热液喷口探测化学传感器的研制及应用*

海底热液喷口周围的水体具有显著的浊度和化学组分异常, 是寻找热液喷口的重要标志。文章提出了一种海底热液喷口的探测技术方法, 设计了低功耗化学传感器。该化学传感器可搭载在相关平台, 实时探测水体的Eh、H₂S、pH及CO₃^2-等电位值, 结合浊度异常, 可以推断热液喷口的位置。在西南印度洋中脊海试结果表明, 该化学传感器可有效探测由热液活动产生的水体异常, 是一种探测海底热液喷口的有效技术。     

多通道化学传感器及其在热液喷口探测中的应用

热液喷口附近的羽状流中存在明显的化学及浊度异常，通过探测这些异常可判断是否存在热液喷口及确定喷口的具体位置。本文研制了一款可用于探测热液喷口的多通道化学传感器，该传感器具有体积小、精度高的特点，且可在4000米深海中进行工作。该化学传感器共配备五个全固态电极，一个为参比电极，其余四个为离子选择性电极，并且可根据所测量的化学离子进行更换。本文基于该化学传感器共进行了两组实验。在第一组浅海试验中，化学传感器集成了pH，Eh，CO₃^2-和SO₄^2-电极，在浅海海域中测量对应化学量，结果表明该化学传感器可在实际应用中获得高精度、稳定的测量数据。第二组实验为深海热液探测，装配了pH，Eh，CO₃^2-和H₂S电极的化学传感器在西南印度洋中脊区域的29次测线中投入使用，共获得有效数据27组。通过对测量所得到的化学量进行分析，本文提出了一种确定热液喷口的化学异常探测方法，若某时间段内Eh和H₂S的电势降低，而pH和CO₃^2-的电势上升则可判定存在化学异常。利用该方法对27组有效数据进行分析，共发现5个潜在的热液喷口。实验结果表明，该化学传感器可有效地探测由热液引起的化学异常，适用于实际热液探测中。     

基于多参数化学传感器的海底热液探测方法研究

基于热液及其羽状流的化学异常提出了一种海底热液的化学式探测方法。根据自行开发的Eh.Ag/Ag₂S和pH三种化学电极,设计了多参数化学传感器系统。通过海试证明多参数化学传感器可灵敏地检测出由热液异常引起的化学量变化,并在长达半年的多次使用中表现出其稳定性好、寿命长的特点。在东太平洋中脊(EPR)赤道区域和西南印度洋中脊(SWIR)的60条测线中,获得有效测线55条,其中在29条测线上发现明显或可能的热液异常。研究表明,应用多参数化学传感器探测进行海底热液化学异常,是一种有效的方法。     

海底热液喷口流体中H2S浓度数据统计及其探测技术进展

统计了全球38个热液活动区264个热液喷口流体样品中的H_2S浓度数据,结果表明H_2S浓度主要受岩浆去气、水岩反应、相分离作用影响,而广泛使用的非气密保压采样技术不能反映原始喷口流体状态和化学组成,可能会造成H_2S浓度测量误差。为了提高测量数据的精度,一方面需要进一步发展气密保压采样技术,以提高样品的保真水平;另一方面利用深海原位电化学传感器或拉曼光谱系统进行海底原位探测也将是一个重要的发展方向。     

应用于龟山岛热液喷口探寻的散射光式水下浊度仪研制*

位于台湾岛东北部的龟山岛热液区属浅水型海底热液活动区,已探明有超过30处的热液喷口分布在约10—30m的水深范围内。通过机械封装、硬件电路以及配套软件的设计和加工,自制了散射光式水下浊度仪;2011年5月25—30日,使用该浊度仪,对龟山岛附近海域进行了拖航作业,在此次作业的东北方向发现一处新的热液喷口(24°50^′09^″N、121°58^′08^″E);海试结果表明,该水下浊度仪对于浊度较大海域有探测能力,对浊度较小海域的探测精度不高,还有待进一步改进。     

浊度计在现代海底热液活动调查中的应用

无论是深入认识海底热液活动的规律,还是了解海底热液硫化物资源的分布情况,首先需要做的是发现海底热液活动及其产物.因此,用于发现和调查海底热液活动及其产物的技术手段非常重要.目前,进行海底热液活动调查的技术手段有电视抓斗、ROV、AUV和载人深潜器等.但由于使用这类技术设备需要相对高的投入和较复杂的附加装置,而且从电视抓斗、ROV、AUV和载人深潜器本身来讲,它们也有一定的技术限制,调查活动范围有限,不能胜任大面积海底热液活动异常调查工作.因此,载有各种物理、化学传感器和分析仪器的拖曳式走航连续观测系统仍是海底热液活动调查技术方面的一个重要发展方向.例如,美国、英国等先后投资研制了多种拖曳式设备,可进行海底地貌成像、电磁场、CTD、以及化学和物理多参数的测量,为发现和确定海底热液喷口位置起到了巨大的作用.     

集成深拖与AUV对洋中脊热液喷口的联合探测

热液喷口探测是目前国际上的热点,探测技术方法也多种多样。阐述了集成深拖与自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)探测技术,重点介绍了集成深拖的组合特性。针对热液喷口的探测需求,根据集成深拖与AUV两种方法的优点,提出两种技术方法的联合探测。以一个实际探测的区块为例,讨论了两种方法联合探测的实效性。指出该技术方法可更快速地探测热液的异常范围,同时可降低AUV下潜的盲目性,也可以减少AUV的下潜次数,节约了海上调查时间,提高探测效率。最后指出了现场探测与数据分析需进行深拖位置校正和关注底流及地形对热液羽状流空间分布的影响两个重要问题,为未来的热液探测提供了指导作用。     

东北太平洋Explorer Ridge热液羽状流位温浊度异常和物质能量通量估算

深海热液流体与周围海水之间存在明显的物理和化学差异,通过检测海水的位温浊度异常是探测深海热液活动的重要手段之一。本文采用"海底火山带项目（Submarine Ring of Fire 2002）"拖曳式温盐深测量仪数据资料,研究了东北太平洋Explorer Ridge热液场的水文特征及物质能量通量的释放。结果表明Explorer Ridge热液场热液羽状流中性浮力层所在深度范围约为1 600~1 900 m,距离海底的高度约为200 m,最大位温、盐度和浊度异常分别为0.04℃、0.004和0.18 NTU;中性浮力层热液羽状流帽呈椭圆结构,其长轴与洋中脊线重合,羽状流帽总面积约为27 km2;热液羽状流在中性层范围内存在明显的分层现象,通过经验公式计算得到Explorer Ridge热液场观测范围内热液喷口的总的浮力通量为6.19×10-2 m4/s3,平均值为2.063×10-2 m4/s3;总的体积通量为9.884×10-2 m3/s,平均值为3.295×10-2 m3/s;总的热通量为194.9 MW,平均值为64.967 MW。     

“潜龙二号”自主水下机器人热液探测系统

“潜龙二号”水下自主航行器（QianlongⅡ AUV）为深海资源尤其是海底多金属硫化物调查而设计，其已在西南印度洋脊热液区进行成功的调查运用。本文系统地概述了“潜龙二号”的热液系统探测功能实现、数据管理、快速成图等工作；阐述了如何利用AUV转圈数据有效的校正载体对磁测干扰的。基于“潜龙二号”获取的热液异常，发展了热液喷口快速定位方法。以具体一潜次为例，系统地展示了热液探测数据的处理分析与热液异常定位工作，证实了该方法的有效性。     

西南印度洋49°～56°E洋脊段的热液羽状流:来自深水中的氦同位素异常证据

海水中的氦同位素能对海底热液活动进行有效示踪。本文对在西南印度洋49°~56°E洋脊段采集的5条CTD拖曳剖面共14件深水样品进行了氦氖同位素分析。通过分析水体中存在的氦同位素异常,探讨调查区热液异常的特征和热液羽状流的分布。分析表明,5条CTD剖面均存在δ3He异常,其中CTD7-2(位置:37.927°S、49.412°E,水深2 140m,离底高度100m)的δ3He值最大,达到49.2%。根据δ3He分布特征,认为调查区内存在至少6处热液羽状流,其中37.927°S、49.412°E以西数千米范围内可能存在海底热液喷口。     

洋中脊热液羽状流的分布特征及其在多金属硫化物找矿中的指示作用

热液羽状流是海底热液活动的重要标志，海底多金属硫化物是热液活动的产物。现阶段洋中脊多金属硫化物勘探工作的第一步是开展热液羽状流的近底探测；综合各类异常信息，实现从发现热液活动喷口到发现矿床的突破。本文以热液羽状流为研究对象，从羽状流的近底探测、扩散机制和分布特征3个方面，概述了最新的研究进展和有待完善的方面，阐述了羽状流在洋中脊多金属硫化物找矿中的指示作用，最后总结性地指出时空连续性、参数多元化将是热液探测的发展趋势，有助于提升对热液羽状流分布特征的认识，将为热液区分布模式的研究提供更加精细的探测资料。     

基于PXRF的西南印度洋脊硫化物表层沉积物地球化学找矿研究

海底热液喷发形成的热液羽状流中富含成矿物质,并沉淀在距离热液喷口不等的范围内。对西南印度洋中脊热液喷口附近、距离喷口中等距离、远离喷口的六个表层沉积物样品开展了不同粒度沉积物的便携式XRF（PXRF）分析。结果表明,PXRF可以有效获得的洋中脊钙质沉积物中成矿元素的富集特征。>40目的沉积物样品具有较高的Cu、Zn、Fe、Mn等元素含量,40目以下沉积物中则相对稳定,可能与粗粒沉积物中玄武岩碎屑/玻璃含量较高有关,与镜下鉴定结果一致。以热液喷口为中心,表层沉积物中表现出Cu、Zn、As、Fe、Mn的元素分带,靠近喷口的沉积物中具有较高的成矿元素的含量,并具有较高的Cu/Fe、Zn/Fe比值或者Cu/Mn与Zn/Mn比值。上述结论表明,洋中脊沉积物中成矿元素的含量主要受与喷口的距离的影响,而与粒度的关系不大,洋中脊沉积物地球化学找矿应采用40目以下粒径沉积物作为分析样品。通过PXRF获得的Cu、Zn、As、Fe、Mn等元素含量及其比值特征可以作为海底多金属硫化物沉积物地球化学找矿的指标,该方法满足快速有效识别洋中脊沉积物中地球化学异常的要求。     

台湾龟山岛东南部海域白色热泉特征分析

海底热液活动及其周边环境的调查研究是海洋科学领域的热点之一。海底热液喷口环境的物理化学参数,尤其是浅水型热液,会受到潮汐变化的影响。台湾龟山岛靠近冲绳海槽南端分布有多处浅水型热液喷口(30m)。2010年5月,浙江大学、杭州电子科技大学和台湾中山大学对该海域实施了联合考察,利用电化学传感器获得了低温热液喷口(24.834 14°N,121.961 91°E)连续87h的温度和pH现场观测数据。基于Morlet复小波变换方法,分析了浅水型热液喷口的温度和pH现场观测时间序列的变化周期,并通过与当地潮汐记录数据作比较,获得了其与潮汐信号之间的潜在关系,证实了潮汐变化是海底白色热泉喷口物理化学参数现场观测最主要的影响因素。温度和pH现场观测数据经Morlet复小波变换后的小波系数分别存在规律的12.9h和12.5h变化周期,并且温度的小波系数在准半日周期尺度与潮汐高度呈负相关变化,相关系数为-0.89;pH的小波系数情况相反,相关系数为0.76。     

海底热液活动的环境与产物

近23年的调查研究，使我们认识到分布于洋中脊、弧后盆地、岛弧和热点等环境的海底热液活动发育在多种围岩类型之上，包括超基性岩石、基性岩石、中性岩石、酸性岩石和沉积物。海底热液活动经历了岩浆去气作用、流体-岩石/沉积物相互作用和流体-海水混合，获取了岩浆、岩石、海水和沉积物的物质，构成了热液循环，产生了高温、低氧、高或低pH值、富含Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Hg、As等元素以及气体组分（甲烷、氢等）的喷口流体，影响了海水、沉积、岩石和生物环境，形成了热液柱、硫化物、含金属沉积物和蚀变岩石等热液产物，组成了海底热液系统。未来，促进海底热液活动探测技术和热液产物测试方法的发展，对海底热液区的岩石、喷口流体、热液柱、硫化物、含金属沉积物以及热液循环、生物活动的持续观测与研究，无疑将为人类探知海底地质过程及生命活动、保护海底热液环境和合理开发利用海底资源提供有力的工作支撑。     

西南印度洋龙方斤热液区羽流信号的检测与通量估算

热液流体在物理化学特征方面与周围海水存在较大差异,探测温度异常和浊度异常是寻找热液羽状流信号的重要手段。本文采用“大洋一号”科考船第20航次的拖曳CTD数据和浊度数据,以及21航次的定点CTD数据,研究了西南印度洋龙方斤热液区的温度异常和浊度异常现象。研究表明热液区中性浮力层在水深2 550~2 650 m间,厚度约为100 m,温度异常达0.01 ℃;水深 2 750~2 800 m间亦有温度异常,最大可达0.08 ℃;温度异常水深处存在相应的浊度异常。深层背景海水位温和位密间存在简单线性关系。此外,经初步估计,热液活动区初始浮力通量为8.78×10^-4 m⁴/s³;通过中性浮力层估算热液热通量,约为130±43 MW。     

神秘的海底热液

海底热液喷口主要分布在海底的洋中脊与火山地震带上。和火山一样,海底热液喷口也与地壳活动紧密相连,但它的活动可要比海底火山喷发温和得多了。海底热液周围区域也形成了神秘的生物环境和地质环境。科学家们发现,在这些环境温度高达三四百摄氏度并且遍布剧毒的金属硫化物的区域中,居然并不是一片死寂。在"烟囱"的周围,居然有     

现代海底超镁铁质岩系热液系统与地质意义

现代海底热液循环与洋中脊地质过程一直是国际洋中脊计划研究的热点.海底热液系统多数都与海底玄武岩及其水-岩反应直接相关,而一类与深海橄榄岩的产出及其蛇纹石化作用有关的海底热液系统——超镁铁质岩系热液系统,以具有高浓度H2和CH4异常而低SiO2浓度为显著特征,主要分布在慢速扩张大西洋中脊和超慢速扩张北冰洋Gakkel洋脊和西南印度洋中脊.超镁铁质岩系热液系统在流体组成、构造背景和硫化物成矿方面与玄武岩热液系统有很大差异,主要表现在地幔来源超镁铁质岩石的普遍出露、喷口流体高的H2和CH4异常以及硫化物中高Co/Ni比值.超镁铁质岩系热液系统的发现丰富了全球洋中脊热液系统的研究内容,对洋中脊地质过程、海底热液活动及其成矿作用研究具有重要意义.     

印度洋西南海脊的热液活动

洋中脊的水下热液喷口喷出热的缺氧流体,当它们从海底喷出时与周围海水激烈混合,沉淀出各种硫化物和氧化物,直到达到海底之上数百米平衡为止。最终的热液柱沿等密度面散布,等密度面处的热液柱可由溶解的化学示踪物高度富集和悬浮颗粒负载增高检验出来。最近的研究中,...     

我国海底热液活动研究的阶段性进展与展望

海底热液活动调查研究是深海进入、深海探测和深海开发的切入点之一。近十年来,中国在西太平洋弧后盆地、东太平洋海隆、大西洋洋中脊和印度洋脊,发现了一批新的海底热液活动区,围绕着热液活动区的硫化物、流体、热液柱、生物等热液产物开展了调查研究,构建了海底热液地质学,提出了热液活动、冷泉及天然气水合物的同源异汇假说,出版了《海底热液地质学》、《现代海底热液硫化物成矿地质学》、《现代海底热液活动》、《东太平洋海隆热液地质》专著,获得了一批调查研究成果。未来,聚焦海底热液活动的深部过程及其资源环境效应关键问题,发展海底热液活动探测技术,拓展极地海底热液活动调查研究新领域,围绕烟囱体、热液柱、含金属沉积物、流体以及热液区生物等热液产物,开展深入、系统的调查研究工作,无疑将推动海底热液地质学取得新的进展。     

海底宏渗漏气体走航式海洋电阻率法探测效果模拟与观测系统设计

为实现海底宏渗漏气体连续调查，提出了一种走航式海洋电阻率探测技术。根据前人原位观测资料和含气水体电阻率特征构建地电模型；采用数值模拟和室内试验方法获得不同参数电阻率映像剖面，分析确定探测剖面异常特征，评价探测效果。在此基础上进一步进行了探测系统设计和实验测试。研究结果表明，走航式海洋电法探测电缆可由2个供电电流极和8个电位测量极组成，电位极距需小于0.05 m；测量可采用偶极装置通过并行采集方式实现。气体分布区表现为高阻异常，异常模式由走航速度、排列长度和气体分布区横向宽度共同决定，可分为7种情形；探测电阻率极大值和气体喷出流速存在正相关指数关系。该技术可实现气体分布范围和喷出速率快速探测。