论文专区︱马里亚纳海沟“ 挑战者深渊”最深点水深探测

【编者按：2011～2012年，海洋六号船采用EM122多波束测深系统在马里亚纳海沟最深海域“挑战者深渊”进行的多波束水深测量，通过对测深资料进行分析处理，获得了高精度海底地形图，揭示了马里亚纳海沟挑战者深渊附近海底地形呈近东西向延伸，有西部、中部和东部三个洼地，它们由10800m等深线圈闭，长轴方向与海沟方向一致。洼地底部水深大于10900m，地形较为平坦。三个洼地最深区域分别由10916m、10904m和10915m等深线圈闭。三个洼地最大水深为10917m(误差小于20m)，位于西部洼地内，中心位置为142°12.14′E，11°19.92′N。该处也是马里亚纳海沟最深点。本文发表在《海洋测绘》2013年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。考虑到排版关系，参考文献索引略。刘方兰，男，1967出生，湖南衡阳人，教授级高级工程师，硕士，广州海洋地质调查局，主要从事海洋地质地球物理勘查技术方法研究。】

文/刘方兰 杨胜雄 邓希光 曲佳

一、前言

马里亚纳海沟是太平洋板块自东向西俯冲于菲律宾板块之下形成的一条向东弧形凸出，近南北向延伸的深沟，其北起硫黄列岛、西南至雅浦岛附近，全长2550km，平均宽70km，大部分水深在8000m以上。马里亚纳海沟南段，大约距离关岛西南约200km，该处海沟近东西向延伸，最大水深超过10000m，它同时也是地球上最深的地方，号称“挑战者深渊”(Challenger deep)。由于其深度大，常规的测深设备很难准确查明其地形特点与最大水深，但随着测深技术的提高，测量精度也不断提高，各种对“挑战者深渊”的探测结果逐渐相近。挑战者深渊最早的水深报道是1951年的挑战者8号(Chanllenger VIII)船测得的10863m，最深的水深报道是1957年的维迪亚兹( Vitiaz)船测得的11034m。从此之后，对挑战者深渊进行了多次水深测量，但再也没有测得水深超过11000m。自从20世纪90年代后，应用多波束测深技术获取挑战者深渊区域全覆盖海底地形资料，并探明该海域存在三个相对较深的洼地，最新的深度报道为10920±5m，位于东部洼地内。另外，也有各种深潜器探测的深度报道，但是这些报道的深度和位置不完全一致。

2011年10月和2012年6月，海洋六号船在执行中国大洋23和大洋27航次期间，对马里亚纳海沟最大深度海域进行了海底地形探测。本文以马里亚纳海沟挑战者深渊附近海域作为研究区域，利用EM122多波束测深系统采集的资料，绘制高精度的海底地形图，查明挑战者深渊最大水深及其所处的位置。

二、水深探测与资料处理

⒈ 多波束水深探测

海洋六号船分别于2011年、2012年两次对马里亚纳海沟进行海底地形测量，使用的测深设备是EM122多波束测深系统。该系统的工作频率12kHz，适用于全海洋深度水深测量，波束宽度1°×1°，最大条幅开角150°，最大测量条幅宽度超过30km。该系统配备了高性能的外部设备，Octans4型光纤运动传感器为系统提供艏向、纵倾偏角、横摇偏角、升沉起伏高度等参数，星站差分GPS直接为系统提供定位数据(精度优于375px)与时间同步(1PPS)，SeaPath200系统提供加三维加速度信息，在船底探头处安装有提供实时表层声速的声速计，全深度声速剖面则由声速计(Veport Midas)和温盐深系统(SBE 9plus)实测提供。根据EM122多波束系统的技术性能，在良好的数据采集条件下，中心波束(0°～45°)范围内测量精度可达水深的0.2%，外围波束精度为水深的0.6%。在10000m处，中央波束水深测量误差为±20m。

2011年10月，海洋六号船首次对马里亚纳海沟进行走航测量，航速12kn，条幅开角120°，测线沿海沟方向布设，但航迹未在海沟中轴线上。通过本次测量，初步查明了研究区及海沟的地形特征。2012年6月，海洋六号第二次对马里亚纳海沟进行了测量，这次测量在第一次测量的基础上，有针对性地进行了测线布设和测量参数的调整，共布设16条测线。测线平行海沟长轴方向，通过海沟中心或从中心附近通过，保证多波束探测时，以高精度、小角度波束获取水深值。另外，在西部、中部和东部水深相对较大的洼地区，均布设了相交测线，从不同方向对海沟最大水深区进行测量。测量时船速为6～8kn，波束开角40°，采用双条幅工作模式，数据点分布为高密度等距方式。测量过程中采用实时表层声速校正，全深度声速剖面采集于海沟中心附近海域。在这次多波束测量中，成功实现对超过10000m水深区域的探测，特别是在马里亚纳海沟挑战者深渊处，精确测得其最大水深介于10910～10920m之间，这是我国调查船首次在马里亚纳海沟探测的最大深度。

⒉ 资料处理与地形特征

资料采集后使用Caris Hips软件对数据进行了处理，主要是对波束数据进行滤波，删除误差较大的数据点。对海沟中心比较平坦区域处理后的水深数据进行了统计，相对误差(标准差)为水深的0.1%。Caris处理后输出离散深度值，利用GMT和Surfer进行网格化处理。区域内数据点密度较大，平均间距约为20m(以最深区域统计，平均每350m²范围内即有一个有效数据点)，成果地形图最小网格间距为40m×40m。

图1是马里亚纳海沟挑战者深渊海域地形图，海沟在区内呈近东西向延，在中心海沟区，有三个相对较深的洼地，由10800m等深线圈闭。它们的中轴方向与海沟中轴方向一致，但不同等深线圈闭范围和特点略有差异。

西部洼地(见图2)水深10800m等深线圈闭范围为11.3km×2.0km，呈长卵型，水深大于10900m中央区域地形非常平坦。在洼地中央，等深线10916m圈闭区(W)范围只有210m×180m，中心点位置为:142°12.14′E，11°19.92′N。中部洼地等深线10800m圈闭区呈84°方向延伸，长约20km。10850m等深线圈闭区相对10800m圈闭区范围大大缩小，东西向只有6.5km。水深10900m圈闭范围只有2.5km×0.3km，10904m等深线圈闭区只有330m×205m。

东部洼地(见图3)10800m等深线圈闭区形似张口向西的“鱼嘴”，10900m等深线圈闭区犹如“鱼嘴”的腮部。洼地底部深度大于10900m，其范围约3.5km(东西向)×1.5km(南北向)，地形平坦。东部洼地内最深等深线为10915m，圈闭区(E)范围约210m×190m，中心点位置为:142°35.3′E，11°22.2′N。

三、挑战者深渊水深最深点的确定

研究区内三个洼地最深处水深大于10900m，中部洼地最大等深线只有10904m，而且范围较小，因此，最大水深点肯定不在中部洼地内，而应位于西部洼地或东部洼地，但具体位置和深度值需通过综合分析判断。

⒈ 实时测量观测

通过西部洼地的多波束测线共五条，其中一测线自西向东穿过洼地中心，数据质量良好，在洼地最深处，多次显示测得10914～10917m的水深值。有两条测线中心波束和边沿波束对东部洼地进行了测量，其中从东部洼地中心通过的测线，多次显示测量值为10910～10916m，且数据质量较高，但测线边沿波束测得东部洼地则有多个点水深超过10920m，只是数据一致性不好，误差相对较大，仅作参考。

⒉ 水深数据分析

由于多波束水深测量海底面积分辨率最大为一个波束脚印，10000m水深区域波束脚印约为200m×200m。这样，西部、东部两个洼地最大的等深线圈闭区大小与一个波束脚印范围相当。最大水深值位置理论上应该位于最大等深线圈闭区(大约一个波束脚印)的中心。为了获取两个洼地的最大深度，须分别对这两个圈闭区内所有水深测量值进行了数据统计分析。

在西、东部洼地最大等深线圈闭区内分别有134个和113个有效测深值，图4、图5分别是西部洼地最大等深线圈闭区(W)内水深点的分布情况以及水深数据直方统计图。圈闭区W内水深数据点的平均间距为25m，大部分水深值在10912～10920m之间，其中水深值介于10915～10919m之间的水深数据点占75%。全部数据点平均水深10917m，直方图呈正态分布，峰度为2.6，标准差为3m。这样，西部洼地最大水深的测量值应为10917m。利用同样的方法对东部洼地最大等深线(10915m) 圈闭区内的数据进行分析，平均水深10916m，且测量值呈非正态分布，其中，水深10911～10912m、10916～10 917m之间的测量值居多。东部洼地最大水深测量值为10916m。

⒊ 讨论分析

通过对西部和东部两个洼地多波束水深测量观察，结合水深数据的统计分析，虽然两个洼地最大水深非常接近，但西部洼地比东部洼地平均水深大1m，而且最大水深值点相对集中，呈正态分布，因此，最大水深点应该位于西部洼地，水深值为10917m，其中心位置为142°12. 14′E，11°19.92′N。另外，根据EM122多波束系统测量精度指标，中央波束测量精度为0.2%，本次实测精度检验结果显示相对精度达到水深的0.1%，因此，进行挑战者深渊水深测量的误差应小于20m。

四、结束语

2011年、2012年，我国调查船海洋六号船采用EM122多波束系统，成功实现对马里亚纳海沟挑战者深渊海域进行了水深探测，并得到以下结论。

(1)马里亚纳海沟挑战者深渊附近有三个洼地，自西向东分别为西部洼地、中部洼地、东部洼地，它们都由10800m等深线圈闭，长轴方向与海沟方向一致。洼地底部水深大于10900m，地形较为平坦。三个洼地最深区域分别由10916m、10904m和10915m等深线圈闭。

(2)挑战者深渊最深处位于西部洼地内，深度为10917m(误差小于20m)，中心位置为142°12.2′E，11°19.9′N。该处也是马里亚纳海沟最深点。

致谢:特别感谢海洋六号船孙雁鸣船长以及参加中国大洋第23航次、第27航次的全体参航人员。