在地球表面上，我们生活的陆地只占据地球的一小部分，而海洋覆盖了超过70%的面积。海洋根据深度可以分为几个层次：首先是从海面到200米深的表层区域，这一层阳光充足，温暖的水域养育了丰富的海洋生物。接下来是200米到1000米深的中层区域，也称为“薄光层”或“微光层”，光线逐渐减弱，只有一些特殊的生物能够在这里生存。1000米到4000米是深层区域，这里完全黑暗，没有阳光，生物依赖化学能量生存，并且必须适应极大的压力和低温。再往深处是4000米到6000米的深渊区，这里几乎没有生物光，仅有少数适应极端环境的生物种类。最后是6000米以下的超深渊区，包括海沟和海槽，环境极其极端，生物种类稀少。
在广袤的海洋中，深海区域则占据了海洋的绝大部分。然而，深海仍然是人类了解最少的领域之一。极端且神秘的深海环境，蕴藏着丰富的资源，包括锰结核、钴结壳和多金属硫化物等，这些资源在工业和科技发展中具有不可替代的价值。还拥有着独特的生物多样性，研究深海生物多样性和生态环境，有助于我们更好地理解地球生命的演化过程，因此深海探测变得尤为重要。
深海探测技术的发展经历了漫长的过程。在19世纪末，英国皇家海军的“挑战者号”于1872年至1876年进行了一次开创性的深海考察。科学家们首次尝试使用重锤和绳索进行深海测量，通过这次考察，测量了海洋的深度，采集了海洋生物样本，绘制了海底地形图，并记录了深海的温度和盐度等参数。这次考察被认为是现代海洋学的开端，为后来的深海探测奠定了基础。到20世纪中期声纳技术的发展，再到如今先进的无人潜水器和深海钻探设备的广泛应用，深海探测技术取得了飞速进步。
而海底钻机之于深海探测，如同天文望远镜之于天文探测。没有自主的深海钻机，我们只能受制于人。2021 年 4 月，一头高7.6 米、腰围10米、体重12吨的在深海的“牛”，于南海超 2000 米水深的海底钻出了 231 米深的孔，刷新了世界深海海底钻机钻探深度纪录。这头牛正是我国自主研发的深海钻机——“海牛Ⅱ号”，实现了我国海底钻机技术新的突破。
图 1 “海牛Ⅱ号”
“海牛Ⅱ号”深海钻机在深海探测领域取得了重大突破，攻克了全程保压绳索取芯、钻管存储与钻杆快速接卸、智能化与专家操作系统、海底钻机安全可靠下放和回收等多项技术难题。科研团队历经多年攻关，开发出大孔深遥控全孔全程保压绳索取芯技术，采用独创的岩芯管全长直接密封保压取芯原理，最终实现了小口径大孔深的高效、高可靠全孔全程保压取芯。
与国外同类钻机相比，“海牛Ⅱ号”具有多重优势，其自动化、智能化的设计提高了作业的灵活性和精度。通过钻探取样分析，可以确定矿藏的储量、品位和埋藏形态，为未来的开采提供详细的“藏宝图”。
在深海钻机研制领域，50米是一个重要的门槛，超过这一深度意味着具备国际先进的深海钻探能力，能够勘探更大埋深的海底矿产资源。更为关键的是，根据联合国规定，公海矿产资源的优先开发权归属于先行勘探的国家。因此，“海牛”海试成功为我国在公海矿产资源开发权上带来了不可评估的优势。
钻探深度从20米到60米的提升虽然看似只有短短的40米，但在3000米深海环境中是一项巨大的挑战。团队负责人万步炎教授表示，钻探深度的增加必然带来钻机重量的增加，对普通科考船的海上作业难度也会相应提高，因此，如何在设计上进行“轻量化”处理至关重要。
“海牛Ⅱ号”还配备了许多传感器设备，到了海底，钻头会根据地层情况快速自动判断并自适应调整钻进模式与参数，解决了海底钻机与配套取芯工艺对复杂地层的适应性难题，大幅提高了钻探效率、取芯率和取芯质量。
在钻孔取芯的同时，“海牛Ⅱ号”还具备原位探测岩石电阻率、孔隙率，并拍摄孔内周边岩石照片等功能。在海底钻机收放装置的设计和工艺上，团队解决了因母船摇荡导致海底钻机与收放装置对齐与靠拢困难、易发生冲击碰撞的问题，实现了海底钻机水中自动校正收放方位、垂直翻转过程自动抱紧海底钻机功能，提高了收放效率和安全性。
在800米到2000多米这一深度的压力适合天然气水合物——可燃冰的形成。可燃冰在特殊的海水深度与压力下呈现“冰”的状态，一旦离开这个环境就会变成气体。因此，普通的深海钻机无法取样这样的物质，必须保持同等压力状态下将可燃冰取出，这就需要“保压取芯勘探系统”的支持。
万步炎团队正在进行突破性的工作，计划研制具备保压取芯能力的海底钻机系统，满足可燃冰勘探需求。万步炎介绍，这种保压钻机系统将应用于我国在南海或东海，可燃冰取样，无疑是我国可燃冰勘探的巨大成就与进展，将有力推动我国可燃冰勘探事业与技术发展。
“海牛Ⅱ号”的问世是20多年坚持不懈、持续研发的结果。2000年，万步炎团队开始研发深海海底钻机，2003年，团队研制出国内首台深海浅层岩芯取样钻机，在海底下钻0.7米，获得了首个岩芯样品。2012年，“海牛Ⅱ号”的前身——“海牛号”研制项目正式启动。2015年，“海牛号”在3000米海水下钻了60米，使我国成为世界上第四个拥有能在水深大于3000米的海底进行60米钻探技术的国家。
如今，我国多条海洋科考船已配备了万步炎团队发明的专利设备，并在深海钻孔1000多个。随着技术的不断进步，“海牛Ⅱ号”将继续在深海探测中发挥重要作用，未来将赴往没有人类进行海底钻探作业过的马里亚纳海沟，挑战万米级水深地质钻探取样，为我国深海资源勘探提供有力支持。
参考文献
张胜,禹爱华,龙军.“钻”透一切困难——记国家卓越工程师、“海牛Ⅱ号”项目首席科学家万步炎[J].科学大观园,2024,(11):76-77.
李曼.231米“海牛Ⅱ号”创造深海钻机钻探深度新纪录[J].科技创新与品牌,2022,(01):65.
万步炎.“时代楷模”万步炎：钻向蓝海最深处[J].中国新闻发布(实务版),2023,(06):72-74.
姜茜昱.万步炎：钻坚研微，向蔚蓝深海不断进发[J].湘潮,2023,(09):57-59.
文章由科普中国-创作培育计划出品，转载请注明来源。
作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生
审核：苏勤 海洋出版社 编审
2024-08-27
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