CN110389054A - 海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法 - Google Patents

海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法 Download PDF

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荣一辚
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Abstract

本发明公开了海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，涉及海底沉积物孔隙水原位取样检测技术领域，本发明包孔隙水的采集方法、孔隙水的分析方法、孔隙水的储存方法、以及孔隙水样品的回收方法，长期原位监测海底沉积物剖面中孔隙水地球化学参数的动态变化，还原甲烷渗漏通量变化下沉积物中硫酸盐还原‑甲烷氧化转换带(SMTZ)的深度变化区间，实时监测甲烷渗漏强度变化，预警水合物泄漏风险，估算甲烷碳循环通量，为水合物环境监测提供技术支撑；本发明可以实现长达6个月至1年的海底沉积物孔隙水的原位长期监测。

Description

海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法
技术领域
本发明涉及海底沉积物孔隙水原位取样检测技术领域，更具体的是涉及海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法。
背景技术
浅层沉积物孔隙水地球化学是一种可以示踪沉积层深部天然气水合物的方法，利用沉积物孔隙水中SO4 2-、DIC、Ca2+和Mg2+等离子在沉积物剖面上的分布特征,可以估算沉积物甲烷渗漏通量,为海域天然气水合物前期普查提供一个廉价有效的途径。
一般而言,对沉积物孔隙水的地球化学分析往往通过分析可以作为标识物的孔隙水中的各种成分来实现,而取样分析得到的结果往往是不准确的,基于激光拉曼光谱技术的探测系统已成功应用到海底沉积物孔隙水的原位探测分析。这种方法可以还原深海沉积物中溶解的甲烷气体的真实浓度(比传统方法取样后经实验室分析得出的结果高近30倍),从而证明甲烷不仅存在于天然气水合物中,而且更广泛的大量赋存于深海沉积物中。而海底沉积物大深度剖面孔隙水原位取样及分析方法作为一种创新性的海洋化学探测技术，为沉积物孔隙水原位探测提供了一种新的分析思路和手段。
现行通用的孔隙水取样和分析方法主要有两种：一种是利用重力活塞取样器获取深海大深度剖面沉积物柱状样品，在样品返回科考船后再在实验室抽取或压榨出孔隙水。由于从深海到海表剧烈的温压变化，可能发生溶解在沉积物孔隙水中的气体逃逸以及成分氧化等物理化学变化，导致测试结果存在很大误差。第二种是利用各式孔隙水原位采集装置，直接原位采集海底沉积物孔隙水，但其获取的均为某时段的孔隙水，无原位、长期、分时段采集、检测并储存沉积物孔隙水的能力。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有海底沉积物孔隙水原位取样检测技术中实验结果误差大和无原位、长期、分时段采集、检测并储存深海大深度剖面沉积物孔隙水的技术问题，本发明提供海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，包括孔隙水的采集方法、孔隙水的分析方法、孔隙水的储存方法、以及孔隙水样品的回收方法，所述孔隙水的采集方法是将内部设置有存储孔隙水的存水空腔的孔隙水原位采集柱插入海底沉积物中，然后在孔隙水原位采集柱的外圆上开设与孔隙水原位采集柱内的存水空腔接通的渗漏孔，并在孔隙水原位采集柱外圆上的渗漏孔口处设置只能够让孔隙水通过的过滤膜，让海底沉积物中的孔隙水从过滤膜渗透进存水空腔内；所述孔隙水的分析方法是直接利用能够原位检测孔隙水的拉曼光谱原位测试单元在海底将孔隙水原位采集柱的存水空腔内收集的孔隙水进行原位检测，利用蠕动泵将孔隙水原位采集柱的存水空腔内收集的孔隙水抽运至拉曼光谱原位测试单元内检测其孔隙水中的沉积物自由气含量及其碳同位素组成、沉积物孔隙水阴阳离子含量、沉积物孔隙水所溶解的无机碳含量、沉积物孔隙水所溶解的有机碳含量及其碳同位素组成，并将拉曼光谱原位测试单元的所有检测数据存储起来；所述孔隙水的储存方法是将经过拉曼光谱原位测试单元检测之后的孔隙水存放至能够存储孔隙水的存样舱内；所述及孔隙水样品的回收方法是将孔隙水原位采集柱、拉曼光谱原位测试单元、蠕动泵以及存样舱集成为一个整体装置即构成海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，在海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置上设置承载机架，承载机架中装有浮球，该浮球通过缆绳连接海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，投放时缆绳和浮球收纳在承载机架中，回收时，释放浮球并上浮至海面，调查船打捞浮球，利用连接浮球和海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置的缆绳，将海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置从海底沉积物中拔出，回收设备，之后取出存样舱内的孔隙水并送至实验室进行二次检测。
进一步地，所述孔隙水原位采集柱包括多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元、与机体固定连接的连接柱以及圆锥形结构的锥尖，多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元沿着孔隙水原位采集柱长度方向顺次排列，孔隙水采集单元位于连接柱以及锥尖之间，所述孔隙水原位采集柱内设置有能够将各个孔隙水采集单元收集的孔隙水运输至拉曼光谱原位测试单元进行检测的孔隙水传输管道。
进一步地，所述海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置的投放方式为调查船钢缆通过声学释放器挂载该海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，在设定站位下放，海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置触底后，孔隙水原位采集柱利用重力作用扎进沉积物中。此时，利用甲板控制单元，操纵缆绳上声学释放器脱钩，并回收钢缆，让海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置留在海底。
进一步地，所述孔隙水原位采集柱长度为10m。
本发明的有益效果如下：
1、可以长周期监测海底沉积物大深度剖面孔隙水地球化学参数剖面的动态变化。长周期监测指设备可通过自带电池，实现长达6个月至1年的海底原位长期监测；大深度指孔隙水探针取样深度可达“硫酸盐还原-甲烷氧化转换带(SMTZ)”。
2、利用拉曼光谱原位测试单元，可以对样品进行非接触、非破坏性探测与分析，且适用于海底极端环境下的探测，可原位测量沉积物孔隙水多参数变化特征，包括沉积物自由气(顶空气)含量及其碳同位素组成、沉积物孔隙水阴阳离子含量、溶解无机碳、溶解有机碳的含量及其碳同位素组成。
4、承载机架中装有浮球，该浮球通过缆绳连接取样装置，投放时缆绳和浮球收纳在承载机架中。回收时，释放浮球并上浮至海面，调查船打捞浮球，利用连接浮球和取样装置的缆绳，将取样装置从海底沉积物中拔出，回收设备。利用浮球的方式进行回收，这样能够减少利用ROV进行回收的成本，同时也避免使用较长的缆绳将取样装置与调查船一直连接，这样也避免了在取样分析装置在取样和分析的时候在海面上需要调查船一直停靠，这样增加了使用调查船出海工作的成本，然而利用浮球回收方法可以直接记下投放坐标，在需要回收的时候就可以直接将调查船行驶到所记录的地点进行回收工作，减少调查船长期出海所带来的成本，提高本装置的经济实用性。
附图说明
图1是海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置的结构示意图；
图2是图1中孔隙水原位采集柱的剖视图；
图3是锁止机构的剖视图；
图4是图1中孔隙水采集单元的剖视图；
图5本发明的立体结构示意图；
图6是本发明的主视图。
附图标记：1.孔隙水原位采集柱，2.机体，3.控制系统，4.电池模块，5.蠕动泵，6.锁止机构，6-1.外壳，6-2.电磁铁，6-3.弹簧，6-4.锁止销，7.配重块，8.浮球，9.固定板，10.缆绳卷盘，11.存样舱，12.电磁阀一，13.拉曼光谱原位测试单元，14.感应探针，15.连接柱，16.孔隙水采集单元，17.锥尖，18.孔隙水传输管道，19.孔隙水收集舱，20.过滤膜，21.电磁阀二。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，包括孔隙水的采集方法、孔隙水的分析方法、孔隙水的储存方法、以及孔隙水样品的回收方法，所述孔隙水的采集方法是将内部设置有存储孔隙水的存水空腔的孔隙水原位采集柱1插入海底沉积物中，然后在孔隙水原位采集柱1的外圆上开设与孔隙水原位采集柱1内的存水空腔接通的渗漏孔，并在孔隙水原位采集柱1外圆上的渗漏孔口处设置只能够让孔隙水通过的过滤膜，让海底沉积物中的孔隙水从过滤膜渗透进存水空腔内；所述孔隙水的分析方法是直接利用能够原位检测孔隙水的拉曼光谱原位测试单元13在海底将孔隙水原位采集柱1的存水空腔内收集的孔隙水进行原位检测，利用蠕动泵5将孔隙水原位采集柱1的存水空腔内收集的孔隙水抽运至拉曼光谱原位测试单元13内检测其孔隙水中的沉积物自由气含量及其碳同位素组成、沉积物孔隙水阴阳离子含量、沉积物孔隙水所溶解的无机碳含量、沉积物孔隙水所溶解的有机碳含量及其碳同位素组成，并将拉曼光谱原位测试单元13的所有检测数据存储起来；所述孔隙水的储存方法是将经过拉曼光谱原位测试单元13检测之后的孔隙水存放至能够存储孔隙水的存样舱11内；所述及孔隙水样品的回收方法是将孔隙水原位采集柱1、拉曼光谱原位测试单元13、蠕动泵5以及存样舱11集成为一个整体装置即构成海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，在海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置上设置承载机架，承载机架中装有浮球8，该浮球8通过缆绳连接海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，投放时缆绳和浮球8收纳在承载机架中，回收时，释放浮球8并上浮至海面，调查船打捞浮球8，利用连接浮球8和海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置的缆绳，将海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置从海底沉积物中拔出，回收设备，之后取出存样舱11内的孔隙水并送至实验室进行二次检测。
实施例2
在实施例1的基础上做进一步优化，所述孔隙水原位采集柱1包括多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元16、与机体2固定连接的连接柱15以及圆锥形结构的锥尖17，多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元16沿着孔隙水原位采集柱1长度方向顺次排列，孔隙水采集单元16位于连接柱15以及锥尖17之间，所述孔隙水原位采集柱1内设置有能够将各个孔隙水采集单元16收集的孔隙水运输至拉曼光谱原位测试单元13进行检测的孔隙水传输管道18。
所述海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置的投放方式为调查船钢缆通过声学释放器挂载该海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，在设定站位下放，海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置触底后，孔隙水原位采集柱1利用重力作用扎进沉积物中。此时，利用甲板控制单元，操纵缆绳上声学释放器脱钩，并回收钢缆，让海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置留在海底。所述孔隙水原位采集柱1长度为7m。
实施例3
如图1到3所示，本实施例提供海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，包括能够将不同深度的海底沉积物中的孔隙水进行收集的孔隙水原位采集柱1，还包括能够将孔隙水原位采集柱1所收集的孔隙水进行原位检测以及存储的机体2，机体2的一端与孔隙水原位采集柱1固定连接，机体2的另一端设置有能够在机体2上转动的缆绳卷盘10，缆绳卷盘10上的缆绳通过缆绳卷盘10的转动实现缆绳的伸长和收回，缆绳卷盘10上缆绳的自由端固定连接有浮球8，机体2内设置有能够限制缆绳卷盘10自由转动的锁止机构6，所述机体2内设置有能够为整个装置提供电能的电池模块4、能够原位检测孔隙水的拉曼光谱原位测试单元13、能够将经过拉曼光谱原位测试单元13检测之后的孔隙水进行存储的存样舱11以及能够控制整个装置的工作状态并且能够将拉曼光谱原位测试单元13的检测结果进行存储的控制系统3，控制系统3还能够控制锁止机构6解除对缆绳卷盘10的锁止功能。
所述孔隙水原位采集柱1包括多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元16、与机体2固定连接的连接柱15以及圆锥形结构的锥尖17，多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元16沿着孔隙水原位采集柱1长度方向顺次排列，孔隙水采集单元16位于连接柱15以及锥尖17之间，所述孔隙水原位采集柱1内设置有能够将各个孔隙水采集单元16收集的孔隙水运输至拉曼光谱原位测试单元13进行检测的孔隙水传输管道18。
所述孔隙水原位采集柱1长度优选为10m。
所述存样舱11数量有5个，各个存样舱11分别存储孔隙水原位采集柱1所收集的不同深度海底沉积物中的孔隙水。
缆绳卷盘10的转轴与缆绳卷盘10固定连接，缆绳卷盘10转轴的一端与机体2转动连接并伸入机体2内部，缆绳卷盘10转轴的另一端设置有固定板9，缆绳卷盘10转轴与固定板9转动连接，固定板9与机体2固定连接，所述锁止机构6包括与机体2固定连接外壳6-1，外壳6-1上设置有能够限制缆绳卷盘10转轴转动的锁止销6-4，锁止销6-4的一端能够在外壳6-1内来回运动，锁止销6-4的另一端能够与缆绳卷盘10转轴径向上的孔进行穿插配合，外壳6-1内设置有能够将锁止销6-4推入缆绳卷盘10转轴径向上的孔内的弹簧6-3，外壳6-1内还设置有通电之后能够将锁止销6-4从缆绳卷盘10转轴内拔出的电磁铁6-2，锁止销6-4设置为磁性材料，电磁铁6-2通电之后能够吸引锁止销6-4。
孔隙水收集舱19的入口处设置有控制孔隙水收集舱19的入口开闭的电磁阀一12，拉曼光谱原位测试单元13的出口与电磁阀一12之间通过管道接通。
机体2内设置有能够将孔隙水原位采集柱1内的孔隙水抽送至拉曼光谱原位测试单元13内进行检测的蠕动泵5，每个孔隙水采集单元16内均设置有能够存储孔隙水的孔隙水收集舱19，每个孔隙水采集单元16上设置有与孔隙水收集舱19相连通的采样口，采样口处设置有过滤膜20，每个孔隙水采集单元16内设置有能够控制孔隙水收集舱19相连通或者关闭的电磁阀二21。
所述过滤膜20从外到内依次为不锈钢网板、复合过滤纸、耐腐烧结毡，不锈钢网板材质为1Cr18Ni9Ti，复合过滤纸选用过滤直径为0.2μm的尼龙聚合膜。
所述控制系统3包括CPU，能够存储拉曼光谱原位测试单元13的检测信息的存储器，能够控制电池阀开闭的继电器，能够与水面上的通讯设施进行通讯的水声通讯模块，CPU可采用常规的单片机或者嵌入式系统，让水声通讯模块能够将地面上的指令传递至控制系统3中让控制系统3控制各个电磁阀以及继电器的开闭，以及控制储拉曼光谱原位测试单元13的开启或者关闭。
机体2上还固定设置有能够加速本装置沉入海底的配重块7。机体2上还固定设置有感应探针14,感应探针14设置在机体2上孔隙水原位采集柱1的一侧,并与孔隙水原位采集柱1相平行,感应探针14数量为2,两个感应探针14对称设置在孔隙水原位采集柱1两侧,感应探针14为接触式传感器,当感应探针14与海底的沉积物接触之后,感应探针14被触发,感应探针14的触发信号传递至控制系统3中,控制系统3收到触发信号,开始工作。

Claims (4)

1.海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，其特征在于：包括孔隙水的采集方法、孔隙水的分析方法、孔隙水的储存方法、以及孔隙水样品的回收方法。
所述孔隙水的采集方法是将内部设置有存储孔隙水的存水空腔的孔隙水原位采集柱(1)插入海底沉积物中，然后在孔隙水原位采集柱(1)的外圆上开设与孔隙水原位采集柱(1)内的存水空腔接通的渗漏孔，并在孔隙水原位采集柱(1)外圆上的渗漏孔口处设置只能够让孔隙水通过的过滤膜，让海底沉积物中的孔隙水从过滤膜渗透进存水空腔内；
所述孔隙水的分析方法是直接利用能够原位检测孔隙水的拉曼光谱原位测试单元(13)在海底将孔隙水原位采集柱(1)的存水空腔内收集的孔隙水进行原位检测，利用蠕动泵(5)将孔隙水原位采集柱(1)的存水空腔内收集的孔隙水抽运至拉曼光谱原位测试单元(13)内检测其孔隙水中的沉积物自由气含量及其碳同位素组成、沉积物孔隙水阴阳离子含量、沉积物孔隙水所溶解的无机碳含量、沉积物孔隙水所溶解的有机碳含量及其碳同位素组成，并将拉曼光谱原位测试单元(13)的所有检测数据存储起来；
所述孔隙水的储存方法是将经过拉曼光谱原位测试单元(13)检测之后的孔隙水存放至能够存储孔隙水的存样舱(11)内；
所述及孔隙水样品的回收方法是将孔隙水原位采集柱(1)、拉曼光谱原位测试单元(13)、蠕动泵(5)以及存样舱(11)集成为一个整体装置即构成海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，在海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置上设置承载机架，承载机架中装有浮球(8)，该浮球(8)通过缆绳连接海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，投放时缆绳和浮球(8)收纳在承载机架中，回收时，释放浮球(8)并上浮至海面，调查船打捞浮球(8)，利用连接浮球(8)和海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置的缆绳，将海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置从海底沉积物中拔出，回收设备，之后取出存样舱(11)内的孔隙水并送至实验室进行二次检测。
2.根据权利要求1所述的海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，其特征在于：所述孔隙水原位采集柱(1)包括多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元(16)、与机体(2)固定连接的连接柱(15)以及圆锥形结构的锥尖(17)，多个能够收集孔隙水的孔隙水采集单元(16)沿着孔隙水原位采集柱(1)长度方向顺次排列，孔隙水采集单元(16)位于连接柱(15)以及锥尖(17)之间，所述孔隙水原位采集柱(1)内设置有能够将各个孔隙水采集单元(16)收集的孔隙水运输至拉曼光谱原位测试单元(13)进行检测的孔隙水传输管道(18)。
3.根据权利要求1所述的海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，其特征在于：所述海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置的投放方式为调查船钢缆通过声学释放器挂载该海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置，在设定站位下放，海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置触底后，孔隙水原位采集柱(1)利用重力作用扎进沉积物中，然后，利用甲板控制单元，操纵缆绳上声学释放器脱钩，并回收钢缆，让海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析装置留在海底。
4.根据权利要求1所述的海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法，其特征在于：所述孔隙水原位采集柱(1)长度为10m。
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