CN107449633A - 一种热液区喷发物质捕集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热液区喷发物质捕集装置，涉及深海捕获领域，包括本体平台支撑模块，还包括硫化物质捕集模块，所述硫化物质捕集模块包括漏斗形顶盖、金属沉积物收集腔、沉降物收集腔、隔离腔，所述金属沉积物收集腔的内侧设有强磁体，还包括回收与定位模块。本发明的有益效果是，整体装置采用模块设计，可实现捕集需求、探测需求、原位培养需求等不同的作业需求，采用小型化设计减少不必要的人力、设备浪费，提高工作效率，装置机构简单、可靠、易维护；整套装置采用通用性、模块化组装，在海上可进行任意的拆装、组装，实现不同的任务模块，可实现大批量加工，具有制造简单，生产成本低、安装简便、效率高效、安全可靠。

Description

一种热液区喷发物质捕集装置

技术领域

本发明涉及深海捕获领域，特别是一种热液区喷发物质捕集装置。

背景技术

海底热液活动的发现是20世纪海洋科学研究中的重大事件之一，热液喷口附近不但蕴藏有大量的金属硫化物资源，而且蕴育了极端环境下独特的生物群落，对深海热液喷口及其生态系统的研究具有极其重要的科学意义和经济价值。探测与获取高质量的热液样品是目前进行热液活动研究的最有效和最重要的手段之一。目前，我国的大洋资源调查航次主要通过水下机器人或6000米有缆电视抓斗对洋中脊热液喷口开展调查和取样工作。由于洋中脊热液活动的演化是一个动态体系，这里的化学、物理和生物过程在时空上剧烈变化，传统调查采样方法作为研究热液活动的技术手段存在局限性。先进、可靠的原位测量及取样系统能够更好地对热液喷口的物质通量、物理化学参数进行实时探测，是开展深海热液探测研究必不可少的有效技术手段。

目前，对热液的研究手段基本可分为两类：一是获取热液样品，然后再在实验室进行分析；二是直接进行物理与化学量的原位测量。我国“蛟龙号”载人深潜器完成7000米海试后，具备探测99％世界海洋面积海域的能力。以载人深潜器为平台搭载原位探测取样系统，进行热液喷口区的调查研究是国际上发达海洋国家常用的技术手段。

为了更好的研究相关喷发物质在此过程中的演变状态，急需在某一精确热点海域进行针对性的物质搜集，利用物质的重力沉降，收集喷发物质进行试验测定与研究，然而目前在深海领域尤其是在深海热液区域尚未对定点热液喷口进行针对性捕集，因此，在上述背景下，结合大洋科考实际经验，急需研究和开发一种功能化多样、操作方便、维护简单、可以实现蛟龙号载人潜水器搭载作业的用于热液区喷发物质捕集工具，为我国海底资源大调查、海底地质结构研究和海洋环境研究提供技术保障。

发明内容

本发明主要解决了我国大洋科考在印度洋热液硫化物海区作业中急需获得海底热液喷口喷发原位物质样品捕集难点问题，针对热液区特殊复杂的环境条件，结合科学家对喷发物质研究的科学需求，设计了一种热液区喷发物质捕集装置，该装置作为深海运载器的一种作业工具，配备有强磁体可搜集金属含量富集的矿物质，并且可实现不同直径颗粒物质的有序捕集，制造简单，生产成本低、安装简便、效率高效。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种热液区喷发物质捕集装置，包括本体平台支撑模块，还包括硫化物质捕集模块，所述硫化物质捕集模块通过侧面固定连接在本体平台支撑模块上；所述硫化物质捕集模块包括漏斗形顶盖、金属沉积物收集腔和沉降物收集腔、隔离腔，所述漏斗形顶盖、金属沉积物收集腔、沉降物收集腔、隔离腔依次自上向下设置；所述金属沉积物收集腔和沉降物收集腔的连接处设有过滤网Ⅰ，沉降物收集腔和隔离腔的连接处设有过滤网Ⅱ，隔离腔的底部设有过滤网Ⅲ和底盖；所述过过滤网Ⅱ和过滤网Ⅲ的过滤精度相同，过滤网Ⅰ的过滤精度大于过滤网Ⅱ的过滤精度；所述金属沉积物收集腔的内侧设有强磁体。

优选的，所述本体平台支撑模块还包括本体和能源动力舱；所述本体的中心设置能源动力舱，沿所述本体的边缘均匀间隔设置凹槽，硫化物质捕集模块设置在凹槽内，相邻两凹槽之间设有安装槽，在安装槽内设置生物原位培养模块；所述能源动力舱包括腔体、密封端盖和内部集成模块，所述腔体和密封端盖通过两道O圈密封，集成模块包括能源单元、控制单元和存储单元，所述能源单元、控制单元、存储单元依次从下向上设置在腔体内，且两两电连接。

优选的，所述生物原位培养模块包括培养腔，所述培养腔的外侧面设有通孔，培养腔内设有LED光源和视频探头，所述LED光源、视频探头分别和集成模块连接。

优选的，还包括回收与定位模块，所述回收与定位模块包括浮力板和凯芙拉缆，所述浮力板通过凯芙拉缆连接本体平台支撑模块，浮力板的板面有反光涂层。

优选的，所述过滤网Ⅰ的过滤精度是100um，过滤网Ⅱ的过滤精度是100um。

优选的，所述本体平台支撑模块还包括T型把手。

优选的，所述本体平台支撑模块凹槽的数量是4个；所述本体平台支撑模块安装槽的数量是4个。

优选的，所述能源单元和控制单元之间设置干燥剂盒，控制单元和存储单元之间设置干燥剂盒。

优选的，所述硫化物质捕集模块的漏斗形顶盖位于本体平台支撑模块的上方。

优选的，所述本体平台支撑模块还设有压载配置块槽，所述压载配置块槽设置在本体的顶端。

基于载人潜水器解决了热液区烟囱体喷发物质定点精确捕集探究的技术难点，利用本发明的技术方案制作的热液区喷发物质捕集装置，其有益效果是：

(1)利用本发明的技术方案制作的热液区喷发物质捕集装置，整体装置采用模块设计，设计不同的任务模块，可实现捕集需求、探测需求、原位培养需求等不同的作业需求；

(2)采用小型化设计减少不必要的人力、设备浪费，提高工作效率，装置机构简单、可靠、易维护；

(3)整套装置采用通用性、模块化组装，在海上可进行任意的拆装、组装，实现不同的任务模块，实现多任务作业，可实现大批量加工，具有制造简单，生产成本低、安装简便、效率高效、安全可靠；

(4)充分考虑搭载潜水器的体积及重量要求，充分利用空间布局，创新性的开展了结构设计，在极小了体积下，设计了8套作业模块接口，同时为提高海底作业效率和产出，在设计之初综合考虑了多学科、多任务的科学调查需求，装置具备多任务作业能力，可以实现沉降物捕集作业、生物原位培养等功能，一方面大大节省了造价和海上的可维护性，另一方面大大提高了科研用途和产出。

附图说明

图1是硫化物质捕集模块的结构示意图；

图2是能源动力舱的结构示意图；

图3是本装置的部分拆分图；

图4是热液区喷发物质捕集装置的立体结构示意图。

图中，1、本体平台支撑模块；11、本体；

12、能源动力舱；121、腔体；122、密封端盖；

123、集成模块；1231、能源单元；1232、控制单元；1233、存储单元；

13、T型把手；14、压载配置块槽；

2、硫化物质捕集模块；21、漏斗形顶盖；22、金属沉积物收集腔；23、沉降物收集腔；24、隔离腔；25、过滤网Ⅰ；26、过滤网Ⅱ；27、过滤网Ⅲ；28、强磁体；

3、生物原位培养模块；31、培养腔；32、通孔；33、LED光源；34、视频探头；

4、回收与定位模块；41、浮力板；42、凯芙拉缆；43、反光涂层。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

该装置针对热液硫化物特定作业海域的特点及探测需求，采用了模块化设计原理，整套装置由四个子模块组成，各个子模块均可实现海上组装与更换，同时也可以根据任务功能不同换装不同模块。

一种热液区喷发物质捕集装置，包括本体平台支撑模块1，还包括硫化物质捕集模块2，硫化物质捕集模块2通过侧面固定连接在本体平台支撑模块1上，本体平台支撑模块1主要用于从硫化物质捕集模块2的侧面将其固定，保证中空设计。

如图1所示，硫化物质捕集模块2包括漏斗形顶盖21、金属沉积物收集腔22、沉降物收集腔23和隔离腔24。

漏斗形顶盖21、金属沉积物收集腔22、沉降物收集腔23和隔离腔24依次自上向下设置，形成一个通腔；金属沉积物收集腔22和沉降物收集腔23的连接处设有过滤网Ⅰ25，沉降物收集腔23和隔离腔24的连接处设有过滤网Ⅱ26，隔离腔24的底部设有过滤网Ⅲ27和底盖，过滤网Ⅱ26和过滤网Ⅲ27的过滤精度相同，过滤网Ⅰ25的过滤精度大于过滤网Ⅱ26的过滤精度，其中，过滤网Ⅰ25的过滤精度是100um，过滤网Ⅱ26的过滤精度是10um，整个捕集模块自上而下是相通的，从海面下降至海底时，关闭底座，阻止其他物质从底端进入捕集模块；从海底上升至海面时，关闭底座，防止捕集到的物质从捕集模块漏出。

由于沉积物大多是微小的颗粒物质，一旦海底有轻微的扰动或者水流会造成沉积物质发生扰动，同时在回收过程中，由于运动幅度的加大，也会造成一定扰动，因此为利于沉积物质保存和收集，在顶部加装漏斗形顶盖21，其主要采用PVC透明材料制造而成，不仅增加了收集模块的深度，也能扩大搜集面积，同时，漏斗形顶盖21也可以阻挡住部分水流扰动，确保在水流的扰动下，不会触及底部的沉积物收集层。

金属沉积物收集腔22的内侧设有强磁体28，用于对富集金属元素的硫化物进行针对性捕集，当沉降物落入捕集模块内时，首先对富集金属元素的硫化物进行针对性捕集，实现第一级捕集；沉降物收集腔23主要根据需求捕集不同直径大小的颗粒物，本实施中，捕集10um-100um的颗粒物，通过不同规格的过滤网，将目标颗粒物质捕集至沉降物收集腔23内，实现第二级捕集；隔离腔24为中空设计，也外界环境相通，内部充满了水，当底部发生水流扰动时候，隔离腔可以将扰动的水流进行阻挡，同时由于距离沉积物收集腔有一定深度，可以确保水流的扰动不会触及沉积物收集层，其功能作用类似于漏斗形顶盖，即隔离腔24主要用于保护捕集腔颗粒物质免收底流及回收过程中的扰动。另外，打开底盖，装置底部发生扰动时，少量的沉积物可能会浮动到硫化物质捕集模块内，过滤网Ⅲ27可以过滤颗粒较大的沉积物，保证沉降物收集腔底部的沉积物上升影响其捕集质量，也能够收集少量富集金属元素的硫化物和非富集金属元素的硫化物的混合物，以后开展研究工作，可以作为一个重要的对照组，在收集结束之后，关闭底盖。

如图2-4所示，本实施例中，本体平台支撑模块1还包括本体11和能源动力舱12。

本体11的中心设置能源动力舱12，沿本体11的边缘均匀间隔设置凹槽，硫化物质捕集模块2设置在凹槽内，通过不同过滤网过滤精度组合来捕集不同精度沉降物，另外，捕集模块2通过侧壁安装在本体11上的，相邻两凹槽之间设有安装槽，在安装槽内设置生物原位培养模块3；本实施例中，本体平台支撑模块1凹槽的数量是4个，本体平台支撑模块1安装槽的数量是4个。

能源动力舱12包括腔体121、密封端盖122和内部集成模块123，腔体121和密封端盖122通过两道O圈密封，大深度海底设备最关键的是由于压力问题而造成的漏水问题，因此采用恰到合适的密封手段尤为关键，能最大限度的保证密封效果。

集成模块123包括能源单元1231、控制单元1232和存储单元1233，能源单元1231、控制单元1232、存储单元1233依次从下向上设置在腔体121内，且两两电连接。能源单元1231和控制单元1232之间设置干燥剂盒，控制单元1232和存储单元1233之间设置干燥剂盒，由于能源动力腔里面都是电子元器件，电子元器件最害怕的就是环境潮湿形成的短路，对电子元器件损害最大，而由于能源动力腔要经常放置于海底，同时海底与海面温差巨大，且潮气很大，外面潮气易渗入至腔体内，因此必须放置干燥剂去除水分。

生物原位培养模块3包括培养腔31，培养腔31的外侧面设有通孔32，培养腔31内设有LED光源33和视频探头34，LED光源33、视频探头34分别和集成模块123连接。培养腔31的结构是结合系统装置的形状构建。培养腔31内放置一些营养食物，在海底中引诱微生物从通孔32进入该培养腔31内，同时由于有营养物质因素，微生物也会在空壳内进行大量繁殖，从而达到原位培养的目的；视频探头将信息传递到存储单元1233内，LED光源33提供亮度。

还包括回收与定位模块4，回收与定位模块4包括浮力板41和凯芙拉缆42，浮力板41通过凯芙拉缆42连接本体平台支撑模块1，浮力板41的板面有反光涂层43。

由于浮力的原因，浮力板41浮于整个装置的上方，载人潜水器在海底快速搜寻捕集装置时，当潜水器的灯组照射时，反光涂层43发出亮光，潜航员可以明显的找到捕集装置。

本体平台支撑模块1还包括T型把手13，便于进行布位。

本体平台支撑模块1还设有压载配置块槽14，压载配置块槽14设置在本体11的顶端，便于固定整个装置。

工作流程：采用无缆布放、搭载载人潜水器下潜的方式，大大节省布放时间，重点是在精确地点开展针对性捕集工作，极大提高科学研究效率。

下水前，针对不同的作业需求选取不同的功能模块，如需要测量温度梯度可以选挂装温度梯度仪。进行捕集装置的组装工作，将配重块的安装至本体十字型的压载配置块槽内，将硫化物质捕集模块组装完成后放置于本体相应凹槽处，将生物原位培养模块放置在本体相应接口处，若有其他多参数探测任务，可换装其他任务模块，组装完成后进行陆上调试验证，检查完毕后安装与载人潜水器采样篮上准备进行布放工作。

布放过程，热液区喷发物质捕集工具随载人潜水器下潜至指定作业海区，通过已有定位数据，有潜航员操作机械手将捕集工具布放至指定区域。

回收过程，载人潜水器下潜至指定海域，首先利用自身长基线及超短基线定位系统进行四十米内定位，然后结合潜水器照明系统探视，由潜航员人工观测回收反光板找到捕集工具。

装置收回至甲板后，取出硫化物质捕集模块、生物原位培养模块或者其他功能模块，将采取的样品进行处理、实验、研究。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热液区喷发物质捕集装置，包括本体平台支撑模块(1)，其特征在于，还包括硫化物质捕集模块(2)，所述硫化物质捕集模块(2)通过侧面固定连接在本体平台支撑模块(1)上；

所述硫化物质捕集模块(2)包括漏斗形顶盖(21)、金属沉积物收集腔(22)、沉降物收集腔(23)和隔离腔(24)，所述漏斗形顶盖(21)、金属沉积物收集腔(22)、沉降物收集腔(23)和隔离腔(24)依次自上向下设置；

所述金属沉积物收集腔(22)和沉降物收集腔(23)的连接处设有过滤网Ⅰ(25)，沉降物收集腔(23)和隔离腔(24)的连接处设有过滤网Ⅱ(26)，隔离腔(24)的底部设有过滤网Ⅲ(27)和底盖，所述过滤网Ⅱ(26)和过滤网Ⅲ(27)的过滤精度相同，过滤网Ⅰ(25)的过滤精度大于过滤网Ⅱ(26)的过滤精度；

所述金属沉积物收集腔(22)的内侧设有强磁体(28)。

2.根据权利要求1所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述本体平台支撑模块(1)还包括本体(11)和能源动力舱(12)；

所述本体(11)的中心设置能源动力舱(12)，沿所述本体(11)的边缘均匀间隔设置凹槽，硫化物质捕集模块(2)设置在凹槽内，相邻两凹槽之间设有安装槽，在安装槽内设置生物原位培养模块(3)；

所述能源动力舱(12)包括腔体(121)、密封端盖(122)和内部集成模块(123)，所述腔体(121)和密封端盖(122)通过两道O圈密封，集成模块(123)包括能源单元(1231)、控制单元(1232)和存储单元(1233)，所述能源单元(1231)、控制单元(1232)、存储单元(1233)依次从下向上设置在腔体(121)内，且两两电连接；

所述生物原位培养模块(3)包括培养腔(31)，所述培养腔(31)的外侧面设有通孔(32)，培养腔(31)内设有LED光源(33)和视频探头(34)，所述LED光源(33)、视频探头(34)分别和集成模块(123)连接。

3.根据权利要求1所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，还包括回收与定位模块(4)，所述回收与定位模块(4)包括浮力板(41)和凯芙拉缆(42)，所述浮力板(41)通过凯芙拉缆(42)连接本体平台支撑模块(1)，浮力板(41)的板面有反光涂层(43)。

4.根据权利要求1所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述过滤网Ⅰ(25)的过滤精度是100um，过滤网Ⅱ(26)的过滤精度是10um。

5.根据权利要求1或2所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述本体平台支撑模块(1)还包括T型把手(13)。

6.根据权利要求1或2所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述本体平台支撑模块(1)凹槽的数量是4个。

7.根据权利要求1或2所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述本体平台支撑模块(1)安装槽的数量是4个。

8.根据权利要求2所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述能源单元(1231)和控制单元(1232)之间设置干燥剂盒，控制单元(1232)和存储单元(1233)之间设置干燥剂盒。

9.根据权利要求2所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述硫化物质捕集模块(2)的漏斗形顶盖(21)位于本体平台支撑模块(1)的上方。

10.根据权利要求1或2所述的一种热液区喷发物质捕集装置，其特征在于，所述本体平台支撑模块(1)还设有压载配置块槽(14)，所述压载配置块槽(14)设置在本体(11)的顶端。