深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义

海底扇是由沉积物重力流形成的海底沉积体。其分类学和相模式研究表明,海底扇主要由海底水道、溢岸及朵叶体等沉积单元构成。然而古代和现代海底扇沉积均无法由单一的通用相模式进行解释。以粒度差异所建立的相模式类型涵盖了多方面信息,相对简单实用。海底扇的触发机制主要包括海底沉积物失稳、洪水型异重流、海洋动力过程及复合成因机制等类型。海底扇的主导流体类型（碎屑流与浊流）、海底地貌形态（限制性与非限制性）及海洋动力条件（底流作用）深刻影响了海底扇的沉积作用、平面形态及空间组合特征,整体上分为三类。其中,浊流沉积主导的海底扇在非限制性海底环境中主要表现为扇状或指状形态,在限制性海底环境中则直接受控于盆地的地貌形态;碎屑流沉积主导的海底扇以块体搬运为特征,平面上表现为舌状和叶状展布形态;底流与重力流共同作用形成的混合型海底扇朵叶体沿底流流向侧向偏转,部分受底流改造沉积形成孤立漂积丘状形态。海底扇沉积物记录了环境信号从“源”到“汇”传输效率和保存程度,对构造变形和古气候变化具有重要的指示作用。人类世以来的现代海底扇沉积物同时也是深海微塑料、陆源有机碳的重要储库,定量评估其丰度特征对于环境评价、污染治理与管控及全球碳循环均具有深远的现实意义。     

美国MARS海底观测网络中国节点试验

MARS海底观测网络是国际深海海底观测网络组网设备的主要试验场所。2011年4月21日,由接驳盒子系统、海底化学环境监测子系统和海底动力环境监测子系统等海底观测网络组网设备组成的中国节点与美国MARS海底观测网络主节点成功接并,检测和考验了我国深海海底观测网络组网关键设备的主要性能,中国成为第三个在MARS网上进行大规...     

长江口水下三角洲粒度与210Pb特征的空间分布

长江口细颗粒物质来源丰富、水动力作用活跃,近年来又受到三峡大坝等流域大型工程的影响,因此其水下三角洲沉积层序对自然过程(物源变化、潮汐水道地形调整、风暴潮事件等)和人类活动(航道疏浚等)的响应成为一个重要的科学问题.对覆盖长江口水下三角洲的31个站位的沉积物柱样进行了粒度分析,并对其中30个站位的柱样进行了210Pb测定,结果表明,长江口物质主要是来源于现代流域供给,少数站位的砂质沉积则代表海底侵蚀.沉积物柱状样的平均粒径有4种类型的垂向分布趋势:Ⅰ.向上细化,Ⅱ.垂向稳定,Ⅲ.垂向波动式变化,Ⅳ.向上粗化.分别对应于不同的地貌部位和冲淤动态.210Pb比活度垂向变化有4种类型:1)标准衰变剖面,2)均一210Pbtotal活度剖面,3)分段式衰变剖面以及4)分段式衰变与倒置衰变复合剖面.4种类型的空间分布格局显示,多数站位不是连续堆积的.不同站位的柱状样沉积记录代表了长江口水下三角洲沉积对各种因素(沉积动力过程、流域水库建设等)的复杂响应模式.长江口水下三角洲粒度与210Pb的空间分布特征指示了研究区的多种沉积动力特征,如物源变化、水动力变化、相邻区域的侵蚀搬运与二次堆积、水动力强弱的空间差异以及事件沉积的影响.     

海底CORK观测30年:发展、应用与展望

过去50年深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)及综合大洋钻探计划(IODP)等国际间综合深海钻探计划的实施,使我们对地球和海洋的认识取得了显著进步。海底井控观测装置(CORK)的研发和应用是上述深海钻探计划带给我们的最宝贵财富之一。目前地球科学和海洋科学已由过去的间断性观测模式升级为现在的连续性原位观测模式,海底CORK观测系统为地球科学、海洋科学与生命科学领域的科学家对海底洋壳复杂而又相互关联的深部过程进行数秒至数十年时间尺度的研究提供了新手段和新机遇。通过对海底CORK观测系统的发展演变、在ODP和IODP航次中的使用以及在此过程中获得的科学经验和教训进行总结,对CORK系统如何应用于我国洋壳地质学、水文学、微生物学及生物地球化学过程研究提出看法。     

中国海域表层沉积物分布规律及沉积分异模式

中国海域拥有宽广的大陆架，同时还有陆坡和深海盆，有众多河流入海并输入巨量的陆源物质，沉积物记录了海陆变迁、环流变化、海平面升降、物质输送和气候变化等环境信息。沉积物的粒度特征可以反映沉积动力、物质来源和搬运距离等，可以通过沉积物粒度组成、参数及各种图解来研究沉积环境的变化。前人对中国海域表层沉积物的粒度分布特征展开了大量的研究，取得了丰富的研究成果，但这些研究多集中在某一海域或区域，缺乏对整个中国海域的表层沉积物类型的宏观系统认识。本文基于中国地质调查局“1：100万海洋区域地质调查项目”获取了中国海域4300个海底表层沉积物样品，通过沉积物粒度分析，结合前人已发表资料，对中国海域表层沉积物的沉积类型特征、物质来源和运移模式等开展了系统的研究。本文把浅海和半深海沉积物按照含砾石和不含砾石主要划分出5个和7个沉积物类型，深海沉积物主要划分了9个沉积类型，研究结果表明：中国海域表层沉积物沉积类型多样、来源复杂，主要受控于物质来源、水动力条件和地形地貌的变化，在东部海域总体呈现“大江大河-宽缓陆架-残留慢速沉积”的条带状沉积分异模式，而在南部海域呈现的是“短源性河流-多类型陆架-重力流快速沉积”的环带状沉积分异模式。本文的结果对研究中国海域沉积物的宏观分布规律提供了基础资料，对理解海洋沉积动力过程具有重要意义，同时沉积物粒度的特征对海底砂矿分布也具有指示意义。     

泰国湾表层沉积物陆源碎屑的粒度特征及其展现的沉积动力环境

海洋碎屑沉积物的粒度特征是海底沉积动力环境的直接体现,是用来研究海洋动力环境变化的重要手段,尤其是陆架海底表层沉积物的粒度分布,对于研究沿岸和水柱底边界层现今海洋动力环境可起到重要作用。该项研究通过调查遍布泰国湾至湄公河口海底表层沉积物陆源碎屑的粒度分布特征,以期获得影响现今特定海域沉积作用的海洋动力环境过程。粒度分析的结果显示,泰国湾表层沉积物的陆源碎屑以细砂-细粉砂为主,分选总体较差,频率分布以正偏为主。其中,细砂-极细砂组分主要分布在曼谷湾和柬埔寨沿岸。湄公河岸外沉积物为细砂,且分选比泰国湾区域的沉积物要好。这些表层沉积物的粒度特征具有良好的环境变化指示作用。湄公河岸外分选较好、近于正态分布的中砂沉积物指示了波浪作用下的沉积环境。曼谷湾和柬埔寨沿岸分选较差的中砂-细砂粗粒沉积物反映了潮汐和波浪的共同作用;泰国湾东西沿岸区域分选中等、呈正偏态的极细砂-中粉砂沉积物体现了潮汐的控制作用;而泰国湾中部分选较差的沉积物则指示了表层洋流作用。研究表明,泰国湾和湄公河岸外表层沉积物陆源碎屑的粒度分布特征可用于区分不同海洋动力因素的控制作用,揭示出泰国湾的沉积动力环境主要受潮汐、波浪和洋流的共同影响,湄公河岸外的沉积动力环境主要受波浪的影响。     

浅海底边界动力过程与物质交换研究

浅海底边界动力过程是能量分配、颗粒物输运和水—底边界物质交换的关键环节,深入研究浅海底边界动力过程是提高环境容纳量预测能力的重要前提。分析了国内外该研究方向的进展和现状,提出在黄海中部和长江口外两个典型海区,以集成先进设备的海床基观测平台和水体要素连续观测的研究策略,获得底边界流场结构、水体和底边界湍流混合特征、底耗散动力学参数、底颗粒物浓度和梯度变化等规律,建立潮汐、层化、海浪等不同动力条件下底边界动力过程参数化方案,研究沉积物启动、沉降等动力学规律,以数值模式探讨海底拖曳力变化对潮流和环流结构的影响;了解颗粒物组成的季节变化及对起动、再悬浮、絮凝等动力过程的影响,以颗粒物输运模型研究中国近海沉积物源汇分布;以同位素示踪研究底界面交换对动力过程的响应。为解决面临的2个科学问题：①中国近海底边界能量耗散在能量分配中的作用;②中国近海底边界动力过程、颗粒物输运与物质交换的多时空尺度变化规律,奠定基础。     

国外海洋地质科学发展态势

综述了80年代国外海洋地质科学的主要进展,包括现代沉积、板块构造与地体构造和古海洋学等基础理论研究;海洋矿产资源(油气、滨海砂矿和海底热液矿床)勘查与新发现;新技术方法(GPS、测深与海底扫描、海底取样、深海探矿和深潜器)。根据当今国外海洋地质科学调查研究朝“领域广、精度高、研究深”的趋势,对90年代至21世纪初海洋地质科学的发展态势作了评述。     

海岸与陆架沉积:动力过程、全球变化影响和地层记录

文章试图在海岸与陆架沉积的基本动力过程、全球变化影响和地层记录等方面提出新的科学问题和基础研究建议.在基本动力过程研究上,底部边界层过程的垂向尺度和悬沙浓度影响、陆架环流和水团运动的悬沙输运效应、河口与陆架密度流形成机理、大型河流的水下三角洲和斜坡沉积的形成过程、浊流运动特征以及物理海洋过程响应等是值得重视的问题;在全球变化影响方面,需深入研究流域变化和生物礁演化与碳埋藏的关系、沉积环境的系统状况转换及动力过程变异、沉积体系演化的定量模拟方法等问题;在地层记录方面,应加强陆架与海岸沉积体系中会球变化记录的高分辨率信息提取、多种沉积记录信息的整合方法、沉积体系和记录形成的数值模拟、气候变化效应的地层记录模拟、沉积体系的信息分析模型等研究.     

南京地区早三叠世碳酸盐沉积动力过程初探

【目的】早三叠世碳酸盐沉积揭示了二叠纪末生物大灭绝之后的沉积环境剧变，如何用沉积动力学方法获取沉积环境信息，其主要困难是现场观测不可实施、初始和边界条件未知、沉积物来源和去向未知。新的思路之一是根据复杂系统理论重构控制方程，以达到正确计算或模拟的目的。【方法】针对南京地区早三叠世和龙山组24个周期的泥质—碳酸盐沉积，构建沉积环境参数计算方法，提取沉积记录信息。【结果】各周期性沉积的垂向尺度为100～102 cm，碳酸盐层与泥质层交替出现，沉积构造以纹层为特征，在24个周期中碳酸盐沉积厚度占74%，沉积构造以纹层为特征；根据泥质层的沉积速率推算每个周期的时间尺度为5～40 ka，虽然泥质层厚度只占总厚度的26%，但却占总时长的73%；泥质和碳酸盐物质沉积速率、沉降通量、水层悬沙浓度、碳酸盐物质产出、生物生产等各项环境参数与现今深海碳酸盐沉积环境相当。【结论】该沉积记录反映研究区域古海洋环境和气候变化特征，但计算方法的进一步改进有赖于碳酸盐沉积的杂质含量、纹层厚度和保存潜力、沉积物和有机质来源等约束条件的确定。     

中上扬子地区五峰组沉积环境的再认识

通过对中上扬子地区五峰期海平面变化、沉积特征、生态特征和沉积速率等的分析，认为五峰组页岩段形成于海平面上升时期，属深海沉积。首次提出观音桥段形成于深海环境中，并属深海等深流沉积。并识别出三种等深岩相类型，即砂质等深岩相、泥质等深岩相和生物局等深岩相，它们均呈巨型条带状分布于中上扬子地区。     

浊流沉积研究的新进展:鲍马序列、海底扇的重新审视

本文在总结前人对浊流沉积研究的基础上,分析前人对浊流与浊积岩、浊流沉积与浊流相模式的对应关系之间的认识,并对鲍马序列进行重新审视。在海底扇研究过程中,鲍马序列已经不能充分反映浊流沉积的全过程。鲍马序列所反应的沉积模式其实是由碎屑流、浊流、底流等多种形式流体组合和改造后的结果,海底扇沉积模式不能笼统归结为浊流沉积作用的结果。在完善重力流、底流等沉积作用的同时,建立一个与沉积作用相互联系的深海沉积系统,以对深海研究提供更好地指导和预测。     

深海底热液活动研究热点

深海底热液活动是现代海洋地质科学研究的前沿热点, 我国这方面的研究工作刚刚开展, 亟需对现有研究成果进行总结。本文对海底热液活动的调查研究过程和现状进行了回顾, 重点分析了热液喷溢动力过程的理论研究成果, 从实测事件数据的研究成果中找出了影响热液柱的形态和分布的各种因素, 并对热液烟囱和极端温度微生物等海洋学研究热点进行了分析, 为深海热液活动调查和理论研究提供基础。      

海洋微塑料源汇搬运过程的研究进展

海洋微塑料是全球性的环境问题和挑战,受到了国际社会的广泛关注。然而,现阶段研究主要集中在调查海洋表层微塑料丰度及生态效应,对深海环境中微塑料的分布和沉积搬运过程认识不足。通过总结近10年海洋微塑料的相关研究,综述了海洋微塑料来源、分布以及从源到汇的搬运过程。实地调查表明,海洋表层和水柱都是海洋微塑料的重要聚集区,而深海表层沉积物却是海洋微塑料最终沉积聚集的汇。海洋微塑料搬运到深海沉积汇的过程包括2种方式:垂向沉降和侧向搬运。实验室模拟表明,海洋中微塑料颗粒沉降速率为300～1 000 m/d,沉降过程除了受控于颗粒密度等物理学性质外,还受海洋动力过程、生物作用和海洋雪聚集等因素的影响。沉积在海底的微塑料则可以随再悬浮沉积物向深海侧向运移,该过程与内波、深海浊流或气候事件等因素有关。但是,微塑料向深海搬运的速率和数量等问题远未解决,不利于全面理解海洋微塑料从源到汇的搬运和沉积过程。因此,建议利用分层沉积物捕集器原位观测微塑料的沉降通量,以便开展深海微塑料源汇搬运过程研究。     

基于动力过程的冰湖溃决洪水侵蚀演化特征研究北大核心CSCD

冰湖溃决洪水具有范围广、持续时间长、危害大并经常伴随有泥石流发生等特点。目前针对冰湖溃决洪水动力演化特征的定量研究相对匮乏。为此,对次仁玛错冰湖溃决洪水灾害演化特征进行研究,以实地调查及多期遥感影像为基础,并采用泥沙输移模型和水动力模型耦合方法揭示冰湖溃决洪水侵蚀演化特征。模型基于精度为12.5 m的数字高程(DEM)地形数据,模拟反演1981年次仁玛错冰湖溃决洪水动力演化过程,与实测结果进行对比,验证模型的适用性和可行性,并对冰湖再次溃决进行预测分析,定量评价冰湖溃决洪水在演进过程中流深、流速、侵蚀和沉积特征。溃决洪水在演进过程中对章藏布支沟冰碛物及下游沟岸松散坡积物进行冲刷侵蚀,高含沙洪水逐渐演化为稀性泥石流,在707滑坡处流深8~10 m,最大流速13.7 m·s^(-1),侵蚀深度8~9 m。稀性泥石流在主沟沉积形成堰塞坝,坝高9~11 m,短暂堵塞波曲河。稀性泥石流对樟木口岸下游滑坡群坡脚进行冲刷侧蚀,侵蚀深度约10~13 m,易引发大规模次生灾害,稀性泥石流到达水电站处,淤埋水电站进水口,导致水电站失效。整体来看,溃决洪水在演进过程中,洪水对上游沟床及沟岸进行强烈的侵蚀夹带,洪峰流量增强,在中游,稀性泥石流对沟岸进行侧蚀,在沟道狭窄处流速增大,下切侵蚀增强,在沟道宽阔处,流速降低,固体物质沉积,整体达到冲淤平衡,洪峰流量随距离逐渐衰减,至下游,沟道地形开阔,流速放缓,稀性泥石流逐渐沉积,同时对沟道两岸进行侧蚀,整体为沉积。模型可以良好地揭示冰湖溃决洪水灾害侵蚀演化动力特征。     

加拿大"海王星"海底观测网

加拿大"海王星"海底观测网(NEPTUNE-Canada)是世界首个深海海底大型联网观测站,位于东太平洋的胡安·德·夫卡板块最北部.它以板块构造运动、海底下的流体、海洋生物与气候、深海生态系统为科学目标,通过海底光缆连接安装在海底的仪器设备,进行实时、连续的观测,并通过光电缆将观测信息传回陆地实验室.此外,NEPTUN...     

深海沉积理论发展及其在油气勘探中的意义

深海沉积理论的进展主要涉及“鲍玛序列”、浊流、砂质碎屑流和深海层序地层四方面。以Shanmugam为代表认为:“鲍玛序列”并非唯一浊流产物,可含有砂质碎屑流、浊流、内潮汐、内波、等深流多种流体作用的结果;过去识别的“鲍玛序列”A段有浊流也有相当部分是砂质碎屑流成因,B—D段交错层理则是底层牵引流沉积产生的;只有浊流的沉积物才能称为浊积岩;“高密度浊流”是指砂质碎屑流而不是浊流;浊流是一种有牛顿流和紊乱状态的沉积物重力流;浊积岩没有复杂的颗粒悬浮层和碎石浮层,不发育逆粒序。Shanmugam等关于“鲍玛序列”这一新解是深海沉积学理论的一个进步。深海牵引流过去数十年取得了较大进步,但理论与实践脱节。深海层序地层是深海沉积理论进展的另一个方面,层序界面类型、体系域沉积有自身的独特性:层序界面至少存在斜坡侵蚀面、低水位下超面和水下沉积间断面三种;当沉积背景以陆源碎屑为主时,LST主要为盆底扇,TST和早期HST表现为非钙质远洋沉积,晚期HST一般不发育;当碳酸盐沉积为沉积背景时,LST主体为碎屑流和跨塌蹦落沉积或淡水透镜体,TST和早期HST为钙质细粒沉积,晚期HST可能存在有较小规模的钙屑海底扇。建议慎重解释“鲍玛序列”,审视“浊积扇”理论,废弃“浊积扇”概念,加强深海牵引流沉积机理方面的研究;LST浊积砂体、砂质碎屑流形成的块状不规则砂体、深海牵引流砂体可在深海储层预测方面具有巨大潜势,深海沉积作用及其过程的精细研究在指导深海油气勘探方面将会发挥越来越为重要的作用。     

海底沉积物孔隙压力原位长期观测技术回顾和展望

海底沉积物孔隙压力对海底地质灾害过程反应敏感,是表征海床稳定性的一个重要指标,通过海底沉积物的孔隙压力观测可以判断海床的稳定状态,对于海底地质灾害预测预警具有重要意义。海底沉积物孔隙压力观测存在(1)超高背景压力下的高精度测量;(2)贯入过程传感器超量程破坏;(3)系统长期供电及传感器漂移;(4)深海海底布放和回收等技术难点。国际上海底孔隙压力观测技术从20世纪60年代开始发展,逐渐形成了系列核心监测技术和成熟的商业化设备产品。挪威岩土工程研究所NGI与美国伊利诺伊大学共同研发的NGI-Illinois压差式孔隙压力观测系统,是已知最早的海底沉积物孔隙压力观测设备。此后,美国地质调查局USGS、美国桑迪亚国家实验室、英国牛津大学等相继研发了不同结构的观测设备,覆盖浅海到深海。其中,英国海洋科学研究所研发成功的深海孔隙压力原位长期观测设备PUPPI是一个重要的历史节点,该设备能够在6 000 m水深的环境中连续运行一年,成为当时最成功的海底孔隙压力观测设备,其现代化的设备结构和设计理念被后续的观测设备广为借鉴。21世纪以来,得益于海洋科学技术的整体进步,国际孔隙压力观测技术发展呈现加速趋势。法国海洋开发研究院IFREMER研发的Piezometer系列孔隙压力观测探杆,代表了当今世界的先进水平,可能是目前应用次数最多的海底孔隙压力观测设备。我国在深海探测、观测技术领域起步较晚,在深海沉积物孔隙压力原位长期观测技术方面几乎空白,发展很不成熟。其中,中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所等单位进行了较多的探索性研发工作。近年来,以港珠澳大桥建设、南海天然气水合物试采等为标志的大批国家级海洋建设项目如火如荼,深海油气矿产资源开发、深海天然气水合物开采利用等海洋新兴产业快速起步,深海孔隙压力原位长期监测关键核心技术等“卡脖子”问题仍然突出,严重制约了我国海洋工程产业发展的步伐。因此,迫切需要发展具有自主知识产权和关键核心技术的国产深海沉积物孔隙压力原位长期监测技术。本文回顾了国际、国内海底孔隙压力观测技术的相关研究进展,旨在分析总结孔隙压力观测技术及其应用中涉及的一些核心技术和亟待解决的关键问题,以期为我国该项技术的发展和应用提供借鉴。     

底基三脚架在深海观测中的应用

底基三脚架是海底观测的平台之一,它能装备多种观测仪器,长期、稳定地立于海底,进行几乎无干扰的原位观测.底基三脚架已成功应用于深海化学、物理、生物和地质过程的现场观测,取得了大量的重要成果,但在我国的深海研究中还未开展.简述了底基三脚架的概念和发展历史、工作原理、应用及前景等,希望引起我国海洋工作者的兴趣和关注,推动底基三脚架在我国深海观测中的应用和发展.