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（国家海洋洋技术中中心，天天津 33001112）摘要：简要要介绍了了海底观观测站的的历史。阐述了了这一发发展过程程中存在在的两种种模式及及其基本本要素，对对两种模模式的投投入成本本、功能能与效率率及其未未来发展展做了比比较，以以期对我我国未来来的海底底观测站站/系统统的建设设有所借借鉴。The hhisttoryy paath of seaabedd obbserrvattionns iss brrieffly inttrodduceed. In thiis ppathh, ttwo moddes of seaabedd obbserrvattion

2、ns aree fooundd pootenntiaal. The bassic eleemennts in thee twwo mmodees aare invvesttigaatedd. TThe commparrisoon iin iinveesteed ccapiitall, pperfformmancce, effficiienccy aand forrtunne bettweeen tthe twoo moodess iss maade. The cruuciaal iissuues forr ouur ffutuure seaabedd obbserrvattionn /ssys

3、ttem connstrricttionn arre ppoinnted.关键词：海海底观测测，GEEOSTTAR，光光电缆组组网，中图分类号号：P7715.5 人人类在地地球上居居住，就就必须了了解地球球，而了了解地球球是从对对地球的的观测开开始的。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。 在在第三个个平台上上进行的的地球科科学观测测活动是是从上世世纪五十十年代前前后开始始的，从从九十年年代以来来取得了了快速的的发展。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（G

4、EOSTAR1/2 Geophysical and Oceanographic Station for Abyssal Research）；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（NEPTUNENorth-East Pacific Undersea Networked Experiments）。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。海底观测区区别于海海面和空空间观测测的特点点是，难难度大、费费用高、结结果具有有不确定定性。因因此，以以什么方方式和规规模来发发展海底底观测是是需要科科学界、政政府和社社会

5、等多多方面统统筹考虑虑和协商商的系统统工程。在在回顾海海底观测测发展历历史的基基础上，本本文对单单框架式式海底观观测站和和光电缆缆组网式式海底观观测系统统的优缺缺点及发发展方向向进行了了分析，以以期对我我国未来来的海底底观测站站建设有有所借鉴鉴。1. 海底底观测发发展史海底观测大大致可分分两类，一一类是以以海底地地震和地地质构造造及其变变化研究究为主的的对海底底的观测测，另一一类是以以海洋学学、海洋洋生物学学、海洋洋生态动动力学等等研究为为主的在在海床上上进行的的对水体体的观测测。总的的趋势是是，在海海床上利利用观测测仪器设设备对海海床以下下的地质质构造和和海床以以上的水水体、生生物及生生态进

6、行行综合的的观测和和研究。海底观测最最早的主主题是地地震。早早在1993719440年间间，美国国W.MM.尤因因等就进进行过海海底地震震观测的的尝试2。19666年，曾曾在千岛岛群岛至至堪察加加的近海海，安装装了188台地震震仪，进进行了33次地震震观测。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；19681970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。最早的大规规模洋底底调查观观测活动动是大洋洋钻探计计划，它它起源于于19661年的的美国莫莫霍计划划。19968年年开始深深海钻探探计

7、划DDDP(Deeep-SSea Driilliing Proojecct，19668-119833)，之后又又相继实实施了大大洋钻探探计划OODP(Oceean Driilliing Proograammee,19885-220033)和综综合大洋洋钻探计计划IOODP（Inttegrrateed OOceaan DDrilllinng PProggrammme，20003-），这是国国际地球球科学历历时最长长、规模模最大的的合作研研究计划划。从119688年起至至20003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

8、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。上述各种海海底观测测活动的的共同点是是：它们们都是在在洋底进进行的点点上观测测，即通通过钻孔孔取样和和在钻孔孔中布放放仪器进进行定点点观测。然然而，从从海洋科科学基础础研究的的目的出出发，比比如探索索海洋气气候变化化对不同同水深海海洋生物物产生的的不同影影响，探探索深海海生物的的生态系系统动力力学和生生物多样样性等等等，还需开开展对海海洋乃至至海底的的物理、化化学和生生物量的的观测，如如海洋的的流、

9、浪浪、潮等等动力参参数，海海底的结结构构造造参数和和海洋的的pH、CCO2、溶解氧氧、营养养盐、蛋蛋白总量量等化学学和生物物量参数数。而从从开发海海底资源源的目的的出发，海海底观测测系统还还需要研研究并弄弄清以下下三个方方面的问问题：一一是研究究矿物生生长与发发展，如如热液硫硫化物的的生成机机理研究究；二是是开展面面向生物物资源开开发的特特定地区区生态系系统研究究，如热热液生态态体系的的研究；三是进进行大洋洋资源开开发过程程及其后后续过程程的环境境变化监监测，从从而避免免资源开开采过程程对海洋洋环境带带来不良良影响。综合实现上上述各种种科学目目的，就就需要将将观测仪器器设备布布放到海海底去，并

10、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，从上上世纪990年代代开始，随随着海洋洋和海底底科学的的发展，海海底观测测开始由由点向面面的发展展，目前前正在向向立体、四四维的方方向迈进进5。国外外海底观观测站的的主要模模式有单单框架式式和光电电缆组网网式两种种，根

11、本本区别在在于数据据的实时时通讯能能力和持持续观测测能力。2单框架海海底观测测站 单单框架海海底观测测站是指指一套相相对独立立的、不不依靠光光电缆由由岸基站站供电和和通讯的的海底观观测设备备。采用用单框架架海底观观测站开开展海底底观测和和实验研研究的国国家主要要在欧洲洲。此处处介绍欧欧盟资助助的GEEOSTTAR系系统66，这这一系统统由三部部分组成成：海底底站、有有缆机器器人和通通讯系统统。2.1 海海底站 观观测仪器器设备安安装在耐耐海水腐腐蚀的金金属框架架内，工工作深度度40000米。仪仪器设备备包括：传感器器和仪器器；由钛盒盒封装的的电子系系统和储储存数据据的硬盘盘；通讯系系统的水水下

12、部件件；锂电池池电源。锂锂电池的的使用寿寿命目前前可达一一年以上上，发展展方向是是锂电池池可以由由海表面面的能源源浮标进进行充电电。数据据采集和和控制系系统单元元DACCS（Datta AAcquuisiitioon aand Conntrool SSysttem uniit）是一个个数据获获取和控控制中心心。GEEOSTTAR DACCS 能能完成以以下任务务：管理理和获取取来自于于所有学学科包和和传感器器的数据据；制备备和连续续升级根根据要求求即将发发出去的的经常性性数据信信息，包包括事件件的侦查查结果；驱动收收到的指指令（例例如数据据请求、系系统重构构、重新新启动）；在内存存备份数数据。

13、DDACSS管理大大量的、取取样速度度完全不不同的数数据流，按按照高精精度时钟钟确定的的独特的的参考时时间标记记每个数数据。传传感器选选用244伏、3550mAA 以下下的低能能耗产品品。2.2辅助助设备 一一种用于于水下科科学目标标的遥控控作业机机器人MMODUUS（Mobille DDockker forr Unnderrwatter Sciiencces），专专用于布布放和回回收海底底观测站站。通过过一条专专用的光光-电缆缆在船上上遥控它它，并为为它提供供能源。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

14、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 通通讯方式式有两种独立立的通讯讯方式：一种是是浮式数数据盒，当当数据已已经满负负荷或遇遇到紧急急情况时时，它会会自动或或接受指指令浮到到海面。这这种数据据盒又分分两种：一种是是消耗式式的，数数据储存存容量664KBB；另一一种是储储存式，数数据存储储容量为为40MMB，通通过Arrgoss卫星定定位通讯讯系统传传递其位位置信息息和数据据。另一一种通讯讯方式，是是基于双双向垂直直声通讯讯原理的的机会船船联络或或浮标联联络，频频

15、率122 kHHz，速度可可达到 24000 bbit/s。3. 光电电缆组网网的海底底观测站站 世世界各地地已经建建立了一一些不同同规模和和用途的的光电缆缆海底组组网观测测站。此此处以美美国的蒙蒙特利湾湾加速研研究系统统（MAARSMoonteereyy Acccelleraatedd Reeseaarchh Syysteem）为例，简简介光电电缆组网网式海底底观测站站的基本本要素7。3.1 海海底站 MMARSS 光电缆的的末端是是一个由由防拖网网大钢架架保护的的观测设设备，高高约1.2m，宽宽4.66m。这这种防拖拖网框架架为MAARS 观测台台的电子子仪器“内脏”提供了了保护。框框架的

16、四四面各有有一个门门，允许许ROVV（Reemotte OOperrateed VVehiiclee）连接接端子进进出，如如图1所所示。观观测台成成为深海海中的电电脑网络络中心和和电力变变电所，其其工作深深度9000米。 电电子仪器器“内脏”由两个个钛质压压力容器器组成，悬悬接在一一块浮体体之下。一一个容器器内部是是电子设设备，用用于路由由数据和和仪器的的电源控控制；另另一个容容器相当当于变电电站，将将高压电电转化成成适用于于科学仪仪器的低低压电。 MMarss电缆将将由岸基基站提供供的100KV的高高压电输输送到学学科节点点处。在在学科节节点内部部转换器器将电压压降到仪仪器可接接受的3375

17、伏伏交流电电和48伏伏的直流流电。 共有学学科节点点8个，利利用它们们，每个个试验可可以发送送高达1100 meggabiits/ss的数据据给陆地地科学家家，科学学家也可可以反过过来发出出修改程程序、重重装仪器器的指令令。图1. MMARSS海底站站及其钢钢框架示示意图3.2 辅辅助设备备 552公里里长的光光电缆为为系统提提供电源源和通讯讯。有了了持续不不断的电电力供应应，MAARS 观测台台上的仪仪器就可可在海底底持续观观测数月月甚至几几年。通通过实时时通讯网网络系统统，建立立数据获获取/管管理以及及系统控控制。如如果某台台观测仪仪器出了了问题，科科学家就就会及时时发现。如如果是程程序方

18、面面的问题题，可以以由工程程师进行行远程修修复或重重新设计计程序；而修复复或重新新设定子子系统或或仪器，则则需要水水下机器器人进行行现场作作业。3.2.11 光电电缆 光光电缆本本身由一一个铜质质电信号号传线和和一组光光纤组成成，比一一根普通通的软胶胶管稍粗粗。这些些光电缆缆铺设时时埋在深深约3英尺的海海底沟槽槽内，以以防被船船锚、捕捕鱼装置置等钩挂挂。铜质质导线以以10kkW 的的功率将将位于加加州的陆陆地站上上的电力力传送给给海底的的设备，而而光纤则则以每秒秒2 千兆比特特的速度度把这些些科学仪仪器所采采集的数数据传送送给岸基基站上的的研究人人员。3.2.22 机器器人 有缆缆机器人人Ve

19、nntanna负责责海底站站的安装装，负责责在科学学节点上上安装、回回收、修修理观测测子系统统或仪器器。自治机器人人Bennthiic RRoveer扩大大了海底观观测范围围。它有有自己的的电池系系统，可可完全独独立行驶驶，也可可用一条条长长的的延伸线线与海底底观测站站相连，得得到电力力补充和和数据中中转。BBentthicc Rooverr的钛制制耐压球球用来保保护机器器人的核核心电子部分分和电池池。为了了避免机机器人太太重而陷陷入海底底的柔软淤淤泥中，采采用抗压压浮力材材料，因此，机机器人在在空气中中重量约约14000公斤斤，在水中中的重量仅仅为455公斤。机机器人前前端安装装两把旋转刷子

20、子，用于清理理履带上上的泥土土；机器人人行驶过过程中会会搅起海底底沉积物物，扰乱乱视线，影响测测量工作作，因此此，它行行动极为为缓慢约11米/分钟钟。此外外，机器器人还能能感应水水流的方方向，自自动顺着着水流方方向前行行，有效效避免激激起的泥泥沙影响。4 两种模模式的发发展趋势势4.1 应应用单框框架海底底观测站站进行的的海底观观测研究究 自自Geoostaar欧盟盟第4、55框架项项目开发发出来后后，工作作向两个个方向延延展。一一是单套套观测站站特殊应应用；另另一是将将Geoostaar升级级为一个个海底观观测网的的基本节节点。这这两个方方向的发发展已经经产生了了另五种种Geoostaar级

21、的的观测站站，形成成了欧洲洲深海底底观测网网的雏型型6。 220000-20002年年，在意意大利沿沿海建立立了海下下1号观观测网站站SN11（Suubmaarinne NNetwworkk 1），主主要开展展地震、海海洋学和和环境海海洋学方方面的监监测。220055年利用用欧洲中中微子海海底望远远镜工程程，即中中微子地地中海观观测站NNEMOO（Neutrrinoo Meeditterrraneean Obsservvatoory）的的光电缆缆系统的的能源和和通讯渠渠道，为为NEMMO提供供海洋环环境实时时监测，成成为欧洲洲第一个个光电缆缆式海底底观测站站。 20002年年-20004年年期

22、间，甲甲烷气监监测模块块GMMM(Gaas MMoniitorringg Moodulle)，作作为欧洲洲的能源源、环境境、可持持续发展展项目“地质灾灾害长期期海底观观测传感感器阵列列”中的子子项目，专专门长期期监测海海底甲烷烷。欧洲的ORRIONN-GEEOSTTAR-3 (20002-220055)项目目，以一一个位于于水下333000米的GGEOSSTARR为主要要节点，加加上1公公里之外外的观测测站以及及一个近近岸的水水深444米的副副节点观观测站，组组成一个个多参数数海底观观测系统统。 意大大利出资资，建立立了南极极多学科科深海底底实验室室（MAABELLMulltiddisccip

23、llinaary Anttarccticc Beenthhic Labboraatorry)，环环境条件件为空气气温度 15C，冰水水温度2C，开展展了多参参数监测测试验。欧盟资助的的Caddiz海海底观测测站，将将传感器器直接安安置在332000米深的的地质构构造重要要位置，以以监测板板块运动动。传感感器系统统装备了了新颖的的海啸监监测仪，一一旦传感感器系统统有反应应，可立立即发出出海啸警警报。4.2 应应用光电电缆组网网海底观观测站进进行的海海底观测测研究 目目前由光光电缆连连接的海海底观测测站，结结构较完完整、观观测项目目较综合合的是美美加合作作的NEEPUNNE。加加拿大承承担的部部分

24、是NNepttunee Caanadda，其其中的四四个海底底观测站站已开始始工作，最最深在4400米米，而仅仅用于地地震、海海啸观测测的平台台在水深深26660米。已已经开展展的研究究项目有有8：Barklley Cannyonn海区水合合物起源源近海海洋过过程中生生物物理理的内在在关联Bullsseyee Veent海海区可燃燃冰地质质物理图图像研究究水体搅动对对深海生生态系统统的影响响海谷热液系系统的热热与水体体流量以以及相对对应的生生物化学学与物理理过程大洋壳体水水文地质质研究加拿大海王王星地震震仪网温哥华岛西西海岸海海洋生态态系统研研究，确确定初级级和次级生产产力的生生态生物物物理因

25、因素，以以及对鱼鱼和鲸的的影响实时观察北北美西海海岸海啸啸和其他他巨浪，并并模型化化。4.3 两两种模式式比较 首首先，在在经费的的基本投投入方面面：单框框架海底底观测站站的投资资相对节节省，因因为单框框架式海海底观测测站不需需要对电电力和通通讯设备备单独大大量投入入。欧盟盟对GEEOSTTAR的的开发仅仅投入了了460万万欧元9。加加拿大近近海的VVENUUS（VVerssatiile Ecoo-moonittoriing Nettworrk bby UUndeerseea-CCablle SSysttem）站站点建设设投入了了10330万加加元，建建立Neeptuune Cannadaa一

26、期光光电缆网网投入339000万加元元，以后后又增加加节点，追追加投入入20000万加加元。到到目前为为止Neeptuune Cannadaa已经投投入约11亿加元元100。即即单框架架式作为为一个小小规模海海底观测测站，其其基本经经费投入入是很低低的。光光电缆组组网式可可测范围围越大，经经费使用用效率越越高，但但基本经经费投入入是相当当可观的的。 其其次，在在研究成成果产出出效率方方面：在在投入4460万万欧元后后，GEEOSTTAR就就可以展展开有针针对性的的研究活活动；NNepttunee Caanadda是在在投入了了1亿加加元之后后才可以以展开各各种研究究活动。 再再者，在在发展方方

27、向方面面：欧盟盟在GEEOSTTAR技技术日趋趋成熟的的基础上上，对海海底观测测站的未未来有远远大的计计划。欧欧盟已制制定出欧欧洲多学学科海底底观测站站计划EEMSOO（Euuroppeann Muultiidisscipplinnaryy Seeaflloorr Obbserrvattoryy和欧洲洲海洋观观测网络络计划EESONNET（European Sea Observatory Network）11，计划在大西洋与地中海精选10个海区（北冰洋、挪威海、爱尔兰海、大西洋中央海岭、伊比利亚半岛海、利古利亚海、西西里海和科林恩海以及黑海等）设站建网，进行长期海底观测。加拿大对海底观测最舍得

28、投入，Neptune Canada计划在胡安德富卡板块有六个节点，但离岸最远、离海面最深的Endeavour Ridge和Middle Valley综合观察站点仍在等待进一步资金投入。美国最早的光电缆式海底观测站，是利用退役通讯光缆建立的监测地震信息的夏威夷-2海底观测网，其后具有影响力的是1996年新铺光电缆建起的新泽西近海长期生态观测站LEO-15（Long-term Ecosystem Observatory-15），海底站深度为15米12。而美国2008年提出的投资力度为3.3亿美元/6年的海洋观测计划OOI13（Ocean Observatories Initiative），其海底观

29、测站仅在胡安德富卡板块部分就投入1200万美元。OOI其他五个观察站均不再建立光电缆式观测站，由此可看出美国对深海光电缆观测站的投入还处于观望阶段。而在近海光电缆观测站方面，美国于2003年在马萨诸塞近海又建立了近海观测站MVCO14（Marthas Vineyard Coastal Observatory），海底站深度为12米。LEO-15和MVCO的海底站为与节点相连的观测子系统提供电源和数据通讯。 综综上所述述，从投投资和科科学研究究效率的的角度考考虑，光光电缆连连接海底底观测站站不一定定是深海海观测的的唯一最最佳选择择。因为为单框架架式海底底观测站站投资相相对不多多，就可可在几千千米水

30、深深工作一一年以上上，而且且可回收收并反复复使用，从从而获得得相当大大海域的的阶段性性观测资资料；虽虽然其大大多数通通信是非非实时的的，但在在大多数数情况下下可以满满足科学学研究的的需求。深深海光电电缆式海海底观测测站的一一次投入入大，并并且光电电缆的使使用寿命命一般不不超过330年，在在金融危危机的背背景下，连连美国都都在观望望，所以以对光电电缆组网网的宽海海域深海海底观测测站建设设应采取取谨慎的的态度，而而对沿海海浅水域域的海底底观测站站则仍然然有较好好的发展展空间。由于光电缆缆的实时时通讯能能力和长长时间的的供电能能力，为为海洋学学及海洋洋生物和和地质过过程的研研究创造造了条件件，为地地

31、球科学学、海洋洋学、生生物学、生生态动力力学等学学科的创创新发展展提供了了基础，对对推动地地球和海海洋科学学的发展展有重大大意义。同同时，实实时观测测特别有有助于引引发公众众和学生生的兴趣趣，在普普及海洋洋知识方方面会起起到很好好的教学学效果。另另外，这这种海底底观测站站可以作作为近（浅浅）海观观测站的的一部分分，为其其他观测测设备提提供能源源和通讯讯，对于于完善近近岸监测测网络、服服务海洋洋经济、普普及海洋洋知识、提提高对海海洋的认认识也是是十分必必要的。参考文献1 汪汪品先.从海底底观察地地球地球球系统的的第三个个观测平平台JJ.自然杂杂志220077 299 (3): p1225-113

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