海洋科技▏加拿大“海王星”海底观测网
加拿大“海王星”海底观测网（NEPTUNE-Canada）是世界首个深海海底大型联网观测站，位于东太平洋的胡安·德·夫卡板块最北部。它以板块构造运动、海底下的流体、海洋生物与气候、深海生态系统为科学目标，通过海底光缆连接安装在海底的仪器设备，进行实时、连续的观测，并通过光电缆将观测信息传回陆地实验室。此外，NEPTUNE-Canada还具有崭新的管理运行形式和开放的数据管理模式，非常值得我国开展海底观测网建设时加以借鉴。
一、引言
2009年12月8日，世界上第一个深海海底大型联网观测站———加拿大“海王星”（NEPTUNE-Canada）正式启用。“NEPTUNE”全名为“North EastPacific Time seriesUudersea NetWorked Experi ments”，直译是“东北太平洋时间序列海底联网试验”，它的简称是“海王星”。NEPTUNE-Canada位于北美太平洋岸外的胡安·德·夫卡板块最北部（图１）。由800km的海底光电缆相联的各种仪器，将东太平洋这块海区的深海物理、化学、生物、地质的实时观测信息，源源不断地传回陆地实验室，并通过互联网传给世界各国的终端。
“NEPTUNE”原来由美国和加拿大两国科学家共同设计、研讨，北段在加拿大海岸外由加拿大建设，南段在美国海岸外由美国建设。但最终只有NEPTUNE-Canada建设完成，在该领域走在了世界的最前面。NEPTUNE-Canada于2007年铺设缆线，2008年安装设备，2009年投入使用，它的建成是海洋科学里程碑式的进展，它的建设过程为世界其他地区类似的海底监测系统提供了宝贵经验。2010年12月，在NEPTUNE-Canada成功运行1周年之际，笔者走访了它的建设者———加拿大维多利亚大学，现将NEPTUNE-Canada的主要信息简要汇总，以飨读者。
二、深海前沿的科学目标
胡安·德·夫卡板块是一个小板块，西有洋中脊与转换断层，东有俯冲带，相距不远，便于用一个监测系统研究多种多样的大地构造环境。所观测的对象就是深海观测的最前沿。在NEPTUNE-Canada设定的25年观测里，能为科学家提供海洋突发事件和长时间序列研究的海量数据，应用于广泛的研究领域，包括海底的火山活动，地震和海啸，矿产和烃类，碳水化合物，海气交换与气候变化，海洋的温室气体循环，海洋生态系统，海洋生产力的长期变化，海洋哺乳动物和渔类资源，环境污染以及有毒水华等。简单说来主要研究五大方面：
⒈ 板块构造运动
胡安·德·夫卡板块的东边，从温哥华岛到加利福尼亚北部，是胡安·德·夫卡板块插到北美大陆之下的Cascadia俯冲带（图１）。1700年1月26日这个俯冲带曾发生9级地震，其引发的海啸一直从加拿大影响到日本。这种大地震和大海啸未来随时可能发生。观测网设置了地震仪和海啸预警装置。板块的西边有胡安·德·夫卡洋中脊，是岩浆和地震活动频繁的地区。
图１胡安·德·夫卡板块地理位置图
⒉ 海底下的流体
Cascadia俯冲带内发生着复杂的流体和生命活动，形成着天然气水合物。水合物的甲烷从海底渗漏，形成独特的细菌席和大型蛤类生物群，都是观测研究的对象。西边洋中脊区，由于洋底扩张和岩浆活动，是观测海底热液活动以及对海水的影响的理想地带。
⒊ 海洋生物与气候
温哥华岛的西南岸外，是上升流造成生物特别繁茂的海区，在太平洋鲑鱼等重要经济鱼类生命环节中起着关键作用，这里对于陆坡和陆架转折区的长期水柱观测，将能揭示气候变化的反应及其对生物变化的影响。
⒋ 深海生态系统
海底观测将能研究深海海底和水层中的生物群落，能量和营养物质的循环途径，生态系统的演变，以及生物对于大风暴、ENSO、太平洋年代际振荡等事件的响应。研究胡安·德·夫卡洋中脊上热液支撑的海底特殊生态系统对探索生命起源有重大意义。
⒌ 技术创新与数据管理
海底观测系统的运行维护，必然带来一系列的技术新挑战，如水下设备的生物淤积和腐蚀；不断产生的海量数据，更是面临着如何管理和服务的问题，包括从图像识别到可视化的种种命题。
在上述基础上，NEPTUNE-Canada的具体科学命题有：板块动力学，气候和温室气体循环，海洋生产力，海洋哺乳类和渔类资源，非再生海洋资源，突发事件和灾害。
图２NEPTUNE-Canada海底观测网的缆线网、海底节点以及陆地实验室
三、独特的组网结构
围绕深海前沿的科学目标，NEPTUNE-Canada设计和布设了独特的组网结构实施观测，观测范围为水下17～2660ｍ。整套观测系统以800km海底光纤电缆为主干，电缆从温哥华岛西岸出发，穿过大陆架进入深海平原，向外延伸到大洋中脊的扩张中心，最终形成一个回路，用以传输高达10KV、60KV的能量和每秒100亿字节（10GB）的大量数据；电缆按环形回路铺设，能量和数据可以双向传输，大大增加了传输的安全性。整套观测网络现有五大海底节点（node）（图２）。通过海底节点，可以将电缆传输来的高压电进行降压，提供给水下接驳盒（junctionbox）使用。每个节点周围可连有数个接驳盒。水下接驳盒则通过分支光电缆与观测仪器和传感器相连。整个系统现有100多个仪器和传感器连接在这些水下接驳盒之上，进行连续的水下观测，并实时将观测数据传向陆上实验室和互联网。
观测网现有的5个海底节点是Folger Passage、Barkiey Canyon、Endeavour、ODP889、ODP1027，另有计划增加１个新的节点（Middle Valley）。每个水下节点重13t，仅黄色的框架外壳就达到了6.5t，可以保护内部的仪器设备不受渔船拖网等的损伤。
在5个节点中，Folger Passage节点最浅，水深不过100ｍ，位于大陆边缘、靠近Barkiey海湾，观测的重点是生产力的控制因素，评价各类海洋过程对鱼类等海洋生物的影响。其次是Barkiey Canyon节点，水深650ｍ，目的是研究陆架／陆坡系统的营养状况和海底峡谷沉积物搬运，同时还对天然气水合物的活动情况进行监测。Endeavour节点位于胡安·德·夫卡板块和太平洋板块交界的洋中脊，水深2310m，这里是新洋壳形成的地方，是观测海底火山和地震的绝佳场所。另外２个站都是大洋钻探的井位所在，ODP889节点位于大陆坡中部，水深1260m，有丰富的天然气水合物，主要观测地震和地质滑坡对天然气水合物分布的影响；ODP1027节点位于胡安·德·夫卡板块中部，水深2660m，这里在ODP钻孔安有CORK装置，用来观测海底之下数百米内地壳的温度和压力变化，以及对地震、热液对流和板块拉张的响应。
图３NEPTUNE-Canada海底观测网的技术设施
四、新意盎然的技术设施
如上所述，NEPTUNE-Canada观测网由主干缆线分叉，连接的５个节点组成，每个节点连接一个或几个接驳盒，再有接驳盒直接与观测仪器和传感器相连。
所有节点都自带一套标准仪器，包括地震仪，压力仪等。通过接驳盒连接的仪器则是各种各样，其中特别值得提出的是装载传感器的平台，既有固定的、又有活动性平台。固定平台没有特别需要介绍的（图3A），而活动平台很有讲究，尤其是“遥控水下爬行器”（图3B）和“垂向剖面仪”（图3C）值得注意。遥控水下爬行器用于Barkiey峡谷的天然气水合物观测，装有履带可以做各个方向的运动，能够摄像和测量海底温度、盐度、甲烷含量等，安装了浮块使其重量从地面的275kg减到水下的45kg，由德国不莱梅Jacob大学制造。最近爬行器上又增加了新探头：沉积微剖面仪，把一根比头发还细的传感器插进海底沉积层里。
垂向剖面仪（VPS）是挂在着底的锚系上靠上下移动对水柱进行观测的设备。NEPTUNE-Canada在Barkiey Canyon节点上设计了这种活动平台，在水深396m处，装有绞车的海底装置上系有缆绳连接海面的浮标，垂向剖面仪集成了10种不同的观测设备和仪器，在海底之上近400m的范围内上下移动，观测水柱的温度、盐度、溶解氧、营养盐、洋流以及浮游生物、鱼类活动等。
NEPTUNE-Canada的垂向剖面仪是个极为先进的设备，由日本NGK制作运到加拿大，于2009年8月安装后发现剖面仪只上不下，不能回到平台底部。2010年5月收回修理，9月再度投放，却又因为接触问题再度失败，至今尚未到位。这个例子很好地说明了深海技术的风险与难度。不过NEPTUNE-Canada绝大部分仪器还都是成功的，2010年9月29日，由美国华盛顿大学和罗格斯大学联合研制的“联网观测喷口成像系统”（COVIS）安装在Endeavour节点的海底进行观测（图３Ｄ）。COVIS是利用声纳在热液喷口获取海底热液活动的声学图像，观测的时间尺度从数小时到数周、数月、数年，可以研究热液对海洋潮汐、火山和构造活动的响应，进而了解其间的相互联系，是研究深海热液的又一新武器。
五、管理运行形式
NEPTUNE-Canada的成功原因首先在于有宏伟、明确而具体的科学目标。有了既前沿又现实可行的科学方案，就可以吸引多方的资金支持，国家一级有加拿大创新基金、州一级有不列颠哥伦比亚知识发展基金，还有其他政府机构、工业机构、大学等支持的1.4亿加元，作为建设和运行资金。
其次在管理和操作层面，由维多利亚大学负责基金的管理和运作也十分成功，维多利亚大学已经从VENUS近海海底观测网的建设中取得了经验。具体说，NEPTUNE-Canada由加拿大海洋网络负责管理（ONC）。ONC是由加拿大维多利亚大学创办的非盈利性机构，它通过NEPTUNE和VENUS两个观测系统，负责建立和维持加拿大海洋科学和技术的国际联系，并支持核心研究计划和研究成果的应用，主要领域包括：公共政策、经济发展和商业化、公共教育。ONC聘请了Chris Barnes教授作为NEPTUNE-Canada项目的负责人，下设科学管理、工程技术、数据管理和财务管理等4个管理部门，负责NEPTUNE-Canada的运行和管理。
而且，NEPTUNE-Canada是一个开放系统。除了节点自带的标准仪器外，没有其他仪器。它的主要目的是通过提供光电缆这一基础设施，吸引并协调全世界科研单位来安装各自的仪器。采得的数据在网上向全世界供应。从1年前开始运行以来，数百个水下传感器在实时或者近乎实时的向陆地实验室传输观测数据和图像，管理大约60TB／a的数据是一项非常大的挑战。为此，NEPTUNE-Canada专门设立了“数据管理和保存系统”（DMAS）。DMAS由近20人（占NEPTUNE-Canada全职人员的一半）运作，开发了Oceans2.0网页操作系统，在实验室通过网络进行观测数据的传输和管理，以及水下观测仪器的控制。目前，平均每天有900个原始观测数据文件从海底传回，经过压缩后，大约有50GB的数据保存在维多利亚大学，同时，所有的数据在萨斯喀彻温大学进行安全备份。截至目前，已有98个国家的6300多名用户，通过互联网注册和使用了这些数据。
六、结语
从NEPTUNE-Canada的成功，可以学到几方面的经验：
①我国海底建网需要科学和技术紧密结合，科学以技术为基础，技术以科学为指导。
②需要建立先进的管理模式，尤其是要加强国内外的交流合作。
③要抓紧培养我国的深海技术人员，进行深海观测设备、仪器的研制和工程技术经验的积累。
■致谢：感谢同济大学汪品先教授为本文所提的意见和修改，以及加拿大维多利亚大学Chris Barnes教授等人提供的翔实资料。加拿大维多利亚大学王克林教授对文稿提出了宝贵的修改意见，在此一并致谢。
■作者：李建如，许惠平，同济大学海洋地质国家重点实验室。李建如，男，1978年出生，江苏南通人，讲师，主要从事古海洋和海底观测研究。文章来自《地球科学进展》，版权归原作者所有。