海底沉积物忠实地记录了海洋环境和地质背景的演化过程^[1-5], 是进行古气候、古海洋、海洋地质等领域研究的核心材料之一, 为解决古气候重建和未来气候预测^[6-8]、古海洋环流的形成与演化以及物理海洋模型的建立^[9]、海洋沉积环境和构造背景的演化^[10-13]等科学问题提供了重要的基础信息。海底沉积物还是生物圈的重要组成部分, 是海洋环境物质和能量重要的源与汇, 研究海底沉积物中通过生命活动进行的各种能量与物质交换极大的拓展了人们对海底生态系统的组成和演化、海底深部生命极限和过程、生命起源以及海洋生物地球化学等科学领域的认识^[14-19]。除此之外, 海底沉积物样品也广泛应用于海底资源调查^[20-23]、海洋工程勘探^[24]、军事调查等方面^[25]。因此, 获得高质量的海底沉积物样品具有重要的学术和实践意义。

目前, 获取海底沉积物样品的主要设备包括柱状取样器、抓斗取样器以及多管取样器等几种类型。相对于后两种表层沉积物取样器而言, 柱状取样器能够获得时间跨度更大、信息记录更丰富的沉积物长柱样品。现今的柱状取样系统按照能量供给方式可分为非可控和可控式两类, 前者是指取样器只依靠自身的动能贯入到海底沉积物中, 工作过程不受搭载平台的装置控制, 后者是指取样器配置了辅助动力源, 并可通过在搭载平台上的相应操作完成取样^[26]。我国科考船目前主要配置两种非可控式取样器, 阀式重力取样器和活塞重力取样器, 取样深度一般小于10 m。这两种样器由于体积较大, 组装复杂, 整个取样过程需要耗费大量的人力资源, 从而导致整体作业难度较大, 效率较低^[27]。而且, 这些设备缺少辅助动力源、可视和定位组件, 因此并不能在采样过程中对取样器进行实时监测和精确定位, 只能进行盲采样^[25]。随着科学研究和调查工作的深入以及调查领域向深海的推进, 这些取样器已远不能满足科研要求。因此, 为了解决这些实际问题, 获得满足科学研究和调查工作所需的超长、连续、低扰动的沉积物柱状样品, 基于“科学”号科考船操控支撑系统, 本课题组研制了一套取样长度可达25 m, 工作水深可达6 000 m的可视可控轻型沉积物柱状取样系统, 并已成功进行海试, 而且作为重要取样设备在“科学”号上进行了多次应用, 在南海冷泉区、冲绳热液区和马努斯热液区等调查区分别获得了一系列重要的沉积物柱状样品。本文对该套系统的工作原理、核心组成、工作流程和相对优势等方面进行介绍和分析。

1 系统简介

本套取样系统主要包括取样器本体和取样管部分, 其中前者主要由释放机构、外罩、配重块、弃管机构和内部的深海液压锤及其外侧均匀分布的, 分别安装有水下控制单元、深水摄像和照明单元、水下电池单元、姿态传感器、声学高度计、声学通讯器等组件的耐压舱组成。取样器本体最大外径为1000 mm; 取样管外径为127 mm, 内径为111 mm, 每节长度为410 mm; 内衬管外径109 mm, 内径为100 mm, 外径与取样管内径匹配。取样器本体重量约3.5 t, 28 m取样管重量约为1.5 t。取样系统和甲板控制单元之间通过同轴电缆和声学通讯设备进行数据传输。

1.1 设备工作原理和核心组成介绍 1.1.1 设备工作原理

本套设备采用取样器自身动能与深海液压锤锤击的双动力工作模式, 即取样过程分为两个过程, 首先, 取样器在合适高度(设计释放高度为10 m, 可根据实际情况进行调整)开始释放, 取样器利用自身动能插入海底一定深度, 完成重力贯入; 其次, 进行深海液压锤夯击取样, 并利用监测模块实时监测取样器状态, 柱状取样完成后将取样器进行回收。

1.1.2 设备核心组成 1.1.2.1 深海液压锤夯击机构

根据取样系统的动力要求和整体设计, 经过反复实验和研究, 最终选择下述深海液压锤机构作为取样器的附属动力组件, 结构如图 2所示。动力头由油箱、高度集成液压控制模块、油泵和传动油缸组成。动力头与锤头之间依靠弹性细锤杆连接, 避免锤头位置的偏移。在深海液压锤工作的过程中, 锤头运动采用液气联合驱动模式。活塞下腔为液压驱动, 上腔为压缩空气。锤头在动力头内下腔液压油作用下提升, 同时上腔压缩空气被压缩, 锤头获得势能的同时储备空气压缩能。在液压阀作用下, 下腔液压油得到快速释放, 锤头在自重及上腔压缩空气作用下快速向下运动, 锤头势能、空气压缩能同时转变为锤头动能, 实现一次夯击。夯击次数和力度可以通过甲板操作界面进行设置。本套液压锤机构可提供最大打击能量3 kJ/次, 最大工作频率7次/min的夯击作用。深海液压锤夯击机构的配置使取样器在不显著增加自身重量的前提下, 顺利完成连续、低扰动的深海沉积物柱状样品的采集工作。

1.1.2.2 水下实时监测和控制单元

在液压锤外配置有数个耐压舱, 分别安装有水下总体控制系统单元、深水摄像和照明单元、水下电池系统、姿态传感器(方位/倾角传感系统)、声学高度计、声学通讯器等组件。甲板操作人员可以通过水下液压控制系统启用水下照明设备和摄像机, 结合高度、压力等数据, 在甲板操控系统软件界面对取样器姿态和工作状态进行实时监测, 并根据监测情况对取样器进行合理操作, 保证取样工作的顺利进行和取样设备的安全。在作业过程中, 如果出现取样器倾角过大或取样管弯折等意外情况时, 工作人员也可以根据实时监测迅速做出决定和操作, 对设备进行调整或启用弃管机构回收取样器本体, 将损失降低到最小。

1.1.2.3 取样管单元

目前本系统取样管单元主要包括取样管、取样衬管、取样管头部3部分。

本套系统采用外径127 mm, 内径111 mm, 每节长度410 mm的取样管。取样管底部设计有内衬管止口以保证内衬管始终与外部取样管对应, 防止上下窜动。每节之间采用大螺距螺母锥头导向相连, 便于拆卸, 有效的提高了工作效率。

取样管内部采用聚四氟乙烯(F4)材质衬管, 外径为109 mm, 内径为100 mm。与传统PVC材质套管相比, F4衬管与沉积物之间具有更小的摩擦力, 更有利于沉积物的贯入。

取样管刀头外径略大于取样管外径, 内径略小于取样管内径, 这样可以减少插入时的摩擦阻力。取样管头部内装有花瓣护芯阀, 取样管下插前此阀敞开, 取样管提起时此阀自动闭合, 切割、封住取样管中的沉积物, 保证沉积物不会丢失。

1.2 取样器操作 1.2.1 取样器组装

取样器组装之前, 需进行取样器自检功能和人-取样器交互干预操作, 保证取样器各部分工作和通讯正常。取样管采取由下到上竖直吊装的方式(图 3a, 3b), 先将连接取样器头部的取样管吊装在接管机构上, 再将中间取样管依次吊装, 最后将取样器本体吊起与取样管卡扣在一起, 完成整体组装。

1.2.2 取样器下放

在甲板操控界面标定取样器倾角为90°, 在提示允许下放后开始手动操作下放设备(图 3c)。下放过程中, 工作人员在操控界面实时观测绞车下放深度、海水压力、电源、距底高度等参数。当取样器距底深度接近设定下放距离时, 减缓绞车取样器下放速度, 当到达设定释放深度后, 操作系统给出相应提示, 绞车暂停继续下放并对取样器姿态进行观测和调整, 准备释放。当海底地形或沉积物不适合取样工作时, 对取样器位置在布设点位允许偏差范围内进行微调, 选择合适取样位置进行取样工作, 或为保证取样器的安全放弃取样工作。

1.2.3 取样器取样过程

取样器在设定深度释放后, 在自身动能作用下插入海底, 完成重力取样(图 3d)。如果要进行后续液压锤夯击取样, 则需同时满足以下条件: (1)在取样长度未达要求并且基岩上覆沉积物层未被打穿; (2)取样器倾角不小于75°, 即取样管近于垂直插入并立于沉积物中; (3)未发生取样管弯折等突发险情。在液压锤夯击取样过程中(图 3e), 继续对取样器姿态, 主要包括取样器倾角、方位和下插深度等进行实时监测。当达到取样深度要求或者在操控界面上观测到深海液压锤的夯击不能使取样器继续下插时, 停止夯击, 完成取样, 进入回收流程(图 3f, 3g)。

1.2.4 取样器回收

在将取样管提升出沉积物的过程中, 利用深海液压锤轻轻锤击以振动取样管, 可以有效地减小周围沉积物和取样管之间的巨大阻力。为保证绞车和取样器的安全, 在此过程中需要实时监控绞车的张力。当所需的拉力在绞车张力正常范围内, 则继续回收取样器。如果超出绞车工作的正常范围并且依然不能将取样器提出沉积物时, 则启动弃管机构, 主动丢弃取样管, 回收取样器主体。

取样器到达水面后, 缓慢吊至船尾, 固定在接管机构上(图 3h, 3i)。然后按照由上至下的顺序, 先将取样器主体与取样管分离, 分离前在取样管顶部标注好方位指向, 然后再依次卸下取样管并标定好序号(图 3i, 3k)。最后将取样管与沉积物管分离, 获得柱状沉积物样品。

2 海试与应用

2014年到2016年, 本套系统在浅海海区进行了2个科学航次的海试与应用, 搭载“科学”号考察船在深海海区进行。在水深为30~50 m的浅海海区20余天海试与应用期间, 取样器下放20余次, 作业时间累计超过30 h, 共获得样品82 m, 主要受工区沉积物厚度影响, 其中最长样品长度为10.9 m。“科学”号考察船在进行中国科学院战略性先导科技专项(A类)“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响(WPOS)”相关航次时, 本套系统作为沉积物取样的主力设备, 对南海冷泉区、冲绳海槽热液区和马努斯热液区进行了定点可视可控取样。3个工区中的工作水深介于800~2 800 m, 共下水17次, 水下工作时间约为55 h, 共获得样品约80 m, 其中最长样品为6.7 m。首次获得了冷泉和热液区超过5 m的沉积物柱状样品, 极大地提高了我国定点可视可控柱状取样的技术水平。

沉积物柱状样品采集结束后, 相关学科科研人员对样品进行了现场剖样观察、描述和孔隙水采集等操作, 用于后续研究(图 4)。整体而言, 所获得沉积物样品以软泥、粉沙质软泥等细粒沉积物为主, 而且样品连续、完整, 基本无扰动, 符合各项科学研究的要求。

3 取样器优势

与传统取样器相比, 本套取样系统主要有以下优势。

1) 重力与深海液压锤的动力组合。取样器完成第一步重力取样后, 启用深海液压锤作为动力源进行后续采样。在夯击取样过程中, 通过调节液压锤夯击频率和力度获得合适的下插速度, 以保证取样过程中对沉积物的扰动降到最低。在将取样器提出沉积物的过程中, 利用深海液压锤以较小力度振动取样器, 可以有效的降低取样器与周围沉积物之间的摩擦力和黏滞力, 减小缆绳所受拉力, 保证取样器和绞车的安全。

2) 大直径取样管和F4衬管的组合。在取样过程中, 对沉积物的扰动程度随所取柱样直径的增大而减小^[28]。而且为满足各学科研究需求, 每次取样需要尽可能多的获取样品。因此, 对于深海柱状沉积物取样而言, 为保证柱状样品的质和量, 通常需配置内径较大的取样管。综合考虑取样器主体重量, 绞车拉力、取样管和沉积物密度等原因, 本套设备采用内径110 mm的取样管。

贯入沉积物与取样衬管之间的摩擦力是影响取样长度的另一个重要因素。相对于传统PVC衬管而言, F4衬管与贯入沉积物之间具有更小的摩擦阻力, 即在相同取样条件下, 配置F4衬管的取样器可以获得扰动程度更小, 长度更长的柱状沉积物样品。

3) 取样器的立式收放。本取样系统在组装和样品回收过程中采用立式吊装方式, 即利用艉部的接管机构和绞车按照顺序对取样系统进行组装和拆卸。这种工作模式操作简单, 极大地降低了取样作业人员的甲板工作量和所需甲板作业空间, 具有良好的船舶适用性。

4) 水下实时监测系统、控制系统和甲板操作单元的配置。通过启用监测系统, 在取样器下放、取样和回收过程中, 工作人员可以在操控界面上实时观测取样器的高度、姿态、位置等信息。然后根据这些信息, 工作人员通过甲板控制单元对取样器进行相应操作。这种工作方式解决了以往盲采样的弊端, 提高了系统的作业能力、作业效率和安全系数。

5) 系统扩展性强。本套系统不仅可以用于沉积物柱状采样工作, 还可以作为平台, 通过更换工作头结构, 完成潜标、热流等观测设备的布放。而且本套系统本体部分设有多个标准通用端口, 可以搭载CTD、甲烷传感器等多种探测设备, 完成多种数据的采集。所以本套系统可以扩展为多种设备的集成平台, 完成多项海上作业内容。

4 取样器工作条件和操作建议

1) 为保证取样器工作的安全进行, 作业区海况需要小于5级。

2) 在配置最大长度取样管时, 取样器整体重量约为5 t, 25 m沉积物柱状样质量约为1.5 t, 结合海试数据, 科考船需配置端点负荷不小于15 t的同轴电缆绞车。

3) 为避免由于船体漂移而导致的取样器倾斜或位置移动, 保证原位夯击取样过程的正常进行, 所搭载的船舶需要配置有高精度的动力定位系统。

4) 本套取样器适用于软质或沉积物轻微固结的底质条件, 硬底或者沉积物层太薄都不利于取样作业和取样器的安全。因此, 取样操作之前需要首先利用多波束测深系统、侧扫声呐系统以及浅地层剖面系统等声学设备对工区进行声学预调查, 获得相应工区水深、海底地形地貌、底质特征以及浅地层结构等背景资料, 选取工区内海底地势相对平缓, 底质以泥、泥质沙、沙质泥等细粒组分为主, 并且沉积物层厚度不小于25 m的软质沉积物发育区进行站位布设。在时间允许情况下, 可以先进行抓斗取样, 分析沉积物性质, 以便设置取样器下方速度、夯击力度等相关参数。

5 结论和展望

本文对一种新型的可用于6 000 m深水区域的可视可控轻型沉积物柱状取样系统进行了介绍, 主要描述分析了取样器的工作原理、主要组成、工作流程、相比传统取样器的优势以及海试和应用情况等内容。与传统设备相比, 本套系统采用重力和深海液压锤的双动力组合, 配置了水下实时监控系统, 采用立式方式组合与拆卸, 具有极强的扩展型和船舶适用性等有点。本套系统的成功海试和顺利应用, 有效地提高了我国深海可视可控柱状取样的技术水平。