现代海底热液活动调查研究技术进展_翟世奎

第8期 翟世奎等:现代海底热液活动调查研究技术进展

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图6 海底观测站系统

Fig.6 Sketchoftheseafloorobservationsation

组分分解、生物体爆破等失真现象。因此,在最近10多年中许多国家发展了保真(主要是保压、保温和确保无污染)采样技术,目的在于能够在船上或实验室内观察、分析海底热液活动环境下样品的原始状态与成分特征,同时有助于在实验室内更加逼真地再现热液活动环境。现代海底热液活动的保真采样系统主要涉及的关键技术包括:1针对高温高压热液活动环境,能够采集到热液流体、悬浮体、生物或沉积物样品;o保温、保压系统的结构和控制(包括耐腐蚀材料);?保真采样系统与实验室观测分析仪器的保真联接技术。2.4.1 热液保真采样器

2004年,我国自行研制出热液保真采样器(其外观见图7,其结构和工作原理见图8)。采样过程通常是先把热液保真采样器安装在深潜器上,由深潜器的机械臂把采样器送到热液喷口,首先探测喷口热液的温度,然后启动加热装置,使采样器内壁的温度与热液温度相同或相近,然后启动电动泵吸入热液,热液充满容器后立即关闭出口密封块,最后关闭入口密封块。采样器返回途中到与实验室装置联接前保持容器内温度和压力基本不变。2.4.2 保真悬浮体、生物和沉积物采样器

对于悬浮体、微生物和沉积物的保真采样,更为强调的是保压过程。采样器结构原理见图9。当采集悬浮体和生物样品时,需在泵出海水的出口处附加滤膜和流量计,采样过程首先用缆绳将采样器下放至一定的水深,下放过程中电磁单向阀打开,密封截止阀关闭,活塞上腔压力等于外压。取样时电磁单向阀关闭,密封截止阀打开,吸进欲采海水样品的同时海水泵排水,泵出的海水可以通过流量计检测图8 热液保真采样器结构示意图

Fig.8 Schematicpictureofthehydrothermalfluidsampler

图7 我国自行研制的热液保真采样器Fig.7 Pictureofthehydrothermalfluid

samplermadeinChina

图9 悬浮体、微生物和沉积物采样器结构示意图Fig.9 Schematicpictureofthesamplerforthesuspended

matter,microbeandsediment

并加以控制,滤膜用于捕获固定海水容量中的所有悬浮体和微生物。采样结束后电磁单向阀关闭,海774

地球科学进展 第22卷

水泵停转,密封截止阀关闭。由于该取样装置收集到的悬浮体或微生物样本是通过海水泵排除的所有海水中的悬浮体和微生物,因此一般不会因保真保压器的容量有限而影响所采集悬浮体或微生物的数量。为了提取热液活动区沉积物中所保存的热液活动规律的信息,除了采取热液沉积硫化物样品外,有时需要采取热液喷口附近的沉积物岩芯样品,并保持沉积物的压力温度条件。热液活动区沉积物的保真采样是在以上保压结构原理的条件下添加活塞取芯装置。

2.5 模拟实验技术

海底热液活动模拟实验技术是指借助于实验平台模拟热液活动环境,在室内再现海底热液活动的特定作用过程。模拟实验技术在热液流体地球化学、热液循环的动力学过程、热液生物系统等方面的研究有着广泛的应用。此外,深海调查技术,尤其是原位探测传感器技术、热液样品保真采样技术等的开发,很大程度上也要依托于模拟实验技术的发展水平。热液活动模拟实验平台大体上可以分为静止半封闭式实验平台和开放流动式反应平台两大类。

静止半封闭式实验平台最典型的代表是Sey-fried等

[8]

能在反应结束后回收。

开放流动式反应平台多数是利用压力泵、蓄能

器等机械装置实现实验过程中液体的流动。同时,一些环境和化学参数的实时监测装置应用到流动式反应平台中,成为模拟实验技术发展的趋势。如

[9]

Bignall等开发了一套带有热液pH值实时测量系统的流动式反应平台。Ding等

[10]

利用铂作为氢感

[11]

应电极,用YSZ(ZrO2(Y2O3))作参考电极,将H2传感器直接接入反应器中。Hoffmann等利用金刚石作为窗口物质,把X射线吸收微结构光谱(XAFS)应用到反应器中,对反应器中流体的金属离子形式进行实时监测(图11),并在反应舱体中嵌入抗腐蚀能力强且适于多种化学反应研究的铂)铱合金,然后利用挤压机型设计将金刚石密封到铂铱合金上,其工作压力可达1.5@10kPa,温度可达600e。

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设计的一种钛盖)可变形金袋式反应器,

又称金钛反应器(图10)。这种类型反应器最大的

优点是它的反应舱是柔韧可变形的金袋,这种设计使得它允许外部控制其温度和压力,可以在特定温度和压力条件下对流体取样,随时监控反应进程,还可以将气相组分从反应器中驱除,但对固体样品只

图11 反应器结构示意图[11]

Fig.11 Schematicpictureoftheexperimentalreactor[11]

3 海底热液活动调查已有技术的不足

近年来,直视采样技术、深潜器技术、定点观测技术、保真采样技术以及实验模拟技术成为现代海底热液活动调查研究的重要手段。但是,由于受到材料、设计等方面的限制,这些技术在一些方面还存在不足,这主要表现在以下几个方面:

(1)直视采样技术,包括电视抓斗和电视监控取芯钻机,虽然可以针对性地获取热液样品。但是,相对于分布在广阔海域的海底热液活动来说,这种取样方式比较盲目。而且,直视采样技术每次只能针对一个点进行一次取样,费力耗时。

图10 金钛反应器[8]

Fig.10 SchematicpictureoftheAu-Tireactor[8]

(2)深潜器采样可以在海底连续工作,而且同直视采样技术相比,其采样的针对性更强。但是,第8期 翟世奎等:现代海底热液活动调查研究技术进展

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AUV受自身携带电能的限制,不能够长时间在海底进行工作,大大限制了其工作效率。ROV克服了AUV对电能的依赖,但是ROV在工作过程中需要利用电缆同母船连接,工作过程中母船受海况制约较大,而且在海况较差的情况下,电缆本身会存在一定的危险性。

(3)热液保真采样器可以获取热液喷口原位的流体样品。但是,保真容器在取样过程中很容易被海水污染。另外,由于保真采样器依靠电池提供的能量对样品进行保温,受电池能量的限制,在保真容器收回的过程中,往往不能够保证热液流体样品温度恒定不变。

(4)实验模拟可以在实验室内再现热液过程,但是这个过程是理想化的热液过程,很多实际的因素,如海底的水流、热液喷口的温度梯度等目前都都不能够在实验室中实现,因此这大大制约了实验模拟成果同实测资料的结合。

立成为我国开展深海调查研究的长远目标。

图12 美国西北太平洋海底时间序列观测网计划示意图

Fig.12 ThesketchpictureofNEPTUNE

我国在海底热液活动领域的调查技术开发起步较晚,仅起始于/十五0(2000)2005年),虽然在电视抓斗、热液保真采样器等调查技术方面取得了一些进展,但整体水平相对美国、欧洲等海洋强国还存在较大差距,这也使得我国在新一轮的深海矿产资源的/跑马圈地0运动中处于不利的位置。因此,作者基于对国内外海底热液活动调查研究技术发展趋势的分析,结合我国的实际情况,提出我国在/十一五0(2006)2010年)甚至更长一段时间内应该根据突出重点领域,抓住关键技术,勇于赶超和力求创新的原则,优先发展或者重点关注以下技术领域:

(1)异常环境探测传感器技术。常规的实验室和陆上野外探测传感器在深海异常条件(主要是高温高压)下无法发挥作用。有针对性地开发适用于深海异常条件的化学和物理传感器是所有深海调查技术发展的基础。没有传感器的深潜器、工作站、AUV和ROV等都将不能发挥应有的作用。目前,国际上已经出现了诸如pH值、H2S等化学传感器,但是这些传感器目前存在的一个问题是长期使用过程中,传感器探头往往会发生化学反应,从而使得所测数据大大偏离实际数值,也称之为传感器的/中毒0现象,我国在开发异常环境传感器技术的时候,应该充分重视这个问题。

(2)直视采样技术。直视采样是获取针对性样品不可缺少的技术。载人深潜器技术是最有效的高新技术。我国在/十五0期间已立项研制开发深潜深度为7000m的深潜器,/十一五0应继续开发这一技术,期望我国自行研制的载人深潜器早日试航成功。鉴于深潜器的研制与开发需要大量的人力和财力,实施深海调查时需要附加技术条件多,耗费财4 海底热液活动调查技术发展展望

现代海底热液活动涉及到岩石圈和水圈等多圈层之间的物质交换和相互作用,是多种地质过程共同影响的复杂地质过程,仅仅利用一种或者几种调查研究技术不可能获取对海底热液活动全面的认识。近年来,美国、日本和欧洲的一些国家开始致力于海底无人长期观测网络系统的开发,如以美国华盛顿大学为研究主体的西北太平洋海底时间序列观测网计划(NEPTUNE)(图12)计划在东北太平洋海域建立一个围绕胡安德富卡板块的观测网,整个观测网的电缆长度为3000km,总投资达2.45亿美元,预计可在2040年投入使用。一些学者甚至认为海底观测站及观测网的建立,将为地球系统的观测开辟地面/海面和空间之外的第3个平台。海底观测网可以整合目前已有的热液活动调查技术,扬长避短,发挥各自不同的功能,从局部到整体,从表层到内部对海底热液活动进行全方位和长时间尺度的调查研究。因此,以构筑于海底的观测站或者观测网为工作平台,综合利用直视采样技术、深潜器技术、定点观测技术、保真采样技术和实验模拟技术等多种技术方式是全面认识和深入了解现代海底热液活动规律性的主要手段,也是海底热液活动调查研究技术发展的方向。遗憾的是,海底观测网技术还是一项十分前沿的技术,难度较大、花费较高,世界上也仅仅有美国和欧洲极少数的国家正在进行这项技术的开发。因此,我国应该把建立海底观测网确776

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力与物力大,因此在注重开发深潜器技术的同时,开发类同于电视抓斗和定点岩芯钻机的直视采样技术不失为快速有效的发展途径。

(3)保真采样技术。在原位所能获取的海底热液活动资料是非常有限的,多数的深入研究工作需要在室内进行。采样技术,尤其是针对热液流体、沉积物、悬浮物质、生物等样品的保真采样技术是进行室内研究工作的基础。/十五0期间,我国开发了具有独立知识产权的热液流体保真采样器,为进一步开发保真采样技术奠定了良好基础。但是,针对不同的样品,对保真采样技术的要求也差别较大。因此,继续开发针对不同热液样品的保真采样技术是将来几年一项非常紧迫的工作。另外,如何尽可能避免保真采样器在采样过程中的/污染0问题以及保持样品温度恒定不变应该是我国现在以及将来开发相关保真采样器技术过程中需要解决的关键技术。

(4)室内模拟实验技术。模拟实验技术的核心内容是针对海底热液环境,开发能够再现热液作用过程的实验平台。相对于其它技术,模拟实验技术无论从技术难度还是花费等方面都有很大优势。因此,加强针对海底热液活动的实验平台建设是我国应该优先发展的技术,同时也可以作为我国在海底热液活动研究领域赶超世界先进水平的突破口。我国应该在吸收目前国际上已有实验模拟技术成果的基础上,力争在以下2个方面取得突破:1开发适合实验室应用的环境和化学传感器;o开发可以进行热液生物培养和分离的模拟实验装置。

(5)加强在海底热液活动调查研究技术开发领域的国际间合作。通过与国际上先进水平的科学研究机构实验室的交流或者直接参与国际上重大研究

计划(IODP、RIDGE等),了解国际上海底热液活动的最新动向,掌握深海调查技术研制开发的方向。参考文献(References):

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AdvancesintheInvestigationTechnologyofModern

SeafloorHydrothermalActivities

ZHAISh-iku,iLIHua-iming,YUZeng-hu,iYUXin-sheng

(DepartmentofMarineGeoscience,OceanUniversityofChina,Qingdao 266003,China)

Abstract:Seafloorhydrothermalactivitiesareinvolvedwithextremeconditions.Thereforetraditionaldeep-sea

investigationmethodscannotbesatisfiedwiththeinvestigationdemand.Recenttechnologies,suchasvisua-lsam-plingtechnology,submersibletechnology,in-situmonitoringtechnologyandsamplingwithfidelitytechnologyandexperimentalsimulationtechnology,havebeendevelopedandwidelyused.Basedontheadvancesintheinvestiga-tiontechnologiesassociatedwithmodernseafloorhydrothermalactivities,thedevelopmentoftheinvestigationtech-nologiesinthisfieldshouldbepaidmuchattentiontobyourcountry.

Keywords:Seafloorhydrothermalactivity;Seafloornetwork;NEPTUNEprojec.t