海底观测站的两种发展模式

1海底观测站的两种发展模式李慧青李燕哈谦（国家海洋技术中心，天津300112）摘要：简要介绍了海底观测站的历史。阐述了这一发展过程中存在的两种模式及其基本要素，对两种模式的投入成本、功能与效率及其未来发展做了比较，以期对我国未来的海底观测站/系统的建设有所借鉴。Thehistorypathofseabedobservationsisbrieflyintroduced.Inthispath,twomodesofseabedobservationsarefoundpotential.Thebasicelementsinthetwomodesareinvestigated.Thecomparisonininvestedcapital,performance,efficiencyandfortunebetweenthetwomodesismade.Thecrucialissuesforourfutureseabedobservation/systemconstrictionarepointed.关键词：海底观测，GEOSTAR，光电缆组网，中图分类号：P715.5人类在地球上居住，就必须了解地球，而了解地球是从对地球的观测开始的。假如把地面与海面看作地球科学研究的第一个观测平台，而把空中和空间看作第二个观测平台，那么近年来海底就成为地球科学研究的第三个观测平台[1]。在第三个平台上进行的地球科学观测活动是从上世纪五十年代前后开始的，从九十年代以来取得了快速的发展。1995-2002年期间，欧盟先后实施了两期地球物理学和海洋学深海研究站计划（GEOSTAR1/2——GeophysicalandOceanographicStationforAbyssalResearch）；1998年开始，美国与加拿大合作，组织实施了东北太平洋海底网络实验计划（NEPTUNE——North-EastPacificUnderseaNetworkedExperiments）。通过这些项目的实施，以期2对各个观测点实现自动、长时序观测，从而获得曾经是“深不可测”的海洋内部信息。海底观测区别于海面和空间观测的特点是，难度大、费用高、结果具有不确定性。因此，以什么方式和规模来发展海底观测是需要科学界、政府和社会等多方面统筹考虑和协商的系统工程。在回顾海底观测发展历史的基础上，本文对单框架式海底观测站和光电缆组网式海底观测系统的优缺点及发展方向进行了分析，以期对我国未来的海底观测站建设有所借鉴。1.海底观测发展史海底观测大致可分两类，一类是以海底地震和地质构造及其变化研究为主的对海底的观测，另一类是以海洋学、海洋生物学、海洋生态动力学等研究为主的在海床上进行的对水体的观测。总的趋势是，在海床上利用观测仪器设备对海床以下的地质构造和海床以上的水体、生物及生态进行综合的观测和研究。海底观测最早的主题是地震。早在1937～1940年间，美国W.M.尤因等就进行过海底地震观测的尝试[2]。1966年，曾在千岛群岛至堪察加的近海，安装了18台地震仪，进行了3次地震观测。1968年，日本利用新研制出的海底地震仪，在海底进行了33天的持续观测；1968～1970年，在相模湾的三个地区进行了海底地震的系统观测。1966年，莫斯科大学研制了海底地震仪，并在印度洋进行了海底地震观测[3]。最早的大规模洋底调查观测活动是大洋钻探计划，它起源于1961年的美国莫霍计划。1968年开始深海钻探计划DDP(Deep-Sea3DrillingProject，1968-1983)，之后又相继实施了大洋钻探计划ODP(OceanDrillingProgramme,1985-2003)和综合大洋钻探计划IODP（IntegratedOceanDrillingProgramme，2003--），这是国际地球科学历时最长、规模最大的合作研究计划。从1968年起至2003年，三十五年来在全球各大洋钻井近三千口，从北极大洋到南极威德尔海，覆盖了整个世界大洋，采集了沉积样品和岩石标本，记录了钻孔地球物理和地球化学信息，建立了长时间尺度的岩芯观测。“综合大洋钻探计划”（IODP）计划打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部生物圈和天然气水合物，并从地质变化中理解极端气候和快速气候变化的过程[4]。上述各种海底观测活动的共同点是：它们都是在洋底进行的点上观测，即通过钻孔取样和在钻孔中布放仪器进行定点观测。然而，从海洋科学基础研究的目的出发，比如探索海洋气候变化对不同水深海洋生物产生的不同影响，探索深海生物的生态系统动力学和生物多样性等等，还需开展对海洋乃至海底的物理、化学和生物量的观测，如海洋的流、浪、潮等动力参数，海底的结构构造参数和海洋的pH、CO2、溶解氧、营养盐、蛋白总量等化学和生物量参数。而从开发海底资源的目的出发，海底观测系统还需要研究并弄清以下三个方面的问题：一是研究矿物生长与发展，如热液硫化物的生成机理研究；二是开展面向生物资源开发的特定地区生态系统研究，如热液生态体系的研究；三是进行大洋资源开发过程及其后续过程的环境变化监测，从而避免资源开采过程对海洋环境带来不良影响。4综合实现上述各种科学目的，就需要将观测仪器设备布放到海底去，并将设在海底和埋在钻井中的监测仪器联网，进行长时间连续的自动化观测。这种观测网既能向下观测海底和大洋深部，又能通过锚系向上观测大洋水层，还可以投放能自动与观测网的节点连接上网的活动型深海观测站。科学家可以通过网络，在陆基实验室内实时或近实时地观测自己的深海实验项目，指令实验设备对风暴、藻类勃发、地震、海底喷发、海底滑坡等各种过去很难及时观测的突发灾害事件过程进行过程跟踪监测。因此，从上世纪90年代开始，随着海洋和海底科学的发展，海底观测开始由点向面的发展，目前正在向立体、四维的方向迈进[5]。国外海底观测站的主要模式有单框架式和光电缆组网式两种，根本区别在于数据的实时通讯能力和持续观测能力。2单框架海底观测站单框架海底观测站是指一套相对独立的、不依靠光电缆由岸基站供电和通讯的海底观测设备。采用单框架海底观测站开展海底观测和实验研究的国家主要在欧洲。此处介绍欧盟资助的GEOSTAR系统[6]，这一系统由三部分组成：海底站、有缆机器人和通讯系统。2.1海底站观测仪器设备安装在耐海水腐蚀的金属框架内，工作深度4000米。仪器设备包括：①传感器和仪器；②由钛盒封装的电子系统和储存数据的硬盘；③通讯系统的水下部件；④锂电池电源。锂电池的使用寿命目前可达一年以上，发展方向是锂电池可以由海表面的能源浮标进行充5电。数据采集和控制系统单元DACS（DataAcquisitionandControlSystemunit）是一个数据获取和控制中心。GEOSTARDACS能完成以下任务：管理和获取来自于所有学科包和传感器的数据；制备和连续升级根据要求即将发出去的经常性数据信息，包括事件的侦查结果；驱动收到的指令（例如数据请求、系统重构、重新启动）；在内存备份数据。DACS管理大量的、取样速度完全不同的数据流，按照高精度时钟确定的独特的参考时间标记每个数据。传感器选用24伏、350mA以下的低能耗产品。2.2辅助设备一种用于水下科学目标的遥控作业机器人MODUS（MobileDockerforUnderwaterSciences），专用于布放和回收海底观测站。通过一条专用的光-电缆在船上遥控它，并为它提供能源。MODUS输送系统运行过程中需要的货物，其测量记录系统在布放期间也是观测站的初始通讯线。它装备了锁紧/释放和推进器，推进器装在一个圆锥体的框架上，这样有助于对接。目前装备了4个推进器，包括2个水平向、2个竖直向推进器。框架上还装备了用于侦查海床的录像机、异频雷达收发机、指南针、深度计和声呐。2.3通讯方式有两种独立的通讯方式：一种是浮式数据盒，当数据已经满负荷或遇到紧急情况时，它会自动或接受指令浮到海面。这种数据盒又分两种：一种是消耗式的，数据储存容量64KB；另一种是储存式，数据存储容量为40MB，通过Argos卫星定位通讯系统传递其位置信息和数据。另一6种通讯方式，是基于双向垂直声通讯原理的机会船联络或浮标联络，频率12kHz，速度可达到2400bit/s。3.光电缆组网的海底观测站世界各地已经建立了一些不同规模和用途的光电缆海底组网观测站。此处以美国的蒙特利湾加速研究系统（MARS——MontereyAcceleratedResearchSystem）为例，简介光电缆组网式海底观测站的基本要素[7]。3.1海底站MARS光电缆的末端是一个由防拖网大钢架保护的观测设备，高约1.2m，宽4.6m。这种防拖网框架为MARS观测台的电子仪器“内脏”提供了保护。框架的四面各有一个门，允许ROV（RemoteOperatedVehicle）连接端子进出，如图1所示。观测台成为深海中的电脑网络中心和电力变电所，其工作深度900米。电子仪器“内脏”由两个钛质压力容器组成，悬接在一块浮体之下。一个容器内部是电子设备，用于路由数据和仪器的电源控制；另一个容器相当于变电站，将高压电转化成适用于科学仪器的低压电。Mars电缆将由岸基站提供的10KV的高压电输送到学科节点处。在学科节点内部转换器将电压降到仪器可接受的375伏交流电和48伏的直流电。共有学科节点8个，利用它们，每个试验可以发送高达100megabits/s的数据给陆地科学家，科学家也可以反过来发出修改程序、重装仪器的指令。7图1.MARS海底站及其钢框架示意图3.2辅助设备52公里长的光电缆为系统提供电源和通讯。有了持续不断的电力供应，MARS观测台上的仪器就可在海底持续观测数月甚至几年。通过实时通讯网络系统，建立数据获取/管理以及系统控制。如果某台观测仪器出了问题，科学家就会及时发现。如果是程序方面的问题，可以由工程师进行远程修复或重新设计程序；而修复或重新设定子系统或仪器，则需要水下机器人进行现场作业。3.2.1光电缆光电缆本身由一个铜质电信号传线和一组光纤组成，比一根普通的软胶管稍粗。这些光电缆铺设时埋在深约3英尺的海底沟槽内，以防被船锚、捕鱼装置等钩挂。铜质导线以10kW的功率将位于加州的陆地站上的电力传送给海底的设备，而光纤则以每秒2千兆比特的速度把这些科学仪器所采集的数据传送给岸基站上的研究人员。3.2.2机器人有缆机器人Ventana负责海底站的安装，负责在科学节点上安装、回收、修理观测子系统或仪器。自治机器人BenthicRover扩大了海底观测范围。它有自己的电池系统，可完全独立行驶，也可用一条长长的延伸线与海底观测站相连，8得到电力补充和数据中转。BenthicRover的钛制耐压球用来保护机器人的核心——电子部分和电池。为了避免机器人太重而陷入海底的柔软淤泥中，采用抗压浮力材料，因此，机器人在空气中重量约1400公斤，在水中的重量仅为45公斤。机器人前端安装两把旋转刷子，用于清理履带上的泥土；机器人行驶过程中会搅起海底沉积物，扰乱视线，影响测量工作，因此，它行动极为缓慢——约1米/分钟。此外，机器人还能感应水流的方向，自动顺着水流方向前行，有效避免激起的泥沙影响。4两种模式的发展趋势4.1应用单框架海底观测站进行的海底观测研究自Geostar欧盟第4、5框架项目开发出来后，工作向两个方向延展。一是单套观测站特殊应用；另一是将Geostar升级为一个海底观测网的基本节点。这两个方向的发展已经产生了另五种Geostar级的观测站，形成了欧洲深海底观测网的雏型[6]。2000-2002年，在意大利沿海建立了海下1号观测网站SN1（SubmarineNetwork1），主要开展地震、海洋学和环境海洋学方面的监测。2005年利用欧洲中微子海底望远镜工程，即中微子地中海观测站NEMO（NeutrinoMediterraneanObservatory）的光电缆系统的能源和通讯渠道，为NEMO提供海洋环境实时监测，成为欧洲第一个光电缆式海底观测站。2002年-2004年期间，甲烷气监测模块GMM(GasMonitoringMod