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綜述及基本情況
設施概述
海洋科學綜合考察船“科學”大型公仔號是實現我國海洋強國戰略、開展深遠海綜合科學考察研究的國家重大科技基礎設施。該船由中國船舶及海洋工程設計研究院設計,武昌船舶重工有限責任公司建造,于 2012 年建成,2015 年互動裝置完成國家驗收,由中國科學院海洋研究所管理運行。
“科學”號海洋科學綜合考察船是我國首艘具有自主知識產權、具有深遠海探測與研究能力的 4 000 噸級綜合科考船;定員 80 人,續航力 15 000 海里,自持力 60 天,DP-1 動力定位,可滿足無限航區要求,具有全球航行能力;集多學科、多功能、多技術手段為一體,其綜合海洋環境立體探測范圍涵蓋全球 99.2% 的海域。
投入使用 6 年來,“科學”號聚焦西太平洋深遠海,統籌中國科學院戰略性先導科技專項、科技基礎資源調查專項、國家重點場地佈置基礎研究發展計劃項目和國家自然科學基金西太平洋船時項目等海上作業需求,在航 1 500 多天,累計航行 21 萬多海里,有力支撐了我國涉海海洋展場設計機構深海裝備體系、技術體系、人才隊伍體系建設和深遠海科學研究。
科學目標
“科學”號通過開展全球范人形立牌圍內(冰區除外)深海及洋區海洋科學綜合考察活動,實現以下 6 大科學領域的相關目標:
大洋環流系統與氣候變化
海洋動力過程與災害
深大型公仔海生物、基因資源及生物多樣性
大洋生態系統與碳循環
洋中脊與大陸邊緣熱液系統及地球深部過程
深海海底油氣資源形成機理
承擔國家重大項目情況
全息投影迄今,“科學”號以西太平洋深遠海調查研究為主,累計完成了31個科學考察航次和近 300項航次課題,獲取了高質量的水文、地質、生物生態和地球物理等數據資料逾 15 TB 和大量寶貴的生物、地質樣品。以 2018 年為例,“科學”號承擔了中國科學院戰略性先導科技專項 13 項、國家自然科學基金 28 項、科技基礎資源調查專項 8 項、國家海洋局專項課題 1 項、國家重點研發計劃4項、中國科學院對外場地佈置合作重點項目 1 項、企業合場地佈置作研究課題 3 項、問海計劃 1 項、鰲山科技創新計劃 2 項等 63 個航次課題的調查任務,圓滿完成年度科學目標。
研究進展與成果
建成深遠海綜合探測平臺研發與應用體系
基于國家重大科技基礎設施“科學”號海洋科學綜合考察船,通過自主探索與實踐,在國內首次建立了宏觀與微觀、走航與定點、梯度與原位相結合的深遠海環境探測技術體系;突破了 10 000 米深海定點探測、7 000 米深海探測與采樣、4 500 米深海精準探測與取樣、1 000 米水體剖面走航探測、深海 30 米長沉積物取芯等關鍵技術;具備立體同步精準開展深海地形地貌、海底環境、水體環境的綜合探測和樣品采集的能力;實現了深海探測“看得清、測得準、下得去、采得上、功能全以及用得起”的目標。迄今,“科學”號在完成深海大洋考察任務逾 21 萬海里,“發現”號深海纜控潛器(ROV)成功完成 227 次下潛,在南海冷泉、沖繩海槽、雅浦海山區獲得 4 000 余號大型生物樣品,舞臺背板實現了深海環境和資源新認知,奠定了我國自主開展深遠海綜合科學研究的基礎。
建成西太平洋實時科學觀測網,太平洋西邊界流三維結構和變異機制研究居國際引領地位
成功建成我國首個深海實時科學觀測網,首次實現西太平洋主流系潛標觀測的全面覆蓋;首次融合感應耦合和聲學通信技術實時傳輸深海 6 000 米全水深溫鹽流等數據,實現了深海大容量數據實時傳輸的安全、自主和可控。觀測網全流策展程一體化作業包括科學規劃、深海潛標設計、大洋海上作業、水下策展和衛星實時傳輸、數據智能分析挖掘、電腦手機終端圖形接收等,其建設與維策展護實現了批量化、標準化和常態化,為我國大洋觀測網建設提供了示范。
基于上述觀測和歷史積累,深入研究了太平洋西邊界流的三維結構和變異機制,揭示了潛流系統的新特征和物理機制,構建了熱帶太平洋西邊界流三維結構框架,揭示了西邊界潛流的來源,闡明了西邊界潛流在南北半球水交換中的重要作用。該研究取得了一系列突破性原創成果,在國際海洋與氣候領域作出了重要貢獻,標志著我國在西太平洋環流與氣候領域的研究實現了從跟蹤到引領的歷史性跨越。
深海海洋生物分類與多樣性研究居國際前列
通過對西太平洋海山、熱液、冷泉等深海生物多樣性調查與研究,發現并發表了深海巨型和大型動物 12 個新種;首次報道了深海儷蝦與舟體海綿屬的共生關系,為揭示海洋生物的協同演化,探索甲殼動物分子系統演化以及適應深海熱液、冷泉化能生態系統的分子機制提供了新的認知。該成果代表了中國深海生物分類的最高學術水平,顯著提升了我國深海生物的發現和研究能力并與國際研究同步,該互動裝置團隊也成長為國際上少有的建制完整的海洋生物分類與多樣性研活動佈置究團隊。
海山航次發現的稀有海蛞蝓、未知的珊瑚、馬蹄螺、深海扇貝、多毛類、海鞘、蝦蟹和魚等深海生物,在寡營養海域發現的多片五彩斑斕的珊瑚林、多種深海生物共存共生、深海蝦孵卵及海星攝食柳珊瑚等現玖陽視覺象,為海舞臺背板山生物多樣性和生態系統的研究與保護提供第一手重要資料。
系統性揭示了雅浦俯沖帶俯沖侵蝕特征,建立了其新生代以來的完整演化模式
雅浦俯沖帶地貌-沉積特展覽策劃征研究表明,雅浦弧前區約 4 000 米水深處形成了明顯的坡折帶,其存在主要由于弧前人形立牌斜坡上發育的兩期大型滑塌體所導致;在俯沖板片前緣細致刻畫了一個正斷層發育帶,其成因與俯沖過程中板片前緣的撓曲作用相關;在俯沖板片內部地層內識別了強烈的不整合面,其記錄了卡羅琳洋脊的初始張裂事件。研究揭示了雅浦俯沖帶的俯沖侵蝕模型,認為該區域俯沖板塊的粗糙程度是玖陽視覺控制上覆板塊侵蝕過程的主要因素,俯沖板塊內部海山與地壘地塹構造帶的發育增大了俯沖板片的基底起伏,其俯沖造成了雅浦俯沖帶弧前或島弧地殼的侵蝕。該觀點修正并完善了雅浦俯沖系統的演化模式,對于重新活動佈置闡明雅浦俯沖帶的演化模式及過程具有重要意義。
深海原位拉曼定VR虛擬實境量探測領域取得新突破
成功研制出國際首臺耐高溫(450℃)的熱液流體拉曼光譜探針(RiP),攻克了光學鏡頭不耐高溫和高濃度顆粒附著對光學系統的影響等國際技術難題。該系統自成功研制后依托“科學”號海洋科學綜合考察船和“發現”號深海纜控潛器對馬努斯熱液區、沖繩海槽熱液區的高溫熱液噴口進行了原位拉曼光譜探測,采集到大量原位光譜數據。基于國內首次獲得的亞米級馬努斯熱液區的深海高分辨地形圖,發現 2 個國際上未見報道的熱液區,獲得了該熱液啟動儀式噴口周圍溫度梯度分布(最高溫度 344℃)和物質成分數據;成功確定了沖繩海槽參展中部熱液噴口流體中 CO2、SO42− 的濃度,通過對比在同一熱液噴口保壓取樣方法測量的 CO2 濃度,發現廣告設計原位測量的濃度可FRP高出保開幕活動壓取樣實驗室測試濃度的 3 倍以上;在我國南海約 1 100 多米深的海底首次發現裸露在海底的天然氣水合物——“可燃冰”。
深海化能生態系統生物適應機制取得新認知
構建了深海無脊椎動物養殖體系,實現了深海貽貝(水深 2 000 米)化能營養生物活體的實驗室培育,我國成為繼德國、日本之后世界上第三個成功開展人工模擬環境下化能營養生物培養的國家。基于“室內模擬模型實驗—海洋移動實驗室—深海原位實驗室”研究,發現深海貽貝的免疫基因整體收縮,為共生系統包裝盒的建立和維持創造了有利條件,而 Toll 樣受體(TLR)、肽聚糖識別蛋白(PGRP包裝盒)等免疫受體收到了正選擇且特異性的擴張,提示上述分子在共生菌的特意識別中發揮作用;Bathymodiolus platifrons 基因組多種類型的通道蛋白發生了擴張并且高表達,提供了適宜的共生環境。此外,細胞外基質的糖基化為共生菌的選擇性富集提供有利條件;新的證據支持溶酶體的細胞內消化是深海貽貝獲取物質能量的重要方式。以上成果首次基于多物種的比較組學提出了深海無脊椎動物宿主與共生菌互作的概念模型,為深海生物適應性研究提供了理論基礎。(中國科學院院刊供稿)展場設計
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