CN108387389A - 一种珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置和采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置和采集方法。采集装置包括水下支架、水下打桩机、打桩机附件、卡套、若干个浮力桶、力分散片和空心采样管。本发明无需大型船只和机械，也无需在海面构建平台，而是在水下快速完成沉积岩心取样，并能够轻松转移位点，在有限的时间内在多个位点获得多个样品，大大节省了人力、物力和时间成本。本发明为岛礁科学研究和工程提供了技术支撑。

Description

一种珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置和采集方法

技术领域：

本发明可应用在珊瑚礁自然科学研究以及岛礁地质工程领域，具体涉及一种水下单人操作、快速、无扰动获取珊瑚礁柱状沉积岩心样品的设备以及采集方法。

背景技术：

珊瑚礁分布于热带海域，由造礁珊瑚骨骼和其他钙质生物碎屑组成的具抗浪性能的海底隆起。珊瑚礁表面由数量众多的活珊瑚覆盖，是架构珊瑚礁生态系统的基础。珊瑚礁是极其宝贵的海洋资源，支持了经济效益巨大的渔业、旅游业等。我国的珊瑚岛礁是南海唯一的陆地国土，对维护南海海域主权、海上航线、矿产和渔业资源等不可替代，具有相当重要的战略地位。在西沙和南沙群岛开展的珊瑚岛礁工程建设是我国在南海有效行使主权、加强国防安全的保障。

在珊瑚礁自然科学研究领域，研究热点之一是珊瑚礁的发育演化如何响应气候的变化，这就需要了解过去珊瑚礁的发育历史，如种属更替、沉积速率等，因此获取珊瑚礁表面以下的沉积岩心样品就显得尤为必要。除了自然科学研究，岛礁工程建设完全实施在珊瑚礁上，对珊瑚礁地貌、基底岩性、沉积构造等均要有详细的了解，对工程选址、风险评估等都是十分必要的。

由于珊瑚礁的主体部分在水面以下(只有部分礁坪顶部在低潮时才能出露水面)，并且由于风、洋流和岛礁的地貌，导致礁体附近常年水动力较强；此外，珊瑚礁浅部沉积十分松散(只有到几十米以下才会胶结)，且沉积粒度极度不均一，从十分细小的有孔虫等钙质沙一直到几厘米甚至几十厘米的珊瑚块；因此，获得珊瑚礁的柱状沉积样品非常困难。现有的技术手段通常是在海面上搭起平台，将陆地上常用的潜孔钻机放在平台上使用，往往耗费巨大的人力、物力和时间成本。如果在远洋作业时(比如西沙、南沙群岛)，需要大型船只运输笨重的机械和搭建平台的材料。

发明内容：

本发明的目的是提供一种可适用于水下更加快速且无扰动获取珊瑚礁沉积岩心的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置和采集方法。

本发明的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置，包括水下支架、水下打桩机、打桩机附件、卡套、若干个浮力桶、力分散片和空心采样管；

所述的水下支架包括固定支架，固定支架的上端固定有第一套筒，固定支架的支撑腿是能伸缩的；

所述的打桩机附件包括第二套筒，第二套筒上边缘具有固定板；

所述的卡套包括卡套环，固定于卡套环上相对设置的一对固定杆，所述的卡套环为可伸缩大小的卡套环，在卡套环内侧设有垫子；

所述的力分散片大小形状与空心采样管上端开口的大小形状相对应；

所述的浮力桶顶部设有排气阀门。

力分散片的作用是让冲击力能够、并且均匀施加空心采样管上。

本发明的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集方法，具体步骤如下：

在水下打桩机的桩锤出口外缘固定有打桩机附件的固定板，水下打桩机的桩锤能穿过打桩机附件的第二套筒；

在目标海域，将水下支架放置于采样点，通过调节能伸缩的支撑腿使其平稳；

在水下打桩机上面系上若干个浮力桶，由浮力桶悬吊水下打桩机，调节浮力桶上的排气阀门使水下打桩机在水中成悬浮状态，将水下打桩机移至采样点，在空心采样管上端放上力分散片，然后将力分散片和空心采样管上端一起套入水下打桩机上的第二套筒中，让空心采样管下端穿过水下支架上的第一套筒和第三套筒伸至采样点上，开启水下打桩机，使其桩锤冲击力分散片和空心取样管，将空心取样管插入珊瑚礁内部的沉积层，当空心取样管插入设定深度时，给浮力桶充气，吊起并移开水下打桩机，移开水下支架，封闭空心取样管的上端，将卡套的卡套环固定在空心取样管上端，在固定杆上系上浮力桶，浮力桶产生的浮力作用于卡套上，带动空心取样管移出，然后再封闭取样管下端开口，从而将完整的沉积物岩心取出。

优选，所述的固定支架的支撑腿为3条，支撑腿的为能伸缩的，在支撑腿的底部连有可拆卸的底座，支撑腿的上端连有第一套筒，在固定支架的中部设有第三套桶，第三套筒经固定杆与各支撑腿中部固定连接。能伸缩的支撑腿和可拆卸底座用于适应凹凸不平的珊瑚礁表面。

所述的第二套筒上边缘的固定板上均匀设置有若干个固定孔，还具有若干个与固定孔相配套的固定螺丝，当需要在水下打桩机的桩锤出口外缘固定固定板时，是将固定螺丝穿过固定孔再嵌入水下打桩机的桩锤出口外缘上的固定孔中，从而使固定板固定在水下打桩机的桩锤出口外缘上。

所述的卡套环由两个半圆环组成，半圆环一端转动连接，另外一端各设有一个固定凸片，两凸片相对应设有固定孔，还设有固紧螺丝，固紧螺丝可以插入固定孔中，从而实现卡套环的伸缩。

所述的垫子为橡胶垫。垫可以防止空心采样管滑动。

与现有的技术相比，本发明具有以下增益效果：

1、节省人力成本：传统搭建海上平台的方法需要大量劳力。而本发明只需水下1名潜水员，小艇上1-2名工作人员负责投递工具、操作引擎和编录样品。

2、节省物力成本：传统方法需要重复搭建和拆除平台，十分繁琐，出海时需要携带大型钻机和大量构建平台用的建筑材料，搭载较大的船只。而本发明只需搭载一首小艇即可装下所有设备材料和人员。

3、节省时间成本：搭建、拆除平台需要大量时间，意味着打下一个孔需要很多时间。而本发明极具便携性和高移动性，组装和拆卸设备非常方便，可以在短时间内多个点完成柱状沉积物样品采集。

4、获得更加完整、无扰动的沉积岩心样品：以往在平台上用的多是钻机，即取芯管旋转进入珊瑚礁取沉积物岩心，旋转进入时会扰动沉积物样品；此外，平台上的钻机离珊瑚礁表面有一段几米至十几米不等的距离，需要接长钻管才能接触到基底，提钻管时，松散的沉积物加上钻管上部充满了大量的海水，使得钻管内部沉积岩心在提管时漏下去，导致取芯率不高。而本发明全部在水下完成，是通过冲击震动的方式取样，有效保障了完整、无扰动获取柱状沉积样品。

上述这些优点对于出海时间有限、但样品量有一定需求的科学研究非常重要，同时也对注重效率和成本的岛礁工程极具意义。

本发明无需大型船只和机械，也无需在海面构建平台，而是在水下快速完成沉积岩心取样，并能够轻松转移位点，在有限的时间内在多个位点获得多个样品，大大节省了人力、物力和时间成本。本发明为岛礁科学研究和工程提供了技术支撑。

附图说明：

图1是本发明的水下作业流程图

图2是水下支架的结构示意图；

图3是打桩机附件的结构示意图；

图4是卡套的结构示意图；

图5是在南海某岛礁获取的部分柱状沉积岩心照片；

其中1、水下支架；11、第一套筒；12、支撑腿；13、可拆卸的底座；14、第三套桶；15、固定杆；16、上支撑腿；17、下支撑腿；18、固定孔；19、固定螺丝；2、水下打桩机；3、打桩机附件；31、第二套筒；32、固定板；33、固定孔；34、固定螺丝；4、卡套；41、卡套环；42、固定杆；43、固定凸片；44、固紧螺丝；45、橡胶垫；5、浮力桶；6、圆片；7、空心采样管。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置，包括水下支架1、水下打桩机2、打桩机附件3、卡套4、若干个浮力桶5、圆片6(力分散片)和空心采样管7；

所述的水下支架(由不锈钢制成)包括固定支架，固定支架的上端固定有第一套筒11，固定支架具有3条支撑腿12，支撑腿为能伸缩的，在支撑腿的底部连有可拆卸的底座13，支撑腿的上端连有第一套筒11，在固定支架的中部设有第三套桶14，第三套筒经固定杆15与各支撑腿中部固定连接。能伸缩的支撑腿和可拆卸底座用于适应凹凸不平的珊瑚礁表面。所述的能伸缩的支撑腿12是通过以下结构实现，所述的支撑腿包括上支撑腿16和下支撑腿17，下支撑腿套入上支撑腿中，在上支撑腿下部和下支撑腿上部设有相对应的固定孔18，还具有固定螺丝19，固定螺丝19可以插入固定孔中从而将上支撑腿和下支撑腿固定住。

所述的打桩机附件3包括金属制成的第二套筒31，第二套筒上边缘具有固定板32；所述的第二套筒上边缘的固定板上均匀设置有4个固定孔33，还具有4个与固定孔相配套的固定螺丝34，当需要在水下打桩机的桩锤出口外缘固定固定板时，是将固定螺丝34穿过固定孔33再嵌入水下打桩机的桩锤出口外缘上的固定孔中，从而使固定板固定在水下打桩机的桩锤出口外缘上。

所述的卡套4为金属卡套，包括卡套环41，固定于卡套环上相对设置的一对固定杆42，所述的卡套环由两个半圆环组成，半圆环一端转动连接，另外一端各设有一个固定凸片43，两凸片相对应设有固定孔，还设有固紧螺丝44，固紧螺丝可以插入固定孔中，从而实现卡套环的伸缩，在卡套环内侧设有橡胶垫45，橡胶垫可以防止空心采样管滑动。

所述的圆片6为金属圆片，其大小形状与空心采样管7上端开口的大小形状相对应；

所述的浮力桶5，为圆桶状，底部开放，可方便潜水员用自带的潜水装备(备用呼吸管)充气，顶部有排气阀门，用来在水中自由调控浮力的大小；

珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集方法具体步骤如下：

在水下打桩机2的桩锤出口外缘固定有打桩机附件3的固定板32，水下打桩机的桩锤能穿过打桩机附件的第二套筒31；

在目标海域，将水下支架1放置于采样点，通过调节能伸缩的支撑腿12和可拆卸的底座使其平稳；

在水下打桩机2上面系上若干个浮力桶5，由浮力桶悬吊水下打桩机2，调节浮力桶上的排气阀门使水下打桩机在水中成悬浮状态，将水下打桩机移至采样点，在空心采样管7上端放上圆片6，然后将圆片6和空心采样管7上端一起套入水下打桩机附件3上的第二套筒31中，让空心采样管下端穿过水下支架1上的第一套筒11和第三套筒14伸至采样点上，开启水下打桩机2，使其桩锤冲击圆片和空心取样管，将空心取样管插入珊瑚礁内部的沉积层，当空心取样管插入设定深度时，给浮力桶5充气，吊起并移开水下打桩机，移开水下支架1，封闭空心取样管7的上端，将卡套4的卡套环41固定在空心取样管7上端，在固定杆42上系上浮力桶5，浮力桶产生的浮力作用于卡套4上，带动空心取样管7移出，然后再封闭取样管下端开口，从而将完整的沉积物岩心取出。贴上标签保存。

Claims (6)

1.一种珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置，其特征在于，包括水下支架、水下打桩机、打桩机附件、卡套、若干个浮力桶、力分散片和空心采样管；

所述的水下支架包括固定支架，固定支架的上端固定有第一套筒，固定支架的支撑腿是能伸缩的；

所述的打桩机附件包括第二套筒，第二套筒上边缘具有固定板；

所述的卡套包括卡套环，固定于卡套环上相对设置的一对固定杆，所述的卡套环为可伸缩大小的卡套环，在卡套环内侧设有垫子；

所述的力分散片大小形状与空心采样管上端开口的大小形状相对应；

所述的浮力桶顶部设有排气阀门。

2.根据权利要求1所述的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置，其特征在于，所述的固定支架的支撑腿为3条，支撑腿的为能伸缩的，在支撑腿的底部连有可拆卸的底座，支撑腿的上端连有第一套筒，在固定支架的中部设有第三套桶，第三套筒经固定杆与各支撑腿中部固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置，其特征在于，所述的第二套筒上边缘的固定板上均匀设置有若干个固定孔，还具有若干个与固定孔相配套的固定螺丝，当需要在水下打桩机的桩锤出口外缘固定固定板时，是将固定螺丝穿过固定孔再嵌入水下打桩机的桩锤出口外缘上的固定孔中，从而使固定板固定在水下打桩机的桩锤出口外缘上。

4.根据权利要求1或2所述的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置，其特征在于，所述的卡套环由两个半圆环组成，半圆环一端转动连接，另外一端各设有一个固定凸片，两凸片相对应设有固定孔，还设有固紧螺丝，固紧螺丝可以插入固定孔中，从而实现卡套环的伸缩。

5.根据权利要求1或2所述的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置，其特征在于，所述的垫子为橡胶垫。

6.一种利用权利要求1所述的珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集装置进行珊瑚礁柱状沉积岩心样品的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

在水下打桩机的桩锤出口外缘固定有打桩机附件的固定板，水下打桩机的桩锤能穿过打桩机附件的第二套筒；

在目标海域，将水下支架放置于采样点，通过调节能伸缩的支撑腿使其平稳；

在水下打桩机上面系上若干个浮力桶，由浮力桶悬吊水下打桩机，调节浮力桶上的排气阀门使水下打桩机在水中成悬浮状态，将水下打桩机移至采样点，在空心采样管上端放上力分散片，然后将力分散片和空心采样管上端一起套入水下打桩机上的第二套筒中，让空心采样管下端穿过水下支架上的第一套筒和第三套筒伸至采样点上，开启水下打桩机，使其桩锤冲击力分散片和空心取样管，将空心取样管插入珊瑚礁内部的沉积层，当空心取样管插入设定深度时，给浮力桶充气，吊起并移开水下打桩机，移开水下支架，封闭空心取样管的上端，将卡套的卡套环固定在空心取样管上端，在固定杆上系上浮力桶，浮力桶产生的浮力作用于卡套上，带动空心取样管移出，然后再封闭取样管下端开口，从而将完整的沉积物岩心取出。