CN106770559A

CN106770559A - 一种静探复合式地球化学微电极探针系统

Info

Publication number: CN106770559A
Application number: CN201710036757.XA
Authority: CN
Inventors: 郭磊; 孙治雷; 叶思源; 王利波; 曹红; 耿威; 刘莉萍
Original assignee: Qingdao Institute of Marine Geology
Current assignee: Qingdao Institute of Marine Geology
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: EP3351974B1; HRP20200684T1; JP2018116050A; LT3351974T; HUE050098T2; EP3351974A1; JP6405032B2; CN106770559B

Abstract

本发明涉及一种静探复合式地球化学微电极探针系统，包括基座及设置在基座上的静力触探探头和至少1个微电极，所述静力触探探头设置在基座的中央，所述至少1个微电极围绕静力触探探头排布，静力触探探头锥尖的长度比微电极锥尖的长度长4‑8cm。将静力触探探头与微电极相结合，根据微电极的极限破坏强度设置静力触探阈值，从而保证微电极在遇到极限破坏强度前即停止向沉积物中贯入，保护微电极不受损伤。同时还能使微电极贯入较深的深度。该微电极探针系统可以应用于海床基多点原位长期观测系统中，可有效实现多点精确定位功能，进而可以根据需要获取探测区域内多个探测点的数据，最终能够分析获得有源扩散场的空间分布信息。

Description

一种静探复合式地球化学微电极探针系统

技术领域

本发明涉及一种静探复合式地球化学微电极探针系统，属于海洋观测技术领域。

背景技术

海洋资源是国家海洋权益的重要组成部分，深海石油和天然气水合物等资源的争夺成为国际能源焦点。海底天然气水合物开采过程中，由于温度、压力、外接扰动等因素，使得水合物自发分解，产生诸如CH₄、H₂、H₂S、O₂等多项副产物，进而可能引起海床稳定性、海洋工程基础建设、海洋及大气环境等受到严重的影响。因此，对天然气水合物开采过程进行有效、全面的长期监测，对于推动水合物资源勘探和开采以及相关的环境效应的调查评价具有重要的促进作用。

对于海底水合物分解过程的原位长期观测方法，目前较为主流的包括拉曼探针、微电极探针、大地电磁、地震波等等。显然，对于水合物分解过程中产生的多种副产物的观测而言，以微电极探针等化学指标的观测方法最为直接与准确，其次是基于光谱分析的拉曼探针，而基于地球物理探测方法的大地电磁等手段，无论是精度还是准确性，都远远无法与微电极探针方法相比拟。

常见的微电极探针包括选择性膜微电极探针、伏安微电极探针以及凝胶树脂探针等，分别能够对各自适合的化学指标进行探测。例如，选择性膜微电极探针能够探测溶解氧、硫化物、pH值、pCO₂等；伏安微电极探针能够探测溶解态的Mn²⁺、Fe²⁺等金属离子；凝胶树脂探针能够探测多种可溶性重金属含量、根离子浓度、轻金属元素浓度。

对于海底天然气水合物分解、泄露、扩散过程而言，可能产生CH₄、O₂、pH、H₂、H₂S、NO、NO₂等大量副产物，并对pH、Redox产生影响。最终，在海底沉积物内部，形成一个以海底水合物分解源点为中心，各项指标由内而外逐渐衰减的有源扩散场。然而，绝大多数微电极探针都是探测海水或疏松沉积物的化学指标含量，即便是结构强度最高的凝胶树脂探针，也仅仅能够对相对物理力学强度不太大的海底沉积物进行有限的探测。

显然，如果直接采用微电极探针组，在贯入沉积物过程中对多种化学指标进行探测，极易对微电极探针造成破坏性损伤，从而导致长期观测失败。如何最大限度的利用各类化学微电极探针，在灵活的保证各个微电极探针安全的同时，充分探测沉积物中的多项类化学指标，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种静探复合式地球化学微电极探针系统，能够在保证探针不被损坏的前提下，确保贯入强度较大的沉积物的深度，从而实现长期观测。

一种静探复合式地球化学微电极探针系统，包括基座及设置在基座上的静力触探(CPT)探头和至少1个微电极，所述静力触探探头设置在基座的中央，所述至少1个微电极围绕静力触探探头排布，静力触探探头锥尖的长度比微电极锥尖的长度长4-8cm。存在长度差既可保证在贯入沉积物的过程中静力触探探头先接触未知强度的沉积物，保护微电极；长度差不宜过大，否则无法保证贯入深度。

进一步地，静力触探探头和微电极分别与总控系统连接，由总控系统完成静力触探探头和各微电极的数据采集，并根据静力触探探头的锥尖阻力数值控制系统是否向沉积物中贯入。

由于微电极机械强度较差，为防止在刺穿沉积物的过程中被破坏，本微电极探针系统在基座上安装一套比微电极更长的深水静力触探探头，用来测量微电极下插过程中沉积物的强度的变化。通过对微电极模具开展重复破坏性实验，获取各个微电极极限破坏强度，取各个微电极的机械结构破坏强度的最小值，假设为S，根据S值大小设置静力触探的阈值，静力触探的阈值可设置为0.7-0.9S。当静力触探探头检测到的锥尖阻力大于等于静力触探的阈值时，停止继续穿刺，以保护微电极不受伤害，实现在原位观测过程中对微电极的可靠保护。通过将微电极群与静力触探探头结合，设置极限阈值，既可以保证贯入深度，又能够保证设备安全。

进一步地，静力触探探头与每一个微电极的距离为3-5cm。距离太小，静力触探探头占据微电极被测介质的空间，可能会影响到微电极的测量结果。距离太大，静力触探探头探测到的阈值点对微电极的保护效果会大打折扣。

进一步地，当微电极数量大于1时，所述微电极围绕静力触探探头均匀排布。

进一步地，当微电极数量大于1时，所述微电极为不同探测指标的微电极。

更进一步地，所述探测指标为CH₄、O₂、pH、Redox、H₂、H₂S、NO或NO₂中的一种。

本发明还可进一步提高微电极测量的响应时间及高分辨。通过进一步改进信号放大、数据采集技术，获得高精度、高分辨率的多参量探测数据。

进一步地，将上述静探复合式地球化学微电极探针系统(以下简称微电极探针系统)应用到海床基多点原位长期观测系统中，所述海床基多点原位长期观测系统，包括平台框架、浮体材料、水声通讯机、信标机、监测舱、控制舱、释放控制舱、中央回转台、配重块和微电极探针系统；所述平台框架主体为圆柱体形状，从上至下共四层，第一层安装浮体材料、水声通讯机及信标机，第二层安装监测舱、控制舱和释放控制舱，第三层安装中央回转台，第四层安装配重块；

所述第二层的监测舱内设有姿态传感器和高度计，控制舱内设有水下控制及数据采集系统，释放控制舱内设有水下声学释放器；

所述第三层安装中央回转台，包括回转导轨、回转盘、微电极探针系统、拉伸机构和升降机构，所述中央回转台上设置圆周形回转导轨，回转盘设置在回转导轨的中央并可沿回转导轨滑动，回转盘由伺服电机I驱动；回转盘上沿径向设置滑槽，微电极探针系统可在拉伸机构的控制下在滑槽内滑动，拉伸机构包括伺服电机II和丝杠II，伺服电机II带动丝杠II转动，丝杠II与固定在微电极探针系统上的导套螺纹连接；所述微电极探针系统可在升降机构的控制下上下移动，升降机构包括伺服电机III和丝杠III，伺服电机III带动丝杠III转动，丝杠III与微电极探针系统的基座螺纹连接。

该观测系统通过伺服电机控制回转盘转动、拉伸机构控制微电极探针系统滑动，可实现360°范围内任意半径的回转定位，完成微电极探针系统的可控定位探测/取样。

进一步地，平台框架采用316L不锈钢材料制作。

更进一步地，结合微电极响应快、搅拌敏感度低、空间分辨率高的特点，设计垂直升降机构定位精度为1mm。

进一步地，所述回转盘上还设置沉积物取样器，用于对所观测沉积物进行采样。

进一步地，为便于安装，所述浮体材料设计为4-8等分，组合后的形状体积与平台框架相契合。水声释放器将缆绳控制挂钩打开，即可抛弃配重，在抛弃配重后，浮体材料可以帮助平台浮出水面。

进一步地，提供一种上述海床基多点原位长期观测系统的控制系统，包括甲板单元及水下单元(水下控制及数据采集系统)；

所述甲板单元包括主控制台、数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元，所述主控制台分别连接数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元；

所述水下控制及数据采集系统包括总控系统、信标机、水声通讯机、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I、回转盘、伺服电机II、丝杠II、伺服电机III、丝杠III、微电极探针系统、数据采集单元、沉积物取样器、高度计和姿态传感器；所述总控系统分别连接信标机、水声通讯机、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I、伺服电机II、伺服电机III、数据采集单元、高度计和姿态传感器，所述伺服电机I、伺服电机II、伺服电机III分别通过连接回转盘、丝杠II、丝杠III，从而驱动微电极探针系统和沉积物取样器，所述微电极探针系统的静力触探探头和八个微电极分别与数据采集单元连接；

所述信标定位单元与信标机无线连接、水声通信单元与水声通讯机无线连接、声学释放单元与声学释放器无线连接。

水下控制及数据采集系统由电池供电，包括软件和硬件两部分，主要控制中央回转台回转定位、微电极探针系统和沉积物取样器的拉伸定位以及垂直升降定位，采集各微电极、高度计及姿态传感器等探测仪器的数据，并存储到数据存储器II中，同时通过水声通讯机将数据传输到甲板单元。水声通讯机还可以将平台水下状态及仪器采集的数据等参数传输到甲板接受单元。声学释放器接收甲板单元发出的释放讯号后，打开钩锁，与配重相分离，从而使得海床基多点原位长期观测系统在浮体材料的驱动下浮向海面。在海床基多点原位长期观测系统上浮到海面后，信标机发送GPS实时位置，指导海面船只通过导航迅速锁定海床基多点原位长期观测系统的实际位置与漂流走向，顺利完成追踪以及海面打捞回收。

本发明的优势在于：

1.将静力触探探头与微电极相结合，根据微电极的极限破坏强度设置静力触探阈值，从而保证微电极在遇到极限破坏强度前即停止向沉积物中贯入，保护微电极不受损伤。同时还能使微电极贯入较深的深度。

2.该微电极探针系统可以应用于海床基多点原位长期观测系统中，在传统海床基基础上，通过中央回转平台的回转机构、拉伸机构，有效地实现了多点精确定位功能，进而可以根据需要获取探测区域内多个探测点的数据，最终能够分析获得有源扩散场的空间分布信息；将升降机构引入到中央回转平台，实现探针的贯入、拔出功能，进而将多点探测进一步发展为立体探测，从而将海床面平面的有源扩散场扩展为空间立体的有源扩散场，进而保证最终结果的直观性与可靠性。为石油泄漏、水合物分解过程的海洋环境效应评估给予重要的数据支撑，从而为海底石油开采、天然气水合物试采等重大工程实施提供支撑及服务。

附图说明

图1实施例1微电极探针系统结构示意图；

图2实施例2海床基多点原位长期观测系统结构示意图；

图3实施例2中央回转台结构示意图；

图4实施例2微电极探针系统和拉伸机构及升降机构连接关系示意图；

图5实施例2微电极探针系统和升降机构连接关系示意图；

图6实施例2控制系统示意图；

图7实施例2控制系统结构示意图；

图8实施例2观测系统对有源扩散场的探测方法示意图；

图1-8中：1-信标机；2-监测舱；3-微电极探针系统；4-吊环；5-水声通讯机；6-浮体材料；7-控制舱；8-释放控制舱；9-配重块；10-中央回转台；11-平台框架；12-伺服电机I；13-伺服电机II；14-伺服电机III；15-回转导轨；16-回转盘；17-沉积物取样器；18-甲板单元；19-海平面；20-海床基多点原位长期观测系统；21-海床面；22-丝杠III；23-基座；24-微电极；25-静力触探探头；26-丝杠II；27-滑槽；28-探测点；29-探测区域；30-扩散场；31-扩散点；32-导杆；33-导孔；34-导套；35-固定套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

如图1所示的微电极探针系统，包括基座23及设置在基座23上的静力触探探头25和八个微电极24(微电极的数量可以根据实际要探测的指标进行选择，本实施例以八个为例)，八个微电极24探测的指标分别为CH₄、O₂、pH、Redox、H₂、H₂S、NO、NO₂。静力触探探头25设置在基座23的中央，八个微电极24围绕静力触探探头25均匀排布，静力触探探头25与每一个微电极24的距离为4cm，静力触探探头25的长度比微电极24的长度长5cm。

静力触探探头25和八个微电极24分别与数据采集单元连接，数据采集单元与总控系统连接，由总控系统完成静力触探探头25和八个微电极24的数据采集。

上述微电极探针系统在组装前，分别对各个微电极模具开展重复破坏性实验，获取微电极24的极限破坏强度，取各个微电极24的机械结构破坏强度的最小值，假设为S，根据S值大小设置静力触探的阈值，本实施例中将静力触探阈值设置为0.8S。

在微电极探针系统贯入沉积物的过程中，若静力触探锥尖阻力达到0.8S，则立即停止贯入；否则，会贯入直至贯入极限深度(例如1m)。

实施例2

将实施例1的微电极探针系统应用到图2的海床基多点原位长期观测系统中，观测系统包括平台框架11、浮体材料6、水声通讯机5、信标机1、监测舱2、控制舱7、释放控制舱8、中央回转台10、配重块9和微电极探针系统3。平台框架11主体为圆柱体形状，从上至下共四层。

第一层安装浮体材料6、水声通讯机5、信标机1及吊环4，其中浮体材料6为便于安装，设计为六等分，安置在框架内，水声通讯机5、信标机1和吊环4均设置在平台框架11的顶部。

第二层安装监测舱2、控制舱7和释放控制舱8。监测舱2内设有姿态传感器和高度计，控制舱7内设有水下控制及数据采集系统，释放控制舱8内设有水下声学释放器。

第三层安装中央回转台10，包括回转导轨15、回转盘16、微电极探针系统3、拉伸机构和垂直升降机构(图3)。中央回转台10上设置圆周形回转导轨15，回转盘16设置在回转导轨15的中央并可沿回转导轨15滑动，回转盘16由伺服电机I 12驱动。回转盘16上沿径向设置滑槽27，微电极探针系统3可在拉伸机构的控制下在滑槽27内滑动，拉伸机构包括伺服电机II 13和丝杠II 26，伺服电机II 13带动丝杠II 26转动；丝杠II 26与固定在微电极探针系统3上的导套34螺纹连接(图4)。微电极探针系统3可在升降机构的控制下实现在垂直方向的上下移动，升降机构包括伺服电机III 14和丝杠III 22，伺服电机III 14带动丝杠III22转动，丝杠III 22与基座23螺纹连接，丝杠III 22与静力触探探头25连接，伺服电机III14与固定套35连接，固定套35上固定两根导杆32，两根导杆32分别插入基座23上的导孔33中(图5)。

第四层均匀安装四块配重块9。

上述海床基多点原位长期观测系统通过如图6、7所示的控制系统进行控制，包括甲板单元18及水下单元(水下控制及数据采集系统)20。

甲板单元18包括主控制台、数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元，主控制台分别连接数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元。

水下控制及数据采集系统20包括总控系统、信标机1、水声通讯机5、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I 12、回转盘16、伺服电机II 13、丝杠II 26、伺服电机III 14、丝杠III 22、微电极探针系统3、数据采集单元、沉积物取样器17、高度计和姿态传感器。总控系统分别连接信标机1、水声通讯机5、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I 12、伺服电机II 13、伺服电机III 14、数据采集单元、高度计和姿态传感器，其中伺服电机I 12、伺服电机II 13、伺服电机III 14分别通过连接回转盘16、丝杠II 26、丝杠III 22，从而驱动微电极探针系统3和沉积物取样器17，微电极探针系统3的静力触探探头25和八个微电极24分别与数据采集单元连接。

信标定位单元与信标机1无线连接、水声通信单元与水声通讯机5无线连接、声学释放单元与声学释放器无线连接。

上述观测系统的平台框架11采用316L不锈钢材料制作，直径为2m。通过船舶将该观测系统运送至欲观测地点，船载铠装缆末端挂有声学释放器II，声学释放器II与吊环4相连。通过释放铠装缆，将上述观测系统下放到海床面，而后通过该声学释放器控制单元发出信号，打开钩锁，与海床基安全分离，从而完成布放。

水下观测系统布放好后，操作人员从甲板单元向水下单元的总控系统发送指令，开启姿态、高度以及微电极的多点探测。通过伺服电机I 12、伺服电机II 13、伺服电机III14分别控制中央回转台10的回转、微电极探针系统3的拉伸及升降，实现360°范围内任意半径(0.2m≤R≤1m)的回转定位，完成电微电极探针系统的可控定位探测/取样。

对有源扩散场的探测方法如图8所示，观测系统的微电极探针系统3在探测区域29内进行多点探测，得到多个探测点28的数据，根据数值的大小绘制扩散场30，最终得到扩散点31的位置信息。

观测完成后，回收海床基多点原位长期观测系统20：声学释放器接收甲板单元18发出的释放讯号后，打开钩锁，与配重块9相分离，从而使得海床基多点原位长期观测系统20在浮体材料6的驱动下浮向海面。在海床基多点原位长期观测系统20上浮到海面后，信标机1发送GPS实时位置，指导海面船只通过导航迅速锁定海床基多点原位长期观测系统20的实际位置与漂流走向，顺利完成追踪以及海面打捞回收。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种静探复合式地球化学微电极探针系统，其特征在于，包括基座(23)及设置在基座(23)上的静力触探探头(25)和至少1个微电极(24)，所述静力触探探头(25)设置在基座(23)的中央，所述至少1个微电极(24)围绕静力触探探头(25)排布，静力触探探头(25)锥尖的长度比微电极(24)锥尖的长度长4-8cm。

2.根据权利要求1所述的静探复合式地球化学微电极探针系统，其特征在于，静力触探探头(25)和微电极(24)分别与总控系统连接，由总控系统完成静力触探探头(25)和各微电极(24)的数据采集，并根据静力触探探头(25)的锥尖阻力数值控制系统是否向沉积物中贯入。

3.根据权利要求1所述的静探复合式地球化学微电极探针系统，其特征在于，设置静力触探探头(25)的静力触探阈值为0.7-0.9S，所述S为各个微电极(24)的机械结构破坏强度的最小值。

4.根据权利要求1或2或3所述的静探复合式地球化学微电极探针系统，其特征在于，静力触探探头(25)与每一个微电极(24)的距离为3-5cm。

5.根据权利要求1或2或3所述的静探复合式地球化学微电极探针系统，其特征在于，当微电极(24)数量大于1时，所述微电极(24)围绕静力触探探头(25)均匀排布。

6.根据权利要求1或2或3所述的静探复合式地球化学微电极探针系统，其特征在于，当微电极(24)数量大于1时，所述微电极(24)为不同探测指标的微电极。

7.根据权利要求6所述的静探复合式地球化学微电极探针系统，其特征在于，所述探测指标为CH₄、O₂、pH、Redox、H₂、H₂S、NO或NO₂中的一种。

8.权利要求1-7任一所述微电极探针系统在海床基多点原位长期观测系统中的应用，其特征在于，所述海床基多点原位长期观测系统包括平台框架(11)、浮体材料(6)、水声通讯机(5)、信标机(1)、监测舱(2)、控制舱(7)、释放控制舱(8)、中央回转台(10)、配重块(9)和微电极探针系统(3)；所述平台框架(11)主体为圆柱体形状，从上至下共四层，第一层安装浮体材料(6)、水声通讯机(5)及信标机(1)，第二层安装监测舱(2)、控制舱(7)和释放控制舱(8)，第三层安装中央回转台(10)，第四层安装配重块(9)；

所述第二层的监测舱(2)内设有姿态传感器和高度计，控制舱(7)内设有水下控制及数据采集系统，释放控制舱(8)内设有水下声学释放器；

所述第三层安装中央回转台(10)，包括回转导轨(15)、回转盘(16)、微电极探针系统(3)、拉伸机构和升降机构，所述中央回转台(10)上设置圆周形回转导轨(15)，回转盘(16)设置在回转导轨(15)的中央并可沿回转导轨(15)滑动，回转盘(16)由伺服电机I(12)驱动；回转盘(16)上沿径向设置滑槽(27)，微电极探针系统(3)可在拉伸机构的控制下在滑槽(27)内滑动，拉伸机构包括伺服电机II(13)和丝杠II(26)，伺服电机II(13)带动丝杠II(26)转动，丝杠II(26)与固定在微电极探针系统(3)上的导套(34)螺纹连接；所述微电极探针系统(3)可在升降机构的控制下上下移动，升降机构包括伺服电机III(14)和丝杠III(22)，伺服电机III(14)带动丝杠III(22)转动，丝杠III(22)与微电极探针系统(3)的基座(23)螺纹连接。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述回转盘(16)上还设置沉积物取样器(17)。

10.权利要求9所述应用的控制系统，其特征在于，包括甲板单元(18)及水下单元(20)；所述甲板单元(18)包括主控制台、数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元，所述主控制台分别连接数据存储器I、人机交互单元、信标定位单元、水声通信单元和声学释放单元；

所述水下单元(20)包括总控系统、信标机(1)、水声通讯机(5)、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I(12)、回转盘(16)、伺服电机II(13)、丝杠II(26)、伺服电机III(14)、丝杠III(22)、微电极探针系统(3)、数据采集单元、沉积物取样器(17)、高度计和姿态传感器；所述总控系统分别连接信标机(1)、水声通讯机(5)、声学释放器、数据存储器II、伺服电机I(12)、伺服电机II(13)、伺服电机III(14)、数据采集单元、高度计和姿态传感器，所述伺服电机I(12)、伺服电机II(13)、伺服电机III(14)分别通过连接回转盘(16)、丝杠II(26)、丝杠III(22)，从而驱动微电极探针系统(3)和沉积物取样器(17)，所述微电极探针系统(3)的静力触探探头(25)和八个微电极(24)分别与数据采集单元连接；

所述信标定位单元与信标机(1)无线连接、水声通信单元与水声通讯机(5)无线连接、声学释放单元与声学释放器无线连接。