全海深海底沉积物力学特性原位测试技术

海洋开发已经步入全海深时代,迫切需要获取全海深海底沉积物力学特性。由于海洋工程地质环境的特殊性,尤其是深海,常规取样难度较大,并且会扰动原状土体,海底沉积物原位测试成为海底工程勘察的重要手段。介绍了静力触探测试、十字板剪切测试和全流动贯入测试等海底沉积物力学特性的原位测试方法;归纳总结了影响原位测试结果的因素主要包括水深、底质类型以及解析方法等;重点介绍了一种全海深海洋探索技术"深海着陆器";展望了全海深沉积物力学特性原位测试技术面临的机遇与挑战。     

深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置研制

自由下落式CPT测试技术(FF-CPT)是一种重要的海上沉积物强度原位测试方法。本文在FF-CPT室内试验原型样机基础上,通过进一步改进,研制了深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置。FF-CPT系统主要由数据采集单元、贯入探杆、配重、耐压控制舱及释放器等组成,设备总长度约6m,贯入深度约5m,极限工作水深1 500m。FF-CPT采用自容方式进行数据采集与存储,可同时测量深海表层沉积物的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等参数。目前已将该FF-CPT原位测试装置初步应用于渤海、南海等海域的表层沉积物强度测量,FF-CPT工作状态良好。期望本研究可为国内海上FF-CPT自主研制与进一步工程应用提供经验与借鉴。     

基于原位观测的黄河水下三角洲悬浮物浓度叠加锯齿模型

利用海底原位三脚架搭载水动力观测仪器,在黄河水下三角洲进行了为期134天的原位观测,获取了该海域波浪、潮汐、海流、海水温度、浊度等相关数据。并利用观测点海域的表层沉积物进行室内测试,发现该海域表层沉积物以粉砂为主,悬浮物浓度与海水浊度存在良好的线性关系,底层(距离海床约50cm处)悬浮物浓度在2~4g/L范围内变化。切应力计算结果与原位观测结果表明,强浪过程中波浪对泥沙起动起控制作用,进而显著提高悬浮物浓度;其余时间段,海流控制泥沙起动,悬浮物浓度随流速动态波动。该海域悬浮物浓度表现为叠加锯齿模型。因波浪作用而形成大锯齿,因海流作用而形成小锯齿。切应力计算结果可以较好地解释该模型。     

自主式深海海底溶质通量原位观测站研究进展

针对深入了解深海海底界面的物理、化学和生物动态变化过程及机制的观测需求,综述了自主式海底观测站(着陆器,lander)在深海海底溶质通量监测的研究进展。探讨了海底观测站的设计与实施技术,分析总结了深海自主式原位观测站在沉积物-水界面化学组分通量的观测机理,讨论了自主式海底观测站的国内外发展现状。自主式海底观测站具有可灵活机动选择观测地点、操作简单、便于多参数综合测量的特点,为获取深海海底长时空尺度综合参数资料提供了有效的技术支撑。根据目前深海生物地球化学循环研究特点,提出了自主式海底观测站面临的问题与发展建议。     

用于深海温度梯度探测的高分辨力测温系统

高分辨力测温技术一直是制约海底热流探测的关键技术之一,文中介绍了一种用于深海温度梯度探测的高分辨力测温系统,给出了总体设计方案。高分辨力测温电路解决了NTC热敏元件互换性差、输出信号微弱等问题,每个测量通道的信号转换电路、高分辨力测温电路和数据采集电路使用同一个精密电压基准源,提高了测量数据的一致性。搭建了系统测试平台,测试结果表明,使用标定分度为0.05℃的NTC热敏元件,系统量程为0~5℃,分辨力为0.001℃。在中国大洋第38航次搭载"蛟龙"号载人潜水器完成了深海原位实验,获取了西北印度洋大糦热液区深海沉积物的温度梯度数据,验证了系统的高分辨力测温性能,同时也发现,本次作业站位的深海区近似一个恒温场,沉积物的温度波动范围可能小于0.001℃。     

深渊生物资源取样装备技术体系研究

针对深渊生物资源研究的需求，自主研发了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取样装置，深渊沉积物保压转移装置，深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学测定装置。在深海模拟环境验证了取样装置在万米深度下的工作性能。相关装置在“探索一号”科考船的TS15、TS21-1和TS21-2大洋科考航次中，搭载“奋斗者”号载人潜器、“2号”深渊着陆器、“原位实验”号着陆器于西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了海上试验，成功获取了万米深度沉积物、水体和宏生物保压样品以及微生物原位过滤滤膜；成功进行了沉积物保压样品的保压转移试验。初步形成了深渊海域生物资源取样的装备技术体系，为深渊海底生物和基因资源开发，深渊生命过程等科学研究提供技术手段。     

菲律宾海深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系

为研究深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系,于2016年11月在实验室对水深3164～5 592 m的菲律宾海深海海底沉积物柱状样品的声学特性进行测量,获取了沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数等声学特性参数。结合沉积物的孔隙度和密度等物理性质参数,分析了海底沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数与孔隙度、密度的相关关系,建立了该海域海底沉积物声学特性回归方程。研究结果表明:研究区深海数据与浅海回归方程符合度较差,与深海回归方程符合度较好;Hamilton校正方法有助于修正实验室测量引起的温度和压力误差,声速比与Hamilton方程符合度比声速好;声阻抗和声阻抗指数与物理性质参数的相关性优于声速和声速比。此外,研究认为由于海底沉积物的沉积环境较为复杂,其声学特性回归方程存在差异。由于上述差异的存在,在使用基于不同海域数据建立的回归方程进行海底沉积物声学特性预测时,应加以区别对待。该研究丰富了深海海底沉积物声学数据,对促进深海海底沉积物声学深入研究具有一定的借鉴意义。     

区别于DSDP-ODP的深海保压保温天然气水合物钻探取心技术

到目前为止，任何深海天然气水合物原位岩心样品的钻探、取心技术都离不开ODP(大洋钻探计划)或DSDP(深海钻探计划)专用船舶钻探技术，该技术主要通过从工作母船上连接几百到几千米钻杆到海底，实现500—1000m的钻探，再通过不同类型PCS(保压取心器)与PTCS(保压保温取心器)取心工具实现样品采集。重要特点是投入经费巨大。新型保压保温取心钻具是将钻具直接固定在深海海底，实现样品的原位保真采集，针对国内外两类着底式天然气水合物钻探、取心技术进行了分析，对于深海浅表层天然气水合物原位样品采集作业反映了创新的思维、技术模式、设计方案与科学方法     

海底冷泉区沉积物-水界面甲烷通量原位观测研究进展

海底沉积物-水界面作为冷泉跨圈层活动最关键的界面，近年来已成为冷泉区碳循环研究调查的重点目标。为准确获取海洋沉积物-水界面的流体通量，客观重建界面环境过程，评估环境效应，必须发展一整套精确、高效、科学的水下原位甲烷通量测量技术。综述了当前海洋冷泉区沉积物-水界面甲烷通量研究的意义与价值，详细介绍了多种较为成熟的海洋沉积物-水界面甲烷原位通量测试技术工作原理、使用方法和优缺点等，如测试游离气泡态甲烷通量的渗漏帐篷、声学反射、时序影像等技术方法，原位溶解态甲烷膜脱气技术的甲烷传感器、激光拉曼光谱测量方法等，同时对全球该领域已经调查的地区、研究现状和进展进行了详细的介绍。最后从技术层面对这一研究领域未来的发展方向和趋势进行展望，以期为未来国内海洋冷泉区沉积物-水界面甲烷通量原位观测研究提供思路与方向借鉴。     

底栖有孔虫(Florilus decors)壳体微量元素/钙比值的LA-ICP-MS原位微区分析方法及应用——以长江口外海域为例

深海沉积物中有孔虫壳体的微量元素、同位素测试技术已较为成熟,而河口近海沉积物中有孔虫壳体元素微区测试却鲜有报道。本文报道了一种利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）分析法测试取自长江口外沉积物中的有孔虫壳体元素/钙比值的技术,研究了氦气载气流量、能量密度、束斑大小、激光剥蚀频率等参数对测试结果的影响,优化了活体有孔虫原位分析方法。应用确定的测试条件对2016年7月取自长江口外的底栖有孔虫优美花朵虫样品（Florilus decors）进行测试,发现Mg、Sr等元素/钙比值在壳体不同位置上无显著差异,而Mn的数据较为离散,可能与有孔虫生长过程中经历的水环境及其变化有关。     

深海潜标ADCP 的实时数据传输

深海潜标观测是深海观测获取长周期海洋科学数据的重要调查手段,由于深海海域环境非常复杂,潜标易丢失或终止正常工作,造成重大损失.本研究基于铱星卫星数据通信模块,开发与深水潜标上安装的RDt 75k ADCP相匹配的数据解析压缩软硬件,建立一套远程实时获取潜标ADCP数据的传输系统,实现对深海潜标ADCP的实时监测.     

内孤立波浅化破碎过程斜坡沉积物孔压响应特征实验分析

观测资料显示内孤立波沿斜坡浅化过程对海底沉积物的作用犹如一台水中吸尘器,在破碎转换阶段达到最强,甚至会触发一系列地质活动,引发地质灾害。为界定此过程中沉积物的动力响应特征和影响因素,在大型重力式分层流水槽中模拟不同振幅内孤立波和不同类型沉积物斜坡连续作用过程,利用孔隙水压力采集系统实时记录孔隙水压力变化,对比分析不同水动力、坡度、沉积物类型情况下沉积物中超孔压变化特征。分析结果表明,内孤立波破碎过程,破波位置海床表层波压力和不同深度超孔隙水压力都存在相似的"U"型负压力变化过程;破碎波经过位置沉积物表现为和表面波压力正相关的孔压响应特征。破碎点沉积物中超孔压幅值随深度减小,约在6%波长深度位置减少到坡面压力的50%。超孔压幅值和内孤立波振幅、沉积物类型和斜坡度密切相关,坡度由0.071变化到0.160时,波压力幅值可增大至1.6倍。内孤立波振幅变化不影响不同类型海床土动力响应规律,只与超孔隙水压力值大小有关,内孤立波对海床的动力作用可认为弹性作用。     

海底沉积物实验室剪切波速度及其与沉积物的物理性质之间的关系

采用压电陶瓷弯曲元法和共振柱试验的方法对采自我国海域的一些典型海底浅表层沉积物样品进行了剪切波速测试,获得首批可信数据.两种方法所测得的剪切波速数据具有很好的一致性,且在数赫兹至数十千赫兹频段范围内剪切波速不具明显弥散性.剪切波速与沉积物类型关系密切,不同海区和不同类型海底沉积物的剪切波速有明显差异.近海较细颗粒沉积物粉砂的剪切波速在100m/s左右,细颗粒沉积物的剪切波速在100m/s以下;陆架较粗颗粒沉积物的剪切波速最大,超过100m/s;深海、半深海细颗粒沉积物的剪切波速最低,小于50m/s.剪切波速与含水量、密度、孔隙度、塑限和液限等沉积物物理参数之间具很好的相关性,反映了剪切波速和物理性质之间的密切关系.剪切波速与压缩波速呈正相关性,但在不同的波速范围剪切波速随压缩波速的变化有很大不同.     

深海沉积物超长取样系统研究进展

深海沉积物作为一种重要的深海环境变化记录载体,是海洋学尤其是深海研究必不可少的基础研究资料.因此如何获得超长、连续、无扰动的沉积物柱状样品是深入开展深海科学研究的关键技术环节,也是我国在深海研究国际竞争中取得优势的主要技术瓶颈之一.通过综述国内外深海超长沉积物取样系统的研究进展,发现当今通用的沉积物取样系统存在诸多技术问题,从而不可避免地对沉积物产生扰动、压缩、断层等破坏.基于深海取样系统研制的国内外发展动态,提出了一种新的结合普通重力取样器对浅表沉积物样品无扰动取样和重力活塞取样器获取超长沉积物的混合型超长沉积物取样系统的设计构想.     

深海沉积物抗剪强度影响因素及其变化规律

深海沉积物土工力学特性是研发深海海底作业装备的依据。利用现有的深海土工力学原位测量数据和取样分析的成果,采用回归分析方法,得到了沉积物物化组成等参数与抗剪强度的相关关系。研究表明:深海沉积物以粉质土、有机黏土为主,具有高含水率、大孔隙比、低密度等特征;随着埋藏深度的增加,深海沉积物的含水率和孔隙比逐渐减少,湿密度与抗剪强度则呈增大趋势;物理参数与抗剪强度之间有较好的相关关系,含水率、密度及孔隙比与抗剪强度的相关性明显,其中,密度与抗剪强度成正比,而含水率、孔隙比与抗剪强度成反比;以含水率、密度和孔隙比为自变量的多变量回归分析方程能更好地表达沉积物物理特性与抗剪强度的相关关系。     

深海原位微颗粒观测系统设计及实现

深海观测具有重要的科学意义。为此,设计了一种原位微颗粒观测系统,可以获取深海的藻类、泥沙颗粒尺寸和形状等信息,并计算其流动。整个观测系统包括水下观测子系统、在线处理子系统、岸基后处理子系统。对各个子系统的设计及实现进行了详细论证。最后依据实验室及浅海试验,验证观测系统的准确性,并优化系统设计。     

西太平洋深海科学观测网的建设和运行

西太平洋科学观测网是由中国科学院海洋研究所自主建成的大洋观测网络。深海数据的连续获取和实时传输对海洋与气候预报和海洋环境安全保障意义重大,世界海洋大国纷纷致力于其关键技术和系统集成的攻关。在中科院战略性先导科技专项的资助下,中科院海洋所经过统筹安排和周密部署,3年多来先后组织西太平洋综合考察航次3次,成功布放和回收深海潜标73套次,建成了由16套深海潜标组成的我国西太平洋科学观测网并实现稳定运行,获取西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和洋流等数据。在2016年航次中,中国科学院又攻克了潜标数据长周期稳定实时传输的海洋观测难题,实现了深海数据的"现场直播",截至2017年9月,深海数据已成功连续实时回传260余天。以此为标志,我国的大洋科学观测网建设实现了批量化、标准化和常态化。深海观测数据的长时间连续积累和实时化传输,将提升我国深海科学研究能力,加速我国海洋与气候预报业务系统建设步伐,满足海洋强国建设、"一带一路"倡议对海洋环境安全保障的重大需求。"十三五"时期,我国正全面推进深海进入、深海探测和深海开发的深海战略,深海科学观测网建设技术和潜标数据实时传输技术对我国深海探测能力的提升意义重大。     

海底浅表层沉积物原位声学测量方法探讨

研究透射式和折射式两类海底沉积声学原位测量方法,通过分析10种海底浅表层沉积物声学原位测量仪器的特征,指出不同声学原位测量技术对沉积物声学特性测量结果的影响。比较黄海海底浅表层沉积声学原位测量数据与实验室测量结果的差异,分析原位声学测量数据普遍小于实验室测量数据的原因,指出原位测量的作用和重要性。探讨指出海底浅表层沉积物原位声学测量所需要配合发展的其他物理性质原位测量技术。     

开普菲尔底辟、布莱克海脊底辟和布莱克海脊沉积物应力史和土工性质研究

对ODP164航次获取的沉积物进行了土工性质的测试：（1）在船上对采自开普菲尔底辟、布莱克海脊底辟和布莱克海脊的沉积物进行了常规强度比测试（2）在实验室对采自995A孔（位于布莱克海脊）的沉积物进行了阿特堡界限、小型十字板剪切强度、微型贯入强度以及等应变速率固结试验等项目的测试。研究区域具有沉积速率很高并赋存水合物的特点,此次研究的主要目的是为了解该区域沉积物应力史。根据结果显示,总的来说,布莱克海脊的沉积物除了近表层以外其他层位都表现为明显的欠固结状态。与周围站位相比,位于开普菲尔底辟上的993A孔通过侵蚀或块体坡移作用至少缺失了10m厚的海底表土。     

南黄海中部海底沉积物原位声速与物理性质相关关系

基于在南黄海中部获得的海底沉积物原位声速数据,分析讨论了原位声速与密度、含水量、孔隙比、孔隙度等沉积物物理性质参数的相关关系。通过回归分析建立了海底沉积物原位声速预测方程。结果表明,原位声速与上述物理参数之间具有良好的相关性,相关系数r均大于0.93。对比分析了原位声速预测方程与甲板声速预测方程的差异,两者最小相差15.8 m/s,最大相差31.3 m/s,平均差值约为22.6 m/s。将原位声速预测方程与其他研究者建立的声速预测方程进行了对比,结果表明不同声速预测方程存在明显差异,初步分析了存在差异的原因。