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摘 要： 摘 要：深海沉積物作為一種重要的深海環(huán)境變化記錄載體，是海洋學(xué)尤其是深海研究必不可少的基礎(chǔ)研究資料。因此如何獲得超長(zhǎng)、連續(xù)、無(wú)擾動(dòng)的沉積物柱狀樣品是深入開展深海科學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，也是我國(guó)在深海研究國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)的主要技術(shù)瓶頸之一。通過(guò)綜述國(guó)
摘 要：深海沉積物作為一種重要的深海環(huán)境變化記錄載體，是海洋學(xué)尤其是深海研究必不可少的基礎(chǔ)研究資料。因此如何獲得超長(zhǎng)、連續(xù)、無(wú)擾動(dòng)的沉積物柱狀樣品是深入開展深海科學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，也是我國(guó)在深海研究國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)的主要技術(shù)瓶頸之一。通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外深海超長(zhǎng)沉積物取樣系統(tǒng)的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)當(dāng)今通用的沉積物取樣系統(tǒng)存在諸多技術(shù)問(wèn)題，從而不可避免地對(duì)沉積物產(chǎn)生擾動(dòng)、壓縮、斷層等破壞。基于深海取樣系統(tǒng)研制的國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)，提出了一種新的結(jié)合普通重力取樣器對(duì)淺表沉積物樣品無(wú)擾動(dòng)取樣和重力活塞取樣器獲取超長(zhǎng)沉積物的混合型超長(zhǎng)沉積物取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。
關(guān)鍵詞：深海;沉積物;取樣
深海沉積物作為一種重要的深海環(huán)境變化記錄載體，是全球氣候變化的海洋記錄、古海洋學(xué)、古地磁學(xué)、碳循環(huán)及海洋儲(chǔ)碳、海洋沉積過(guò)程和構(gòu)造演化，海底深部微生物生命過(guò)程、軍事海洋學(xué)、海底礦產(chǎn)資源勘探、深海海洋工程地質(zhì)勘察的重要基礎(chǔ)性研究材料。因此，如何獲得深海沉積物，尤其是超長(zhǎng)、連續(xù)、無(wú)擾動(dòng)的沉積物柱狀樣品，是深入開展深海科學(xué)研究必不可少的重要環(huán)節(jié)，也是我國(guó)在深海研究國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)的主要技術(shù)瓶頸之一。
但是，當(dāng)今國(guó)際通用的深海沉積物取 樣 技 術(shù)都不可避免地對(duì)沉積物產(chǎn)生擾動(dòng)、壓縮、斷層等破壞，海洋學(xué)家卻不得不使用這些“二手”的沉積物資料去辨認(rèn)解釋“一手”的地層特征。海洋學(xué)家迫切需要獲取原位(insitu)結(jié)構(gòu)和尺寸的沉積物樣品，其中原位結(jié)構(gòu)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(zhì)運(yùn)移和沉積過(guò)程的關(guān)鍵。因此，海洋學(xué)界，尤其是深海海洋學(xué)研究亟需開發(fā)一種超長(zhǎng)、連續(xù)、低擾動(dòng)深海沉積物取樣技術(shù)。
結(jié)合國(guó)際海洋/深海科學(xué)研究 對(duì) 沉 積 物 樣 品的科學(xué)需求，通過(guò)綜述現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外深海沉積物取樣系統(tǒng)的研究進(jìn)展，分析了現(xiàn)有取樣系統(tǒng)存在的諸多技術(shù)問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方案。
1 深海沉積物取樣技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
在20世紀(jì)70年代以前，深海沉積物樣品一般是通過(guò)不帶活塞的簡(jiǎn)單重力取樣器獲取[1-3]。這種簡(jiǎn)單重力取樣器的頂端一般會(huì)安裝一個(gè)單向球閥，用于在樣品回收過(guò)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(qū)一般可以獲取5～6m 的沉積物樣品[4]，由于取樣過(guò)程中沉積物一般會(huì)受到擠壓扭曲或斷裂破壞，因此樣品質(zhì)量較差，回收率(實(shí)際樣品回收長(zhǎng)度與取樣器貫入實(shí)際長(zhǎng)度的比值)一般低于70%。
由于海洋學(xué)家對(duì)超長(zhǎng)、無(wú)擾動(dòng)沉積物 樣 品 的 科學(xué)需求，Kullenberg[5，6]提出了重力活塞式取樣器的設(shè)計(jì) 原 理。這 種 Kullenberg式 重 力 活 塞 取樣設(shè)備被認(rèn)為是簡(jiǎn)單重力取樣器的一大進(jìn)展，也是當(dāng)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(chǎn)品有美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研制的 GiantPistonCorer(GPC)、JumboPistonCorer(JPC)和 LongCoring，以及法國(guó) FrenchInstituteforAustralResearchandTechnology(IFRTP)研 究 所 研 制 的 CALYPSOcorer(現(xiàn) 為 法 國(guó)InstitutPolaireFrancaisPaul-EmileVictor(IPEV)研 究 所 擁 有，母 船 為 RVMarionDufresne)，其 中 CALYPSO 取 樣 器 作 為當(dāng)今世界上取樣長(zhǎng)度最長(zhǎng)的取樣裝置(圖1)，自20世 紀(jì)90年 代 開 始 用 于 世 界 各 大 洋 的 沉 積 物柱狀樣品獲取，曾 經(jīng) 獲 取 過(guò)64.5m 的 超 長(zhǎng) 深 海沉積樣品，但其 系 統(tǒng) 最 大 自 重 也 超 過(guò) 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(zhǎng) 重 力 活 塞 取 樣 器 都 需 要 對(duì) 母船的后甲 板、收放絞車和收放 纜進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和改造。
Kullenberg式重力活塞取樣系統(tǒng)的工作原理本質(zhì)上和簡(jiǎn)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(guò)程中積攢的動(dòng)能貫入沉積物中。由于其下端連接有一個(gè)活塞機(jī)構(gòu)，在下落過(guò)程中活塞會(huì)停止在海水/沉積物界面處。這個(gè)活塞機(jī)構(gòu)一般 會(huì) 通 過(guò)直接與主纜相連或者通過(guò)一根單獨(dú)的活塞纜與船上布放的主纜相連[7]。但是不論 哪 種 聯(lián) 接 方 式，由于母船的運(yùn)動(dòng)都會(huì)通過(guò)主纜傳遞給活塞，因此活塞的位置都只能保持相對(duì)固定。
美國(guó)的 WHOI海洋研究所 從20世 紀(jì)70年代開始 設(shè) 計(jì) Kullenberg 式 重 力 活 塞 取 樣 系 統(tǒng)。GPC系統(tǒng)作為最初的原理樣機(jī)于1973年由 Hol-lister等[8]設(shè)計(jì)完成，并于1974年 進(jìn) 行 了 一 些 改進(jìn)，用于Silva等[9-11]對(duì)海洋沉積物巖土力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)研究工作。
隨后，WHOI研究所的科研人員對(duì) GPC 系統(tǒng)的取樣管外徑尺寸、取樣器刀頭和自由下落觸發(fā)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了多次改造升級(jí)，雖然在這些改造升級(jí)中并沒有提出樣品內(nèi)襯管的設(shè)計(jì)理念，但是在取樣管的內(nèi)壁已經(jīng)開始噴涂泰夫龍材料用于降低沉積物在管內(nèi)運(yùn)移過(guò)程中的摩擦阻力。這些改進(jìn)的核心問(wèn)題多集中在活塞機(jī)構(gòu)對(duì)沉積物樣品擾動(dòng)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(jī)構(gòu)，用于減輕主纜的彈性形變對(duì)活塞的沖擊;Driscoll[12，13]更是設(shè)計(jì)了一套復(fù)雜的活塞控制系統(tǒng)，用于控制活塞在取樣管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防止其對(duì)樣品產(chǎn)生壓縮和伸長(zhǎng)等擾動(dòng)。這些機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)雖然在一定程度上減輕了活 塞 對(duì) 樣 品 的 擾 動(dòng)，但 是，Silva[14，15]的研究發(fā)現(xiàn)，GPC系統(tǒng) 獲 取 的 表 層0～2m 的 沉 積物樣品還是會(huì)被錯(cuò)位的活塞所擾動(dòng)，因此，認(rèn)為簡(jiǎn)單的重力取樣系統(tǒng)在獲取海水/沉積物界面附近樣品時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)，而對(duì)使用 GPC系統(tǒng)獲取的淺表沉積物樣品必須檢查其樣品的連續(xù)性和層序性。
JPC系統(tǒng)是在 GPC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè) 計(jì) 完 成的，其本質(zhì)就是一個(gè)輕型的 GPC 系統(tǒng)，而 最 大 的改進(jìn)在于JPC 系統(tǒng)在取樣管內(nèi)部添加了一個(gè)內(nèi)襯管，并且把取樣器外徑變成了102mm[14-18]。
由于 GPC系統(tǒng)較重的載荷和母船 RVKnorr的收放系統(tǒng)纜繩承載限制，GPC系統(tǒng)最終還是丟失在 深 海 大 洋 中。美 國(guó) 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(tǒng)，并 于 2007 年 完 成 了 第 1次海試[19]。“LongCoring”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取樣深度可達(dá)到 46 m，在 2007 年 的 第 1 次 海 試 過(guò) 程 中， “LongCoring”在 BermudaRise海域獲取了7個(gè)長(zhǎng)度為26～38m 不 等 的 沉 積 物 樣 品，樣 品 回 收率達(dá)到了85%～89%。
作為當(dāng)今世界上最先進(jìn)的深海沉積物取樣系統(tǒng)，美國(guó)“LongCoring”系統(tǒng)在取樣原理上還是遵從 Kullenberg式重力活塞取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也是通過(guò)在簡(jiǎn)單的重力取樣器內(nèi)部增加一個(gè)與主纜直接相連的活塞來(lái)提高取樣深度和樣品回收率，但是在自由下落過(guò)程的觸發(fā)方式上脫離了傳統(tǒng)“失衡定高桿釋放裝 置”的 觸 底 觸 發(fā)，而 是 通 過(guò) 在 取 樣器的上端安裝一套深海聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過(guò)這套系統(tǒng)上安裝的聲學(xué)高度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量取樣器距海底高度，最終由甲板控制系統(tǒng)完成觸發(fā)自由下落部分的操作。
整套“LongCoring”系 統(tǒng) 造 價(jià) 超 過(guò)500萬(wàn) 美元，系統(tǒng)設(shè)計(jì)重量達(dá)到11.3t，總長(zhǎng)度達(dá)到50m，而母船 RV Knorr的船長(zhǎng)只有85m，不能滿足系統(tǒng)的收放基本要求，因此對(duì) RV Knorr的船體 進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)改造，增加了后甲板的強(qiáng)度和可操作面積、專用零浮力纜、收放絞車和導(dǎo)纜槽、并對(duì)側(cè)舷加裝水平收放裝置。圖2為改造后的系統(tǒng)收放裝置的主要組成部分，包括一個(gè)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(jī)構(gòu)(圖2a，c);在船尾裝有一個(gè)專用機(jī)構(gòu)用于將取樣器從側(cè)舷安裝位置轉(zhuǎn)移到船尾的布放位置(圖2a);一個(gè)新的定制絞車用于布放與回收長(zhǎng)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(qiáng)度的突出優(yōu)點(diǎn)，直徑為2ft，拉斷強(qiáng)度達(dá)到了360klb;3個(gè)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(zhuǎn)換作業(yè)(圖2d)[19]。
我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制沉積物取樣設(shè)備。在吸收當(dāng)時(shí)國(guó)外已有簡(jiǎn)單重力取樣器設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，1988年中國(guó)科學(xué)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(shí)容易掙斷鋼纜而導(dǎo)致重力活塞取樣器丟失的問(wèn)題。在國(guó)家863計(jì)劃支持下，1996年國(guó)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(xué)開展了深海沉積物保真取樣系統(tǒng)的研制工作。到目前為止，國(guó)內(nèi)鮮有取樣深度>10m 的成型設(shè)備。
2 深海沉積物取樣系統(tǒng)存在的主要技術(shù)問(wèn)題
縱觀 國(guó) 內(nèi) 外 深 海 沉 積 物 樣 品 的 取 樣 技 術(shù) 發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)70年代是深海沉積物取樣器發(fā)展的一個(gè)輝煌時(shí)期，最具代表性的就是美國(guó)伍茲霍 爾 海 洋 研 究 所 (WHOI)的 Charley Hol-lister等，在20世紀(jì)70年代于東北太平洋海域獲取了一個(gè)具6500萬(wàn)a歷史的超長(zhǎng) 沉 積 物 樣 品。但是隨著海洋探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是國(guó)際綜合大洋鉆探計(jì) 劃IODP/ODP 等通過(guò)鉆探手段獲取超長(zhǎng)巖心能力的提升，由于重力活塞式取樣系統(tǒng)存在樣品擾動(dòng)、取樣系統(tǒng)過(guò)于龐大等自身缺陷，慢慢地被邊緣化，只有法國(guó)的 CALYPSO 系統(tǒng)還堅(jiān)持在全球各地的大洋深處從事取樣工作。
近年來(lái)，隨著全球氣候變化、天然氣水合物、海洋酸化等重大的科學(xué)問(wèn)題研究對(duì)深海連續(xù)、無(wú)擾動(dòng)沉積物樣品需求的增加，以美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)為代表的 國(guó) 際 海 洋 研 究 機(jī) 構(gòu)，在21世紀(jì)初開始重啟深海超長(zhǎng)沉積物取樣系統(tǒng)的研制工作，最具代表性的就是上面提到的美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)斥資500萬(wàn)美元研制的“LongCoring”沉 積 物 取 樣 系 統(tǒng)。但 是 在 取樣原理上 還 是 沒 有 逃 脫 Kullenberg式 重 力 活 塞取樣系統(tǒng)基本概念，只是通過(guò)簡(jiǎn)單的增加取樣器的自身重量(從最初的1～2t，到現(xiàn)在的普遍>10t)的方式來(lái)提高取樣器的 瞬 時(shí) 沖 擊 力，從 而 增 加取樣深度。這樣就會(huì)很容易出現(xiàn)取樣器在深海作業(yè) 過(guò) 程 中 產(chǎn) 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(tǒng)是 當(dāng)今取樣長(zhǎng)度最大的沉積物取樣系統(tǒng)，但是活塞機(jī)構(gòu) 自身卻存在著諸多問(wèn)題[7，22，23]。取樣器在灌入沉積物時(shí)如果活塞未處于沉積物/海水界面、灌入過(guò)程中活塞產(chǎn)生無(wú)序運(yùn)動(dòng)、取樣器回收過(guò)程中由于主纜的彈性模量導(dǎo)致的活塞在取樣管內(nèi)的相對(duì)快速上移產(chǎn)生的局部真空吸力都會(huì)導(dǎo)致樣品產(chǎn)生擾動(dòng)、壓縮或者延伸等形變[7]。樣 品 被 壓 縮 會(huì) 導(dǎo)致回收樣品長(zhǎng)度小于取樣器貫入深度，一般 Kul- lenberg式重力活塞取樣系統(tǒng)的樣品回收率只能達(dá)到70%;樣品 也 有 可 能 被 拉 伸，從 而 導(dǎo) 致 回 收樣品長(zhǎng)度超過(guò)取樣器貫入深度，這樣會(huì)導(dǎo)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(wú)序吸入等樣品擾動(dòng)現(xiàn)象。
3 新一代深海沉積物取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)展望
對(duì)于簡(jiǎn)單的重力式取樣器，由于不存在活塞的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)和取樣管上端排水過(guò)程導(dǎo)致的沉積物擾動(dòng)現(xiàn)象，因此，不帶活塞的簡(jiǎn)單重力取樣器是當(dāng)今獲取海水/沉積物界面附近無(wú)擾動(dòng)樣品的最佳手段[18]。Skinner和 McCave[23]的相關(guān)研究指出，在沒有真正的無(wú)反沖力的固定活塞取樣器的情況 下，使用大口徑的簡(jiǎn)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(shí)際的深海取樣作業(yè)過(guò)程中，由于受到船舶自身定位能力，深層海流場(chǎng)和取樣器水下定位等技術(shù)條件限制，不可能對(duì)同一個(gè)取樣點(diǎn)不同深度的沉積物樣品采用兩種不同取樣設(shè)備獲取。因此，亟需開發(fā)一種可以結(jié)合普通重力取樣器對(duì)淺表沉積物樣品無(wú)擾動(dòng)和重力活塞取樣器獲取超長(zhǎng)沉積物的混合型超長(zhǎng)沉積物取樣系統(tǒng)。——論文作者：張 鑫，欒振東，閻 軍，陳長(zhǎng)安參考文獻(xiàn)：
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