复杂深海工程地质原位长期监测系统研发与应用

海底滑坡、浊流等深海底地质灾害严重威胁海洋工程安全,是国家深海开发亟待解决的风险问题。为避免深海海底地质灾害对海底工程造成危害,解决深海海底地质灾害监测预警的难题,我们研发了一套复杂深海工程地质原位长期监测系统。该系统通过声学、电阻率、超孔隙水压力等方法监测深海海底沉积物的物理力学性质变化,实现了对深海海底地质灾害的监测和预警。该系统主要包括海床基搭载平台、监测系统、通信控制系统、供电系统等。其中监测系统主要通过原位长期监测海底沉积物的电阻率、声学、超孔隙水压力等的变化来获取海底沉积物的物理力学性质变化;通信控制系统可以实现海底到海面,再到陆地的双向通信和数据传输。其中供电系统通过独特设计的海水电池工艺,可以满足该系统在海底长期工作一年的电量需求。复杂深海工程地质原位长期监测系统已完成了近海测试,并搭载“海洋地质六号”“东方红三号” “张謇号”等科考船在南海进行了多次远海海试,获取了丰富的实测数据。电阻率监测系统采用温纳法滚动测量,测得的水土界面位置平均电阻率为0.207 Ω·m。超孔隙水压力监测系统采用开放式结构的压差式光纤光栅孔压测量方法,监测到孔压观测的4个标志性阶段:(1)贯入过程引起的超孔隙水压力累计,峰值为34.942 kPa,历时0.182 h;(2)贯入完成后累积的超孔隙水压力衰减,衰减到9.973 kPa,历时为0.810 h;(3)环境应力引起的超孔隙水压力实时响应,超孔隙水压力的变化范围为8.327~14.384 kPa;(4)残余孔隙水压力平均值为11.150 kPa。声学监测系统采用两个一发三收模式,测量的海水平均声速为1 533 m/s,测量的海底沉积物自上而下的平均声速依次为1 586、1 587、1 784、1 735、1 831 m/s。复杂深海工程地质原位长期监测系统的成功研制将显著提升目前海洋工程地质原位长期观测的技术能力,解决复杂深海工程地质评价及地质灾害监测预警的技术难题。     

海洋沉积物孔隙水的制备方法

介绍了几种海洋沉积物中孔隙水的制备方法,包括离心法、压榨过滤法和真空抽提法等,并对这些方法的优缺点进行了比较。     

海洋浮游生物原位观测技术研究进展

原位观测技术在生物海洋学过程研究中的应用,从海洋生物多样性、海洋生物的生理生态响应和宏观的生态过程及其变动机制等方向的研究中得到迅速的发展,极大提高了对海洋生物学、生态学以及不同时空尺度生物地球化学过程的认识.包括原位光学检测技术、水下显微摄像与自动化鉴定技术、水下流式细胞技术、分子生物传感器等新型原位观测技术,拓宽了各类型观测平台的研究对象范围.重点阐述生物海洋学原位观测技术的发展现状、应用实例及其在立体海洋观测系统中的应用前景.     

海底斜坡变形滑动原位观测研究

舟山群岛海域潮汐通道较多,海底斜坡失稳现象普遍发育,多发的海底滑坡对海底光缆、围海工程、港口码头等近岸设施具有很大威胁,针对其发生机制的调查研究越发受到重视。本文基于自主研发的海床变形观测系统,配合孔隙水压力观测系统和水动力观测系统,在舟山朱家尖岛西南侧典型海底斜坡自2019年8月29日开展为期75d的变形观测。结果表明：观测范围沉积物变形分为3个部分,海底斜坡底部潜在滑动面（海床下12～13.5m）沉积物累积变形量约0.75mm,侧向变形过程呈现阶梯变化特征且变形方向与斜坡倾向吻合,顶部变形与潮汐方向一致。观测发现潮位变化会改变沉积物超孔隙水压力变化,由其引发的深、浅层沉积物超孔压差改变是观测区海底斜坡潜在滑动面侧向变形的主要触发因素。     

沉积物磷原位钝化技术研究进展

水体磷含量是湖泊富营养化最主要的限制因子之一.伴随着湖泊流域工农业发展,外源污染物的长期输入致使沉积物中蓄积了大量的磷及其他污染物.湖泊沉积物一方面是水体磷重要的汇,但另一方面还是水体磷重要的源.在单纯控制湖泊外源污染条件下,沉积物磷的释放仍可导致水体持续富营养化,湖水水质得到明显改善通常需要数十年,因此控制湖泊沉积物内源污染释放是快速恢复湖泊水质必不可少的措施.沉积物内源污染控制技术包括生物修复、环保疏浚以及原位钝化技术.受水深等环境条件限制,生物修复技术和环保疏浚在深水、亚深水型湖泊难以实施.沉积物磷原位钝化技术具有生态、经济、快速和效果稳定等特点,在控制湖泊底泥内源污染中可望发挥重要作用,尤其适合于深水、亚深水型湖泊内源污染控制.系统阐述了不同沉积物原位钝化剂的钝化原理,对比分析了铝盐、铁盐、钙盐和粘度矿物作为磷钝化剂的优缺点和应用条件,概述了国内外沉积物原位钝化技术的应用现状,在此基础上提出了沉积物原位钝化技术未来的重点研究方向:一是研究发展新型钝化剂;二是因地制宜,探索适合不同类型湖泊的底泥原位钝化技术体系;三是加强底泥原位钝化技术与其他技术的联合应用研究与示范;四是加强钝化剂负面影响评价,建立科学的应用技术方案.     

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。     

海洋沉积物中孔隙水的氯同位素测量方法研究

采用Ba型、H型和Cs型三步阳离子交换树脂法,对海洋沉积物中孔隙水的氯进行了分离和提纯。氯的回收率达99．6％,能满足氯同位素质谱测定的需要。氯同位素的测量采用基于Cs2Cl^＋离子的高精度正热电离质谱法,对ISL354NaCI标准物质的多次测量结果为”CI／”CI=0．319130±0．000029,对一个南海海底沉积物中孔隙水的多次测量结果为^37CI／^35CI=0．319144±0．000043,表明此方法的稳定性好,测量精度高,可用于海洋沉积物中孔隙水的氯同位素示踪研究     

海洋沉积物孔隙水中溶解无机碳(DIC)的碳同位素分析方法

海水中往往含有一定量的溶解CO2（以HCO-3存在），其δ13C值组成十分恒定，一般在0‰值附近。赋存在海底沉积物中的孔隙水往往含有比海水更高的溶解CO2含量，且其碳同位素组成变化极大。对这些溶解CO2的碳同位素组成进行分析，能够为我们了解海底沉积物沉积-成岩过程和生物地球化学过程提供十分丰富的信息。为此，开展了沉积物孔隙水中溶解CO2 (DIC)的碳同位素分析方法的研究。 采用的仪器为德国Finnigan公司生产的连续流质谱仪（Delta Plus XP）及与之联机的多功能制样装置(Gas Bench)。 Delta Plus XP为稳定同位素比值质谱仪，可以进行C、H、O、S、N等稳定同位素比值的测定，内精度小于0.1‰，外精度为0.1‰,稳定性好于0.03×10-6nA/h。Gas Bench为多功能在线制样装置，可进行CO2-H2O平衡法氧同位素，溶解二氧化碳碳同位素，碳酸盐碳氧同位素，空气中氮同位素及氮总量的前期制样，由于使用自动制样系统，具有处理时间短，效率高的优点。 样品分析过程：首先在自动进样器中对样品管进行烘烤(45℃)，然后拧紧瓶盖向样品管中充入氦气（16 min/管），充气完毕之后开始加人样品，使用注射器向管中注射0.5 mL样品，下一步使用加酸装置向管中注人磷酸反应平衡，磷酸用量大约0.3 mL左右，反应式如下： H3PO4＋HCO-3 aq===CO2(g)+H2PO- 4…+H2O…… 平衡1h后利用氦气将反应生成的气体CO2送人Delta Plus XP质谱仪测试。 实验过程中，制备了3个水样标准。NJWCS-l为直接取自实验室的Mill-Q纯净水，NJWCS-2为Mill-Q纯净水经蒸沸再冷却后，装人一密封的瓶子中，并向瓶中通人实验室用超纯钢瓶CO2气约4h，使CO2气充分溶解在水中并达到平衡。该瓶气体的δ13C值为-21.85‰。NJWCS-3为南京大学的自来水。 在不同时间对上述标准水样进行碳同位素组成测试结果表1。 实验过程中，选取3个采自南海北部某区海底沉积物孔隙水样品，进行了多次重复测试。结果表明，测试结果十分稳定。其中S-1的δ13C值（-5.11±0.12)‰( n=4); S-2的梦δ13C值（-27.13±0. 02)‰( n=2);S-3的δ13C值（-29.34±0.37)‰（n＝2)。 综上所述，通过笔者建立的分析方法，可对沉积物中孔隙水溶解无机碳碳同位素组成进行准确测试。这一方法的建立，有利于对海洋沉积物孔隙水中可能存在的碳同位素组成异常及其与天然气水合物的关系进行深人探讨。同时，该方法也完全适合于测定自然界中其他水体（如湖水、河水、油田卤水、地下水等）的溶解无机碳的碳同位素组成，因而该方法有着广泛的应用前景。     

微电极技术在沉积物化学原位测量中的应用

微电极技术在测量不稳定沉积物化学中具有不可替代的作用,日益受到重视。综合论述了目前实际应用于定量沉积物化学的三大电化学类型的微电极,覆盖了pH微电极、pCO2微电极、硫化物微电极、溶解氧膜微电极、汞金伏安微电极的工作原理、制作方法和应用文献。特别介绍了实验室制作氧化铱pH微电极的方法和性能,描述了制作汞金伏安微电极的详细步骤及其在测量沉积物氧化还原化学成分的具体实验装置和技术方法,认为微电极技术的引入对深化沉积物生物地球化学过程研究具有重要作用。     

海洋地质灾害原位监测技术研究进展

海洋地质灾害对沿海城市人口和海洋经济发展构成重大威胁。海岸港口航道、海底管线光缆、海洋平台基础等工程建设规模的扩大,意味着海洋地质灾害风险进一步提高。海底火山爆发、海啸等大规模但不常见的灾害事件吸引了大多数公众关注和媒体报道,并促使政策调整以防范化解灾害风险。然而,海底气体喷溢、海底滑坡等小规模但更频繁的原生灾害事件,会产生严重的局部影响,并且极易转变为灾害链导致灾害事件恶化,但社会公众在很大程度上没有足够重视此类灾害风险。迄今为止,大多数海洋地质灾害的特征都可以被探测识别,但依靠现有的技术却很难有效监测。海洋地质灾害的原位监测需要更加严苛的技术能力,特别是突发性海洋地质灾害的原位监测难度较大。综述首先介绍了海洋地质灾害原位监测的意义以及技术发展的挑战,然后对海洋地质灾害的监测要素进行总结探讨,重点阐述海洋地质灾害监测技术装备的应用情况,并对海洋地质灾害的风险评估和灾害预警进行分析探讨,最后对海洋地质灾害原位监测技术及其应用作了总结和展望。综述旨在分析总结海洋地质灾害类型的监测技术装备及其应用中涉及的一些核心技术和急需解决的关键问题,以期为该项技术发展和应用提供借鉴。     

海相沉积软土动强度与孔压特性试验研究

以宁波轨道交通1号线②、③和④层海相沉积软土为对象,进行GDS单向振动三轴试验,研究了不同动应力幅值和频率作用下软土的动强度与孔压特性。结果表明：相同动应力状态下,等向固结时的强度要比K0固结时的强度大;在相同动应力幅值条件下,频率越高,强度越高;动应力越大,试样强度越大,发生硬化现象。随着振动次数的增加,孔隙水压力也不断增大,仅③层粉质黏土夹砂层在应力幅值为5 kPa时孔压有稳定趋势。最后,通过对动三轴试验数据进行拟合,得到了模型参数,其结果可以用来预测循环荷载作用下土体的累计孔压。     

A new approximation for pore pressure accumulation in marine sediment due to water waves

The residual mechanism of wave‐induced pore water pressure accumulation in marine sediments is re‐examined. An analytical approximation is derived using a linear relation for pore pressure generation in cyclic loading, and mistakes in previous solutions (Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech. 2001; 25 :885–907; J. Offshore Mech. Arctic Eng. (ASME) 1989; 111 (1):1–11) are corrected. A numerical scheme is then employed to solve the case with a non‐linear relation for pore pressure generation. Both analytical and numerical solutions are verified with experimental data (Laboratory and field investigation of wave– sediment interaction. Joseph H. Defrees Hydraulics Laboratory, School of Civil and Environmental Engineering, Cornell University, Ithaca, NY, 1983), and provide a better prediction of pore pressure accumulation than the previous solution (J. Offshore Mech. Arctic Eng. (ASME) 1989; 111 (1):1–11). The parametric study concludes that the pore pressure accumulation and use of full non‐linear relation of pore pressure become more important under the following conditions: (1) large wave amplitude, (2) longer wave period, (3) shallow water, (4) shallow soil and (5) softer soils with a low consolidation coefficient. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

中–高煤级煤岩孔隙发育特征

煤层气的吸附、解吸、扩散、运移与煤储层孔隙发育情况密切相关,煤岩孔隙特征实验研究至关重要。离心法获取煤样毛管压力资料快速简便,无毒无害,通过离心取代常规压汞来表征并划分中-高煤级煤岩孔隙结构类型,将二者实验结果进行对比,同时结合扫描电镜实验探究孔隙发育成因。结果表明：依据煤级高低可将煤岩孔隙结构划分为3类,从类型Ⅰ到类型Ⅲ,孔隙发育情况由大-中孔向微-小孔过渡,气体储运模式由吸附扩散向游离渗流过渡;离心与压汞在表征煤岩孔隙发育特征上具有一致性;不同种类的煤孔隙成因导致煤层气在各类煤储层中的储运方式存在差异。     

Fissure-fill and tunnel-fill sediments: expressions of permafrost and increased hydrostatic pressure

A spectacular network of fissure fillings and pipes (tunnels) cuts Quaternary gravelly delta deposits northeast of Myvatn, precisely on the spreading axis of the North Icelandic rift zone. The delta was formed in an ice-contact lake during deglaciation towards the end of the last glaciation. Subsequently the lake was drained and permafrost conditions developed in these poorly sorted gravel deposits. Hydrostatic pressure was transmitted from the adjacent glacier to the non-frozen core of the delta beneath the discontinuous permafrost crust and the seasonally frozen active layer. Owing to increased hydrostatic pressure, a network of subhorizontal to vertical fissures was opened along the taliks. In these fissures free ground-water flow and sediment transport were established. Tunnel erosion and probably also seepage erosion were associated with these fissures. Subsequently, the fissures and tunnels were filled by laminated fine sediments interbedded with poorly sorted material resulting in the formation of fissure-fill sediments and tunnel-fill sediments.     

In situ anaerobic degradation of petroleum alkanes in marine sediments: preliminary results

The degradation of acyclic petroleum hydrocarbons was studied during a 24-month experiment in Mediterranean coastal sediments (Gulf of Fos). Sediment cores entirely contaminated with oil (Arabian Light Crude Oil) were incubated in situ. The use of conservative tracers of sediment's particles reworking (luminophores) allowed the distinction of the reworked layer from the anoxic deeper sediments. Using the 17α,21βC₃₀ hopane (C₃₀H) as an inert internal reference, we could demonstrate that, after 24 months of experiment, acyclic petroleum hydrocarbons can be degraded under natural anaerobic conditions. The reactivity of individual alkanes appeared to depend on their chemical structure. To cite this article: D. Massias et al., C. R. Geoscience 335 (2003).To cite this article: D. Massias et al., C. R. Geoscience 335 (2003).     

海洋沉积物的铁和锌同位素测定

介绍海洋沉积物Fe和Zn同位素化学前处理及测定方法,报道南海西部夏季上升流区两个沉积物柱样的Fe和Zn同位素组成。样品采用HF+HNO3+HClO4常压消解,经脱盐后,转化为氯化物形式并经离子交换柱分离纯化后,用多接收器等离子体质谱法测定Fe和Zn同位素比值。该前处理方法可以快捷地实现海洋沉积物的消解、有机质的去除和海盐脱离;结合相关测试流程,可获得较高的δ56Fe(0.10‰,2SD)和δ66Zn分析精度(0.11‰,2SD)。两个沉积物柱样的δ56Fe值(相对于IRMM-014)和δ66Zn值(相对于JMC3-0749C)随深度变化不明显,两柱之间也无明显差异。总体上,南海西部上升流区1～2 ka以来的沉积物δ56Fe值(0.04‰～0.20‰)和δ66Zn值(0.12‰～0.30‰)与已报道的黄土和气溶胶、火成岩以及大部分海洋沉积物接近,明显高于静海相海洋沉积物的δ56Fe值。     

波浪导致黄河口海床沉积物超孔压响应现场试验研究

黄河口海床特殊的工程地质性质与复杂的工程动力稳定性问题,均与海床沉积物在波浪荷载作用下的孔压动力响应密切相关。在现代黄河水下三角洲潮间带岸滩选择4个典型研究点,现场模拟波浪作用对原状海床沉积物实施循环加载,利用孔隙水压力观测、沉积物强度测试、样品采集与实验室土工测试等方法手段,测定黄河口原状海床沉积物在循环荷载作用不同阶段的孔压响应与强度变化。研究发现,黄河口原状海床沉积物在经历循环加载过程中,典型的超孔压响应可分为逐渐累积、部分消散、快速累积、累积液化和完全消散5个阶段,分别对应沉积物强度的衰减、增大、衰减、丧失和恢复过程,沉积物的粒度组成与结构性强弱决定了超孔压的具体响应模式。波浪导致原状海床液化深度受沉积物的干密度、孔隙比、饱和度等初始物理性质影响显著,细颗粒组分的相对含量高低也在很大程度上控制着沉积物的液化特性。     

黔西北海相、海陆过渡相页岩孔隙分形特征对比研究

本文以黔西北地区海相页岩层系牛蹄塘组、龙马溪组及海陆过渡相页岩层系龙潭组为研究对象,在孔隙特征分析和低温氮气吸附-脱附实验的基础上,对比研究深海陆棚相、浅海陆棚相以及潮坪-泻湖相泥页岩的孔隙分形维数特征,结果显示：深海陆棚相泥页岩D1适中,D2较大;浅水陆棚相D1偏小,D2适中;潮坪-泻湖相D1、D2均较大。通过将分形维数D1、D2与主要地质参数进行相关关系研究认为：D1能够较好的区别各种沉积相孔隙结构的整体特征,能够表征泥页岩的均值性、孔隙体积、吸附能力等宏观特征,D2则能够较好表征泥页岩结构复杂程度等微观特征。综合研究成果认为：浅海陆棚相泥页岩岩石均质性较好,吸附能力一般,微孔不很发育,不利于页岩气富集,资源潜力较小;潮坪-泻湖相泥页岩岩石非均质性强,吸附能力强,微孔发育,有利于游离态、吸附态页岩气富集,孔隙结构复杂,但开采难度最大;深海陆棚相泥页岩均质性较好,吸附能力适中,微孔发育,有利于游离态页岩气富集,但孔隙结构复杂,开采难度偏大。深海陆棚相为目前研究价值最高,经济开发潜力最高的层系。     

Magnetic characterisation and correlation of a Younger Dryas tephra in North Atlantic marine sediments

A technique for identifying non‐visible basaltic tephra‐rich horizons of Younger Dryas (YD)/Greenland Stadial (GS) 1 age in northeast Atlantic sediments using rapid, non‐destructive magnetic measurements is presented. Three high‐resolution marine sediment cores have been studied in an E–W transect across the Hebridean margin: St Kilda Basin (MD95‐2007), Barra Fan (MD95‐2006) and Rockall Trough (MD04‐2822). Magnetic susceptibilities and remanent magnetisations were measured at contiguous 1 cm resolution on bulk sediments. In all three cores, an interval with higher proportions of hard magnetic minerals coincides with a clearly defined peak in basaltic tephra shard (>250 µm) counts, which can be constrained to the early part of the YD/GS1 based on faunal climate proxies. Electron microprobe analyses of the magnetically distinct basaltic tephra interval, in all three cores, displays the same major element geochemistry as published for the Vedde basaltic (I Tab. 1), i.e. sourced from the Icelandic volcano Katla. The identification of transitional alkalic basaltic tephras within marine sediments could potentially be facilitated by magnetic analysis as a useful chronostratigraphic screening tool. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

饱和兰州黄土液化过程中孔压和应变发展的试验研究

采用WF12440型空心圆柱扭剪仪,用反压饱和法对初始饱和度较低的原状黄土进行饱和,进行室内原状黄土饱和液化试验研究,探讨了饱和兰州黄土液化过程中孔隙水压力、轴向应变、应力-应变滞回圈的发展规律。结果表明,对初始饱和度较低的原状黄土,反压饱和法使孔压系数B值达到0.95以上,即土样完全饱和;兰州黄土在均压固结条件下液化的孔压发展,开始时上升速率较缓慢,循环数一定后会出现孔压迅速增高的现象直至达到有效围压;应力-应变滞回特性随着振动次数的增加发生变化,塑性逐步增大;当轴向应变小于2%时,孔压增长缓慢;此后,孔压上升速率加大,3%应变可以出现在初始液化前;接近液化时偏应力为负值时的有效应力大于正值时的有效应力。