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。     

南海北部洋-陆过渡带深部结构与岩石圈破裂过程

洋-陆过渡带是理解大陆岩石圈破裂和海底初始扩张的关键位置,但是在南海北部地区仍然存在关于相关地质过程的诸多疑问.通过近年开展的国际大洋发现计划航次以及深部地质地球物理探测,取得以下4个方面的认识.（1）南海北部的洋-陆边界一般与自由空间重力异常的正-负值过渡位置对应,而更加准确地限定需要结合反射、折射地震资料.稳定大洋岩石圈生成与大陆岩石圈最终破裂之间的洋-陆过渡边界的位置比以往认为的还应往深海盆方向移动.（2）洋-陆过渡带代表了远端带构造作用减弱和岩浆作用逐渐增强的区域.陆坡地壳发育扩张后岩浆底侵、洋-陆过渡带发育同破裂期岩浆喷出结构和侵入反射体.（3）在中生代的古俯冲带弧前区域,新生代的断裂沿着早期的构造开始活动,岩石圈多处发生强烈的共轭韧性剪切作用.随着大陆岩石圈的进一步拉伸减薄,部分靠陆一侧的裂谷中心停止张裂,成为夭折裂谷,以台西南盆地南部凹陷、白云凹陷、西沙海槽为代表,而南海陆缘异常伸展和最终破裂的地方集中在南侧裂谷中心.夭折裂谷下亦发现地幔蛇纹石化,进一步反映了较弱的同破裂岩浆活动.（4）南海初始洋壳的增生沿着大陆边缘走向具有显著的变化,南海东北部洋-陆过渡带下伏地幔明显抬升和部分蛇纹石化,地震纵、横波速度以及折射波衰减特征都支持此观点,反映南海东北部是一个贫岩浆型大陆边缘.未来,南海北部洋-陆过渡带有望成为南海“莫霍钻”的理想备选钻探区.      

陆地热泉钙华：重建古气候历史信息重要载体

【研究目的】陆地热泉钙华作为火山、地热区常见的陆相碳酸盐岩沉积物/岩被广泛用于恢复古环境,但其中可反映古气候信息的代用指标多受复杂外界条件变化控制,因此利用热泉钙华进行古气候信息提取有待深入研究。【研究方法】本文对当前热泉钙华在重建古气候信息方面的成功案例进行了总结,并梳理了与热泉钙华沉积相关的各类气候、非气候影响因素。【研究结果】研究认为针对热泉钙华进行古气候恢复代用指标的选取,目前较为可行的有C-O同位素、主微量元素,孢粉学数据由于孢粉保存的局限性,可作为佐证信息,配合其他气候代用指标来检验古气候意义的正确与否,同时需将热泉钙华中各项气候代用指标与生物地层学、冰芯、石笋等相对成熟的古气候研究手段进行对比,使各类古气候替代指标相互验证,从而更好的解读热泉钙华中古气候信息。【结论】利用热泉钙华中的各项气候代用指标进行可靠的古气候信息提取与恢复具有可行性。创新点：本文梳理了国内外热泉钙华恢复古气候的成功案例,并探讨了针对热泉钙华进行古气候恢复研究存在的问题。     

海底硬岩钻探的现状与前景分析

海底硬岩是世界大洋钻探实现“莫霍钻”目标必然钻遇的地层。世界大洋钻探实施的航次中已多次钻遇海底硬岩,不仅采获了岩心样品,也在钻进施工中发现了诸多问题。本文搜集了近年来世界大洋钻探实施的309、312、335、360和384等有关海底硬岩钻探航次的资料,在对航次情况简要介绍的基础上,重点阐述了目前海底硬岩钻探在钻头、井壁稳定以及取心工具等方面遇到的挑战以及采取的应对措施,并对今后海底硬岩钻探的发展进行了展望。     

海底管线整体屈曲过程中土体水平向阻力模型研究

高温、高压作用下不埋或浅埋的海底管线较易发生水平向整体屈曲,土体对管线的阻力决定了管线的变形形态及变形后的应力状态,因此,确定管线受到的土体阻力对准确地分析管线的整体屈曲有重要意义。开展了基于渤海砂性土体的系列室内模型试验,测定了不同埋深条件下管线受到的土体阻力,建立了随埋深条件而变化的土体动态阻力模型,揭示了埋深对土体阻力峰值和最终稳定值的影响。由于ABAQUS内置的罚函数接触模型无法实现管-土界面的动态摩擦特性,开发了子程序VFRIC,在管线温-压联合作用下的整体屈曲分析中成功引入了建立的土体动态阻力模型,实现了土体阻力大小与管线位移相关的动态接触特性模拟,从而较为真实地反映了管线整体屈曲过程中受到的土体阻力变化过程。研究表明,不同土体阻力模型对管线整体屈曲分析结果影响显著,在动态阻力模型中由于土体阻力存在峰值和衰减过程,因此计算得到的管线整体屈曲临界轴力明显提高,管线屈曲变形更为集中,最大弯矩和应变也相应增大。     

促进我国大洋矿产资源商业化开发的思考

自1991年以来,我国大洋矿产资源开发事业取得了长足进步,包括大洋资源调查、技术装备研发、国际事务方面等。然而,与西方发达国家相比,我国大洋矿产资源开发事业仍存在较大差距,调查装备质量、标准化和国产化水平均仍较低,深海采矿、冶炼技术较为落后,商业化开发步伐远落后于发达国家。在西方国家广泛开展深海矿产开发技术研发的情况下,我国应加强深海矿产商业化开采的顶层设计研究,深化深海调查采矿冶炼技术研发,推动技术设备通用化和标准化。     

国家海洋局海底科学重点实验室

国家海洋局海底科学重点实验室成立于1997年，是国家海洋局首批设立的重点实验室之一。依托单位国家海洋局第二海洋研究所，现任实验室学术委员会主任刘光鼎院士，实验室名誉主任金翔龙院士，实验室主任初凤友研究员。     

海底水－沉积物界面系统中稀土元素的变化及配分特征

本文利用“大洋多金属结核调查”期间“海洋４”号调查船ＨＹ_４－８７１、８８１航次在东太平洋海盆取得的底层水、沉积物、间隙水及多金属结核样品，对比研究了稀土元素（ＲＥＥ）在海底水－沉积物界面系统不同物质相中的分布变化及配分特征。结果表明，在大洋氧化性沉积物间隙水中ＲＥＥ相对于底层水亏损。除Ｃｅ外，沉积物与多金属结核ＲＥＥ含量较为接近。底层水、沉积物、间隙水ＲＥＥ配分特征极为相似，都表现出中稀土相对于轻、重稀土的轻度分离和富集，Ｃｅ表现为负异常。多金属结核中中稀土也有类似的富集倾向，但Ｃｅ主要表现为正异常。随深度的增加，沉积物ＲＥＥ含量增加，但其配分模式不变。     

海底摄影溯源

一部美国电影《威廉潜水探险记》,展现出海底世界的奇妙:美丽的海葵、花斑奇异的贝壳、往来穿梭的蝴蝶鱼、茂密的珊瑚丛、还有凶猛的鲨鱼……这一切都使观众心驰神往,惊叹不已。然而,恐怕没有多少人知道在海底拍摄的困     

Modal Wave Number Tomography and Bottom Parameter Dependence

A shallow water tomography scheme based on the modal wave number inversion technique is considered in this paper. The scheme is based on the assumption that modal wave number for trapped modes can be measured in a suitable way. The tomographic inversion is accomplished in two steps: firstly, the bottom parameters are inverted by using the bottom reflection phase shift with the known sound speed profile; secondly, the variation of sound speed profile at different time is inverted provided the bottom parameters are known. A numerical simulation shows that the proposed scheme works well, and the sensitivity analysis of sound speed profile inversion is performed for shallow water environmental parameters: sound speed, density and attenuation coefficient of the bottom.