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。     

印度洋卡尔斯伯格脊6°48′N附近热液羽状流水化学参数异常和颗粒物成分特征

2015年中国大洋33航次在西北印度洋卡尔斯伯格脊6°48′N附近进行了热液异常探测,成功发现了大糦热液区。本文对该热液区附近采集的CTD水样开展了水化学与颗粒物分析。结果表明,在3 150~3 400 m水深范围内水体存在Cl、Br、Mg负异常以及DFe和DMn正异常。其中Cl、Br、Mg的浓度较研究区海水背景值分别亏损2.87%~5.27%、3.21%~4.53%和2.52%~3.82%,Cl和Br的亏损指示海底释放的热液流体曾经发生了相分离。根据Mg的亏损情况,可以估算热液羽状流中热液流体的贡献约3.90%。DFe和DMn的浓度峰值分别为127 nmol/L和29.0 nmol/L,均出现在水深3 150 m层位。颗粒物的电镜观察和能谱分析结果显示,在2 900~3 400 m深度范围内存在热液成因的富铁氧化物(FeO占49.1%~95.2%),与海水样品中发现的高浓度DFe和DMn相印证。根据实测底层流流速与Fe(Ⅱ)扩散半径对研究区的Fe(Ⅱ)氧化半衰期进行了估算,得到大糦热液区Fe(Ⅱ)氧化半衰期为0.56~2.22 h。     

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。     

冲绳海槽热液柱动力过程的数值模拟

本文以冲绳海槽伊平屋北部热液区(126o53.80′,27o45.50′)的现场水文数据作为背景条件,使用k-ε湍流模型模拟热液柱的动力过程。模拟计算得到的羽流速度、温度和湍流耗散率等基本物理量展现了热液柱的时空演化过程。模拟结果显示,羽流最大上升高度及中性浮力面高度与海底的距离分别为83.62m和68.97m,和2014年先导专项在此附近热液区所观测的温度异常和盐度异常的深度位置(离海底约66—86m)接近。羽流的上升速度满足高斯分布,其半径b与距喷口高度z-H成正比:b=0.0985(z-H),其中z为距海底高度,H为热液烟囱体的高度。羽流的最大体积通量比喷口的初始值增加了878倍,达1.034m~3/s;在中性浮力面位置附近,动量通量达到最大值,为0.156m~4/s~2,比初始值增加了882倍;浮力通量在中性浮力面以下和BM2000(Bloomfield et al,2000)理论模型符合良好,在中性浮力面以上则呈现随高度先增加后减小的特征。本文计算得到的平均卷挟率为α≈0.0807,与背景流较弱的热液区的声学现场观测结果相符。     

山东南部近海脊腹褐虾时空分布及其与环境因子的关系

脊腹褐虾(Crangon affinis)是山东近海众多鱼类的饵料生物,其分布与水深、海水底层温度等环境要素息息相关。根据2016年10月、2017年1、5和8月在山东南部近海4个航次获取的渔业资源及环境调查数据,分析山东南部近海脊腹褐虾的时空分布特征,运用广义加性模型研究脊腹褐虾的分布与水深、海水底层温度等环境因子间的关系。研究显示,脊腹褐虾CPUE分布呈现明显的季节特征,全年平均CPUE为2.07 kg/h,春季为2.43 kg/h,夏季为2.47 kg/h,秋季为1.18 kg/h,冬季为2.19 kg/h。水深和海水底层温度对脊腹褐虾分布影响显著(p0.01),脊腹褐虾CPUE与水深呈显著正相关,在水深80 m海域CPUE较高。海水底层温度为6～12℃时,脊腹褐虾CPUE与海水底层温度呈正相关,海水底层温度为12～20℃时呈负相关,最适宜海水底层温度约为12℃。     

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。     

南极普里兹湾海域湍流扩散系数估计

基于Thorpe尺度方法,利用CTD数据,计算了南极普里兹湾海域的Thorpe尺度和湍流扩散系数,分析了观测区域(64°～69°S,66°～80°E)湍流翻转现象的强弱及分布。结果表明,在海底和地形粗糙区存在较大的Thorpe尺度(较强湍流翻转)和湍流扩散系数,湍流扩散系数最大值能达到10^-2m²/s量级,比平坦开阔海洋高2～3个数量级,部分观测站位的湍流扩散系数和湍动能耗散率表现出大-小-大的垂向分布结构,总水深较深的区域尤为明显;深水区域的浮力频率在海表面到500 m层比较大,浅水区域该现象不明显;湍动能耗散率在(67.25°S,73°E)周围和经度为78°E的各站位都表现相对较大,能达到10^-6 w/kg量级,个别站位甚至能达到10^-5 w/kg量级。     

南海南部次表层叶绿素a质量浓度最大值及其影响因子*

文章分析了2013年南海南部4个季节航次的叶绿素a (Chl a)调查数据, 结果显示: 150m以浅水柱Chl a质量浓度均值分别为早春0.14mg•m^-3、初夏0.12mg•m^-3、初秋0.18mg•m^-3、初冬0.16mg•m^-3。早春和初夏偏低的原因与早春风速小, 初夏水温高, 不利于水体的垂直混合, 限制了深层海水中丰富的营养盐向上层水体补充有关。4个季节中海水次表层Chl a质量浓度最大值层(SCML)均出现在50m和75m, 这两个水层的Chl a质量浓度差异小, 季节变化不大, 平均值变化范围分别为0.24~0.26mg•m^-3和0.22~0.26mg•m^-3。受混合层深度和温跃层上界深度的共同影响, 50m水层Chl a质量浓度主要受制于深层富营养盐海水的向上补充, 75m水层Chl a质量浓度受水温的影响明显。     

基于精细温度观测的南海东北部陆坡-深海盆底层湍流混合*

南海是存在强湍流混合的边缘海之一, 但前人对南海湍流混合的研究更多关注的是中上层, 对底层则鲜有关注。本文基于高分辨率温度传感器于2019年5月在南海东北部22个站位海底上方0.5m处持续观测4.4d的温度数据, 分析了2216~3200m深度范围内底层海水温度的时间变化特征, 并探讨了地形粗糙度和内潮对底层湍流混合的影响。分析结果表明, 南海东北部各站位底层海水的温度变化量级约为10^-4~10^-3℃; 温度变化趋势与正压潮变化趋势不同, 温度能谱显示多数站位在全日和半日频带区间出现谱峰, 温度变化更多地受斜压潮影响, 全日、半日内潮起主要调制作用。陆坡-深海盆过渡区及深海盆底层的湍动能耗散率量级为10^-10~10^-9m²∙s^-3, 涡扩散系数量级为10^-4~10^-3m²∙s^-1。观测数据未能显示底层湍流混合与地形粗糙度存在明显的相关性。底层湍流混合的空间分布与过去观测到的南海北部深海盆内潮的南北不对称性分布一致。     

杭州湾南部主水道内温度、盐度、潮流的变化特征

本文基于船载及锚定ADCP、CTD观测,获得了大、小潮时的温度、盐度、浊度、潮位、流速等观测数据,研究杭州湾南部的一个主要弯曲航道——螺头水道内的潮流动力学特性。螺头水道水深超过100 m、最大潮差大于2.5 m。涨潮时,强潮流速出现在水道北岸,落潮时,强潮流速出现在水道南岸,最大流速值分别为约2 m/s和1.8 m/s。受压强梯度、密度梯度、科氏力和离心力影响,涨落潮过渡时在水道的横断面产生较为明显的环流。夏季存在较弱的层化现象,深水处受环流的影响,盐度、温度的混合较强。锚定观测数据表明,温度、盐度的变化频率与潮流的变化频率相似,但存在高于M2分潮频率的谱峰值。因此,笔者认为潮流与横向环流的相互作用,可能导致更高频率的盐度和温度变化。     

联合WOA2018温盐模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面(二):精度评估

利用西太平洋海域多个站位的XBT、XCTD及CTD实测温盐资料,对WOA2018温盐模型的可靠性进行了评估,开展了全深度声速剖面重构试验。结果表明,当水深分别为761～1 100 m、大于1 101 m和大于1 821 m时,实测资料计算的声速剖面与温盐模型推算的声速剖面互差在-2.0～2.0 m/s、-0.7～0.7 m/s和-0.7～0.45 m/s,而与实测温度和盐度模型推算的声速剖面互差总体上在-0.2～0.2 m/s。基于临界探测深度处温盐实测值对探测深度以外温盐模型施加约束和控制,以提高声速预测值精度有待进一步研究。     

苏禄—苏拉威西海内孤立波动力参数时空变化特征

基于弱非线性理论及再分析同化数据, 计算了苏禄—苏拉威西海冬季及夏季内孤立波动力参数, 包括内孤立波线性速度、一阶和二阶非线性参数及线性色散参数, 并研究了这些参数的时空变化特征。我们发现, 虽然苏拉威西海域受到更加显著的西北太平洋水入侵, 但苏禄海内孤立波动力参数的时空变化特征却比苏拉威西海更为显著。夏季苏禄海内孤立波线性速度总体上比冬季约大0.1m·s^-1; 与此相反, 夏季苏拉威西海内孤立波线性速度却比冬季约小0.05m·s^-1。无论是一阶或二阶非线性动力参数, 其在苏拉威西海的时空变化均比较微弱, 但在苏禄海则较为显著。苏禄海夏季一阶非线性动力参数比冬季高出约3×10^-3s^-1, 但是夏季二阶非线性动力参数却比1月份低约3×10^-5m^-1·s^-1。此外, 相比冬季, 夏季苏禄海和苏拉威西海的色散动力参数均有所减弱, 但其在苏禄海减弱的幅度更大。综上, 苏禄—苏拉威西海环流引起的水体层化最大浮力频率所在深度的时空变化是造成上述内孤立波动力参数时空变化的根本原因。     

冲绳海槽中部现代海底热液活动在沉积物中的元素地球化学记录

对采自冲绳海槽中部现代海底热液活动区的H9岩心沉积物进行了常量、微量元素分析,结果表明大部分元素含量在岩心75~80 cm处有一个明显的突变,上段中明显富集多种微量元素,这些元素正好对应于海槽中非热液活动区沉积物中相对亏损的元素,是热液活动区沉积物中的富集特征元素.75~80 cm处岩心沉积物中元素含量突变标志着冲绳海槽中部现代海底热液活动的开始或显著加强.除锰外,在其他热液活动区(如洋中脊等)显著富集的铁、铜、钴、镍在该区富集程度不高,但铅、鉮、锑、汞在上段岩心沉积物中的平均含量较下段高3~6倍,较非热液活动区沉积物中含量高3~12倍.这些富集元素与冲绳海槽热液活动成因硫化物中富集元素非常一致,表明该区热液活动对沉积物中锰、铅、鉮、锑、汞具有重要贡献,锰、铅、鉮、锑、汞是海槽中部现代海底热液活动的特征性示踪元素组合.岩心沉积物中很好地记录了热液活动的发展演化,该区海底热液活动从距今5740a开始发生或显著增强,并且一直持续到现在,只是其间活动程度经历了强弱变化,岩心上段锰的平均堆积速率约为40.461μg/(cm2·ka),与其他热液活动区的相当.     

西南印度洋脊“断桥”热液区深部地质构造研究

Polymetalic sulfide is the main product of sea-floor hydrothermal venting, and has become an important sea-floor mineral resources for its rich in many kinds of precious metal elements. Since 2007, a number of investigations have been carried out by the China Ocean Mineral Resources Research and Development Association(COMRA)cruises(CCCs) along the Southwest Indian Ridge(SWIR). In 2011, the COMRA signed an exploration contract of sea-floor polymetallic sulfides of 10 000 km2 on the SWIR with the International Seabed Authority. Based on the multibeam data and shipborne gravity data obtained in 2010 by the R/V Dayang Yihao during the leg 6 of CCCs21, together with the global satellite surveys, the characteristics of gravity anomalies are analyzed in the Duanqiao hydrothermal field(37°39′S, 50°24′E). The "subarea calibration" terrain-correcting method is employed to calculate the Bouguer gravity anomaly, and the ocean bottom seismometer(OBS) profile is used to constrain the two-dimensional gravity anomaly simulation. The absent Moho in a previous seismic model is also calculated.The results show that the crustal thickness varies between 3 and 10 km along the profile, and the maximum crustal thickness reaches up to 10 km in the Duanqiao hydrothermal field with an average of 7.5 km. It is by far the most thicker crust discovered along the SWIR. The calculated crust thickness at the Longqi hydrothermal field is approximately 3 km, 1 km less than that indicated by seismic models, possibly due to the outcome of an oceanic core complex(OCC).     

Elemental geochemical records of seafloor hydrothermal activities in the sediments from the Okinawa Trough

The major and minor element contents in the sediment core H9 from the hydrothermal fields of the Okinawa Trough show a sharp change at the depth of 80 cm. The elements enriched in the upper 80 cm core are those enriched in the hydrothermal deposits and in the surface sediments recovered from the hydrothermal fields in the trough, which indicates the input of hydrothermal materials. Comparing with other hydrothermal sediments from Mid-ocean Ridges or the Lau Basin, the degree of the enrichment of elements iron, copper,cobalt, and nickel is relatively low. However, the enrichment of elements manganese, lead, arsenic, antimony and mercury is remarkable. The average contents of these elements in the upper 80 cm core sediments are three to six times those in the lower section, and 3~12 times those in the surface sediments which are not influenced by hydrothermal activities. Hydrothermal activities have contributed significant manganese, lead, arsenic, antimony and mercury to the sediments, and these elements are distinct indicators for the hydrothermal activity in the Okinawa Trough. The significant enrichment of these elements in Core H9 upward from the depth 80 cm indicates the start or the significant enhancing of the hydrothermal activity in this area at about 5 740 aB.P. The average accumulation rate of manganese during this period is about 40 461 μg/(cm2·ka), which is similar to the hydrothermal sediments in the Lau Basin or the East Pacific Rise.     

基于生成对抗网络模型的热带和亚热带海洋中尺度涡预报研究

中尺度涡蕴含海洋超过90%的动能, 显著影响海洋物质能量循环。对中尺度涡的预报是目前物理海洋学研究的热点和难点。文章基于卫星高度计观测的近30年海表面高度异常数据(sea level anomaly, SLA), 采用基于博弈思想的生成对抗网络方法(generative adversarial networks, GAN), 构建了中尺度涡预报模型, 进行了28天预报, 并采用独立样本分析了预报涡旋的空间分布、时间分布、能量强度等特征参数, 探讨影响预报结果准确性和时效性的主要因素。结果表明, 半径为100~200km的涡旋在15天左右的预报时长仍能保持较好的准确性及时效性, 误差在20%以内。该区域的平均涡动能约为0.875m²·s^-2, 其预报的均方根误差(root mean square error, RMSE)普遍介于0.02~0.04m²·s^-2。且涡旋预报结果受异常天气影响较小, 在正常天气条件和台风娜基莉条件下具有相似的预报能力。这些结果对进一步理解并应用生成对抗网络这一新方法预报海洋中尺度涡提供了参考。