【編者按：2011～2012年，海洋六號船採用EM122多波束測深系統在馬裡亞納海溝最深海域「挑戰者深淵」進行的多波束水深測量，通過對測深資料進行分析處理，獲得了高精度海底地形圖，揭示了馬裡亞納海溝挑戰者深淵附近海底地形呈近東西向延伸，有西部、中部和東部三個窪地，它們由10800m等深線圈閉，長軸方向與海溝方向一致。窪地底部水深大於10900m，地形較為平坦。三個窪地最深區域分別由10916m、10904m和10915m等深線圈閉。三個窪地最大水深為10917m(誤差小於20m)，位於西部窪地內，中心位置為142°12.14′E，11°19.92′N。該處也是馬裡亞納海溝最深點。本文發表在《海洋測繪》2013年第5期上，現編發給朋友們閱讀了解。考慮到排版關係，參考文獻索引略。劉方蘭，男，1967出生，湖南衡陽人，教授級高級工程師，碩士，廣州海洋地質調查局，主要從事海洋地質地球物理勘查技術方法研究。】
文/劉方蘭 楊勝雄 鄧希光 曲佳
一、前言
馬裡亞納海溝是太平洋板塊自東向西俯衝於菲律賓板塊之下形成的一條向東弧形凸出，近南北向延伸的深溝，其北起硫黃列島、西南至雅浦島附近，全長2550km，平均寬70km，大部分水深在8000m以上。馬裡亞納海溝南段，大約距離關島西南約200km，該處海溝近東西向延伸，最大水深超過10000m，它同時也是地球上最深的地方，號稱「挑戰者深淵」(Challenger deep)。由於其深度大，常規的測深設備很難準確查明其地形特點與最大水深，但隨著測深技術的提高，測量精度也不斷提高，各種對「挑戰者深淵」的探測結果逐漸相近。挑戰者深淵最早的水深報導是1951年的挑戰者8號(Chanllenger VIII)船測得的10863m，最深的水深報導是1957年的維迪亞茲( Vitiaz)船測得的11034m。從此之後，對挑戰者深淵進行了多次水深測量，但再也沒有測得水深超過11000m。自從20世紀90年代後，應用多波束測深技術獲取挑戰者深淵區域全覆蓋海底地形資料，並探明該海域存在三個相對較深的窪地，最新的深度報導為10920±5m，位於東部窪地內。另外，也有各種深潛器探測的深度報導，但是這些報導的深度和位置不完全一致。
2011年10月和2012年6月，海洋六號船在執行中國大洋23和大洋27航次期間，對馬裡亞納海溝最大深度海域進行了海底地形探測。本文以馬裡亞納海溝挑戰者深淵附近海域作為研究區域，利用EM122多波束測深系統採集的資料，繪製高精度的海底地形圖，查明挑戰者深淵最大水深及其所處的位置。
二、水深探測與資料處理
⒈ 多波束水深探測
海洋六號船分別於2011年、2012年兩次對馬裡亞納海溝進行海底地形測量，使用的測深設備是EM122多波束測深系統。該系統的工作頻率12kHz，適用於全海洋深度水深測量，波束寬度1°×1°，最大條幅開角150°，最大測量條幅寬度超過30km。該系統配備了高性能的外部設備，Octans4型光纖運動傳感器為系統提供艏向、縱傾偏角、橫搖偏角、升沉起伏高度等參數，星站差分GPS直接為系統提供定位數據(精度優於375px)與時間同步(1PPS)，SeaPath200系統提供加三維加速度信息，在船底探頭處安裝有提供實時表層聲速的聲速計，全深度聲速剖面則由聲速計(Veport Midas)和溫鹽深系統(SBE 9plus)實測提供。根據EM122多波束系統的技術性能，在良好的數據採集條件下，中心波束(0°～45°)範圍內測量精度可達水深的0.2%，外圍波束精度為水深的0.6%。在10000m處，中央波束水深測量誤差為±20m。
2011年10月，海洋六號船首次對馬裡亞納海溝進行走航測量，航速12kn，條幅開角120°，測線沿海溝方向布設，但航跡未在海溝中軸線上。通過本次測量，初步查明了研究區及海溝的地形特徵。2012年6月，海洋六號第二次對馬裡亞納海溝進行了測量，這次測量在第一次測量的基礎上，有針對性地進行了測線布設和測量參數的調整，共布設16條測線。測線平行海溝長軸方向，通過海溝中心或從中心附近通過，保證多波束探測時，以高精度、小角度波束獲取水深值。另外，在西部、中部和東部水深相對較大的窪地區，均布設了相交測線，從不同方向對海溝最大水深區進行測量。測量時船速為6～8kn，波束開角40°，採用雙條幅工作模式，數據點分布為高密度等距方式。測量過程中採用實時表層聲速校正，全深度聲速剖面採集於海溝中心附近海域。在這次多波束測量中，成功實現對超過10000m水深區域的探測，特別是在馬裡亞納海溝挑戰者深淵處，精確測得其最大水深介於10910～10920m之間，這是我國調查船首次在馬裡亞納海溝探測的最大深度。
⒉ 資料處理與地形特徵
資料採集後使用Caris Hips軟體對數據進行了處理，主要是對波束數據進行濾波，刪除誤差較大的數據點。對海溝中心比較平坦區域處理後的水深數據進行了統計，相對誤差(標準差)為水深的0.1%。Caris處理後輸出離散深度值，利用GMT和Surfer進行網格化處理。區域內數據點密度較大，平均間距約為20m(以最深區域統計，平均每350m2範圍內即有一個有效數據點)，成果地形圖最小網格間距為40m×40m。
圖1是馬裡亞納海溝挑戰者深淵海域地形圖，海溝在區內呈近東西向延，在中心海溝區，有三個相對較深的窪地，由10800m等深線圈閉。它們的中軸方向與海溝中軸方向一致，但不同等深線圈閉範圍和特點略有差異。
西部窪地(見圖2)水深10800m等深線圈閉範圍為11.3km×2.0km，呈長卵型，水深大於10900m中央區域地形非常平坦。在窪地中央，等深線10916m圈閉區(W)範圍只有210m×180m，中心點位置為:142°12.14′E，11°19.92′N。中部窪地等深線10800m圈閉區呈84°方向延伸，長約20km。10850m等深線圈閉區相對10800m圈閉區範圍大大縮小，東西向只有6.5km。水深10900m圈閉範圍只有2.5km×0.3km，10904m等深線圈閉區只有330m×205m。
東部窪地(見圖3)10800m等深線圈閉區形似張口向西的「魚嘴」，10900m等深線圈閉區猶如「魚嘴」的腮部。窪地底部深度大於10900m，其範圍約3.5km(東西向)×1.5km(南北向)，地形平坦。東部窪地內最深等深線為10915m，圈閉區(E)範圍約210m×190m，中心點位置為:142°35.3′E，11°22.2′N。
三、挑戰者深淵水深最深點的確定
研究區內三個窪地最深處水深大於10900m，中部窪地最大等深線只有10904m，而且範圍較小，因此，最大水深點肯定不在中部窪地內，而應位於西部窪地或東部窪地，但具體位置和深度值需通過綜合分析判斷。
⒈ 實時測量觀測
通過西部窪地的多波束測線共五條，其中一測線自西向東穿過窪地中心，數據質量良好，在窪地最深處，多次顯示測得10914～10917m的水深值。有兩條測線中心波束和邊沿波束對東部窪地進行了測量，其中從東部窪地中心通過的測線，多次顯示測量值為10910～10916m，且數據質量較高，但測線邊沿波束測得東部窪地則有多個點水深超過10920m，只是數據一致性不好，誤差相對較大，僅作參考。
⒉ 水深數據分析
由於多波束水深測量海底面積解析度最大為一個波束腳印，10000m水深區域波束腳印約為200m×200m。這樣，西部、東部兩個窪地最大的等深線圈閉區大小與一個波束腳印範圍相當。最大水深值位置理論上應該位於最大等深線圈閉區(大約一個波束腳印)的中心。為了獲取兩個窪地的最大深度，須分別對這兩個圈閉區內所有水深測量值進行了數據統計分析。
在西、東部窪地最大等深線圈閉區內分別有134個和113個有效測深值，圖4、圖5分別是西部窪地最大等深線圈閉區(W)內水深點的分布情況以及水深數據直方統計圖。圈閉區W內水深數據點的平均間距為25m，大部分水深值在10912～10920m之間，其中水深值介於10915～10919m之間的水深數據點佔75%。全部數據點平均水深10917m，直方圖呈正態分布，峰度為2.6，標準差為3m。這樣，西部窪地最大水深的測量值應為10917m。利用同樣的方法對東部窪地最大等深線(10915m) 圈閉區內的數據進行分析，平均水深10916m，且測量值呈非正態分布，其中，水深10911～10912m、10916～10 917m之間的測量值居多。東部窪地最大水深測量值為10916m。
⒊ 討論分析
通過對西部和東部兩個窪地多波束水深測量觀察，結合水深數據的統計分析，雖然兩個窪地最大水深非常接近，但西部窪地比東部窪地平均水深大1m，而且最大水深值點相對集中，呈正態分布，因此，最大水深點應該位於西部窪地，水深值為10917m，其中心位置為142°12. 14′E，11°19.92′N。另外，根據EM122多波束系統測量精度指標，中央波束測量精度為0.2%，本次實測精度檢驗結果顯示相對精度達到水深的0.1%，因此，進行挑戰者深淵水深測量的誤差應小於20m。
四、結束語
2011年、2012年，我國調查船海洋六號船採用EM122多波束系統，成功實現對馬裡亞納海溝挑戰者深淵海域進行了水深探測，並得到以下結論。
(1)馬裡亞納海溝挑戰者深淵附近有三個窪地，自西向東分別為西部窪地、中部窪地、東部窪地，它們都由10800m等深線圈閉，長軸方向與海溝方向一致。窪地底部水深大於10900m，地形較為平坦。三個窪地最深區域分別由10916m、10904m和10915m等深線圈閉。
(2)挑戰者深淵最深處位於西部窪地內，深度為10917m(誤差小於20m)，中心位置為142°12.2′E，11°19.9′N。該處也是馬裡亞納海溝最深點。
致謝:特別感謝海洋六號船孫雁鳴船長以及參加中國大洋第23航次、第27航次的全體參航人員。