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、H_2S、pH及CO_3~(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。     

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。     

“潜龙二号”自主水下机器人热液探测系统

“潜龙二号”水下自主航行器（QianlongⅡ AUV）为深海资源尤其是海底多金属硫化物调查而设计,其已在西南印度洋脊热液区进行成功的调查运用。本文系统地概述了“潜龙二号”的热液系统探测功能实现、数据管理、快速成图等工作;阐述了如何利用AUV转圈数据有效的校正载体对磁测干扰的。基于“潜龙二号”获取的热液异常,发展了热液喷口快速定位方法。以具体一潜次为例,系统地展示了热液探测数据的处理分析与热液异常定位工作,证实了该方法的有效性。     

多通道化学传感器及其在热液喷口探测中的应用

热液喷口附近的羽状流中存在明显的化学及浊度异常,通过探测这些异常可判断是否存在热液喷口及确定喷口的具体位置。本文研制了一款可用于探测热液喷口的多通道化学传感器,该传感器具有体积小、精度高的特点,且可在4000米深海中进行工作。该化学传感器共配备五个全固态电极,一个为参比电极,其余四个为离子选择性电极,并且可根据所测量的化学离子进行更换。本文基于该化学传感器共进行了两组实验。在第一组浅海试验中,化学传感器集成了pH,Eh,CO₃^2-和SO₄^2-电极,在浅海海域中测量对应化学量,结果表明该化学传感器可在实际应用中获得高精度、稳定的测量数据。第二组实验为深海热液探测,装配了pH,Eh,CO₃^2-和H₂S电极的化学传感器在西南印度洋中脊区域的29次测线中投入使用,共获得有效数据27组。通过对测量所得到的化学量进行分析,本文提出了一种确定热液喷口的化学异常探测方法,若某时间段内Eh和H₂S的电势降低,而pH和CO₃^2-的电势上升则可判定存在化学异常。利用该方法对27组有效数据进行分析,共发现5个潜在的热液喷口。实验结果表明,该化学传感器可有效地探测由热液引起的化学异常,适用于实际热液探测中。     

洋中脊热液羽状流的分布特征及其在多金属硫化物找矿中的指示作用

热液羽状流是海底热液活动的重要标志,海底多金属硫化物是热液活动的产物。现阶段洋中脊多金属硫化物勘探工作的第一步是开展热液羽状流的近底探测;综合各类异常信息,实现从发现热液活动喷口到发现矿床的突破。本文以热液羽状流为研究对象,从羽状流的近底探测、扩散机制和分布特征3个方面,概述了最新的研究进展和有待完善的方面,阐述了羽状流在洋中脊多金属硫化物找矿中的指示作用,最后总结性地指出时空连续性、参数多元化将是热液探测的发展趋势,有助于提升对热液羽状流分布特征的认识,将为热液区分布模式的研究提供更加精细的探测资料。     

深海路由勘察中深拖与AUV的技术对比

详细研究了深海路由勘察项目中使用的深拖作业系统、AUV作业系统和相关的作业技术难点,总结了测量级AUV的技术优势,并对国际深海测绘级AUV的现状进行分析。对比结果显示现代深海勘察设备科技含量大幅度提高,AUV将逐渐取代走航式深拖成为深海工程勘察的新方式。     

浊度计在现代海底热液活动调查中的应用

无论是深入认识海底热液活动的规律,还是了解海底热液硫化物资源的分布情况,首先需要做的是发现海底热液活动及其产物.因此,用于发现和调查海底热液活动及其产物的技术手段非常重要.目前,进行海底热液活动调查的技术手段有电视抓斗、ROV、AUV和载人深潜器等.但由于使用这类技术设备需要相对高的投入和较复杂的附加装置,而且从电视抓斗、ROV、AUV和载人深潜器本身来讲,它们也有一定的技术限制,调查活动范围有限,不能胜任大面积海底热液活动异常调查工作.因此,载有各种物理、化学传感器和分析仪器的拖曳式走航连续观测系统仍是海底热液活动调查技术方面的一个重要发展方向.例如,美国、英国等先后投资研制了多种拖曳式设备,可进行海底地貌成像、电磁场、CTD、以及化学和物理多参数的测量,为发现和确定海底热液喷口位置起到了巨大的作用.     

热液柱的形态研究

热液柱是海底热液系统将其自身的能量输入海水的一种重要形式，是进行热液活动环境效应研究的主要物理对象。给出了描述热液柱形成与演化的运动方程、连续性方程和能量方程，并给出了问题的近似解。通过解的分析指出，热液流体从海底喷口喷出以后，由于初速度和浮力的存在将沿一个通道上升，随离海底距离的增大上升的速度迅速低，同时，热液流体的上升通道在侧向上将随这扩展，到达中性浮力面后不再上升，而仅在一个层面上扩展。在不考虑底层流的情况下，热液柱由热液颈和热液透镜组成。热液颈上粗下细，下部与热液喷口连接，上部与热液透镜连接；热液透镜呈宽扁的透镜状。     

应用于龟山岛热液喷口探寻的散射光式水下浊度仪研制*

位于台湾岛东北部的龟山岛热液区属浅水型海底热液活动区,已探明有超过30处的热液喷口分布在约10—30m的水深范围内。通过机械封装、硬件电路以及配套软件的设计和加工,自制了散射光式水下浊度仪;2011年5月25—30日,使用该浊度仪,对龟山岛附近海域进行了拖航作业,在此次作业的东北方向发现一处新的热液喷口(24°50^′09^″N、121°58^′08^″E);海试结果表明,该水下浊度仪对于浊度较大海域有探测能力,对浊度较小海域的探测精度不高,还有待进一步改进。     

东太平洋海隆13°N表层含金属沉积物物质组成与元素赋存状态

为了解不同类型含金属沉积物在物质组成和元素赋存状态的差异,对东太平洋海隆13°N洋中脊两侧表层含金属沉积物(站号:E271和E53)进行了矿物学、地球化学分析,顺序提取实验,并与前人对轴部表层沉积物(站号:17A-EPR-TVG1)的研究结果作了对比分析。研究结果表明, E271和E53是远端含金属沉积物,由非浮力热液羽状流中颗粒物沉降所形成的;17A-EPR-TVG1沉积物是近喷口含金属沉积物,由黑烟囱或者热液硫化物丘状体崩塌、堆积,或者由热液羽状流中Fe-Mn氧化物和硫化物快速沉淀而形成的,近喷口沉积物比远端沉积物更富集Fe、Cu和Zn等元素。元素在两种含金属沉积物中的赋存状态基本相同,除了Fe,Cu,Zn,Mo和稀土元素(REE)等元素在远端沉积物中主要存在于Fe-Mn氧化物相,在近喷口沉积物中主要在残留相中。远端沉积物中REE页岩标准化配分模式与海水相似,表明REE主要来自海水,而近喷口沉积物中REE配分模式与热液流体相似,说明REE以高温热液流体来源为主。相关研究结果加深了对热液沉积作用研究的认识。     

基于PXRF的西南印度洋脊硫化物表层沉积物地球化学找矿研究

海底热液喷发形成的热液羽状流中富含成矿物质,并沉淀在距离热液喷口不等的范围内。对西南印度洋中脊热液喷口附近、距离喷口中等距离、远离喷口的六个表层沉积物样品开展了不同粒度沉积物的便携式XRF（PXRF）分析。结果表明,PXRF可以有效获得的洋中脊钙质沉积物中成矿元素的富集特征。>40目的沉积物样品具有较高的Cu、Zn、Fe、Mn等元素含量,40目以下沉积物中则相对稳定,可能与粗粒沉积物中玄武岩碎屑/玻璃含量较高有关,与镜下鉴定结果一致。以热液喷口为中心,表层沉积物中表现出Cu、Zn、As、Fe、Mn的元素分带,靠近喷口的沉积物中具有较高的成矿元素的含量,并具有较高的Cu/Fe、Zn/Fe比值或者Cu/Mn与Zn/Mn比值。上述结论表明,洋中脊沉积物中成矿元素的含量主要受与喷口的距离的影响,而与粒度的关系不大,洋中脊沉积物地球化学找矿应采用40目以下粒径沉积物作为分析样品。通过PXRF获得的Cu、Zn、As、Fe、Mn等元素含量及其比值特征可以作为海底多金属硫化物沉积物地球化学找矿的指标,该方法满足快速有效识别洋中脊沉积物中地球化学异常的要求。     

台湾近海热液体系独特的生物及地球化学特征

台湾地处西太平洋构造活动带,近海发育了多处热液活动,其中最典型的为龟山岛和绿岛热液体系。本文对海峡两岸在龟山岛和绿岛热液的地球化学特征以及周边生物体的响应的研究进展进行了综述。龟山岛热液喷出流体具有全球最低的pH(1.52),富含重金属元素和CO₂等酸性气体,是周围海水中有色溶解有机质的来源;绿岛具有全球热液中最低的溶解有机碳浓度(14 μmol /L),且具有特殊的动力学特性。喷口周边分布了较为罕见的自然硫烟囱体和硫磺球。喷口的高毒性、高酸性热液改变了热液区生物体如螃蟹的生活习性和解毒机制。热液区的主要活跃菌群为参与碳、硫和氮代谢途径的γ-和ε-变形菌。主要生物质合成以硫还原和硫氧化的化能无机自养型生物为主,微生物硫代谢促进了热液系统中的微生物能量流动和元素循环作用。某些热液生物采用繁殖期迁徙的机制应对高毒性、高酸性热液环境。在热液活动的胁迫下,这些微生物产生了新颖独特的代谢产物。此外,龟山岛和绿岛热液体系还受到了潮汐、台风和地震等灾害性事件的影响。台湾近海热液体系的研究对认识热液地球化学循环、探讨热液的生态环境效应等具有重要的意义。     

Colonization of Sulfurovum sp. on the gill surfaces of Alvinocaris longirostris, a deep-sea hydrothermal vent shrimp

Deep‐sea hydrothermal vents are unique light‐independent ecosystems that are sustained by chemosynthetic bacteria. For many of the invertebrates inhabiting in such environments, bacteria play essential roles in both energy acquisition and detoxification of potentially toxic gases such as H₂S. In this study, the bacterial flora present on the gills of Alvinocaris longirostris (Bresiliidae: Caridea), a shrimp inhabiting hydrothermal vents (1532 m depth) at the Hatoma Knoll of the Okinawa Trough, was investigated. Bacterial 16S rDNA fragments were successfully amplified from the gills and 70% of these fragments showed an identical pattern in the restriction fragment length polymorphism analysis. These fragments were assigned to the ribotype AL‐1. Phylogenetic analyses suggest that AL‐1 forms a monophyletic clade with Sulfurovum spp. (ε‐Proteobacteria). Fluorescence in situ hybridization for AL‐1 and electron microscopy showed the presence of short‐rod bacteria lining up on the cuticular layer of the surface of the gill filaments. These results suggest that bacterial association with gills also occurs in bresiliid shrimps.     

A data processing method for MAPR hydrothermal plume turbidity data and its application in the Precious Stone Mountain hydrothermal field

Hydrothermal plume is an important constituent of seabed hydrothermal circulation and is also one of the characteristics of active hydrothermal vents. Portable Miniature Autonomous Plume Recorders （MAPR） attached to a towed deep-sea instrument was used to search for hydrothermal plumes and hydrothermal vents. We introduced the basic principle of MAPR based on deep towing technology to detect plumes, then analyzed the factors affecting the quality of the MAPR data and presented a data correction method for MAPR, including instrument location correction, noise reduction processing, system error elimination and seawater background reduction. Finally we applied the method to analyze MAPR data obtained during the Chinese DY115-21 cruise on R/VDayang Iin the “Precious Stone Mountain” hydrothermal field on the Gala-pagos Microplate. The results provided a better understanding of the distribution of the hydrothermal activ-ity in this field, indicating the presence of a new hydrothermal vent.     

Spatial distribution pattern of seafloor hydrothermal vents to the southeastern Kueishan Tao offshore Taiwan Island

Investigations of the diffusion activities both within and outside the seafloor hydrothermal vents, as well as related mineral genesis, have been one of the key focuses of ocean biogeochemistry studies. Many hydrothermal vents are distributed close to the southern Okinawa Trough on the less-than-30-m deep shallow seafloor off Kueishan Tao, northeast of Taiwan Island. Investigations of temperature, pH and Eh at four depths of hydrothermal plume were carried out near Kueishan Tao at the white(24.83°N, 121.96°E) and yellow(24.83°N, 121.96°E) vents. An 87 h of temperature time series observation-undertaken near the white vent showed that tide is the main factor affecting the background environment. Based on the observed data, 3-dimensional sliced diffusion fields were obtained and analyzed. It was concluded that the plume diffused mainly from north to south due to ebb tide. The yellow vent's plume could effect as far as the white vent surface. From the temperature diffusion field, the vortices of the plume were observed. The Eh negative abnormality was a better indicator to search for hydrothermal plumes and locate hydrothermal vents than high temperature and low pH abnormalities.     

软体动物腹足纲分类学研究进展——从近海到深海

随着科学技术的不断进步和研究的不断深入,我国关于海洋的研究已由浅海逐步向深海发展,不断取得新的发现和认知。自2014年4月起,中国科学院海洋研究所依托先进的"科学"号海洋科学综合考察船,搭载"发现"号水下机器人（remotelyoperated vehicle,ROV）,先后对冲绳海槽热液区、南海冷泉区、雅浦海山区以及马努斯热液区等深海区域进行了综合性科学考查,采集到了大量深海腹足纲（Gastropoda）标本,其中有一些为未经发现和描述的新种,极大地推动了我国关于深海软体动物物种多样性研究,实现了深海环境和软体动物资源的新认知。本文对近年来从深海采集到的腹足类标本进行了整理分类,对其中的11属13种进行描述,并对深海特殊环境中腹足纲物种多样性进行了总结,对中国软体动物腹足纲从近海至深海的分类现状进行研究论述。     

基于多参数化学传感器的海底热液探测方法研究

基于热液及其羽状流的化学异常提出了一种海底热液的化学式探测方法。根据自行开发的Eh.Ag/Ag₂S和pH三种化学电极,设计了多参数化学传感器系统。通过海试证明多参数化学传感器可灵敏地检测出由热液异常引起的化学量变化,并在长达半年的多次使用中表现出其稳定性好、寿命长的特点。在东太平洋中脊(EPR)赤道区域和西南印度洋中脊(SWIR)的60条测线中,获得有效测线55条,其中在29条测线上发现明显或可能的热液异常。研究表明,应用多参数化学传感器探测进行海底热液化学异常,是一种有效的方法。