海底观测站的两种发展模式

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-SeaDrillingProject，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。征综合实现上馒述各种科学零目的，就需罗要将比观测碰仪器设备布蔑放到海底去卷，柏并围将设在海底胁和埋在钻井邮中的监测仪厅器联网，进欧行中长时间增连续的自动场化观测。这穿种告观还测网既能向冤下观尼测各海底和躲大洋号深部，又能舌通过锚系向灶上观测大洋茅水层，还可扔以投放道能洞自动与茫观粥测网的节点吓连接上网何的活动型屿深海观测站苦。科学家可挂以通过网络漏，在陆基实贴验室内斩实时因或近实时地踏观摩测自己的深蛮海实验撒项目考，沉指摧令实验设备杠对毯风暴、藻类也勃发、地震拒、海底喷发税、横海底脊滑坡等各种甲过去很难及奸时观测的喝突发薯灾害事件过贤程进行过程皂跟踪监测昼。泛因此，从上刊世纪晒90丝年代开始，境随着海洋和边海底科学的命发展，海底纺观测开始由府点向面的发杠展，目前正永在向立体、思四维的方向粥迈进紫[5]漫。国外海底榆观测站的主毅要模式有单丈框架式和光壶电缆组网式伙两种，根本雕区别在于数炭据的实时通颈讯能力和持膛续观测能力链。袜2单框架海版底观测站牌单钟框架海底观丹测站是指一衰套相对独立高的、不依靠销光电缆由岸蜻基站供电和敌通讯的海底荡观测设备。带采用单框架乳海底观测站队开展海底观刺测和实验研相究的国家主棚要在欧洲。吊此处介绍欧巴盟资助的科GEOST删AR槐系统减[6]吴，这一系统马由三部分组偶成：海底站执、有缆机器诚人和通讯系衫统。控2.1海耍底站例观役测仪器设备剖安装在耐海椒水腐蚀的金字属框架内，键工作深度部4000米珍。仪器设备住包括：膀①叶传感器和仪镜器；谢②牌由钛盒封装典的电子系统纱和储存数据徒的硬盘；趴③滴通讯系统的鲜水下部件；项④疏锂电池电源巩。锂电池的肺使用寿命目昨前可达一年畅以上，发展链方向是锂电祝池可以由海谋表面的能源谦浮标进行充罗电。数据采史集和控制系刚统单元翁DACS廉（延Data腰Acqui筹sitio诊nand漠Cont懂rolS努ystem保unit誉）浊是一个数据歼获取和控制抄中心。谋GEOST君ARDA泛CS室能完成以下蒸任务：管理践和获取来自辟于所有学科冲包和传感器希的数据；制陕备和连续升浊级根据要求调即将发出去钟的经常性数棒据信息，包秤括事件的侦添查结果；驱续动收到的指温令（例如数积据请求、系抄统重构、重巴新启动）；捎在内存备份涨数据。柴DACS向管理大量的构、取样速度竟完全不同的溉数据流，按笑照高精度时召钟确定的独退特的参考时酷间标记每个早数据。传感谦器选用索24优伏、顺350mA圆阳以下梳的低能耗产制品。祸2.2辅助诵设备孕一击种用于水下崭科学目标的莲遥控作业机绿器人社MODUS面（允M帝o刮bile蜻Docke唉rfor捕Unde造rwate屿rSci腐ences拒），专用于鞠布放和回收碌海底观测站钳。通过一条欺专用的光-管电缆在船上膨遥控它，并声为它提供能争源。腹MODUS显输送系统运摊行过程中需淋要的货物，萄其测量记录舟系统在布放蜡期间也是观誉测站的初始拔通讯线。它恶装备了锁紧终/释放和推寸进器，推进争器装在一个棍圆锥体的框占架上，这样喂有助于对接晋。目前装备佣了4个推进循器，包括靠2气个水平向、碰2酒个竖直向推辜进器。框架同上还装备了绸用于侦查海鹊床的录像机增、惨异频雷达收测发机桶、指南针、保深度计和声犁呐。絮2.3通坝讯方式粗有两种独立逐的通讯方式织：一种是浮却式数据盒，烂当数据已经贞满负荷或遇证到紧急情况裕时，它会自婶动或接受指骄令浮到海面税。这种数据境盒又分两种怨：一种是消顿耗式的，数芝据储存容量庆64K饰B；另排一种是储存伞式，数据存景储容量为4三0MB，通即过Argo情s卫星定位燕通讯系统传闷递其位置信古息和数据。箭另一种通讯遗方式，是基远于双向垂直那声通讯原理链的机会船联林络或浮标联裤络，频率鹿12kH榆z默，亦速度可蜘达到炊术2400菌bit/s五。池3.光电类缆组网的海池底观测站恢世丑界各地已经恨建立了一些御不同规模和须用途的光电制缆海底组网贯观测站。此园处以美国的闻蒙特利湾加膀速研究系统护（谷MARS嫂——于Monte洁reyA售ccele滔rated痰Rese木arch诵Syste殃m当）棒为例，简介凉光电缆组网值式海底观测德站的基本要叹素肚[7]乱。绑3.1海迁底站璃沿MARS证光歌电缆的末端臭是一个由防扰拖网大钢架糟保护的观测纷设备，高约圆1.2m船，宽立4.6m喇。这种防拖柱网框架为您MARS湾观测台的久电子仪器诸“致内脏德”眨提供了保护渐。框架的四细面各有一个梦门，允许R智OV（旱Remot育eOpe牌rated坛Vehi乎cle课）连接端子协进出，如图睛1所示。观膨测台成为深仿海中的电脑们网络中心和老电力变电所限，其工作深壁度龟900米筑。季电沃子仪器定“拣内脏娘”登由两个钛质另压力容器组泥成，悬接在写一块浮体之帜下。一个容猫器内部是电莲子设备，用宁于路由数据既和仪器的电扭源控制；另刚一个容器相摆当于变电站跌，将高压电肯转化成适用忧于科学仪器教的低压电。狐获Mars议电缆将由岸糖基站提供的恼10扣KV跟的高压电输晒送到学科节播点处。在学帜科节点内部慎转换器将电滥压降到仪器侮可接受咐的375伏侍交流电折和尚48伏的创直流电。敌共有学科墓节点毯8喊个，利用它秩们，每个试问验可以发送队高达帝100沙弯megab拘i葬t罢s/s坊的数据给陆植地科学家，书科学家也可油以反过来发揭出修改程序充、重装仪器睁的指令。缩图1.M士ARS海底乖站及其钢框辉架示意图秃3.2辅披助设备冶传52稿公里长的光支电缆为系统芽提供电源和氧通讯。有了矩持续不断的卫电力供应，河MARS切观测台上的龙仪器就可在且海底持续观懒测数月甚至血几年。通过病实时通讯网盒络系统，建粪立数据获取盯/管理以及拣系统控制。锤如果某台观绞测仪器出了仓问题，科学净家就会及时僻发现。如果叔是程序方面如的问题，可娘以由工程师勇进行远程修胖复或重新设跟计程序；而求修复或重新慎设定子系统齿或仪器，则桥需要水下机业器人进行现走场作业。退蔽光电缆绩光奴电缆本身由拔一个铜质电直信号传线和烦一组光纤组堪成，比一根盯普通的软胶才管稍粗。这抱些光电缆铺醒设时埋在深打约扑3选英尺削的海底沟槽羽内，以防被善船锚、捕鱼狂装置等钩挂蚊。铜质导线境以热10kW洒的功率将位贷于加州的堂陆地站上的推电力传送给骨海底的设备劳，而光纤则矿以每秒问2早千胳兆比特的速丧度把这些科挣学仪器所采拐集的数据传代送给岸基站节上的研究朴人员三。拔桨机器人莫参有缆机器人炼Venta阁na算负责海底站下的安装，负厨责在科学节刊点上安骗装、回收膊、修理某观测子系统部或仪器悠。片自治机器人寸Benth奖icRo耽ver找扩大保了颗海底观测范挡围辽。它有自己捧的电池系统捷，搞可完全独立那行驶，蒸也可用捡一条长长的炎延伸线与海抢底观测站相外连园，得到电力充补充和数据疗中转。栽Benth狭icR榴over旱的钛制耐压讲球用来保护酱机器人的核军心哲——龟电子故部分尚和电池。为色了避免机器拍人太重而陷浊入海底紫的腐柔软淤泥中骄，采用抗压编浮力寿材料贴，静因此，机器厦人劣在空气中重冻量约构1400末公斤内，价在水中汗的吊重量仅为订45析公斤庙。机器人前宾端安装两捆把量旋转革刷子划，幻用于眯清理履带上油的泥土虎；滤机器人行驶腊过程中会嘱搅寻起海底沉积体物，慈扰乱竟视线辱，购影响测量工先作获，因此，恐它行动极为赛缓慢——约贞1妖米钓/分钟。此所外，机器人财还能感应水紧流的方向，党自动顺着水箩流方向前行创，有效避免状激起的泥驴沙秆影响。激4两种模坟式的发展趋画势尖4.1应劈用单框架海乘底观测站进跨行的海底观晕测研究首自食Geost闸ar欧盟第窄4、5框架衡项目开发出店来后，工作岔向两个方向厌延展。一是优单套观测站搅特殊应用；展另一是将G坦eosta芒r升级为一展个海底观测攻网的基本节炸点。这两个枣方向的发展惯已经产生了稼另五种Ge阻ostar胸级的观测站均，形成了欧留洲深海底观呼测网的雏型句[6]暖。醉2敌000-2章002年，霸在意大利沿乱海建立了海聋下1号观测码网站SN1萌（Subm菌arine场Netw靠ork1绍），主要开数展地震、海婆洋学和环境辅海洋学方面思的监测。2符005年利痛用欧洲中微纷子海底望远溪镜工程，即找中微子地中秆海观测站N逼EMO（瞧N医e咸utrin洲oMed借iterr等anean触Obse乏rvat顶ory婶）的光电缆拐系统的能源悠和通讯渠道罢，为NEM辉O提供海洋雨环境实时监便测，成为欧你洲第一个光稿电缆式海底滴观测站。拉20弦02年-2燕004年期誉间，甲烷气奉监测模块G航MM(Ga谁sMon樱itori办ngMo彩dule)伍，作为欧洲偷的能源、环性境、可持续孟发展项目哀“蓝地质灾害长涉期海底观测坦传感器阵列余”领中的子项目到，专门长期结监测海底甲锄烷。泄欧洲的OR祝ION-G亿EOSTA彼R-3(躲2002-月2005)延项目，以一荐个位于水下立3300米稿的GEOS刺TAR为主河要节点，加定上争1公里吩之外的观测励站以及一个驰近岸的水深愤44米删的副节点观托测站，组成她一个多参数裳海底观测系岸统。反意大号利出资，建搬立了南极多朱学科深海底色实验室（M蚕ABEL燥—悠Multi坦disci剪plina语ryAn仿tarct池icBe纷nthic开Labo爬rator阵y)，环境打条件为空气铸温度穗−杨15斧°澡C距，冰水温度届−侄2根°渗C闷，开展了多艘参数监测试测验。僵欧盟资助的念Cadiz诉海底观测站融，将传感器让直接安置在云3200米经深的地质构鸦造重要位置蛮，以监测板概块运动。传倒感器系统装丘备了新颖的糟海啸监测仪乒，一旦传感课器系统有反弯应，可立即筋发出海啸警表报。受4.2应舒用光电缆组甘网海底观测碎站进行的海冤底观测研究安目雅前由光电缆肝连接的海底也观测站，结敌构较完整、评观测项目较劲综合的是美占加合作的N柜EPUNE拥。加拿大承萄担的部分是膏Neptu昏neCa长nada，郊其中的四个怀海底观测站危已开始工作遭，最深在构400米源，而仅用于摄地震、海啸岔观测的平台收在水深丰2660米蛋。已经开展泰的研究项目拳有辈[8]蒸：细Barkl科eyCa默nyon抄海区污水合物起源承近海海洋过狡程中生物物跪理的内在关涂联接Bulls洽eyeV透ent勇海区袍可燃冰地质紧物理图像研茂究山水体搅动对蜓深海生态系守统的影响促海谷热液系依统的热与水辣体流量以及疗相对应的生蝇物化学与物瞧理过程棍大洋壳体水乏文地质研究震加拿大海王肯星咳地震仪网姿温哥华衰岛西海岸海粒洋生态系统刷研究，确定岸初级和授次袖级生产力的旦生态生物物河理因素，以惕及对鱼和鲸粗的影响葡实时观察北浸美西海岸海丛啸和其他巨晕浪，并模型膝化总。居4.3两铁种模式比较裁歪正首赛先，在经费衬的基本投入掩方面：单框诱架海底观测圣站的投资相年对节省，因规为单框架式撞海底观测站套不需要对电睡力和通讯设杰备单独大量腰投入。欧盟乒对GEOS烫TAR的开间发仅投入了颗4怨60万欧元尾[9]底。加拿大近呀海的VEN及US（秋Versa牧tile芝Eco-m堪onito国ring姐Netwo维rkby炕Unde婚rsea-筐Cable哨Syst钥em差）站点建设剃投入了10清30万加元崭，建立Ne拆ptune含Cana裕da一期光忘电缆网投入直3900万环加元，以后享又增加节点残，追加投入供2000万办加元。到目款前为止Ne垃ptune缘Cana聪da已经投虹入约1亿加伸元絮[10]唇。即单框架削式作为一个件小规模海底饱观测站，其雹基本经费投念入是很低的瓣。光电缆组晒网式可测范这围越大，经障费使用效率希越高，但基黑本经费投入你是相当可观赤的。愚其柿次，在研究殖成果产出效智率方面：在遵投入挣4水60万欧元顶后，GEO御STAR就不可以展开有杰针对性的研贿究活动；N匙eptun松eCan绝ada是在拼投入了1亿字加元之后才袜可以展开各烫种研究活动咐。舟再旁者，在发展股方向方面：驾欧盟在GE张OSTAR剃技术日趋成咽熟的基础上盆，对海底观弯测站的未来曲有远大的计师划。欧盟已非制定出欧洲恳多学科海底剩观测站计划环EMSO（岩Europ理eanM仙ultid僚iscip模linar恭ySea率floor陈Obse薯rvato屯ry和欧洲禁海洋观测网投络计划ES叹ONET（深Europ击ean周资SeaO汉bserv纠atory盘Netw堆ork堤）穗[11]倍，计划在大琴西洋与地中浩海精选10抵个海区（北恳冰洋、挪威况海、爱尔兰扮海、大西洋通中央海岭、要伊比利亚半燕岛海、利古揪利亚海、西镜西里海和科苍林恩海以及疗黑海等）设顽站建网，进冈行长期海底恶观测。加拿愈大对海底观幸测最舍得投乒入，Nep房tune蜡Canad启a计划在胡存安粪·污德富卡板块弦有六个节点呼，但离岸最木远、离海面西最深的棒Endea叼vour杰Ridge叠和秆Middl科eVal槽ley任综合观察站脆点仍在等待胶进一步资金朽投入。美国某最早的光电棚缆式海底观饺测站，是利坟用退役通讯壶光缆建立的吼监测地震信策息的夏威夷干-2海底观臣测网，其后吵具有影响力很的是199超6年新铺光礼电缆建起的数新泽西近海臂长期生态观估测站LEO唉-15（L哪ong-t层ermE静cosys垄temO扫bserv围atory贱-15），鞭海底站深度娃为虽15米瓜[12]匪。而美国2似008年提粪出的投资力京度为3.3用亿美元/6佛年的海洋观奉测计划OO摔I险[13]旋（武Ocean贴Obse茄rvato啦ries帆Initi迫ative希），其海底占观测站仅在腿胡安肥·砖德富卡板块双部分就投入矛1200万臂美元。OO元I其他五个欲观察站均不饰再建立光电绳缆式观测站爽，由此可看扒出美国对深嘱海光电缆观腿测站的投入旋还处于观望吊阶段。而在啄近海光电缆冷观测站方面般，美国于2援003年在屡马萨诸塞近露海又建立了判近海观测站荡MVCO拐[14]停（映Marth抵a'sV浆ineya着rdCo毁astal慧Obse院rvato蔬ry挣），海底站扮深度为坚12米饭。LEO-垫15和MV枯CO的海底舟站为与节点慢相连的观测皂子系统提供虑电源和数据知通讯。吉综搜上所述，从菠投资和科学淹研究效率的绸角度考虑，桂光电缆连接杂海底观测站韵不一定是深野海观测的唯厉一最佳选择队。因为单框胸架式海底观百测站投资相哀对不多，就妇可在几千米干水深工作一藏年以上，而发且可回收并埋反复使用，家从而获得相档当大海域的哨阶段性观测绕资料；虽然勒其大多数通贼信是非实时连的，但在大屋多数情况下助可以满足科促学研究的需谎求。深海光挣电缆式海底誓观测站的一乖次投入大，沾并且光电缆驱的使用寿命洁一般不超过溉30年，在竟金融危机的渠背景下，连豪美国都在观嘴望，所以对足光电缆组网旅的宽海域深紧海底观测站惊建设应采取授谨慎的态度严，而对沿海仿浅水域的海遥底观测站则算仍然有较好鲜的发展空间面。嚷由于光电缆费的实时通讯早能力和长时慎间的供电能娃力，为海洋损学及海洋生鹅物和地质过乐程的研究创拔造了条件，肢为地球科学哨、海洋学、哗生物学、生雁态动力学等壤学科的创新禁发展提供了趴基础，对推颜动地球和海可洋科学的发啊展有重大意月义。同时，侄实时观测特填别有助于引着发公众和学删生的兴趣，悲在普及海洋若知识方面会渡起到很好的惨教学效果。胸另外，这种呼海底观测站奉可以作为近请（浅）海观仆测站的一部毛分，为其他劝观测设备提归供能源和通辫讯，对于完秧善近岸监测料网络、服务妹海洋经济、色普及海洋知刃识、提高对钉海洋的认识岛也是十分必糕要的。参考文献腊[1]汪芒品先.从海羞底观察地球郑———染地球系统的距第三个观测其平台[J]城.自然杂勤志200覆7存29壳(鹊3杠):p1读25-13日0机[2]像词霸汉语频惹道佣.察海底地震观测测[DB/币OL]僚.劝:结//han听yu.ic打iba.c攻om/wi贸ki/12粉5919.捡shtml膨[3]惕阮爱国堆草李家彪榜缘冯占英新等.网海底地震仪转及其国内外夹发展现状输[J].卖东海海洋渠2004拒22使(乳2枕):携p19-兴27妻[4]耽刘志飞拓城守廷请.致科学大洋匀钻探回顾与晃展望产[J].馒自然杂志爷2007宁29棉(豪3林):狼p141-私151待[5]责Paolo崇Fava掀li宫,储Laura兽Bera耕nzoli弃.观Seafl库oorO姨bserv蜡atory塌Scie俩nce:脑arev跑iew独[J].估ANNAL号SOF扬GEOPH北YSICS舟,Apr泪il/Ju溜ne20僚06垄爷49滚(帖2/3带):p5添15-56妖7祖砍[6]惨P射aolo香F电avali毯,赖L叼aura敞B迹eranz忆oli.摆GEOST才AR救锯Techn与ology穗[J/O研L]果.ESO笔NEWS层Winte慢r2023吓-2023佳2(3)奥[7]栋Monte支reyB扭ayAq胖uariu妹mRes奸earch晋Inst展itute遭.碍Anew中way系ofdo羊ingo坛ceano拣graph熄y[EB/谋OL]捉.htt魂检ww.mb折ari.o肤rg/ma首rs/De姐fault杰.html申.201吵0眯[8]拿NEPTU乏NE测域Canad暖a映.晋Resea尾rchp冶rojec刚ts[EB士/OL]袜.倡:要//www日.nept卫uneca派nada.乌com/r昨esear变ch/re渗searc及h-pro极jects滨/2023成[9]E桂urope眉anCo剖mmi