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、H_2S、pH及CO_3~(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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

“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。     

台湾近海热液体系独特的生物及地球化学特征

台湾地处西太平洋构造活动带，近海发育了多处热液活动，其中最典型的为龟山岛和绿岛热液体系。本文对海峡两岸在龟山岛和绿岛热液的地球化学特征以及周边生物体的响应的研究进展进行了综述。龟山岛热液喷出流体具有全球最低的pH(1.52)，富含重金属元素和CO₂等酸性气体，是周围海水中有色溶解有机质的来源；绿岛具有全球热液中最低的溶解有机碳浓度(14 μmol /L)，且具有特殊的动力学特性。喷口周边分布了较为罕见的自然硫烟囱体和硫磺球。喷口的高毒性、高酸性热液改变了热液区生物体如螃蟹的生活习性和解毒机制。热液区的主要活跃菌群为参与碳、硫和氮代谢途径的γ-和ε-变形菌。主要生物质合成以硫还原和硫氧化的化能无机自养型生物为主，微生物硫代谢促进了热液系统中的微生物能量流动和元素循环作用。某些热液生物采用繁殖期迁徙的机制应对高毒性、高酸性热液环境。在热液活动的胁迫下，这些微生物产生了新颖独特的代谢产物。此外，龟山岛和绿岛热液体系还受到了潮汐、台风和地震等灾害性事件的影响。台湾近海热液体系的研究对认识热液地球化学循环、探讨热液的生态环境效应等具有重要的意义。     

基于聚二甲基硅氧烷胶与Zn-Al型水滑石复合膜为离子载体的溶解二氧化碳电极及其性能标定

深海探测溶解CO2气体异常.可以为寻找热液口提供一个很好的证据.本文设计的基于自制的聚二甲基硅氧烷胶与Zn-Al型水滑石复合膜为离子载体的溶解CO2探测电极属于电势型CO2电极,适用于对深海中溶解形式的CO2的测量,具有体积微小、便于与pH、盐度、温度、氧化还原电位等多种传感器集成在同一探头腔内,实施在线探测等优点.实验室条件下.将该溶解CO2探测电极与银,氯化银参比电极分别接在Keithley 6517A高阻抗电位计输入端进行测试,测试结果表明:该电极对不同浓度的碳酸氢钠溶液具有良好的响应信号,响应时间大约在30s-1 min.检测限在10-1-10-4mol·L-1.     

A seamless system for the collection and cultivation of extremophiles from deep-ocean hydrothermal vents

Pele's Pit is a 300-m-deep pit crater whose summit rises to a depth of 1000 m on the Loihi submarine volcano 34 km south of the island of Hawaii. Hydrothermal vents with water temperatures up to 198/spl deg/C have been observed at the basal edge of the pit. We fabricated a "seamless" system comprising submersible-mounted samplers, a helium-activated sample transfer system, and a series of 1-l Teflon-lined stainless-steel bioreactors that maintain ambient temperature and pressure in hydrothermal vent fluids collected from hydrothermal vents in the pit crater. The bioreactors can sustain pressures to 150 atm. and temperatures over 165/spl deg/C. The system was deployed during October 2001 Pisces V submersible operations on Pele's Pit during which the maximum vent water temperature measured was 90/spl deg/C.     

基于光学技术的水下气泡探测实验研究

热液/冷泉溢出含有硫化氢、甲烷、二氧化碳等化学成分的气泡。实验室模拟海底热液/冷泉资源溢出气泡环境搭建了实验平台,以甲烷气体为实验气体,在黑暗环境下用高速光电探测器对气泡后向散射光进行接收,用拉曼光谱仪实现甲烷气体气泡后向散射光的拉曼检测,并与计算拉曼光谱比较。由结果可知激光拉曼光谱可以探测到气泡后向散射光,并识别气泡中含有的气体成分。通过探测气泡成分,从而判定这些气泡是否来自海底热液/冷泉等甲烷资源溢出。这样的探测方式,探测准确率高,缓解探测深度,同时避免探测设备直接与海底资源直接接触而造成的寿命缩减,为将来的海洋探测与实际应用打下了良好的基础。     

Submarine Hydrothermal Mineralization on the Izu-Bonin Arc, South of Japan: An Overview

Considerable effort has been expended in studying the Izu-Bonin Arc over the past 15 years. In particular, 43 dives of the Shinkai 2000 have been undertaken there to discover and evaluate the extent of submarine hydrothermal activity and mineraliza tion. Most effort has been focused on Myojin Knoll (23 dives), Suiyo Seamount (6 dives), and Kaikata Caldera (10 dives). The Izu-Bonin Arc is divided in two by the Sofugan Tectonic Line. Eight submarine caldera are located north of this line but only one is south of it. The physiography of the northern sector of the arc is quite different from that of the southern sector. Volcanic rocks from the northern sector are more acidic than those from the southern sector. Evidence for submarine hydrothermal mineralization has been observed at four seamounts along the Izu-Bonin Arc (Myojin Knoll, Myojinsho, Suiyo Seamount, and Kaikata Caldera), and submarine hydrothermal activity is evident at another three seamounts along the arc (Kurose Hole, Mokuyo Seamount, and Doyo Seamount). The most extensive submarine hydrothermal mineral deposit so far located on the Izu-Bonin Arc is the Sunrise deposit at Myojin Knoll. This deposit, at least 400 m in diameter and 30 m high, is associated with black smoker venting, inactive sulfide chimneys, massive sulfides, hydrothermal Mn crusts, and a hydrothermal vent fauna. The maximum recorded temperature of the hydrothermal vents there was 278°C. Some of the sulfide chimneys contained as much as 49 μg / g Au and 3,400 μg / g Ag. The sunrise deposit is one of the largest submarine volcanic massive sulfide deposits so far discovered in midocean ridge, backarc, or arc settings and has an estimated mass of 9 x 10 6 t. This deposit may be of the Kuroko-type. The discovery of the Sunrise deposit in 1997 gives hope that other, similarly large, sulfide deposits may be found in other caldera along the Izu-Bonin Arc. The geological variability along the arc, the high seismicity, the occurrence of active volcanism and submarine hydrothermal venting, and a proven submarine hydrothermal mineral potential coupled with the proximity of the region to Japan suggest that the Izu-Bonin Arc could profitably serve as a natural laboratory for the long-term monitoring of the seafloor.