海底静力触探仪

p centerimg alt="" src="http://news.sciencenet.cn/upload/news/images/2017/7/20177241010489020.jpg" width="500" height="382"//centerp/pp style="TEXT-ALIGN: center"　　Jerry Paros发明的石英传感器，将把海底监测的精确度提高到1厘米。/pp　　家住华盛顿州的Jerry Paros担心大地震就像一颗定时炸弹威胁着邻居和自家。因为美国西海岸正好处在环太平洋地震带上。但与其他数百万干着急的人不同，Paros尝试用实际行动抵御风险。他的公司发明了用于地震监测的石英传感器。该传感器最初用于化石能源开采等行业，现在，Paros打算用它帮助全世界免遭自然灾害的影响。/pp　　现年79岁的Paros在办公室展示了他的发明：在一个排球大小的金属架内部，传感器通过上下移动感应大气压力的微小变化，甚至开关门造成的气压变化都能被它捕捉到。在海底，该设备能感应水压的变化，从而推测海底深处的震动。/pp　　Paros希望打造一个海洋地震预警系统。他向华盛顿大学捐赠了200万美元资金，与大学科研人员在太平洋西北海岸海域进行测试。日本和智利等许多沿海国家也在研究海底地壳活动监测技术，安装测试各种传感设备。/pp　　多年来，海底的断层运动一直让地球物理学家感到棘手，地球70%的表面被水覆盖，标准探测工具在海洋环境中毫无作用。Paros创造的传感器让无计可施的地球物理学家第一次有机会探测海底活动。这些传感器网络可以揭示哪些海底断层是无害的，哪些有可能在为下一次大地震积攒能量。/pp　　“它将帮助我们定位活动区域，这正是我们此前办不到的事。”华盛顿大学海洋学家Emily Roland说。/pp　　沉睡的巨人/pp　　当Paros于1970年迁来华盛顿州时，他并不了解西北太平洋沿岸地震频发的危险。/pp　　该地区有记录以来最大的地震发生在1949年4月13日。当时，华盛顿州奥林匹亚市发生了7.1级地震。但从1980年代开始，研究人员发现南起加州北至英属哥伦比亚，北美洲整个西海岸都面临着9级强震和大海啸的威胁。危险根源来自距海岸50公里远的海洋底部，这个位置下面正是板块交界处。/pp　　卡斯卡迪亚俯冲带长达1000公里，是环太平洋火山地震带的一部分。海底俯冲带曾导致有记录以来的多次超级地震，其中包括1960年的智利9.5级大地震。1700年，卡斯卡迪亚发生海底强震，估计强度达到9级，地震引起的海啸让北美沿岸深受重创，太洋另一端的日本也受到波及。/pp　　卡斯卡迪亚俯冲带就像一颗定时炸弹让科学家提心吊胆。谁也不知道下次地震什么时候到来，可能是明天，也可能是数世纪以后。目前，科学家监测了其他俯冲带的地质活动，并通过监测小型地震的模式评估未来强震的风险。/pp　　加拿大地质调查局地震专家Kelin Wang称，卡斯卡迪亚俯冲带通常十分平静，近年来只检测到很少几次轻微震动，暗示该地区的板块运动处于平静期。这使得卡斯卡迪亚成为一个沉睡的巨人，同时也是一个危险的巨人——波特兰和西雅图等城市的命脉把握在它手上。/pp　　在陆地上，工程师可以使用全球定位系统(GPS)测量跟踪细微的地质运动迹象，包括火山爆发前山体周围地面的隆起，或者石块沿地质断层滑动，例如加州的圣安地列斯断层。但在海底进行地质运动监测则困难且昂贵。直到近几年，得益于监测工具和部署方式的创新，海底测量学才逐渐赶上陆地测量水平。/pp　　从新西兰、日本再到智利，各国的地球物理学家都在试图了解长期地质运动的风险，并在地震和海啸发生之初及时发布警报。大部分此类工作都基于政府资助建立的海底传感器网络，另外也有少部分由Paros这样的私人出资建造。Paros在俄勒冈州沿岸的海域安装了6个石英压力传感器，监测卡斯卡迪亚俯冲带运动状况。/pp　　科学家根据地表GPS测量得出了两个不同的卡斯卡迪亚俯冲带运动模型。其中一个显示，下降板块的活动十分缓慢，在整个过程中释放出压力。另一个认为，两个板块被锁定在一起，产生了压力积聚的危险。/pp　　释放压力/pp　　人们无法仅通过陆基仪器判断这两个模型正确与否。“我们不知道板块锁定到了什么程度，所以才需要海上测量。陆基测量已经不够用了。” Wang说。/pp　　海洋学家时常在卡斯卡迪亚海底安装监测仪器，但只能“撒撒胡椒面”。华盛顿大学和加州斯克利布斯海洋研究所联合组建的科研团队正尝试建立一个能够在时间维度上测量海底运动的系统，并从中评估威胁的性质。Paros的石英传感器在这项工作中扮演关键角色。/pp　　Paros在50年前就开始研发能够测量加速度、压力变化和温度等物理因素的石英传感器。其部署在海底的传感器能测量其上的水压变化，在纠正了波浪和潮汐带来的干扰之后，海洋学家能将海底的上下移动精确到1厘米。/pp　　Paros的公司是制造海洋压力传感器的公司之一。而他自己具有商业和科研的双重背景，现在已与当地的地球物理学家打成一片。华盛顿大学海洋地球物理学家William Wilcock表示：“Paros喜欢与工程技术人员和科技工作者进行互动，一心一意达成目标。”/pp　　早在1983年，Paros的传感器就参与了美国国家海洋和大气管理局的海啸观测系统，对太平洋地区的海洋运动进行监测。2004年印尼发生大海啸，他向华盛顿大学捐赠100万美元促进传感器网络的研发。在这笔捐赠以及2012年的另一笔100万美元捐款的帮助下，大学研究人员设计和测试新一代海底压力传感器。研究人员将搜集到的数据与数学模型进行对比，有望在十年内对海底断层状况得出结论。/pp　　不过，即便是最好的压力传感器，也只能揭示海底板块上下维度的运动，而无法检测到水平方向的位移。研究者使用另一种手段弥补这一不足。/pp　　科学家在海底以两三公里的间隔放置转换器。每隔差不多1年，科学家就测定转换器的准确位置信息。通过计算信通过海水的时间，研究者可以判断与上次测量时相比，海底是否发生了水平移动。/pp　　倾听运动的声音/pp　　目前，这种海底声学测距技术被广泛应用在世界各地。德国亥姆霍兹海洋研究中心在2015年为智利沿岸俯冲带上安装了这样一个传感器网络，帮助智利政府监测地震威胁。日本海岸警卫队每年会投入几个月的时间收集自数十个国家海岸线上的数据。而斯克里普斯研究所地球物理学家David Chadwell尝试使用自动航行的机器收集数据以减轻运行成本。/pp　　为了解卡斯卡迪亚俯冲带隐藏的实际危险，地球需理学家需要部署多种工具，包括地震仪以及分别用于海洋和陆地的大地测量仪器。关于仪器放置的位置以及如何得到最佳数据，侧重基础研究的科学家和那些专注地震、海啸预警的研究者之间存在分歧。而华盛顿大学希望新的网络能够同时满足这两个群体的需要。/pp　　“我们需要也能够让这些科学设备服务多种目的，例如增进科学知识和监测灾害。”华盛顿大学地震学家Heidi Houston说。/pp　　目前，卡斯卡迪亚俯冲带已有两个基本监测系统。海洋观测计划电缆阵列用一条长达900公里的线缆往返连接俄勒冈州海岸和一处海底火山。在加拿大那边，加拿大海洋网络有一条长度类似的线缆连接到海底俯冲带。两条线缆在布线沿途都连接有各种测量仪器。/pp　　而新方案的规模要比现有方案大的多，更类似于去年完工的日本DONET-2海底监测项目。日本横滨大陆海洋科学与技术局天文台副主任Katsuyoshi Kawaguchi表示，DONET-2骨干线缆长达500千米，沿途连接29个独立监测点。/pp　　此外，日本目前正在建设第二个规模更大的海底监测项目，计划铺设5700千米的海底线缆，连接150个监测点。这两个观测系统的数据将汇入日本全国地震和海啸预警系统。/pp　　未来某天，Paros或许能看到他的传感器遍布卡斯卡迪亚海域，成为自然灾害监测网络的一部分。近日，华盛顿大学的工程师在加州蒙特利湾的一个小型有线海底监测站部署了一套新传感器，并将在那里对传感器进行数月测试。/pp　　“我一直在做西西弗斯式的事，试图将巨石推向山顶。” Paros说。“我只是想播下种子证明这是可行的，同时希望政府认识到这是一个重要的公众安全议题。”/p/p

丹麦日前启动“绿沙”（Greensand）二氧化碳封存项目，将来自丹麦等国家的二氧化碳封存在北海海床下，以应对气候变化。这是全球首个跨境碳封存项目，丹麦成为世界上第一个封存“进口二氧化碳”的国家。报道称，项目在试运行阶段结束后，每年将封存150万吨二氧化碳。到2030年，将拥有每年封存800万吨二氧化碳的能力。我国海上首个二氧化碳封存示范工程设备在青建造完工(来源：青岛日报)环顾国外，将二氧化碳封存在海底，已经成为被众多国家接纳的减缓全球变暖的解决方案。在发展的过程中，产生了碳捕集与封存(CCS)技术和碳捕集、利用与封存（CCUS）技术。CCUS技术在CCS技术基础上增加了二氧化碳资源化利用环节，在世界范围内得到了更加广泛的认可。我国针对CCUS的布局正在不断拓展。2021年8月，中国海洋石油集团有限公司宣布，我国首个海上二氧化碳封存示范工程启动，为国家“碳达峰、碳中和”目标的实现探出一条新路。今年1月，自然资源部中国地质调查局首次发布我国海域二氧化碳地质封存潜力评价结果。结果表明封存潜力巨大，预测达2.58万亿吨，可为我国实现“双碳”目标提供重要支撑。这份至关重要的“潜力评价”报告，由自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所牵头完成。而我国首个海上二氧化碳封存示范工程设备已于去年在青岛全部建造完成，布设在我国南海珠江口盆地的恩平15-1油田，预计今年将正式向海底灌注二氧化碳。显然，在我国CCUS的发展过程中，青岛企业、院所发挥了重要作用，成为全国各个沿海城市加快探索海底碳封存路径的“先行者”之一。海底碳封存，一个潜力巨大的未来产业正在崛起。我国海底具有巨大的碳封存潜力我国是世界上二氧化碳排放最多的国家。近年来，我国二氧化碳年排放量在100亿吨左右，约为全球总排放量的1/4。为推进绿色低碳发展，我国提出“双碳”目标，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。研究表明，即便充分利用替代能源和生态系统吸收，我国碳达峰后每年仍有数亿吨的二氧化碳负排放缺口，利用CCUS技术进行地质碳封存是必要的解决手段。根据封存地点，地质碳封存分为陆地地质碳封存和海底地质碳封存。海底碳封存是将二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来，并注入海底深部地质体中实现二氧化碳永久减排的过程，是目前国际上最成熟的二氧化碳负排放技术之一。“与陆地碳封存相比，海底碳封存具有远离人类居住地、远离人类赖以生存的地表水体和地下水层等特点，安全性更高，环境风险更小。”我国海域二氧化碳地质封存潜力评价工作牵头负责人、中国地质调查局青岛海洋地质研究所研究员陈建文说，实施海底碳封存，因为需要增加海上运输、铺设海底管道等环节，成本会更高。但海底巨大的封存潜力和未来巨大的封存规模将在很大程度上降低成本。早在2010年，中国地质调查局就组织实施了“全国二氧化碳地质封存潜力评价与示范性工程”，对我国海域二氧化碳地质封存潜力进行了初步评估。“此前的潜力评估，评价参数与相关数据主要来自公开资料，评价精度较低。”陈建文介绍，2021-2022年，在中国地质调查局的统一部署下，青岛海洋地质研究所牵头，广州海洋地质调查局和中国地质调查局发展研究中心参加，充分利用20余年的海洋地质调查实测地质和地球物理数据以及公开发表的商业性油气勘探开发等资料，系统开展了我国海域二氧化碳地质封存潜力评价，证实我国海域二氧化碳地质封存潜力巨大，预测盆地级封存潜力达2.58万亿吨。2.58万亿吨是如何评估出来的？陈建文告诉记者，国际上评估海底碳封存潜力一般有两种方法：一种是机理法，即根据二氧化碳封存在海底的各种方式如溶解封存、束缚封存、构造地层封存等进行计算，主要针对的是小范围的目标层，相对精准；另外一种是体积法，这种方法主要根据海底封存的有效空间进行计算，比较适合针对广阔海域的评估。“我们此次评价，创新提出了符合我国海域地质条件的二氧化碳地质封存潜力评价方法——模型体积法，根据我国海域的实际情况确定了4个关键技术模型获取参数，重点对我国海域适宜海底碳封存的18个盆地进行了潜力评估，并优选出了重点目标区，为下一步海底碳封存示范工程选址提供了方向。”陈建文说。资料显示，我国东部沿海省份是二氧化碳排放大户。2020年，沿海11省（市）的二氧化碳排放量约占全国总量近一半，未来减排任务艰巨。在碳封存方面，东部沿海地区陆域沉积盆地面积小、分布零散，适宜碳封存的地质条件相对较差，封存潜力有限。而海底碳封存的巨大潜力以及安全性等优势，为城市减排提供了一个解决思路。“海域盆地稳定性好，实施海底碳封存时，有海水层覆盖、远离人类居住地、远离淡水水体，本身比较安全。即便发生泄漏，也是初步泄漏到海水里面，通过海水稀释淡化并及时维护，不会产生大的风险灾害。”中国地质调查局青岛海洋地质研究所副所长印萍表示。我国示范研究项目正加快开展实施海底碳封存，在国外已被证实安全有效。其中，海底碳封存运行时间最长、最为成熟的案例在挪威。1996年，挪威启动Sleipner油田CCS项目，将开采油气过程中产生的二氧化碳进行分离，通过一口斜井将其注回到咸水层，利用海底咸水层地质结构的气密性来封存二氧化碳。这是世界上第一个商业规模的咸水层碳封存工程，运行20余年来，每年封存二氧化碳100万吨，封存的二氧化碳没有异常活动，无泄漏情况出现。海底碳封存是如何实现密闭安全的？陈建文解释说，进行海底碳封存时，一般先利用机器对二氧化碳进行增压，使二氧化碳达到超临界状态，即由气态转化为液态，最后通过注入井封存到储层中。适合海底碳封存的储层包括深部咸水层、枯竭油气层、不可采煤层等。其中，深部咸水层是主力储存空间。以深部咸水层为例，最佳结构为穹顶式地质结构，这种结构就像是一个倒过来的碗，注入在其中的二氧化碳，由于密度比地下咸水低，因此运移到碗的顶部。同时，碗顶有厚厚的盖层盖住，二氧化碳很难渗出，因此具有良好的封闭性。在长时间尺度上，封存的二氧化碳还会与水和岩石发生矿化反应，大部分二氧化碳会被固化在岩石中，小部分二氧化碳溶入地层水之中。“挪威海底碳封存案例的成功，说明海底碳封存是可行的、安全的。”陈建文介绍，在前期成功的基础上，挪威于2021年批准了北极光项目。该项目的目标是将二氧化碳注入和封存在北海海床下2600米处。从2024年起，北极光项目每年将能够处理和封存80万～150万吨二氧化碳，后期将达到500万吨。挪威之外，巴西、澳大利亚、丹麦等国家纷纷启动了海底碳封存项目。据中国地质调查局青岛海洋地质研究所统计，目前全球海域遍布着9个国家共16个二氧化碳地质封存项目。这其中就包括2021年启动的我国海上首个二氧化碳封存示范工程项目。2022年，该项目设备在海洋石油工程（青岛）有限公司全部建造完成，业已服役于我国南海珠江口盆地的恩平15-1油田。据了解，该项目将海上油田伴生的二氧化碳分离和脱水后，回注至地下咸水层，永久封存于地层深处，预计每年可封存二氧化碳约30万吨，累计封存二氧化碳146万吨以上，相当于植树近1400万棵或停开近100万辆轿车所达到的减排目标。该项目已于3月19日开启二氧化碳回注井钻井作业，预计今年6月份进行二氧化碳灌注，正式进行海底碳封存示范。这是中国海油实施的我国第一个海底碳封存示范项目，而布局还在深化。今年1月，中国海油、广东省发改委、壳牌集团和埃克森美孚公司在中国北京和广州、英国伦敦、美国休斯敦、新加坡五地，以“线上+线下”形式共同签署《在中国大亚湾地区开发和运营碳捕集、利用与封存（简称CCS/CCUS）项目联合研究协议》，标志着我国首个海上规模化千万吨级CCS/CCUS集群研究项目正式启动。从百万吨级到千万吨级，从示范工程到商业项目，我国海底碳封存开始瞄准规模化、产业化发展路径。当然，关于海底碳封存的探索并不止于此。业内人士告诉记者，中国海油还有两个海底碳封存项目正处于预研究阶段。一个位于东海，工作人员正在研究利用采空的天然气田来封存二氧化碳；一个位于渤海，工作人员正在就二氧化碳封存于油气田进行研究。可以看出，为应对气候变化，助力“双碳”目标实现，我国海底碳封存示范研究项目正在加快推进。青岛政府、院所和企业将三方合力加快探索无论是从国外还是国内发展形势来看，海底碳封存，正在展示出越来越广阔的发展前景。今年2月，欧洲正式通过了碳关税调节机制，对没有完成减排指标的国家出口的产品课以关税，水泥、钢铁、电力、铝和化肥等高耗能产品将被列入首批征收名单。碳关税自2026年正式起征，2034年之前全面实施。未完成减排指标的国家出口高耗能产品需购买许可证，对标碳交易市场，当前的价格为100欧元/吨。“《联合国气候变化框架公约》及其《京都议定书》相关条款规定，对于完不成减排计划的国家，可通过向超额减排的国家购买排放指标，把二氧化碳排放权作为商品进行交易，以此促进减排。”印萍说，我国实施海底碳封存，一方面可以有效降低碳排放，减少碳关税的缴纳；另一方面可以在我国的碳交易机制下，将多余的减排成果进行出售，转化为可观的经济收益。开展海底碳封存，需要提前进行规划，开展项目示范，进行技术储备。在国内，我国南方一些省份和城市正在加快布局。2013年，中英（广东）CCUS中心（广东南方碳捕集与封存产业中心）启动。在中心的牵头下，2022年，发布了全国首份省级CCUS规划研究报告——《广东省二氧化碳捕集利用运输与封存规划研究报告》。《报告》指出，目前广东开展我国首个海上规模化千万吨级CCUS集群研究项目，并建议规划建设4个CCUS工业集群。2021年，浙江印发《浙江省碳达峰碳中和科技创新行动方案》，围绕CCUS及碳汇技术等5个技术方向制定了路线图；今年2月，发布《关于培育发展未来产业的指导意见》，提出将探索发展6个潜力巨大的未来产业，其中之一为“低成本碳捕集利用与封存”；今年3月，印发《浙江省工业领域碳达峰实施方案》，提出以碳捕集封存利用等领域为重点，形成一批原创性引领型科技成果。政策支撑下，浙江一些CCUS技术应用示范陆续启动。记者从有关部门了解到，当前，青岛市发展改革委正在谋划推进海底碳封存的相关工作，青岛相关科研院所和企业也持续加快探索实施路径。“在2030年碳达峰之前，我国肯定会有一批海底碳封存示范工程推进实施。估计到2035年左右，我国将形成一批规模化的海底碳封存商业项目。”陈建文展望说，无论是从国家的角度还是城市的角度来说，目前都应加强顶层设计，进行政策引导，并通过项目示范，做好海底碳封存技术储备和场地储备，包括海上运输技术、海底封存技术、海底监测技术等，最后才能尽快实现商业化，为“双碳”目标提供支撑。“青岛海洋地质研究所作为国家基础性、公益性海洋地质专业调查与研究机构，将继续支撑海底碳封存技术研发和场地选址工作。”陈建文表示。

两名宇航员、一名海底工程师和一名经验丰富的科学家将会置身于佛罗里达东海岸的宝瓶座海底实验室，模拟执行太空任务。　　新浪科技讯 北京时间5月8日消息，据美国太空网报道，美国宇航局计划于近期展开一次海底实验，模拟执行太空任务。届时，两名宇航员、一名海底工程师和一名经验丰富的科学家将会置身于佛罗里达东海岸的海底，模拟执行太空任务，从而检验外太空探测的新理念，掌握更多有关在极端恶劣环境下进行工作的知识。　　美国宇航局5月4日宣布，将于本月10日开始进行第14次海底实验，为期14天。这次实验是NASA名为“极限环境任务实施”(NEEMO)项目的一部分。　　加拿大宇航局宇航员克里斯-哈德菲尔德是此次海底实验的领导者。克里斯是一名资深宇航员，有过多次太空行走经历。从本月10日起，克里斯将带领其他参加实验的人员，在“宝瓶宫”海底实验室体验太空生活环境，展开模拟执行太空任务的实验。　　据悉，美国宇航局(NASA)在佛罗里达州Key Largo附近的海底建立了一个名为宝瓶宫(Aquarius)的海底模拟实验室。这个能容纳6个人的实验室能够训练宇航员在模拟的环境下熟悉太空飞行，并开展一系列科学实验训练。宝瓶宫模拟器长14米，宽3米，装备有全套的设备，位于海面一下18米。借助于这个模拟器，宇航员不必要再等候轮到登上航天飞机或者进入国际空间站的机会去体验太空生存环境。　　本月10日开始的此次海底模拟实验，将会利用海床模拟其他行星的表面和低重力环境。为准备此次海底实验，2009年10月潜水员在宝瓶宫模拟器附近放置了着陆器、探测车和模拟机械臂的小型吊车。　　模拟执行太空任务　　据悉，执行此次海底模拟实验的成员将会在宝瓶宫海底实验室内生活、进行模拟太空行走、操纵小型吊车来移动实验室，这同在外星球上搭建宿营地非常相似。　　当潜水员执行操作并检测这些技术时，将会为美国宇航局工程技术人员提供非常有价值的信息和反馈。预计在此次的海底实验中，实验人员将会从着陆器上取下一个模拟月球车、从着陆器上取下少量荷载并模拟将一名失去行动能力的宇航员从海床转送回舱内。　　据了解，此次试验的着陆器和探测车模拟器同美国宇航局考虑用于未来行星探测的着陆器和探测车大小相仿。模拟着陆器的宽度比一辆校车的长度还要大，几乎是其三倍高。宽13.7米，高8.5米，有一个3米高的吊车。模拟探测车比一辆SUV稍大，高2.4米，长4.3米。　　训练海中溅落　　哈德菲尔德2001年4月份航天飞机执行STS-100任务时，执行过两次太空行走任务，操纵国际空间站的Canadarm2机械臂。1995年他还在STS-74任务中，执行过大量操纵航天飞机Canadarm的任务。其他参加此次海底实验的人员包括，美国宇航局宇航员兼太空飞行医生托马斯-马斯伯恩，“月球车”副项目经理安德鲁和科学家史蒂夫-夏贝尔。北卡罗来纳大学的詹姆斯和内特-本德是建设外星球露营地的技术人员，他们将会提供工程技术支持。　　在宝瓶宫实验室内时，实验小组将会进行生命科学实验，主要关注在极端环境下人们的行为、表现和心理。此次实验还将对自动开展工作展开研究。也就是说，实验中将会有一段时间成员间的通信和任务控制中心的通联将受到限制，这中状况在未来人类探索火星或月球时也将会遇到。　　据悉，宝瓶宫实验室归属于美国国家海洋和大气管理局，由北卡罗来纳大学操作运行。