发现的又一深海固体矿产资源，赋存于海山、海脊、台地和海丘的顶部和侧翼，在岩石露头上形成厚结壳或在碎石堆上形成结皮（刘永刚等，2014）（图1-5）。富钴结壳富含Co、Ni、Cu、Pb、Zn等金属元素以及稀土元素和铂族元素，其中Co含量尤为显著，是陆地原生矿钴含量的20倍以上（栾锡武，2006）。此外，富钴结壳作为一种水成成因的矿产（Halbach，1986；Hein et al.，1988；Koschinsky and Halbach，1995），其本身在漫长的生长过程中记录了过去60～100Ma海洋和气候的演化历史，是储存了丰富的海洋和气候环境信息的重要载体（McMurtry et al.，1994；Hein et al.，2000）。
　　图1-4 海底分布的多金属结核（Sharma，2022）
　　图1-5 生长于海底岩石之上的深海富钴结壳（Usui and Suzuki，2022）
　　热液金属硫化物是海底热液活动的产物，主要是由高温黑烟囱喷发的富含金属元素的硫化物、硫酸盐等构成的矿物集合体（Rona and Scott，1993）。目前在全球海底已经发现数百处热液硫化物矿床，主要分布在洋中脊、弧后盆地扩张中心和水下岛弧火山等位置（German et al.，1998），通常具有壮观的烟囱体结构和极端生物生态系统（图1-6）。它是20世纪60年代继大洋多金属结核矿产和富钴结壳后发现的另一种海底金属矿产资源，主要金属元素为铁、铜、锌、银、镍、金、铂等，它们也是深海热液极端系统的典型产物。1978年，美法联合用法国Cyana号深潜器在东太平洋海隆21°N*次发现海底热液硫化物，自此开启了对这类资源的系统调查。根据国际大洋中脊协会的最新统计，截至2023年10月，全球已发现和由推断可确定的海底热液硫化物矿点有721个。多金属硫化物矿床附近的*特生物群落，是完全依靠化能自养的独特底栖生态系统，生产力水平非常高，具有可观的内在经济价值（Halfar and Fujita，2002）。
　　图1-6 西南印度洋龙旂热液场热液黑烟囱结构及伴生的热液生物（Zhou et al.，2008）
　　深海海底矿产种类多、储量大、品位高，具有巨大的开发利用前景，但因受地形复杂、高压、无光、洋流、海浪等复杂海洋环境的影响，探测及开发难度较大。现代科学技术的进步，为深海矿产资源的开发提供了大量可以利用和借鉴的通用技术及装备，使得深海矿产资源开发的技术可行性不断提高。但到目前为止，仍缺乏成熟可用的探测和开发技术装备，加之对环保策略及其他因素的考虑，深海矿产资源产业化开发困难重重，备受关注的索尔瓦拉热液硫化物开发项目也因鹦鹉螺矿业公司的倒闭而于2019年无限期搁置。
　　1.1.2 深海极端环境蕴藏着丰富的生物及基因资源
　　深海生物圈是地球上最大的生物圈之一，利用先进的海洋探测装备和技术，研究人员已在深海海域中相继发现了大量的生物物种。例如，1960～2020年，海洋生物地理信息系

目录
前言
第1章深海极端环境探测意义及技术发展现状1
1.1深海极端环境的探测意义2
1.2深海探测技术发展现状12
1.3本章小结29
第2章深海极端环境探测传感器30
2.1声学探测传感器30
2.2基于光学测量的探测传感器40
2.3本章小结67
第3章深海极端环境移动观测技术68
3.1深海极端环境移动观测技术主要构成68
3.2水下移动平台载体技术69
3.3能源动力与低功耗技术93
3.4水下移动观测装备的防水耐压技术98
3.5移动观测的导航定位、通信及水下目标智能识别技术98
3.6深海极端环境移动观测技术的发展趋势101
3.7本章小结102
第4章深海极端环境原位探测与监测技术103
4.1界面探测与监测103
4.2剖面探测与监测119
4.3深部探测与监测124
4.4本章小结130
第5章面向深海极端环境的海底观测网技术131
5.1海底观测网的总体结构131
5.2海底观测网的关键技术134
5.3面向深海极端环境的海底观测网应用144
5.4本章小结152
第6章深海极端环境探测技术应用典型案例153
6.1冲绳海槽中段热液活动探测典型案例153
6.2冷泉活动探测典型案例163
6.3深渊探测典型案例181
6.4本章小结188
第7章深海极端环境生化地质过程数值模拟技术189
7.1海底冷泉系统中数值模型的应用189
7.2海底热液系统中数值模型的应用206
7.3本章小结212
第8章深海极端环境资源开发利用技术214
8.1浅表层天然气水合物214
8.2海底热液金属硫化物229
8.3本章小结243
参考文献245