基于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉调查中的应用

随着海洋调查技术的发展和海洋研究的深入,基于深潜器平台的近海底调查在海洋调查与研究中的综合应用日趋常态。基于这一背景,本文介绍了搭载于"发现"号缆控水下机器人(remotely operatedvehicle,ROV)的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉区的应用实例。基于"发现"号ROV平台的近海底综合声学调查系统主要由R2Sonic2024多波束测深系统,模块一体化的侧扫声纳-浅地层剖面系统和水下综合定位与导航系统构成。该系统的配置极大地扩展和完善了"发现"号ROV的近海底调查能力,实现了近海底多波束、侧扫和浅剖等声学数据的同步采集和快速融合处理。基于本套系统在南海冷泉区的综合应用,本文对其工作流程进行了介绍,并对所获得一系列成果进行了初步分析。结果表明,近海底综合探测系统的应用为南海冷泉区的识别、海底地形地貌特征分析以及空间规模量化研究等内容提供了不可或缺的基础资料。本套系统的配置和成功应用,有效地提高了我国的近海底调查和作业能力。     

台湾岛西南海域福尔摩沙海脊冷泉区地形地貌特征分析

利用水深数据和ROV近海底影像资料,对福尔摩沙海脊冷泉区的海底地形地貌和冷泉系统的海底表征进行了描述和分析,并讨论了二者之间的响应关系。结果表明,相对于船载多波束数据而言,近海底多波束测深系统所获得的数据能更高精度地反映冷泉区海底地形地貌特征,是研究冷泉系统不可或缺的基础资料。基于ROV近海底观测影像资料,福尔摩沙海脊冷泉系统整体表现为局部被化能自养生物群落覆盖并有流体喷口零星分布的巨大自生碳酸盐岩岩丘,海底表征主要包括形态各异的自生碳酸盐岩结壳或岩体、化能自养生物群落、流体喷口、还原性沉积物等几种形式。研究表明,福尔摩沙海脊冷泉区的地形地貌特征与冷泉系统海底表征具有良好的响应关系,并且该区的地形地貌特征主要受控于出露于海底的自生碳酸盐岩的形态特征及规模。首次揭示了福尔摩沙海脊冷泉区地形地貌特征与其海底表征之间的响应关系,以期为后续的冷泉研究提供必要的背景资料支持。     

福尔摩沙海脊冷泉区海底表征规模及其分布规律

福尔摩沙海脊冷泉系统是我国南海北部陆坡最活跃的冷泉系统之一,也是我国冷泉系统研究的重要场所。通过综合利用水深数据以及连续3年的近海底影像资料,对该冷泉区的海底表征表现形式、规模和分布特征等做了描述。该冷泉系统发育了形态各异的自生碳酸盐岩、繁茂的化能自养生物群落、活动的流体喷口等特征性的海底冷泉系统表征。分析表明,自生碳酸盐岩的广泛发育与出露于海底导致了该区异常的地形特征。研究区内生物群落的分布主要受控于海底流体逸出海底的位置及其活跃程度,因此主要沿裂隙等海底流体优势通道发育。这些优势通道的发育能够有效疏导和汇聚露体运移至海底以维持化能自养生物群落,而化能自养生物群落对甲烷等有效成分的消耗促进了海底流体向海底运移。简言之,冷泉系统的海底表征是海底流体的重要产物,而海底表征亦可反作用于海底流体,主要影响其运移路径和有效通量。     

海底甲烷冷泉特征与冷泉生态系统的群落结构

海底冷泉及冷泉生态系统是现代海洋地质学和生物学研究的前沿领域,它提升了人类对深海资源的认识和利用,拓展了深海极端环境下生命的潜在界线。综述了海底甲烷冷泉的成因、冷泉喷发的类型及其特征,海底冷泉分布、形成的主要阶段(150—100Ma BP,42—28Ma BP和12Ma BP以来)以及指示海底冷泉系统的简要特征;综述了冷泉化能自养生态系统及其食物链构成和特征,专性种、潜在专性种和非专性种的生物组成及其特征,冷泉环境中有孔虫和轻小型底栖动物的主要变化;最后划分了我国近海的冷泉区(点)并简要介绍它们的分布和特征,为开展我国近海冷泉及其冷泉生物群落的调查和研究提供了基础资料。     

SeaBeam 3030多波束系统在南海冷泉调查中的应用

在冷泉调查研究中,多波束系统因其快速高效、成本较低的特点被广泛应用.本文靶定南海北部陆坡琼东南盆地冷泉发育区,介绍了SeaBeam 3030多波束系统在冷泉发育区中的调查应用实例.通过分析多波束水深数据和水体数据,确定了调查区海底地形地貌以及水体羽状流特征,同时对该冷泉区开展综合调查的必要性进行了初步分析.研究表明,调...     

冷泉气体渗漏过程海洋多电极电阻率法探测效果模拟分析

为分析评价一种新型海洋多电极电阻率法对海底沉积物中冷泉气体渗漏过程的探测能力,根据前人理论研究,结合具体实例构建沉积物中快速及慢速冷泉气体汇聚、渗漏、喷发阶段地电模型,模拟采用海洋多电极电阻率法进行探测,利用数值计算方法得到理论剖面图像,并和室内实验实测剖面图像进行对比分析。研究结果表明,在快速冷泉探测剖面图像中,含气层和渗漏通道会因冷泉气体扩散状态不同表现为不同的电阻率异常特征,但易于识别。在慢速冷泉探测剖面图像中,浅层沉积物中气体富集区呈明显的高阻异常区,随着气体渗漏异常区逐步消失。两种喷发过程形成的微地貌特征也可在探测图像中得到反映。海洋多电极电阻率法是一种可以图化描述沉积物中含气层、渗漏通道及气液界面空间分布位置的有效方法。     

海底沉积物-水界面溶解甲烷渗漏通量原位观测研究进展

海底沉积物-水界面溶解甲烷渗漏不仅是海底天然气水合物的存在标志和分解释放途径,也是冷泉生物群落的物质和能量来源,因其对海洋环境乃至全球变化的可能重要影响而日益引起人们关注,而海底原位观测及渗漏甲烷通量估算是理解上述问题的关键。目前国际上有两种较为成熟的海底甲烷通量观测方法:1流体渗漏速率原位测量配以室内甲烷浓度分析;2底栖室流体连续取样配以室内甲烷浓度分析,前者能灵敏反应冷泉渗漏速率的时序变化,而后者具有较高的甲烷通量测量准确度。随着甲烷传感器技术的发展,原位测量方法将大大提高甲烷通量测量精度、时间和分辨率。在可移动式观测平台上搭载甲烷传感器,同时进行近海底界面微尺度甲烷浓度梯度测量和湍流观测,不仅能够精细刻画近海底甲烷浓度变化、渗漏通量变化,并且非封闭环境能够最大限度地避免沉积物-水界面遭受扰动,使观测数据更接近海底真实环境,这成为未来海底原位观测的主要发展方向之一。除此之外,特征冷泉生物群落的分布已被广泛应用于将个别测量站位的观测结果扩展到整个区域的甲烷渗漏流量估算。目前,国外学者已经对部分典型海底冷泉区进行了渗漏甲烷通量估算,发现每个渗漏系统每年通过溶解形式向海水释放甲烷量约为6×103~1.35×107 mol,并且甲烷渗漏在时间上和空间上都是多变的,但还没能将单个冷泉系统的通量估算延伸到更大的时空尺度,这成为深入研究海底甲烷储库及其在全球碳循环和气候变化中的作用的瓶颈之一。     

南海冷泉分布特征及油气地质意义

在系统收集和分析南海海底冷泉资料基础上,应用浅剖和多波束水体影像技术识别海底冷泉,结合地质条件综合研究南海冷泉分布特征,进而分析探讨其油气地质意义。研究结果表明,南海冷泉分布广泛,神狐、东沙西南部、东沙东北部、琼东南、西沙海槽、南沙南部和越南沿岸等海域均发现冷泉,冷泉分布水深为200~3 000m。海底冷泉与深部油气乃至浅层天然气水合物资源有着密切的成因联系。冷泉及其伴生物(冷泉碳酸盐岩)的探测与识别对海洋油气勘探,尤其是天然气水合物勘查的指示作用明显。浅剖和多波束水体影像技术不仅可以探测和识别冷泉,而且两者结合可实现低成本、高效率的海底地质异常体(冷泉碳酸盐岩、泥底辟及气烟囱等)的声学异常探测,极大地提高了海洋油气勘探及天然气水合物勘查的成功率。     

海底冷泉系统的碳循环问题及探测

海底冷泉泄漏是全球碳循环过程中重要的一环,该系统分布的广泛性、机制的复杂性、与水合物资源的关联性及相关科学问题的重要性,使之成为海洋科学调查和研究的前沿领域.本研究评述了冷泉泄漏活动涉及到的几个碳循环问题,包括作为甲烷厌氧氧化反应(AOM)产物的碳酸盐在碳循环中的地位、大陆坡深源碳在冷泉泄漏中的贡献以及冷泉泄漏与金属矿产资源的关系等,藉此加深人们对该系统的理解.同时,本研究还介绍了在当前关于碳循环研究过程中,对海底冷泉探测常用的几种重要方法,包括以多波束探测气泡羽流,以坐底式探测器对冷泉泄漏活动进行原位、实时、持续地观测以及一系列近期开展的海底观测网计划.最后讨论了该领域未来发展的趋势及相关的重点问题,以期给相关研究提供一些有益的参考.     

基于ROV的近海底地形测量及其在马努斯盆地热液区的应用

针对重点的特殊深海研究区（如热液冷泉、洋中脊区域）,在船载多波束数据获得研究区大面积地形资料的基础上,有必要选取典型深海小靶区进行高分辨率地形测量为进一步深入研究提供保障。根据船载多波束实测数据选取PACMANUS热液区作为靶区,基于长基线定位,利用“发现”ROV搭载多波束系统进行近海底全覆盖地形测量。结果表明,依托于船动力定位系统及差分GPS,长基线为ROV提供了可靠的高精度定位,使得近海底测量的地形数据分辨率数倍优于船载多波束测得的地形数据的分辨率。高分辨率地形清晰的显示了PACMANUS热液区锥形丘体等特殊微地形,与已发现的热液点和火山区有很好的对应。进一步分析发现,该区域活动的热液区主要发育于坡度大于30°斜坡上的地形突变区,其成因仍需深入研究。利用ROV搭载多波束近底测量是获取深海小靶区高分辨率地形的可靠途径和方法,有利于提高深海海底研究的针对性,将促进我国深海科学研究的发展。     

空间互相关方法在分析海底沙波迁移规律中的应用

海底沙波具有显著的活动性并能够对海底工程设施造成潜在威胁,因此对海底沙波活动性的评估一直以来受到广泛关注。目前大多数研究者仍利用平面剖面对比来分析海底沙波的迁移特征。然而,该方法难以全面高效地获取海底沙波二维平面迁移矢量。本文基于2007年和2009年的高分辨率多波束测深数据,详细阐述了空间互相关方法在分析北部湾东南海域海底沙波迁移规律中的应用过程。利用实测数据进行对比分析,获得了研究区海底沙波的活动特征,并进一步讨论了空间互相关算法中不同参数的选取对结果的影响。结果显示,利用空间互相关分析方法能够有效获取海底沙波二维迁移矢量,获得的海底沙波迁移速率和迁移方向与前人研究成果吻合,表明了该方法的可行性和可靠性。但在对实际DTM数据进行空间互相关分析时,需根据海底沙波形态、数据质量等因素选取合适的参数及矢量获取方法。本研究实验了一种确定海底沙波迁移规律的新方法,该方法将有效提升获得海底地形变化规律的效率和准确度,可获得更加精细的海底地形动力过程。     

基于单波束测深资料的海底冷泉动力学特征反演方法研究

为了准确理解冷泉水体中甲烷气体的分布规律,综合运用单波束测深数据和冷泉水体流场数据,建立了冷泉气泡上升、溶解速率的定量反演方法,利用现场海试资料对反演方法进行了验证,并对海试区域的冷泉气体溢出、溶解通量以及冷泉水体的甲烷浓度进行了估算。计算结果表明,考察船航向与冷泉水体流向的差异会对声学探测结果产生影响,当航向与流向的夹角大于±60°时,声学成像中冷泉倾角的误差将超过50%。同时,冷泉气泡上升速率的衰减与溢出口水深显著相关,相关系数可达0.9,并且冷泉上升流对上升速率的提升效果明显。水合物稳定带的分布对冷泉气泡的收缩速率影响显著,稳定带内、外收缩速率的差异可达3～4倍。冷泉气体通量的计算结果表明,调查区域内冷泉的溢出强度整体较大,同时溶解通量与水深之间呈现明显的分段效应。根据冷泉气体溶解通量估算的冷泉水体甲烷浓度与色谱分析结果具有较好的一致性。相关研究有助于实现对冷泉水体中甲烷气体分布的定量评估,为潜在海底冷泉区的圈划和海域天然气水合物的调查提供技术支撑。     

琼东南盆地冷泉差异发育特征及其深部控制机理

海底冷泉与天然气水合物资源、全球气候变化和极端环境生态系统等重大问题密切相关,具有重要的科学意义.冷泉系统形成演化影响因素众多,其时空分布、活动特征及相关物理、化学和生物作用差异较大.冷泉活动的浅表层响应与深部控制要素的耦合关系、冷泉差异发育的流体动力学过程与控制机理等科学问题有待深入研究.以琼东南盆地为主要研究对象,...     

冲绳海槽海底冷泉-热液系统相互作用

热液和冷泉活动是现代深海环境中两个重要的极端系统,它们均是岩石圈与外部圈层之间进行物质、能量转移和交换的重要途径,它们之间既有显著差异,但也存在很多相似点。一系列调查研究表明,在某些特殊构造单元,热液和冷泉活动可能并不是彼此孤立的,而是在构造地质、生物生态和元素循环上存在某种相互作用或耦合关系。冲绳海槽作为西太平洋一个典型的弧后盆地,发育了繁盛的热液和冷泉活动,是研究这两个海底极端系统相互影响机制的天然实验室。在大量文献调研和野外精细探测结果的基础上,分析了冲绳海槽内相互毗邻的冷泉和热液之间的物质扩散过程及生物地球化学作用,初步建立了两个极端系统内两种不同流体相互作用的概念模型,认识到未来如对两个深海极端环境共生区构造发育特征、地层流体演化、生物群落以及矿物元素组成进行系统分析,将有助于建立更加完善的冷泉-热液两个系统在物质和能量上的耦合关系模型,同时也有助于揭示它们在生物生态之间的沟通融合规律,最终可建立盆地尺度上热液-冷泉区相互作用模式,从而加深对西太平洋甚至全球范围内冷泉-热液两个极端环境系统甚至"流体-固体"耦合的规律性认识。     

海底浅层地质灾害的高分辨率地震识别技术

将渤海某油田最新采集的二维高分辨率资料处理解释后,结合区域地球物理及地质概况,利用地震相分析、波阻抗反演、井(孔)震标定等深层油气勘探的成熟技术,系统研究了各类海底浅层地质灾害因素的成因、特征、危害及展布规律,总结了一套完整的利用高分辨率地震识别海底浅层地质灾害的技术方法。结果表明,浅层断裂、浅层气和埋藏古河道是研究区海底浅层发育的主要地质灾害因素,通过刻画不同期次地质灾害因素的类型及其分布范围,为今后该油田海上施工提供了可靠的工程地质调查成果。因此,高分辨率地震技术能够很好地应用于海底浅层地质灾害的识别。     

北部湾东南海域海底沙波发育分布特征及控制因素

北部湾东南海域海底发育大量沙波,利用最新获得的多波束测深、沉积物和水动力数据对沙波形态和分布特征进行综合分析,探讨沉积物特征、水动力条件,海平面变化等不同控制因素对海底沙波发育及分布的影响。结果表明研究区沙波广泛分布于沙脊顶部、沙脊槽中线附近及沙脊槽北端,沙波呈现远岸区尺度较小、对称性较好,近岸区尺度较大、多不对称的分布特征。海底沙波的发育和分布受现代潮流作用和沉积物特征的共同控制。潮流通道及流速的分布情况与沙波形态、规模的差异性分布一致。表层沉积物具有"远岸细、近岸粗"的特点,与沙波远岸尺度小、近岸尺度大的分布规律有较好的对应关系。此外,研究区出现有近对称形态的沙波,可能为海平面变化期间多期潮流共同作用形成的残余沙波。     

基于地形的海底热液区沉积物分布趋势预测方法研究——以西南印度洋中脊龙角区为例

热液区沉积物接受了大量热液物质的输入,其矿物组成及地球化学空间分布特征是多金属硫化物勘探的有效指标.由于重力作用,洋中脊区域沉积物主要分布于低洼和平坦地形区.为了探索地形因素对热液区沉积物分布的影响规律,本文通过ArcGIS提出了一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布趋势预测方法,并对西南印度洋中脊龙角区地形数据进行了...     

我国海底热液活动研究的阶段性进展与展望

海底热液活动调查研究是深海进入、深海探测和深海开发的切入点之一。近十年来,中国在西太平洋弧后盆地、东太平洋海隆、大西洋洋中脊和印度洋脊,发现了一批新的海底热液活动区,围绕着热液活动区的硫化物、流体、热液柱、生物等热液产物开展了调查研究,构建了海底热液地质学,提出了热液活动、冷泉及天然气水合物的同源异汇假说,出版了《海底热液地质学》、《现代海底热液硫化物成矿地质学》、《现代海底热液活动》、《东太平洋海隆热液地质》专著,获得了一批调查研究成果。未来,聚焦海底热液活动的深部过程及其资源环境效应关键问题,发展海底热液活动探测技术,拓展极地海底热液活动调查研究新领域,围绕烟囱体、热液柱、含金属沉积物、流体以及热液区生物等热液产物,开展深入、系统的调查研究工作,无疑将推动海底热液地质学取得新的进展。     

海洋沉积物中金属依赖型甲烷厌氧氧化作用研究进展及展望

海洋沉积物中大部分甲烷会通过甲烷厌氧氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)而被消耗。早期研究表明,AOM可与硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐的还原作用相耦合,从而有效减少甲烷向大气的排放。最近,金属依赖型AOM(metal-AOM,活性金属氧化物还原反应驱动的AOM)被证实存在于自然界沉积物和富集培养的样品中。但是,目前仍未从自然海洋环境中分离获得能够介导metal-AOM的微生物。对海洋沉积物中metal-AOM的研究大多聚焦于热液或冷泉等海洋特殊生境,一系列研究表明地质流体在这些海底化能自养生态系统的维持和演化方面起到了重要作用,并深刻影响全球地球化学循环,因此,该科学问题研究吸引了越来越多的注意力。本文讨论了可能参与海洋沉积物中metal-AOM的微生物类群及其地球化学证据,并在前人工作基础上,以冲绳海槽冷泉-热液共生区为例,提出一种新的metal-AOM作用机制。认为在全球冷泉-热液系统相互作用地区的调查有助于更好地探讨metal-AOM的发生机制及微生物在深海生境中分布的连通性问题。     

基于地形的海底热液区沉积物分布趋势预测方法研究

热液区沉积物接受了大量热液物质的输入,其矿物组成及地球化学空间分布特征是多金属硫化物勘探的有效指标。由于重力作用,洋中脊区域沉积物主要分布于低洼和平坦地形区。为了探索地形因素对热液区沉积物分布的影响规律,本文通过ArcGIS提出了一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布趋势预测方法,并对西南印度洋中脊龙角区地形数据进行了分析,包括沉积物重力搬运方向提取、沉积物汇集量估算、海底沟谷提取和沉积物源区划分。通过与研究区底质解译结果进行对比验证发现,预测结果与研究区内沉积物的实际分布范围较为吻合,表明本方法在一定程度上可以有效地指示地形影响下海底热液区沉积物的分布情况。本方法对海底硫化物矿产勘探工作具有一定指导意义,可为海底沉积物取样站位设置与海底硫化物成矿远景区圈定提供参考依据。