發布時間：2022-02-13所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：深海沉積物作為一種重要的深海環境變化記錄載體，是海洋學尤其是深海研究必不可少的基礎研究資料。因此如何獲得超長、連續、無擾動的沉積物柱狀樣品是深入開展深�？茖W研究的關鍵技術環節，也是我國在深海研究國際競爭中取得優勢的主要技術瓶頸之一。通過綜述國
摘 要：深海沉積物作為一種重要的深海環境變化記錄載體，是海洋學尤其是深海研究必不可少的基礎研究資料。因此如何獲得超長、連續、無擾動的沉積物柱狀樣品是深入開展深�？茖W研究的關鍵技術環節，也是我國在深海研究國際競爭中取得優勢的主要技術瓶頸之一。通過綜述國內外深海超長沉積物取樣系統的研究進展，發現當今通用的沉積物取樣系統存在諸多技術問題，從而不可避免地對沉積物產生擾動、壓縮、斷層等破壞。基于深海取樣系統研制的國內外發展動態，提出了一種新的結合普通重力取樣器對淺表沉積物樣品無擾動取樣和重力活塞取樣器獲取超長沉積物的混合型超長沉積物取樣系統的設計構想。
關鍵詞：深海;沉積物;取樣
深海沉積物作為一種重要的深海環境變化記錄載體，是全球氣候變化的海洋記錄、古海洋學、古地磁學、碳循環及海洋儲碳、海洋沉積過程和構造演化，海底深部微生物生命過程、軍事海洋學、海底礦產資源勘探、深海海洋工程地質勘察的重要基礎性研究材料。因此，如何獲得深海沉積物，尤其是超長、連續、無擾動的沉積物柱狀樣品，是深入開展深�？茖W研究必不可少的重要環節，也是我國在深海研究國際競爭中取得優勢的主要技術瓶頸之一。
但是，當今國際通用的深海沉積物取 樣 技 術都不可避免地對沉積物產生擾動、壓縮、斷層等破壞，海洋學家卻不得不使用這些“二手”的沉積物資料去辨認解釋“一手”的地層特征。海洋學家迫切需要獲取原位(insitu)結構和尺寸的沉積物樣品，其中原位結構可有助于保存地層的完整性和分辨率，而原位尺寸是研究深海物質運移和沉積過程的關鍵。因此，海洋學界，尤其是深海海洋學研究亟需開發一種超長、連續、低擾動深海沉積物取樣技術。
結合國際海洋/深�？茖W研究 對 沉 積 物 樣 品的科學需求，通過綜述現有國內外深海沉積物取樣系統的研究進展，分析了現有取樣系統存在的諸多技術問題，并提出了相應的解決方案。
1 深海沉積物取樣技術的國內外研究現狀分析
在20世紀70年代以前，深海沉積物樣品一般是通過不帶活塞的簡單重力取樣器獲取[1-3]。這種簡單重力取樣器的頂端一般會安裝一個單向球閥，用于在樣品回收過程中保持樣品在取樣管中不掉落。此類取樣器在深海軟泥區一般可以獲取5～6m 的沉積物樣品[4]，由于取樣過程中沉積物一般會受到擠壓扭曲或斷裂破壞，因此樣品質量較差，回收率(實際樣品回收長度與取樣器貫入實際長度的比值)一般低于70%。
由于海洋學家對超長、無擾動沉積物 樣 品 的 科學需求，Kullenberg[5，6]提出了重力活塞式取樣器的設計 原 理。這 種 Kullenberg式 重 力 活 塞 取樣設備被認為是簡單重力取樣器的一大進展，也是當今世界上使用范圍最廣的深海沉積物取樣裝置。此類裝置的代表產品有美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研制的 GiantPistonCorer(GPC)、JumboPistonCorer(JPC)和 LongCoring，以及法國 FrenchInstituteforAustralResearchandTechnology(IFRTP)研 究 所 研 制 的 CALYPSOcorer(現 為 法 國InstitutPolaireFrancaisPaul-EmileVictor(IPEV)研 究 所 擁 有，母 船 為 RVMarionDufresne)，其 中 CALYPSO 取 樣 器 作 為當今世界上取樣長度最長的取樣裝置(圖1)，自20世 紀90年 代 開 始 用 于 世 界 各 大 洋 的 沉 積 物柱狀樣品獲取，曾 經 獲 取 過64.5m 的 超 長 深 海沉積樣品，但其 系 統 最 大 自 重 也 超 過 了10t，需使用特 殊 的 零 浮 力 纜 繩 作 為 主 纜。因 此，這 些Kullenberg式超 長 重 力 活 塞 取 樣 器 都 需 要 對 母船的后甲 板、收放絞車和收放 纜進行特殊設計和改造。
Kullenberg式重力活塞取樣系統的工作原理本質上和簡單重力式取樣器基本相同，都是從距離海底一定高度的地方自由下落，依靠自身下落過程中積攢的動能貫入沉積物中。由于其下端連接有一個活塞機構，在下落過程中活塞會停止在海水/沉積物界面處。這個活塞機構一般 會 通 過直接與主纜相連或者通過一根單獨的活塞纜與船上布放的主纜相連[7]。但是不論 哪 種 聯 接 方 式，由于母船的運動都會通過主纜傳遞給活塞，因此活塞的位置都只能保持相對固定。
美國的 WHOI海洋研究所 從20世 紀70年代開始 設 計 Kullenberg 式 重 力 活 塞 取 樣 系 統。GPC系統作為最初的原理樣機于1973年由 Hol-lister等[8]設計完成，并于1974年 進 行 了 一 些 改進，用于Silva等[9-11]對海洋沉積物巖土力學性質的相關研究工作。
隨后，WHOI研究所的科研人員對 GPC 系統的取樣管外徑尺寸、取樣器刀頭和自由下落觸發機構等進行了多次改造升級，雖然在這些改造升級中并沒有提出樣品內襯管的設計理念，但是在取樣管的內壁已經開始噴涂泰夫龍材料用于降低沉積物在管內運移過程中的摩擦阻力。這些改進的核心問題多集中在活塞機構對沉積物樣品擾動的抑制方 面，Driscoll[12]和 Weaver[7]提 出 使 用一種類似降落傘的緩沖機構，用于減輕主纜的彈性形變對活塞的沖擊;Driscoll[12，13]更是設計了一套復雜的活塞控制系統，用于控制活塞在取樣管內部的運動狀態，防止其對樣品產生壓縮和伸長等擾動。這些機構的設計與實現雖然在一定程度上減輕了活 塞 對 樣 品 的 擾 動，但 是，Silva[14，15]的研究發現，GPC系統 獲 取 的 表 層0～2m 的 沉 積物樣品還是會被錯位的活塞所擾動，因此，認為簡單的重力取樣系統在獲取海水/沉積物界面附近樣品時具有較大優勢，而對使用 GPC系統獲取的淺表沉積物樣品必須檢查其樣品的連續性和層序性。
JPC系統是在 GPC 系統的基礎上設 計 完 成的，其本質就是一個輕型的 GPC 系統，而 最 大 的改進在于JPC 系統在取樣管內部添加了一個內襯管，并且把取樣器外徑變成了102mm[14-18]。
由于 GPC系統較重的載荷和母船 RVKnorr的收放系統纜繩承載限制，GPC系統最終還是丟失在 深 海 大 洋 中。美 國 WHOI海 洋 研 究 所 從1999年 開 始 為 RV Knorr研 制 新 的 “LongCo-ring”沉積物 取 樣 系 統，并 于 2007 年 完 成 了 第 1次海試[19]。“LongCoring”系統的設計取樣深度可達到 46 m，在 2007 年 的 第 1 次 海 試 過 程 中， “LongCoring”在 BermudaRise海域獲取了7個長度為26～38m 不 等 的 沉 積 物 樣 品，樣 品 回 收率達到了85%～89%。
作為當今世界上最先進的深海沉積物取樣系統，美國“LongCoring”系統在取樣原理上還是遵從 Kullenberg式重力活塞取樣系統設計，也是通過在簡單的重力取樣器內部增加一個與主纜直接相連的活塞來提高取樣深度和樣品回收率，但是在自由下落過程的觸發方式上脫離了傳統“失衡定高桿釋放裝 置”的 觸 底 觸 發，而 是 通 過 在 取 樣器的上端安裝一套深海聲學數據傳輸系統，通過這套系統上安裝的聲學高度計實時測量取樣器距海底高度，最終由甲板控制系統完成觸發自由下落部分的操作。
整套“LongCoring”系 統 造 價 超 過500萬 美元，系統設計重量達到11.3t，總長度達到50m，而母船 RV Knorr的船長只有85m，不能滿足系統的收放基本要求，因此對 RV Knorr的船體 進行了大量的結構改造，增加了后甲板的強度和可操作面積、專用零浮力纜、收放絞車和導纜槽、并對側舷加裝水平收放裝置。圖2為改造后的系統收放裝置的主要組成部分，包括一個新定制的 A型架，該 A 型架裝有專用載荷收放絞車和垂直纜繩收放機構(圖2a，c);在船尾裝有一個專用機構用于將取樣器從側舷安裝位置轉移到船尾的布放位置(圖2a);一個新的定制絞車用于布放與回收長度 為 7500 m 的 Vectran—Plasma 纜 繩 (圖2b)，該纜繩具有零浮力、低彈性模量和高拉斷強度的突出優點，直徑為2ft，拉斷強度達到了360klb;3個專用絞車用于將取樣器在水平安裝位置和垂直布放位置之間的轉換作業(圖2d)[19]。
我國從20世紀70年代開始研制沉積物取樣設備。在吸收當時國外已有簡單重力取樣器設計原理的基礎上，1988年中國科學院海洋研究所張君元、宋歡齡等[20]研制了一種安全重力活塞取樣器，采用氣缸活塞式安全銷和緩沖器總成，有效地解決了因取樣器主體突然脫鉤或在松散沉積物采心時容易掙斷鋼纜而導致重力活塞取樣器丟失的問題。在國家863計劃支持下，1996年國家海洋局第一海 洋 研 究 所 開 展 了 重 力 活 塞 取 樣 器 的 研制，2001年浙江大學開展了深海沉積物保真取樣系統的研制工作。到目前為止，國內鮮有取樣深度>10m 的成型設備。
2 深海沉積物取樣系統存在的主要技術問題
縱觀 國 內 外 深 海 沉 積 物 樣 品 的 取 樣 技 術 發展，不難發現，20世紀70年代是深海沉積物取樣器發展的一個輝煌時期，最具代表性的就是美國伍茲霍 爾 海 洋 研 究 所 (WHOI)的 Charley Hol-lister等，在20世紀70年代于東北太平洋海域獲取了一個具6500萬a歷史的超長 沉 積 物 樣 品。但是隨著海洋探測技術的發展，尤其是國際綜合大洋鉆探計 劃IODP/ODP 等通過鉆探手段獲取超長巖心能力的提升，由于重力活塞式取樣系統存在樣品擾動、取樣系統過于龐大等自身缺陷，慢慢地被邊緣化，只有法國的 CALYPSO 系統還堅持在全球各地的大洋深處從事取樣工作。
近年來，隨著全球氣候變化、天然氣水合物、海洋酸化等重大的科學問題研究對深海連續、無擾動沉積物樣品需求的增加，以美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)為代表的 國 際 海 洋 研 究 機 構，在21世紀初開始重啟深海超長沉積物取樣系統的研制工作，最具代表性的就是上面提到的美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)斥資500萬美元研制的“LongCoring”沉 積 物 取 樣 系 統。但 是 在 取樣原理上 還 是 沒 有 逃 脫 Kullenberg式 重 力 活 塞取樣系統基本概念，只是通過簡單的增加取樣器的自身重量(從最初的1～2t，到現在的普遍>10t)的方式來提高取樣器的 瞬 時 沖 擊 力，從 而 增 加取樣深度。這樣就會很容易出現取樣器在深海作業 過 程 中 產 生 彎 曲、折 斷 甚 至 丟 失 等 事 故 (圖3)[21]。
雖然 Kullenberg式重力活塞取樣系統是 當今取樣長度最大的沉積物取樣系統，但是活塞機構 自身卻存在著諸多問題[7，22，23]。取樣器在灌入沉積物時如果活塞未處于沉積物/海水界面、灌入過程中活塞產生無序運動、取樣器回收過程中由于主纜的彈性模量導致的活塞在取樣管內的相對快速上移產生的局部真空吸力都會導致樣品產生擾動、壓縮或者延伸等形變[7]。樣 品 被 壓 縮 會 導致回收樣品長度小于取樣器貫入深度，一般 Kul- lenberg式重力活塞取樣系統的樣品回收率只能達到70%;樣品 也 有 可 能 被 拉 伸，從 而 導 致 回 收樣品長度超過取樣器貫入深度，這樣會導致淺表層樣品的丟失，沉積層的層序混亂，以及底層沉積物樣品的無序吸入等樣品擾動現象。
3 新一代深海沉積物取樣系統設計展望
對于簡單的重力式取樣器，由于不存在活塞的無規則運動和取樣管上端排水過程導致的沉積物擾動現象，因此，不帶活塞的簡單重力取樣器是當今獲取海水/沉積物界面附近無擾動樣品的最佳手段[18]。Skinner和 McCave[23]的相關研究指出，在沒有真正的無反沖力的固定活塞取樣器的情況 下，使用大口徑的簡單重力取樣器獲取0～10m的沉積 物 樣 品，然后使用重力活塞式取樣器獲取深于10m 的沉積物樣品是最佳的一種深海沉積物柱狀樣品取樣方式。
但是，在實際的深海取樣作業過程中，由于受到船舶自身定位能力，深層海流場和取樣器水下定位等技術條件限制，不可能對同一個取樣點不同深度的沉積物樣品采用兩種不同取樣設備獲取。因此，亟需開發一種可以結合普通重力取樣器對淺表沉積物樣品無擾動和重力活塞取樣器獲取超長沉積物的混合型超長沉積物取樣系統。——論文作者：張 鑫，欒振東，閻 軍，陳長安參考文獻：
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