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隨著科學技術的進步，人類對海洋的認識越來越深入，發現現實中的海洋要比傳説中的龍宮“富有”得多。深海蘊藏著地球上遠未認知和開發的寶藏，要得到這些寶藏，就必須在深海進入、深海探測、深海開發方面掌握關鍵技術。 我國深海採礦分“探”“評”“採”三步走。目前，“探”的工作已經基本完成，“評”與“採”的籌備工作正在一同推進，其中完善環境評價報告是重要一環，其難點在于長期原位監測手段不足，設計採礦車也必須獲取海底沉積物的力學參數。而“國際首套全海深海底沉積物力學特性原位測試裝置研制成功”，取得了獲取海底沉積物力學參數關鍵技術的突破。這一裝置，由中國海洋大學環境科學與工程學院、山東省海洋環境地質工程重點實驗室賈永剛教授團隊研發。 “美吉號”解決了什麼難題 如果你看過《流浪地球2》，一定對影片中的水下作業機器人有印象。而在現實中進行深海作業，面臨的困難常人難以想像。 相隔萬米水深遠端控制作業，如何在上百兆帕的壓力下保障設備運轉，如何從深海回收設備……賈永剛團隊先後攻克了深海環境條件下感測器靜水壓力自平衡濾除、多量程探頭智能組合施測、超短基線萬米通信定位等係列技術，為深海超高壓力（最大110兆帕）下海底超軟土力學參數精準測試這一國際難題提供了中國方案。 三亞海洋研究院在南海構建了“南海立體觀測網”，牽頭建設了“南海海洋大數據中心”，在服務國家海洋安全、資源開發、防災減災、海洋經濟等方面發揮著重要作用。就在這一年，賈永剛團隊的“美吉號”攻克萬米海深，在國際率先實現了萬米深海沉積物力學性質原位精準測試，高分通過了國家重點研發計劃項目專家組的評價。 潛到水下11000米後，“美吉號”通過感測器智能切換自己的“手”，用適合監測沉積物性質的探頭在原位置完成力學性質測試。 作為國際首套全海深海底沉積物力學特性原位測試裝置，“美吉號”解決了什麼問題？賈永剛告訴記者，這個設備同時攻克了深海沉積物測試難、測不準兩個難點。“從海底取樣出來，就幹擾了樣本，再運回到實驗室，測試條件又變了，永遠測不準。” 在原位進行測試有多精準——貫入阻力測試精度可達0.2千帕，而海底壓力（最大110兆帕）與測試精度相差6個數量級，賈永剛打了個生動的比方：“相當于在飛速行駛的火車旁邊去聽別人手表齒輪的聲音。” 為什麼要對深海的“土”進行如此精準的測量？ “設計深海作業設備，首先就要獲得沉積物的力學參數，才能了解它的承載能力。”賈永剛用未來的採礦車舉了個例子，“一旦‘超重’陷進去，很可能就回收不上來了。” 同時，了解沉積物力學特性，對于海洋工程安全也有重要意義。 “在海洋動力荷載作用下，海底很容易發生地質災害，侵蝕作用也比較明顯。”賈永剛又舉了個例子，“在海底鋪設一條管線，可能過段時間它下面就懸空了，這就比較危險。” 今年3月，在三亞舉行的南海開發與地質災害高層論壇上，中科院院士、長安大學教授彭建兵對賈永剛團隊給予高度評價。彭建兵認為，國家需要發展海洋工程地質，防止海洋地質災害，其中海底觀測技術難度很大，需要進一步深化和提高。 “國際首套全海深海底沉積物力學特性原位測試裝置研制成功”入選中國地質學會2022年度十大地質科技進展，這是該團隊繼“國際首套復雜深海工程地質環境原位長期監測裝備研制成功”入選2021年度十大地質科技進展後，再次有成果入選該榜單。在賈永剛團隊努力下，我國深海工程地質原位監測技術居于國際領先地位。 “科研靈感，一定來自出海、下海” 進入深海研究之前，賈永剛團隊對灘淺海的沉積物力學性質已經有了多年深入的研究。而在11000米的海洋最深處，原來成熟的研究設備無法正常運作，原來的測試方法也不能照搬，是一個全新的挑戰。 從灘淺海邁向深海，結緣于一次偶然的邀約。 “一塊兒去南海看看吧。”2010年，中國海洋大學物理海洋專家田紀偉向賈永剛發出了邀請。田紀偉也是“南海立體觀測網”的探路人。 從南海回來後，賈永剛開始準備申請深海領域的研究項目。一直到第三次申請的時候，答辯仍沒通過。從撰寫計劃到項目申請成功，賈永剛用了4年的時間。 “沒有項目去就‘蹭’別人的船，給別的科研團隊‘打工’找靈感”。賈永剛説，雖然項目沒申請下來，但是一直在堅持基礎的工作。賈永剛邁向深海的決心十分堅定。 2014年，賈永剛團隊獲得了國家重大科研儀器設備研制專項支援，進行海洋陸坡復雜工程地質環境的原位長期監測（水深1500米），為深海油氣、水合物開發的環境地質監測提供技術支撐。這也是全國海洋工程地質領域的第一個重大儀器專項。 項目申請成功這一年，在山東大學學了四年土木工程的90後小夥子朱超祁，考入賈永剛門下，跟隨賈永剛，一同向深海求學。 十余年的時間，伴著海風一晃而過。鹽田過夜、拯救擱淺船、海上24小時奮戰……都是賈永剛團隊中年輕人難忘的記憶。 “當時真是一腔熱血，不覺得苦不覺得累。”已經成為中國地質調查局天津地質調查中心骨幹的團隊成員文明徵説，“最難忘的是霧天淩晨下船，開車回賓館路上能見度太低，賈老師走在最前面給學生們探路的背影。” 2021年，賈永剛團隊“國際首套復雜深海工程地質環境原位長期監測裝備”研制成功，實現了在水下1500米連續12個月的原位監測。朱超祁構思了一個有趣的比喻：“這個項目就像給海洋戴上了手環，可以長期連續監測它的血壓和脈搏。” 一開始陪同賈永剛去南海的研究生劉曉磊，如今成了教授、博導，並獲得了國家優青、山東省優青的資助，成為實驗室的學術帶頭人。朱超祁去年入選中國科協“青年人才托舉工程”，擔任國際期刊主編。 一批批上船就暈的年輕人，在賈永剛的指導下，歷練成了“老海員”，成為國家海洋工程地質領域的青年翹楚。 深耕海洋30多年的賈永剛認為，要認識海洋，更重要的是得讓海洋認識你。從畏懼海洋到與海洋建立感情，這是每次新生入學，賈永剛跟學生們傳授的“秘訣”。 每一個進入賈永剛門下的學生，入學就要到海上當“調查隊員”，從樣品處理、記錄資料等一點點小事做起，慢慢熟悉設備，逐漸成長到可以獨立帶隊出海完成科研工作。 “海洋研究是實踐性非常強的一個學科，在家裏邊做不出真正的研究。”在黃河入海口做研究時，賈永剛就經常帶著學生光腳下海。 “硌到過一次腳，就開始思考為什麼這麼軟的地方能形成硬殼。”這是賈永剛團隊第一個山東省自然科學基金項目的由來。 “退潮以後在岸邊吃飯，發現很多蟹子把土都倒到海床面上來了，我就帶著學生思考生物的典型活動對沉積物的遷移會産生多大影響。”回憶到此處，賈永剛非常開心，他説，“你看，吃著飯又來了一個課題靈感。” 賈永剛説，做科學研究，靈感很重要。靈感來自什麼？一定來自實際，來自出海、下海！“進入深海大洋以後，我們也不閒著，只要出海就要去甲板上幹活。” “我們團隊的學生出海率是100%。”向海30余載，最讓賈永剛欣慰的，是自己的科研成果真正寫在了海洋上，為國家解決了實際問題。最讓賈永剛自豪的，則是培養出了一批海洋科研的頂梁柱。 一個項目帶出三家高新技術企業 海洋科技實現高水準自立自強，必須加強原創性、引領性科技攻關，把裝備制造牢牢抓在自己手裏。 “之前我們用的是國外的設備，設備價格高，購買難。”邁向深海的十年，賈永剛早早就體會到了被“卡脖子”的難處，他説，“只有打造一支專業化工程技術隊伍，才能保證研發的裝備有傳承、能應用、能服務社會。” 2015年7月，山東省科技廳批準建設山東省海洋環境地質工程重點實驗室，賈永剛任實驗室主任。這是中國海洋大學第三個山東省重點實驗室。 “像這樣學科交叉的重大項目，僅靠單個學院的力量很難完成，需要進行有組織的科研。”以實驗室作為平臺，賈永剛整合了中國海洋大學環境科學與工程學院、化學化工學院等四所學院的相關科研力量，發揮學校多學科綜合優勢，向“全海深”邁進。 山東省海洋環境地質工程重點實驗室高級工程師權永崢告訴記者，在各類項目的資助下，實驗室已研發了海洋工程地質環境原位觀測裝備近20套，在灘淺海油田、南海北部陸坡水合物試採區、太平洋多金屬結核礦區投入應用。 科研項目落地，離不開專業化的配套企業。而企業在服務重大項目的過程中，也能實現自身的高速發展。賈永剛團隊一個項目帶出了三家國家高新技術企業：深圳市智慧海洋科技有限公司已成為水聲通信和水下無線組網技術的領軍企業；蘇州南智傳感科技有限公司成長為國內地質與岩土工程光纖監測技術的知名企業；位于濟南的山東拓普液壓氣動有限公司，也成了國內知名的液壓係統設計和整合商，研發的作業機械手已經在蛟龍號上得到應用。 全程參與全海深海底沉積物力學原位測試項目，給拓普液壓的青年工程師高平留下了深刻的記憶。 “設備在深海出了問題就收不回來了。”回想起當時的情景，高平直言“壓力山大”。 “忙到睡不著覺很正常。”已經從事深海裝備研發近20年的拓普液壓總經理劉敬喜説。在這個項目中，驗收專家最終給項目組定下的測試指標是127兆帕。“這是按11000米的海底壓力110兆帕的1.1倍，再加上海水的密度帶來的壓力計算的。”劉敬喜舉了個例子，假如放一輛密封的汽車下去，肯定就壓成片了。 如何解決深海壓力問題，劉敬喜打了個有意思的比方：“就像一個氣球裝滿水，放在水裏就能平衡內外壓不爆炸。”“美吉號”的液壓設備就應用了這個原理。 通過深度參與這個項目，拓普液壓完全掌握了全海深耐壓密封技術，深海探測、深海採樣再到深海模擬檢測設備技術趨于成熟，並逐漸形成了自己的産品譜係。 談及走入深海，劉敬喜説，還要歸因于跟中國海洋大學和自然資源部海洋一所的緣分。2008年，拓普液壓和海洋一所共同承擔了863海底沉積聲學調查設備項目。在一次評審會後，擔任評審專家的賈永剛就找到了劉敬喜，希望他協助進行沉積物原位測試的設備研發。 兩人一拍即合，從水下1500米到11000米的原位測試，拓普液壓都作為賈永剛團隊的協作單位全程參與。截至目前，拓普液壓共承擔了國家級的科研項目10項，其中9項都已經完成了驗收。 20年來，山東拓普持續投入資金進行海洋裝備研發。“除了履行企業社會責任，再過幾年一定會迎來重要的戰略機遇。”劉敬喜堅信，海洋裝備是拓普液壓最重要的商業版圖之一。 離深海採礦還有多遠 在“國際首套全海深海底沉積物力學特性原位測試裝置”中，自然資源部海洋一所負責設備整體功能的測試檢驗，設計設備從布放到測試再到回收整個海試驗收的環節。“關鍵要設計一個可靠的海試計劃，最後能夠實現萬米的目標。”海洋一所工程中心副主任宋玉鵬説。 “裝置海試與應用”課題由海洋一所牽頭，青島海洋地質研究所、國家深海基地管理中心等共4家單位共同參與。 “這幾家單位具備國內最先進的深海科研能力和測試水準。”宋玉鵬説，後勤保障也至關重要，這幾家單位都有大型的綜合科考船。 組織深海測試，最大的成本就是船舶費用，如果單獨租用大型科考船，費用很高。宋玉鵬説，項目海試期間，課題組充分利用青島海洋國家實驗室科考船共用機制，高效、節能地完成了海試工作，海試驗收得到了專家組的高度認可。 “美吉號”獲取的深海沉積物力學特性參數用于深海採礦車的設計，而要到公海採礦，只有提交環境評估報告才能獲取“許可證”，採礦羽流環境影響監測預測是其中的關鍵。 目前，賈永剛團隊承擔的國家重點研發計劃項目“深海採礦羽流影響監測模擬關鍵技術”的課題三“羽狀流對底層環境影響”，也由海洋一所負責。採礦羽流就是指採礦車採集、運輸、排出尾礦過程中産生的沉積物再懸浮與擴散。 “採礦車把底層沉積物幹擾了之後，懸浮起來的沉積物會擴散和沉降。那麼擴散和沉降的范圍有多大？主要在哪個方向和哪些區域？深度有多少？會持續多久？通過做羽流模擬模型就可以進行預測和預判。”海洋一所資環中心主任孫承君給記者上了一節科普課。 “對沉積物進行化學參數分析，能夠反映沉積物的特徵和變化。”孫承君説，化學分析可以為感測器觀測的數據作補充，比如判斷採礦羽流影響的沉積物深度。羽流預測模型逐漸完善後，只要輸入礦車工作參數和環境參數，經過計算，就可以預測採礦羽流影響的范圍。 建立羽流模型、完善環評報告是項目的第一步。“接下來，我們要在海底組成監測物聯網，數據可以實時傳回實驗室和相關部門。”賈永剛説，還要實現物聯網的雙向驅動，在實驗室動動手指，就能調整萬米海深現場的監測策略。 這是2022年“十三五”國家重點研發計劃項目結題通過後，賈永剛再次立項的“十四五”國家重點研發計劃項目，將在6000米的深海礦區打造海底監測物聯網，建立數值模擬係統。這是向國際海底管理局提交環境評估報告的重要部分，也是中國30多年科研成果轉化到商業採礦的重要節點。（張楠 齊敏）（完） |
