在地球表面上，我們生活的陸地只佔據地球的一小部分，而海洋覆蓋了超過70%的面積。海洋根據深度可以分為幾個層次：首先是從海面到200米深的表層區域，這一層陽光充足，溫暖的水域養育了豐富的海洋生物。接下來是200米到1000米深的中層區域，也稱為“薄光層”或“微光層”，光線逐漸減弱，只有一些特殊的生物能夠在這裡生存。1000米到4000米是深層區域，這裡完全黑暗，沒有陽光，生物依賴化學能量生存，並且必須適應極大的壓力和低溫。再往深處是4000米到6000米的深淵區，這裡幾乎沒有生物光，僅有少數適應極端環境的生物種類。最後是6000米以下的超深淵區，包括海溝和海槽，環境極其極端，生物種類稀少。

在廣袤的海洋中，深海區域則佔據了海洋的絕大部分。然而，深海仍然是人類了解最少的領域之一。極端且神秘的深海環境，蘊藏着豐富的資源，包括錳結核、鈷結殼和多金屬硫化物等，這些資源在工業和科技發展中具有不可替代的價值。還擁有着獨特的生物多樣性，研究深海生物多樣性和生態環境，有助於我們更好地理解地球生命的演化過程，因此深海探測變得尤為重要。

深海探測技術的發展經歷了漫長的過程。在19世紀末，英國皇家海軍的“挑戰者號”於1872年至1876年進行了一次開創性的深海考察。科學家們首次嘗試使用重錘和繩索進行深海測量，通過這次考察，測量了海洋的深度，採集了海洋生物樣本，繪製了海底地形圖，並記錄了深海的溫度和鹽度等參數。這次考察被認為是現代海洋學的開端，為後來的深海探測奠定了基礎。到20世紀中期聲納技術的發展，再到如今先進的無人潛水器和深海鑽探設備的廣泛應用，深海探測技術取得了飛速進步。

而海底鑽機之於深海探測，如同天文望遠鏡之於天文探測。2021年4月，一頭高7.6米、腰圍10米、體重12噸的在深海的“牛”，於南海超2000米水深的海底鑽出了231米深的孔，刷新了世界深海海底鑽機鑽探深度紀錄。這頭牛正是我國自主研發的深海鑽機——“海牛Ⅱ號”，實現了我國海底鑽機技術新的突破。

圖 1 “海牛Ⅱ號”

“海牛Ⅱ號”深海鑽機在深海探測領域取得了重大突破，攻克了全程保壓繩索取芯、鑽管存儲與鑽桿快速接卸、智能化與專家操作系統、海底鑽機安全可靠下放和回收等多項技術難題。科研團隊歷經多年攻關，開發出大孔深遙控全孔全程保壓繩索取芯技術，採用獨創的岩芯管全長直接密封保壓取芯原理，最終實現了小口徑大孔深的高效、高可靠全孔全程保壓取芯。

與國外同類鑽機相比，“海牛Ⅱ號”具有多重優勢，其自動化、智能化的設計提高了作業的靈活性和精度。通過鑽探取樣分析，可以確定礦藏的儲量、品位和埋藏形態，為未來的開採提供詳細的“藏寶圖”。

在深海鑽機研製領域，50米是一個重要的門檻，超過這一深度意味着具備國際先進的深海鑽探能力，能夠勘探更大埋深的海底礦産資源。更為關鍵的是，根據聯合國規定，公海礦産資源的優先開發權歸屬於先行勘探的國家。因此，“海牛”海試成功為我國在公海礦産資源開發權上帶來了不可評估的優勢。

鑽探深度從20米到60米的提升雖然看似只有短短的40米，但在3000米深海環境中是一項巨大的挑戰。團隊負責人萬步炎教授&&，鑽探深度的增加必然帶來鑽機重量的增加，對普通科考船的海上作業難度也會相應提高，因此，如何在設計上進行“輕量化”處理至關重要。

“海牛Ⅱ號”還配備了許多傳感器設備，到了海底，鑽頭會根據地層情況快速自動判斷並自適應調整鑽進模式與參數，解決了海底鑽機與配套取芯工藝對複雜地層的適應性難題，大幅提高了鑽探效率、取芯率和取芯質量。

在鑽孔取芯的同時，“海牛Ⅱ號”還具備原位探測岩石電阻率、孔隙率，並拍攝孔內周邊岩石照片等功能。在海底鑽機收放裝置的設計和工藝上，團隊解決了因母船搖蕩導致海底鑽機與收放裝置對齊與靠攏困難、易發生衝擊碰撞的問題，實現了海底鑽機水中自動校正收放方位、垂直翻轉過程自動抱緊海底鑽機功能，提高了收放效率和安全性。

在800米到2000多米這一深度的壓力適合天然氣水合物——可燃冰的形成。可燃冰在特殊的海水深度與壓力下呈現“冰”的狀態，一旦離開這個環境就會變成氣體。因此，普通的深海鑽機無法取樣這樣的物質，必須保持同等壓力狀態下將可燃冰取出，這就需要“保壓取芯勘探系統”的支持。

萬步炎團隊正在進行突破性的工作，計劃研製具備保壓取芯能力的海底鑽機系統，滿足可燃冰勘探需求。萬步炎介紹，這種保壓鑽機系統將應用於我國在南海或東海，可燃冰取樣，無疑是我國可燃冰勘探的巨大成就與進展，將有力推動我國可燃冰勘探事業與技術發展。

“海牛Ⅱ號”的問世是20多年堅持不懈、持續研發的結果。2000年，萬步炎團隊開始研發深海海底鑽機，2003年，團隊研製出國內首&深海淺層岩芯取樣鑽機，在海底下鑽0.7米，獲得了首個岩芯樣品。2012年，“海牛Ⅱ號”的前身——“海牛號”研製項目正式啟動。2015年，“海牛號”在3000米海水下鑽了60米，使我國成為世界上第四個擁有能在水深大於3000米的海底進行60米鑽探技術的國家。

如今，我國多條海洋科考船已配備了萬步炎團隊發明的專利設備，並在深海鑽孔1000多個。隨着技術的不斷進步，“海牛Ⅱ號”將繼續在深海探測中發揮重要作用，挑戰萬米級水深地質鑽探取樣，為我國深海資源勘探提供有力支持。

作者：蔡文垂 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：蘇勤 海洋出版社 編審