海洋领域前沿科学和工程技术十大难题发布(3)

海底多圈层相互作用与板块俯冲

地球是唯一有海洋、有板块运动的类地行星，但是海底多圈层相互作用与板块构造之间的内在联系一直不清楚。传统的物理海洋学研究将海水与固体(流固)界面视为一个刚性的绝热界面。然而，实际中高度复杂的流固界面并不满足上述假定。一方面，深层海水不断沿裂隙下渗到岩石圈中并导致其发生蚀变、变质，蚀变岩石圈含水量可达6%-13%，地球内部有约3-10个海洋的水，被认为是“海底下的海洋”，是重要的海水储库;另一方面，火山、热液和冷泉将板块内部的物质能量输送给海洋，地热也将地球深部的能量传递到深层海水。上述过程对深层海洋存在明显的物质和能量强迫作用。来自地球深部的物质能量经海洋环流和湍流输运到各个海域，并最终通过海底裂隙重新回到板块内部，形成一个跨海盆、跨尺度、跨圈层的物质能量循环系统。此外，洋壳的年龄与海水深度呈正相关，全球洋壳平均年龄对海平面的影响巨大。相关科学问题有:海水与岩石圈相互作用的机制及其对大洋环流有什么影响?进入地球内部的水如何影响板块俯冲的起始和板块运动?大规模板块俯冲在海洋物质能量循环中扮演什么样的角色?其中，海底跨界面的物质能量交换与板块俯冲启动机制是有待回答的重大科学问题。

深海战略性矿产资源

深海海洋中蕴藏着丰富的多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、稀土等矿产资源，主要集中在太平洋、印度洋和大西洋的海底，资源量巨大，含有稀有的重要战略性资源和贵金属，这些矿产尚处于资源勘探和开发技术前期准备阶段。当今世界各国正在加紧争夺深海矿产资源勘探开发的主导权和优先权，推动深海矿产资源勘探开发的理论、技术、工程创新，破解多圈层相互作用、深部过程与成矿等重大基础科学问题，攻克勘查开采技术装备体系，是保障国家能源资源安全重大战略的急迫需求。目前，深海多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、稀土等矿产勘探程度低、成矿规律认识不清，深海矿产的采矿、集矿、扬矿、选矿以及水下作业系统等技术装备需要尽快突破，深海矿产勘探开发的环境影响评价和开采安全保障还需要持续攻关。深海战略性矿产资源的成矿机理认识、资源精细勘查、资源量精确评估、绿色高效开发技术等问题是未来重要的科技方向。

变化中的极地海洋

进入本世纪以来，随着全球变暖和人类活动急剧增加，导致极地海区气候环境发生快速变化:极地海洋的增暖超出全球的平均水平，是全球变化的放大器;北极海冰的厚度与范围快速降低，南极冰架持续的崩解，是对气候变化最敏感的指示器。极地海洋的快速变暖和酸化，使得极地海区生态系统正受到严重威胁，并对全球环境和气候产生影响。一方面极地海洋的快速变化将导致全球水循环格局的改变，引发水资源分布变化、海平面上升等一系列重大问题;另一方面极地海洋环境与气候的变化改变了全球能量和质量分布格局，导致全球天气、气候不稳定性增加，引发区域和全球天气、气候灾害风险加剧。因此极地海洋快速变化已经引起国际政治家、经济圈、科学界和社会公众的高度关注，并成为国际政治和科学的核心议题之一。

但是相比其他大洋，极地海区是目前我们了解最少的海区，且由于其特殊的环境，主要存在科学问题包括极地冰盖不稳定性和海平面变化;北冰洋海冰快速融合及其气候效应;

南大洋环流变化及其全球效应;极地生态系统的敏感性与脆弱性;两极冰盖变化对亚太及全球多尺度气候变化的调控;

气候变化影响下的极地新兴生态环境问题。要想解决上述科学问题，需要加强极地海洋的观探测技术，结合新能源、新材料、无人智能冰下航行器、卫星遥感等技术进步，保障对极区的考察和其他海上活动，支撑未来极区海洋开发利用。

大型深海工程安全保障

大型深海工程结构是海洋资源与能源开发利用的重要工程装备，通常包括水面大型浮体、超长细比柔性立管及系泊系统等。实际工程中，台风、大浪、海流等海洋动力环境恶劣，平台系统结构复杂、庞大，海床土体非线性、流固耦合及几何大变形等问题突出，构成动力环境-结构-海床土体之间多尺度多过程耦合作用的复杂系统。然而，目前对深海平台系统的耦合作用机理仍然缺乏足够的科学认识，工程设计水平不足，安全运行保障技术滞后。建立极端动力环境下超长重现期动力环境设计标准，发展科学高效的平台系统整体耦合动力分析方法，揭示整体结构损伤演化规律和耦合失效模式，是海洋资源开发与海洋工程发展的核心问题。

文章来源：《农业工程技术》 网址: http://www.gcjszzs.cn/zonghexinwen/2020/1023/1265.html