2020年度中國十大海洋科技進展
2021-02-08 09:27:59
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2020年度中國十大海洋科技進展
中國海洋學會聯(lián)合中國太平洋學會、中國海洋湖沼學會、學會評選出2020年度中國十大海洋科技進展。(排名不分先后)
1.海洋天然氣水合物開采流固體產(chǎn)出調控機理研究取得突破
天然氣水合物是一種潛力巨大的清潔能源，精準刻畫儲層傳熱傳質機理是制約天然氣水合物安全高效開采的前沿科學與技術難題。2020年，我國科研人員創(chuàng)建了天然氣水合物儲層滲流分形理論與出砂管控理論，揭示了制約海洋天然氣水合物中長期開采的儲層氣-水-砂產(chǎn)出規(guī)律耦合機制，實現(xiàn)了海洋天然氣水合物開采傳熱傳質基礎理論的重大突破，在國際Top期刊上發(fā)表學術論文10余篇?；A理論突破有效引導天然氣水合物開采技術創(chuàng)新，形成了開采儲層流固體產(chǎn)出精準調控技術，構建了集開采效率、環(huán)境效應、工程地質風險“三位一體”的天然氣水合物綠色開采新方法體系，獲得授權國際專利14項（其中美國專利5項）、國家發(fā)明專利18項。
2. 深海微生物驅動的碳氮循環(huán)耦合機制及通量
深海是有機碳再礦化和長期儲碳的主要場所。迄今對深海系統(tǒng)物質與能量循環(huán)過程的機理和通量知之甚少。核心難題是海洋真光層沉降的有機質不能夠滿足深海微生物的碳和能量需求。這意味著有更多的能量來源和代謝模式還未識別到。該研究從深海微生物黑暗固碳和海洋動力過程導致的側向輸運供碳兩個方面來解答這一問題。通過多學科交叉的海洋現(xiàn)場觀測和模擬，結合生理學實驗和深海穩(wěn)態(tài)氮循環(huán)模型，揭示了兩步硝化與固碳耦合機制，建立了碳氮耦合計量學關系，量化了硝化過程對深海生物圈及全球海洋碳循環(huán)的貢獻和影響。首次定量了陸架側向輸運的顆粒物對深海碳需求的顯著貢獻，填補了邊緣海深海碳供需不平衡的缺口。研究成果于2020年發(fā)表在PNAS和Geophysical Research Letters上。
3.科學家揭示下洋殼巖石中深部微生物生存策略
地球深部生命研究取得的重要進展之一是發(fā)現(xiàn)了海底洋殼生物圈。然而，目前的研究幾乎全部集中于上洋殼表層玄武巖，對占洋殼體積近2/3的下洋殼中的深部生命活動的探索還處于空白狀態(tài)。IODP 360航次對西南印度洋Atlantis Bank的下洋殼進行了鉆探，獲取了長度為800米的下洋殼輝長巖巖芯，并對棲息于此的微生物生命活動進行了研究。研究人員從這些巖石中檢測到了完整的、具有生物活性、可進一步生長發(fā)育的微生物細胞。同時，基于轉錄組代謝途徑的構建，發(fā)現(xiàn)這些微生物主要依賴于有機大分子再循環(huán)利用的異養(yǎng)方式生存，從而揭示了下洋殼巖石中深部微生物的生存策略。該研究證實了下洋殼深部生物圈的存在，拓展了生物圈在地球圈層分布的下限。研究成果于2020年發(fā)表在Nature上。
4. “奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試
“奮斗者”號全海深載人潛水器是“十三五”國家重點研發(fā)計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項的核心研制任務。在國家科技部的支持下，國內近百家科研院所、高校、企業(yè)近千名科研人員開展關鍵核心技術攻關、總體設計、集成建造和海上試驗。自2020年7月起，“奮斗者”號先后赴南海、西太平洋馬里亞納海溝海域分階段進行了海試驗證，累計完成30次下潛，其中8次突破萬米。11月10日8時12分，“奮斗者”號創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀錄，標志著我國具備了全海深進入、探測和作業(yè)能力，在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。
11月28日，在“奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試并勝利返航之際，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平發(fā)來賀信，致以熱烈的祝賀?！皧^斗者”號研制及海試的成功，標志著我國具有了進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力，體現(xiàn)了我國在海洋高技術領域的綜合實力。
5. 我國首次利用水平井技術完成“可燃冰”試驗性試采
2020年2月17日-3月18日，我國在水深1225米的南海神狐海域全球首次實現(xiàn)水平井鉆采天然氣水合物（俗稱“可燃冰”），創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量86.14萬立方米、日均產(chǎn)氣量2.87萬立方米”兩項新的世界紀錄，實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越，在產(chǎn)業(yè)化進程中取得重大標志性成果，使我國在天然氣水合物勘查開采領域的國際“領跑”優(yōu)勢地位進一步增強。本次試采攻克了深海淺軟地層水平井鉆采技術裝備等世界性難題，自主研發(fā)了以水平井為核心的六大類32項關鍵技術，以深海井口吸力錨為代表的12項核心裝備。創(chuàng)新形成了覆蓋試采全過程的環(huán)境風險防控技術體系，建立了大氣、水體、海底、井下“四位一體”環(huán)境監(jiān)測體系，保障了天然氣水合物綠色開采。
6. 海洋二號C衛(wèi)星成功發(fā)射，實現(xiàn)海洋動力衛(wèi)星雙星組網(wǎng)運行
9月21日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射海洋二號C衛(wèi)星，實現(xiàn)了與海洋二號B衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)運行，大幅提高了海洋動力環(huán)境要素全球觀測覆蓋能力和時效性、對海洋強國建設、防災減災能力提升、開展海洋科學研究、解決全球變化等問題具有重要意義。
海洋二號C衛(wèi)星采用66°傾角的非太陽同步軌道，與位于太陽同步軌道的海洋二號B衛(wèi)星形成很好的互補觀測能力，既可有效解決雷達高度計測高潮汐混頻問題，也可實現(xiàn)微波散射計觀測數(shù)據(jù)的可靠定標和高效檢驗。雙星組網(wǎng)觀測能夠精準捕捉到我國周邊海域的全部臺風，衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋災害預警監(jiān)測、氣象預報服務、大洋漁業(yè)資源開發(fā)、海上綠色能源開發(fā)以及海洋重大應急事件中均可發(fā)揮出重要作用。
7. 海域段高水壓復雜地層地鐵盾構隧道長距離連續(xù)掘進施工技術
青島地鐵8號線大洋站到青島北站區(qū)間海域中盾構段長2.9公里（國內目前最長過海地鐵隧道），穿越2條斷裂帶（分別長90米、613米），斷裂帶巖層破碎且部分連通海水，區(qū)間最大埋深約51米，巖層抗壓強度57兆帕。項目部在海底長距離連續(xù)盾構施工，通過分析下穿海域地質及水文、泥漿流變性能、掘進對破碎帶擾動機制及其失穩(wěn)過程，開展了海域段高水壓泥水盾構氣壓輔助快速安全掘進技術、長距離泥漿循環(huán)保障技術、高水壓下盾構密封技術、海底高水壓查換刀技術、海底盾構穿越破碎帶穩(wěn)定性技術等科研攻關，解決了海域段盾構施工中諸多難題，高效安全完成海域段長大隧道施工任務，創(chuàng)造了泥水盾構地鐵過海隧道建設新紀錄，同時為國家海域段更長更大隧道施工提供重要參考。
8.“海斗一號”填補我國萬米作業(yè)型潛水器空白
2020年5月，“海斗一號”全海深水下機器人勝利挺進全球最深海區(qū)-馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵，成功完成4次萬米下潛和試驗性應用，率先實現(xiàn)我國“十三五”全海深重大裝備研制、海試和試驗性應用，填補我國萬米作業(yè)型潛水器空白，獲取我國首批全海深重要數(shù)據(jù)和樣品，構建我國首支萬米裝備的專業(yè)化研發(fā)、海試和應用團隊。在國際上首次利用全海深電動機械手，完成萬米海底樣品抓取、沉積物取樣、標志物布放和水樣采集，取得多項具有重大影響力的科技創(chuàng)新成果，引領我國深淵裝備體系和全海深潛水器技術的發(fā)展。“海斗一號”萬米深潛成功，作為我國海洋技術領域的一個里程碑，標志著我國跨入全海深探測與作業(yè)的新時代，為我國海洋強國戰(zhàn)略做出重大貢獻。
9. “雪龍2”號首航南北極
“雪龍2”號是我國首艘自主建造的極地科考破冰船，也是全球首先采用船艏、船艉雙向破冰技術的極地科考破冰船，能以2～3節(jié)的速度破1.5米冰外加20厘米積雪。 “雪龍2”號作為大國重器，極大增強了我國在極地海域綜合調查的廣度、時長和內容。習近平主席在新年賀詞中把它與嫦娥登月和北斗組網(wǎng)相提并論，受到了國內和國際社會的廣泛關注，是新形勢下我國科技進步的象征，國際影響巨大。
2020年，“雪龍2”號首航南極，憑借強大的破冰和海洋綜合調查能力，成功在認知最少的宇航員海完成了9個斷面83個站位調查，初步掌握了該海域關鍵生物種群分布特征，發(fā)現(xiàn)了達恩利角冰間湖形成南極底層水并向西流動的證據(jù)。同年，“雪龍2”號首航北極，圓滿完成中國第11次北極科學考察任務。獲得了海冰密集區(qū)歷時最長的連續(xù)數(shù)據(jù)、重點海域高分辨率淺地層剖面數(shù)據(jù)，首次開展了電視抓斗作業(yè)，并采集了18.65米長沉積物巖心，創(chuàng)造了我國北極考察新紀錄。
10. 全球首款海底地形地貌與淺地層剖面一體化聲學探測裝備研制成功
海底地形地貌與淺地層剖面信息是海洋資源調查、海底環(huán)境監(jiān)測與科學研究等軍民領域不可或缺的重要信息。獲取這些信息的傳統(tǒng)作業(yè)模式是采用多種型號的聲吶分別探測，這樣不僅成本高、作業(yè)效率低，而且信息精確位置配準難，多源異步數(shù)據(jù)融合容易失效。2020年10月我國科技人員成功研制出一種集海底地形地貌與淺地層剖面探測三種功能于一體的高效精細海底聲學探測裝備，解決了海洋勘測領域這一迫切需要解決的重大技術難題，在海底地形地貌與淺地層剖面共點同步探測關鍵技術上取得重大進展，綜合性能國際領先。這是我國海洋聲學裝備領域的又一重大突破，對促進我國水下聲學探測技術進步與裝備國產(chǎn)化作出了突出貢獻，為我國海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護和科學研究提供了新的技術保障。
中國海洋學會聯(lián)合中國太平洋學會、中國海洋湖沼學會、學會評選出2020年度中國十大海洋科技進展。(排名不分先后)
1.海洋天然氣水合物開采流固體產(chǎn)出調控機理研究取得突破
天然氣水合物是一種潛力巨大的清潔能源，精準刻畫儲層傳熱傳質機理是制約天然氣水合物安全高效開采的前沿科學與技術難題。2020年，我國科研人員創(chuàng)建了天然氣水合物儲層滲流分形理論與出砂管控理論，揭示了制約海洋天然氣水合物中長期開采的儲層氣-水-砂產(chǎn)出規(guī)律耦合機制，實現(xiàn)了海洋天然氣水合物開采傳熱傳質基礎理論的重大突破，在國際Top期刊上發(fā)表學術論文10余篇?；A理論突破有效引導天然氣水合物開采技術創(chuàng)新，形成了開采儲層流固體產(chǎn)出精準調控技術，構建了集開采效率、環(huán)境效應、工程地質風險“三位一體”的天然氣水合物綠色開采新方法體系，獲得授權國際專利14項（其中美國專利5項）、國家發(fā)明專利18項。
2. 深海微生物驅動的碳氮循環(huán)耦合機制及通量
深海是有機碳再礦化和長期儲碳的主要場所。迄今對深海系統(tǒng)物質與能量循環(huán)過程的機理和通量知之甚少。核心難題是海洋真光層沉降的有機質不能夠滿足深海微生物的碳和能量需求。這意味著有更多的能量來源和代謝模式還未識別到。該研究從深海微生物黑暗固碳和海洋動力過程導致的側向輸運供碳兩個方面來解答這一問題。通過多學科交叉的海洋現(xiàn)場觀測和模擬，結合生理學實驗和深海穩(wěn)態(tài)氮循環(huán)模型，揭示了兩步硝化與固碳耦合機制，建立了碳氮耦合計量學關系，量化了硝化過程對深海生物圈及全球海洋碳循環(huán)的貢獻和影響。首次定量了陸架側向輸運的顆粒物對深海碳需求的顯著貢獻，填補了邊緣海深海碳供需不平衡的缺口。研究成果于2020年發(fā)表在PNAS和Geophysical Research Letters上。
3.科學家揭示下洋殼巖石中深部微生物生存策略
地球深部生命研究取得的重要進展之一是發(fā)現(xiàn)了海底洋殼生物圈。然而，目前的研究幾乎全部集中于上洋殼表層玄武巖，對占洋殼體積近2/3的下洋殼中的深部生命活動的探索還處于空白狀態(tài)。IODP 360航次對西南印度洋Atlantis Bank的下洋殼進行了鉆探，獲取了長度為800米的下洋殼輝長巖巖芯，并對棲息于此的微生物生命活動進行了研究。研究人員從這些巖石中檢測到了完整的、具有生物活性、可進一步生長發(fā)育的微生物細胞。同時，基于轉錄組代謝途徑的構建，發(fā)現(xiàn)這些微生物主要依賴于有機大分子再循環(huán)利用的異養(yǎng)方式生存，從而揭示了下洋殼巖石中深部微生物的生存策略。該研究證實了下洋殼深部生物圈的存在，拓展了生物圈在地球圈層分布的下限。研究成果于2020年發(fā)表在Nature上。
4. “奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試
“奮斗者”號全海深載人潛水器是“十三五”國家重點研發(fā)計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項的核心研制任務。在國家科技部的支持下，國內近百家科研院所、高校、企業(yè)近千名科研人員開展關鍵核心技術攻關、總體設計、集成建造和海上試驗。自2020年7月起，“奮斗者”號先后赴南海、西太平洋馬里亞納海溝海域分階段進行了海試驗證，累計完成30次下潛，其中8次突破萬米。11月10日8時12分，“奮斗者”號創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀錄，標志著我國具備了全海深進入、探測和作業(yè)能力，在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。
11月28日，在“奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試并勝利返航之際，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平發(fā)來賀信，致以熱烈的祝賀?！皧^斗者”號研制及海試的成功，標志著我國具有了進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力，體現(xiàn)了我國在海洋高技術領域的綜合實力。
5. 我國首次利用水平井技術完成“可燃冰”試驗性試采
2020年2月17日-3月18日，我國在水深1225米的南海神狐海域全球首次實現(xiàn)水平井鉆采天然氣水合物（俗稱“可燃冰”），創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量86.14萬立方米、日均產(chǎn)氣量2.87萬立方米”兩項新的世界紀錄，實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越，在產(chǎn)業(yè)化進程中取得重大標志性成果，使我國在天然氣水合物勘查開采領域的國際“領跑”優(yōu)勢地位進一步增強。本次試采攻克了深海淺軟地層水平井鉆采技術裝備等世界性難題，自主研發(fā)了以水平井為核心的六大類32項關鍵技術，以深海井口吸力錨為代表的12項核心裝備。創(chuàng)新形成了覆蓋試采全過程的環(huán)境風險防控技術體系，建立了大氣、水體、海底、井下“四位一體”環(huán)境監(jiān)測體系，保障了天然氣水合物綠色開采。
6. 海洋二號C衛(wèi)星成功發(fā)射，實現(xiàn)海洋動力衛(wèi)星雙星組網(wǎng)運行
9月21日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射海洋二號C衛(wèi)星，實現(xiàn)了與海洋二號B衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)運行，大幅提高了海洋動力環(huán)境要素全球觀測覆蓋能力和時效性、對海洋強國建設、防災減災能力提升、開展海洋科學研究、解決全球變化等問題具有重要意義。
海洋二號C衛(wèi)星采用66°傾角的非太陽同步軌道，與位于太陽同步軌道的海洋二號B衛(wèi)星形成很好的互補觀測能力，既可有效解決雷達高度計測高潮汐混頻問題，也可實現(xiàn)微波散射計觀測數(shù)據(jù)的可靠定標和高效檢驗。雙星組網(wǎng)觀測能夠精準捕捉到我國周邊海域的全部臺風，衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋災害預警監(jiān)測、氣象預報服務、大洋漁業(yè)資源開發(fā)、海上綠色能源開發(fā)以及海洋重大應急事件中均可發(fā)揮出重要作用。
7. 海域段高水壓復雜地層地鐵盾構隧道長距離連續(xù)掘進施工技術
青島地鐵8號線大洋站到青島北站區(qū)間海域中盾構段長2.9公里（國內目前最長過海地鐵隧道），穿越2條斷裂帶（分別長90米、613米），斷裂帶巖層破碎且部分連通海水，區(qū)間最大埋深約51米，巖層抗壓強度57兆帕。項目部在海底長距離連續(xù)盾構施工，通過分析下穿海域地質及水文、泥漿流變性能、掘進對破碎帶擾動機制及其失穩(wěn)過程，開展了海域段高水壓泥水盾構氣壓輔助快速安全掘進技術、長距離泥漿循環(huán)保障技術、高水壓下盾構密封技術、海底高水壓查換刀技術、海底盾構穿越破碎帶穩(wěn)定性技術等科研攻關，解決了海域段盾構施工中諸多難題，高效安全完成海域段長大隧道施工任務，創(chuàng)造了泥水盾構地鐵過海隧道建設新紀錄，同時為國家海域段更長更大隧道施工提供重要參考。
8.“海斗一號”填補我國萬米作業(yè)型潛水器空白
2020年5月，“海斗一號”全海深水下機器人勝利挺進全球最深海區(qū)-馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵，成功完成4次萬米下潛和試驗性應用，率先實現(xiàn)我國“十三五”全海深重大裝備研制、海試和試驗性應用，填補我國萬米作業(yè)型潛水器空白，獲取我國首批全海深重要數(shù)據(jù)和樣品，構建我國首支萬米裝備的專業(yè)化研發(fā)、海試和應用團隊。在國際上首次利用全海深電動機械手，完成萬米海底樣品抓取、沉積物取樣、標志物布放和水樣采集，取得多項具有重大影響力的科技創(chuàng)新成果，引領我國深淵裝備體系和全海深潛水器技術的發(fā)展。“海斗一號”萬米深潛成功，作為我國海洋技術領域的一個里程碑，標志著我國跨入全海深探測與作業(yè)的新時代，為我國海洋強國戰(zhàn)略做出重大貢獻。
9. “雪龍2”號首航南北極
“雪龍2”號是我國首艘自主建造的極地科考破冰船，也是全球首先采用船艏、船艉雙向破冰技術的極地科考破冰船，能以2～3節(jié)的速度破1.5米冰外加20厘米積雪。 “雪龍2”號作為大國重器，極大增強了我國在極地海域綜合調查的廣度、時長和內容。習近平主席在新年賀詞中把它與嫦娥登月和北斗組網(wǎng)相提并論，受到了國內和國際社會的廣泛關注，是新形勢下我國科技進步的象征，國際影響巨大。
2020年，“雪龍2”號首航南極，憑借強大的破冰和海洋綜合調查能力，成功在認知最少的宇航員海完成了9個斷面83個站位調查，初步掌握了該海域關鍵生物種群分布特征，發(fā)現(xiàn)了達恩利角冰間湖形成南極底層水并向西流動的證據(jù)。同年，“雪龍2”號首航北極，圓滿完成中國第11次北極科學考察任務。獲得了海冰密集區(qū)歷時最長的連續(xù)數(shù)據(jù)、重點海域高分辨率淺地層剖面數(shù)據(jù)，首次開展了電視抓斗作業(yè)，并采集了18.65米長沉積物巖心，創(chuàng)造了我國北極考察新紀錄。
10. 全球首款海底地形地貌與淺地層剖面一體化聲學探測裝備研制成功
海底地形地貌與淺地層剖面信息是海洋資源調查、海底環(huán)境監(jiān)測與科學研究等軍民領域不可或缺的重要信息。獲取這些信息的傳統(tǒng)作業(yè)模式是采用多種型號的聲吶分別探測，這樣不僅成本高、作業(yè)效率低，而且信息精確位置配準難，多源異步數(shù)據(jù)融合容易失效。2020年10月我國科技人員成功研制出一種集海底地形地貌與淺地層剖面探測三種功能于一體的高效精細海底聲學探測裝備，解決了海洋勘測領域這一迫切需要解決的重大技術難題，在海底地形地貌與淺地層剖面共點同步探測關鍵技術上取得重大進展，綜合性能國際領先。這是我國海洋聲學裝備領域的又一重大突破，對促進我國水下聲學探測技術進步與裝備國產(chǎn)化作出了突出貢獻，為我國海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護和科學研究提供了新的技術保障。
