CN111489627B - 模拟海洋冷泉发育的系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟海洋冷泉发育的系统，包括高压模拟腔，在高压模拟腔中进行地质分层构建，由上而下包括海底界面以上单元、海底界面单元和海底界面以下单元；所述海底界面以上单元用于海底水体情况的模拟；所述海底界面单元用于模拟海底界面；所述海底界面以下单元用于模拟海底分布及冷泉的发育过程；在所述高压模拟腔上还设置有环境条件控制设备，用于系统环境条件的控制及数据的采集。本发明还提供该系统的实现方法，通过对冷泉发育全流程模拟，实现了对冷泉发育的动力机制和周期演化行为特征的全面研究，完善冷泉研究的基础理论和数据系统，有效避免了常规的海底冷泉调查观测手段存在的受恶劣海洋风浪环境条件的限制。

Description

模拟海洋冷泉发育的系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及海洋地质系统模拟技术领域，更具体的，涉及一种模拟海洋冷泉发育的系统及其实现方法。

背景技术

海底冷泉系统是指来自海底沉积层或者更深层的气液流体以喷涌或渗漏的方式逸出海底的一种海洋地质现象，甲烷冷泉是最普遍的一种冷泉形式。深海冷泉系统是链接地球深部生物圈的“窗口”，是与地球深部圈层物质与能量交换的重要通道，也是研究海底碳循环和极端环境生命活动的重要场所。因此，自20世纪80年代首次发现以来，海底冷泉系统就一直是海洋地质和生物学研究的热点。

海底冷泉主要是海底以下的冷泉流体在构造压力梯度、浓度梯度等驱动因素在含裂隙或者孔隙等流体运移通道从底部向海底运移逸出。近年来，随着海底冷泉调查技术的快速发展，尤其是搭载多种声学调查手段、高精度传感器和监测设备的载人和无人潜器等调查技术的发展，海底冷泉的识别与调查研究发展迅速，人们对冷泉的形成、发育、演化等认识从模糊逐渐趋于清晰。目前，在全球已经发现了900多处冷泉系统，我国也在8个海域发现了冷泉系统，尤其是2015年在借助海马潜器发现了大型的“海马”号活动冷泉。

目前，关于海底冷泉的发育研究主要是借助原位调查手段进行原位调查观测，然而在自然界中，冷泉渗漏喷发不连续，不同海洋环境、不同海底地质单元区域差异极大，同一冷泉在不同时间序列的特征差异也非常显著；同时，常规的海底调查观测手段只能观测调查海底及底部空间的冷泉流体系统行为，海底以下流体从流体藏中泄漏的特征及在通道中的迁移转化特性及冷泉发育的动力机制等并不能通过海底直接观测获取得到。

发明内容

本发明为克服现有的海底冷泉的发育研究只能进行有限的海底观测，获取离散的片段数据，存在无法观测调研海底界面以下泄露流体的迁移转化特性且无法定量研究冷泉发育动力机制的技术缺陷，提供一种模拟海洋冷泉发育的系统及其实现方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

模拟海洋冷泉发育的系统，包括高压模拟腔，在高压模拟腔中进行地质分层构建，由上而下包括海底界面以上单元、海底界面单元和海底界面以下单元；所述海底界面以上单元用于海底水体情况的模拟；所述海底界面单元用于模拟海底界面；所述海底界面以下单元用于模拟海底分布及冷泉的发育过程；

在所述高压模拟腔上还设置有环境条件控制设备，用于系统环境条件的控制及数据的采集。

上述方案中，海底界面单元主要是在沉积物上边填充界面平台模拟海底界面，为冷泉流体迁移出海底发育提供环境；海底水体情况的模拟主要指在海底界面以上单元中，通过在高压模拟腔内注入与海底空间组分和浓度相近的海水，并且保持与海底原位环境相同或者相近的温度和压力环境。在水体系统和顶部可预留空间不填充海水模拟海水气界面的冷泉流体转化情况。

其中，所述海底界面以下单元包括冷泉流体源系统、泄漏通路装置和海底沉积物化学分带模拟层；其中：

所述冷泉流体源系统包括高压气源、气体增压装置、气体注入装置和液体注入装置；所述高压气源输出口通过所述气体增压装置输入口连接；

所述气体注入装置输出口与所述泄漏通路装置输入端连接；

所述泄漏通路装置输出端设置在所述高压模拟腔底部；

所述液体注入装置输出口直接设置在所述高压模拟腔底部；

所述海底沉积物化学分带模拟层设置在所述高压模拟腔内部，实现海底界面以下沉积物的化学分带模拟；

所述高压气源、气体增压装置、气体注入装置和液体注入装置和泄漏通路装置控制端均与所述环境条件控制设备电性连接。

上述方案中，冷泉流体源系统主要根据实际需要向高压模拟腔提供甲烷气体、饱和甲烷溶液、盐水、石油、气液混合流体等泄漏源；泄漏通路装置根据实际需要设置流体泄漏通路网，主要包括多根分布的管路，泄漏通路的材料可根据研究需要采用透明或者不透明材质，并且在管路内填充沉积物模拟不含裂隙的通路情况，或者不填充介质模拟含裂隙的通路情况。管路的形态分布根据需要可采用垂直分布、水平分布、倾斜分布或组合分布形式；海底沉积物化学分带模拟层主要实现海底界面以下沉积物中的化学分带模拟，模拟沉积物中自下而上从厌氧氧化带、次氧氧化带到海底含氧氧化带的天然分布，为冷泉流体泄漏运移至沉积层后再沉积层中的厌氧氧化和需氧氧化提供环境。

其中，所述液体注入装置包括含硫溶液储库、饱和氧溶液、注入泵、质量流量计和可控阀组；其中：

所述含硫溶液储库、饱和氧溶液输出端均通过注入泵连接到所述高压模拟腔内部；

所述质量流量计、可控阀组均设置在所述注入泵输出口处；

所述质量流量计、可控阀组与所述环境条件控制设备电性连接。

其中，所述泄漏通路装置包括均匀或非均匀分布的管路，所述的每根管路上均设置有流速调节元件、流动计量元件和流动观测元件；所述流速调节元件、流动计量元件和流动观测元件均由所述环境条件控制设备控制。

其中，所述海底沉积物化学分带模拟层自下而上从厌氧氧化带、次氧氧化带到含氧氧化带。

其中，所述环境条件控制设备包括温度控制装置、压力检测装置、气液循环装置、光源装置、计量装置、取样装置和处理终端；其中：

所述气液循环装置、光源装置、计量装置、取样装置控制端均与所述处理终端电性连接；

所述气液循环装置一端通口设置在所述高压模拟腔顶部，另一端设置在高压模拟腔腔体上，实现海底界面以上单元内气液流体的循环；

所述温度控制装置包括若干个温度传感器和环壁温度控制装置，所述温度传感器均匀地设置在高压模拟腔内各地质分层中，温度传感器信号输出端与所述处理终端输入端通过电性连接；所述环壁温度控制装置设置在高压模拟腔外壁上，其控制端与所述处理终端输出端电性连接；

所述压力检测装置包括若干个压力传感器，所述压力传感器均匀地设置在高压模拟腔内各地质分层中；所述压力传感器信号输出端与所述处理终端输入端电性连接；

所述光源装置为设置在海底界面单元出的无影光源装置网，为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源装置调节；

所述计量装置包括若干个声波探测器，所述声波探测器均匀地布设在高压模拟腔内各地质分层外部，用于监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

所述取样装置包括在所述高压模拟腔中的海底界面以上单元、海底界面单元和海底界面以下单元的不同位置设置的采样口，所述取样装置设置在所述采样口上，用于样本的采集；

所述处理终端与所述流速调节元件、流动计量元件和流动观测元件通过电性连接。

上述方案中，温度控制装置和气液循环装置是通过对海底界面以上单元内的气液流体进行循环和温度控制，保证高压模拟腔内、海底及沉积物化学分带的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态；气液循环装置主要包括多台循环泵、换热机组。流速控制元件等，同时在模拟腔外部包裹环壁温度控制装置，即水循环夹套，并且周期不同层位均匀分布设温度传感器，实时监测系统内的温度变化；压力检测装置用于实时监测系统内的压力变化，由处理终端控制气液注入系统中，保持系统内的、海底及沉积物化学分带的压力环境与海底原位条件相近的状态；处理终端通过流动观测元件，即超高清摄像系统等对冷泉发育过程以及气泡、冷泉羽流等在海底及海底界面以上的水体环境中的演化状态拍摄和记录。

其中，所述处理终端包括数据采集器、中央处理器、存储器和显示器；其中：

所述数据采集器输入端与所述流动计量元件、流动观测元件、温度控制装置、压力检测装置和计量装置输出端电性连接；数据采集器输出端与所述中央处理器输入端电性连接；

所述中央处理器与所述存储器电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器输出端与所述显示器输入端电性连接，用于采集信息的显示。

模拟海洋冷泉发育的系统的实现方法，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟腔内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别注入含硫溶液或者饱和氧溶液，形成厌氧氧化或者次氧氧化状态，完成海底沉积物化学分带模拟层的构建；

S3：向高压模拟腔注入需要量的海水，构建海底界面以上单元用于海底水体情况的模拟；同时控制环境条件控制设备保证高压模拟腔内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉发育的环境条件；

S4：根据实际情况准备冷泉流体源系统的流量组分、流体量以及注入准备，准备泄漏通路装置的管路分布、形态特征、管路内的介质填充及管路的流速调节元件，根据需要同时或者部分启闭，模拟不同泄漏方式下的冷泉发育行为；

S5：所有环境条件保证到位后，打开冷泉流体源系统和泄漏通路装置，冷泉流体将会从流体源进入泄漏通路装置、海底沉积物化学分带模拟层、海底界面单元、海底界面以上单元进行发育；

S6：在冷泉发育的全过程中实时记录冷泉的各项发育行为信息和环境参数指标变化情况，完成海洋冷泉发育的模拟。

其中，在所述冷泉发育的全过程中，通过所述环境条件控制设备进行环境条件的实时控制；其中：

通过气液循环装置实现海底界面以上单元内气液流体的循环；

通过温度控制装置实现高压模拟腔内部的温度控制；

通过压力检测装置实现对高压模拟腔内部各位置的压力情况进行检测；

通过光源装置为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源装置调节；

通过计量装置监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

通过取样装置实现对高压模拟腔内各处的样本进行采集；

同时，通过流速调节元件、流动计量元件对泄漏通路装置进行流速控制和流量计量；

通过流动观测元件对泄漏通路装置管路内的泄漏情况进行观测。

其中，在所述步骤S6中，通过处理终端完成冷泉发育的全过程中各项发育行为信息和环境参数指标变化情况的实时记录。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的模拟海洋冷泉发育系统及其实现方法，通过对冷泉发育全流程模拟，实现了对冷泉发育的动力机制和周期演化行为特征的全面研究；其中，通过模拟不同地质单元不同特征的冷泉发育，提供多角度、不同特征、不同类型的冷泉发育行为数据及演化行为特征，完善冷泉研究的基础理论和数据系统，有效避免了常规的海底冷泉调查观测手段存在的受恶劣海洋风浪环境条件的限制，耗时短、成本低，风险低。

附图说明

图1为模拟海洋冷泉发育系统结构示意图；

图2为模拟海洋冷泉发育系统电路模块连接示意图；

其中：1、高压模拟腔；2、海底界面以上单元；3、海底界面单元；4、海底界面以下单元；41、冷泉流体源系统；411、高压气源；412、气体增压装置；413、气体注入装置；414、液体注入装置；4141、含硫溶液储库；4142、饱和氧溶液；4143、注入泵；4144、质量流量计；4145、可控阀组；415、空气压缩机；42、泄漏通路装置；421、管路；422、流速调节元件；423、流动计量元件；43、海底沉积物化学分带模拟层；431、厌氧氧化带；432、次氧氧化带；433、含氧氧化带；5、环境条件控制设备；51、温度控制装置；52、压力检测装置；53、气液循环装置；54、光源装置；55、计量装置；56、取样装置；57、处理终端；571、数据采集器；572、中央处理器；573、存储器；574、显示器。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1、图2所示，模拟海洋冷泉发育的系统，包括高压模拟腔1，在高压模拟腔1中进行地质分层构建，由上而下包括海底界面以上单元2、海底界面单元3和海底界面以下单元4；所述海底界面以上单元2用于海底水体情况的模拟；所述海底界面单元3用于模拟海底界面；所述海底界面以下单元4用于模拟海底分布及冷泉的发育过程；

在所述高压模拟腔1上还设置有环境条件控制设备5，用于系统环境条件的控制及数据的采集。

在具体实施过程中，海底界面单元3主要是在沉积物上边填充界面平台模拟海底界面，为海底界面及深海冷泉生态系统发育提供环境；海底水体情况的模拟主要指在海底界面以上单元2中，通过在高压模拟腔1内注入与海底空间组分和浓度相近的海水，并且保持与海底原位环境相同或者相近的温度和压力环境。在水体系统和顶部可预留空间不填充海水模拟水气界面的冷泉流体转化情况。

更具体的，所述海底界面以下单元4包括冷泉流体源系统41、泄漏通路装置42和海底沉积物化学分带模拟层43；其中：

所述冷泉流体源系统41包括高压气源411、气体增压装置412、气体注入装置413和液体注入装置414；所述高压气源411输出口通过所述气体增压装置412输入口连接；

所述气体注入装置413输出口与所述泄漏通路装置42输入端连接；

所述泄漏通路装置42输出端设置在所述高压模拟腔1底部；

所述液体注入装置414输出口直接设置在所述高压模拟腔1底部；

所述海底沉积物化学分带模拟层43设置在所述高压模拟腔1内部，实现海底界面以下沉积物的化学分带模拟；

所述高压气源411、气体增压装置412、气体注入装置413和液体注入装置414和泄漏通路装置42控制端均与所述环境条件控制设备5电性连接。

在具体实施过程中，在所述气体增压装置412上，设置由空气压缩机415。

在具体实施过程中，冷泉流体源系统41主要根据实际需要向高压模拟腔1提供甲烷气体、饱和甲烷溶液、盐水、石油、气液混合流体等泄漏源；泄漏通路装置42根据实际需要设置流体泄漏通路网，主要包括多根分布的管路421，泄漏通路的材料可根据研究需要采用透明或者不透明材质，并且在管路421内填充沉积物模拟不含裂隙的通路情况，或者不填充介质模拟含裂隙的通路情况。管路421的形态分布根据需要可采用垂直分布、水平分布、倾斜分布或组合分布形式；海底沉积物化学分带模拟层43主要实现海底界面以下沉积物中的化学分带模拟，模拟沉积物中自下而上从厌氧氧化带431、次氧氧化带432到海底含氧氧化带433的天然分布，为冷泉流体泄漏运移至沉积层后再沉积层中的厌氧氧化和需氧氧化提供环境。

更具体的，所述液体注入装置414包括含硫溶液储库4141、饱和氧溶液4142、注入泵4143、质量流量计4144和可控阀组4145；其中：

所述含硫溶液储库4141、饱和氧溶液4142输出端均通过注入泵4143连接到所述高压模拟腔1内部；

所述质量流量计4144、可控阀组4145均设置在所述注入泵4143输出口处；

所述质量流量计4144、可控阀组4145与所述环境条件控制设备5电性连接。

更具体的，所述泄漏通路装置42包括均匀或非均匀分布的管路421，所述的每根管路421上均设置有流速调节元件422、流动计量元件423和流动观测元件；所述流速调节元件422、流动计量元件423和流动观测元件均由所述环境条件控制设备5控制。

更具体的，所述海底沉积物化学分带模拟层43自下而上从厌氧氧化带431、次氧氧化带432到含氧氧化带433。

更具体的，所述环境条件控制设备5包括温度控制装置51、压力检测装置52、气液循环装置53、光源装置54、计量装置55、取样装置56和处理终端57；其中：

所述气液循环装置53、光源装置54、计量装置55、取样装置56控制端均与所述处理终端57电性连接；

所述气液循环装置53一端通口设置在所述高压模拟腔1顶部，另一端设置在高压模拟腔腔体1上，实现海底界面以上单元2内气液流体的循环；

所述温度控制装置51包括若干个温度传感器和环壁温度控制装置，所述温度传感器均匀地设置在高压模拟腔1内各地质分层中，温度传感器信号输出端与所述处理终端57输入端通过电性连接；所述环壁温度控制装置设置在高压模拟腔1外壁上，其控制端与所述处理终端57输出端电性连接；

所述压力检测装置52包括若干个压力传感器，所述压力传感器均匀地设置在高压模拟腔1内各地质分层中；所述压力传感器信号输出端与所述处理终端57输入端电性连接；

所述光源装置54为设置在海底界面单元3出的无影光源装置网，为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源调节；

所述计量装置55包括若干个声波探测器，所述声波探测器均匀地布设在高压模拟腔1内各地质分层外部，用于监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

所述取样装置56包括在所述高压模拟腔1中的海底界面以上单元2、海底界面单元3和海底界面以下单元4的不同位置设置的采样口，所述取样装置56设置在所述采样口上，用于样本的采集；

所述处理终端57与所述流速调节元件422、流动计量元件423和流动观测元件电性连接。

在具体实施过程中，温度控制装置51和气液循环装置53是通过对海底界面以上单元2内的气液流体进行循环和温度控制，保证高压模拟腔1内、海底及沉积物化学分带的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态；气液循环装置53主要包括多台循环泵、换热机组，流速控制元件等，同时在高压模拟腔1外部包裹环壁温度控制装置，即水循环夹套，并且周期不同层位均匀分布设温度传感器，实时监测系统内的温度变化；压力检测装置52用于实时监测系统内的压力变化，由处理终端57控制气液注入系统中，保持系统内的、海底及沉积物化学分带的压力环境与海底原位条件相近的状态；处理终端57通过流动观测元件，即超高清摄像系统等对冷泉发育过程以及气泡、冷泉羽流等在海底及海底界面以上的水体环境中的演化状态拍摄和记录。

在具体实施过程中，由于高压模拟舱1中海水量大，海水温度无法仅靠环壁温度控制装置51实现控制，此时利用气液循环装置53上安装的循环泵将高压模拟舱1内温度高的海水抽离高压模拟舱1，在换热机组中实现换热降温后流回高压模拟舱1中，实现对高压模拟舱1中海水的降温。如此循环，实现快速地将高压模拟舱1中的海水进行均匀地降温，降至设定预期设定值时，可通过53的流速控制元件控制海水流动的速度或关闭气液循环装置53流动管道。

在具体实施过程中，在高压模拟舱1的环壁温度控制装置表面设置有保温层，两层结构将高压模拟舱1包裹在中间，使其与外界的温度交换减缓，环壁温度控制装置能够实现流体的流动，其通过循环泵将里边的水抽出，之后采用制冷机组进行降温，降温之后泵回到环壁温度控制装置中，相当于环壁温度控制装置与高压模拟舱1的外壁实现热交换，当高压模拟舱1中各个原件工况状态下产生的热量能被环壁温度控制装置带出，从而保持整个高压模拟舱1内一直处于稳定的低温环境，更好的模拟深海海水环境。

在具体实施过程中，通过设置在不同层位的温度传感器对高压模拟舱1内的温度实现实时的监控，根据检测结果控制气液循环装置53及环壁温度控制装置内流体的流速，从而达到对高压模拟舱1内温度的稳定控制。

更具体的，在气液循环装置53上还安装有海水制冷机组。

在具体实施过程中，高压模拟舱1温度控制的过程具体为：包括降温阶段、增压阶段和保温阶段；其中：

降温阶段包括：

1)向高压模拟舱1内注入海水；

2)启动海水制冷机组并调节流速控制元件，通过循环泵将高压模拟舱1内温度高的海水抽离高压模拟舱1；

3)在换热机组实现换热降温后流回高压模拟舱1中，实现对高压模拟舱1中海水的降温，直至高压模拟舱1内海水温度降至设定值，完成降温阶段；

增压阶段：

当温度传感器监测到高压模拟舱1内海水温度达到设定值时，向高压模拟舱1内注入气体和液体，实现高压模拟舱1内的增压；

直至高压模拟舱1内压力达到设定值，完成增压阶段；

保温阶段：

当温度传感器监测到高压模拟舱1内压力达到设定值时，在环壁温度控制装置表面敷设保温层；

启动制冷机组，环壁温度控制装置内部流体在循环泵的作用下循环流动，通过环壁温度控制装置的盘管和管路系统的换热器不断地将高压模拟舱1内各原件工况状态时产生的热量换走，保证了高压模拟舱1内在工作期内一直处于预设的温度环境，且整个模拟舱内温度分布均匀。

其中，所述处理终端57包括数据采集器571、中央处理器572、存储器573和显示器574；其中：

所述数据采集器571输入端与所述流动计量元件423、流动观测元件、温度控制装置51、压力检测装置52和计量装置55输出端电性连接；数据采集器571输出端与所述中央处理器572输入端电性连接；

所述中央处理器572与所述存储器573电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器572输出端与所述显示器574输入端电性连接，用于采集信息的显示。

模拟海洋冷泉发育的系统的实现方法，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟腔1内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别注入含硫溶液或者饱和氧溶液，形成厌氧氧化或者次氧氧化状态，完成海底沉积物化学分带模拟层43的构建；

S3：向高压模拟腔1注入需要量的海水，构建海底界面以上单元2用于海底水体情况的模拟；同时控制环境条件控制设备5保证高压模拟腔1内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉发育的环境条件；

S4：根据实际情况准备冷泉流体源系统41的流量组分、流体量以及注入准备，准备泄漏通路装置42的管路分布、形态特征、管路内的介质填充及管路421的流速调节元件422，根据需要同时或者部分启闭，模拟不同泄漏方式下的冷泉发育行为；

S5：所有环境条件保证到位后，打开冷泉流体源系统41和泄漏通路装置42，冷泉流体将会从流体源进入泄漏通路装置42、海底沉积物化学分带模拟层43、海底界面单元3、海底界面以上单元4进行发育；

S6：在冷泉发育的全过程中实时记录冷泉的各项发育行为信息和环境参数指标变化情况，完成海洋冷泉发育的模拟。

更具体的，在所述冷泉发育的全过程中，通过所述环境条件控制设备5进行环境条件的实时控制；其中：

通过气液循环装置53实现海底界面以上单元2内气液流体的循环；

通过温度控制装置51实现高压模拟腔1内部的温度控制；

通过压力检测装置52实现对高压模拟腔1内部各位置的压力情况进行检测；

通过光源装置54为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源调节；

通过计量装置55监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

通过取样装置56实现对高压模拟腔内各处的样本进行采集；

同时，通过流速调节元件422、流动计量元件423对泄漏通路装置42进行流速控制和流量计量；

通过流动观测元件对泄漏通路装置42管路内的泄漏情况进行观测。

更具体的，在所述步骤S6中，通过处理终端57完成冷泉发育的全过程中各项发育行为信息和环境参数指标变化情况的实时记录。

实施例2

更具体的，在实施例1在基础上，如图1所示，为了提供充分满足冷泉发育对沉积层大容积和海底界面大尺度的要求，高压模拟腔1设置为球柱状结构，下部为直径3米的球体，上部为直径1米，高20米的柱状结构。

在具体实施过程中，冷泉流体源系统41主要包括高压甲烷储库、气体增压泵、空气压缩机；泄漏通路装置42设计成14根均匀垂直分布的可视化管状通路，管路421上设计有流速调节元件422和流动计量元件423，管路421的材质设计为耐压有机玻璃，在管路421内不填充介质，以模拟含裂隙的泄漏通路情形。

在具体实施过程中，在下层的厌氧氧化带431中注入硫酸盐溶液模拟硫酸盐还原带，营造厌氧氧化带的条件；厌氧氧化带上方注入饱和氧溶液，营造次氧氧化带432环境。

在具体实施过程中，发明提出的该系统的实现方法首先通过系统调度运行，保证冷泉发育需要的原位海洋环境。首先在高压模拟腔1内分层分层填充准备沉积物化学分带模拟、海底界面模拟和水体系统模拟单元。根据实际情况在高压模拟腔1内充填泥质粉砂质海底沉积物1.5米。设置厌氧氧化带431厚度1米，次氧氧化带432厚度0.5米，在据球状模拟腔底部0.8米处和1.3米处分别注入硫酸盐溶液和饱和氧溶液保证厌氧氧化带431的硫酸盐还原环境，和次氧氧化带432的微氧化环境。然后调节沉积物顶部状态，在海底界面人工预留部分通道，使其分布尽量接近冷泉发育的海底微地貌环境。然后向高压模拟腔1内注入盐度为3.4％的海水距离柱状模拟腔顶部0.1米处停止，模拟海底界面的上覆海洋水体环境，并且通过温度控制装置51和压力检测装置52等辅助单元保证冷泉模拟腔内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉发育的环境条件。水体系统的温度控制在4℃，误差在0.5℃以内，压力控制在10MPa，误差在0.5MPa以内，模拟1000米水深的海底冷泉系统，随后根据实际情况准备高压甲烷气源以及注入系统准备到位。然后根据实际情况准备泄漏通路装置42，调节泄漏通路的垂直分布，及管路421的流速调节原件422准备到位。泄漏通路装置42可以根据需要同时或者部分启闭，模拟不同泄漏方式下的冷泉发育行为。所有环境条件保证到位以后，打开冷泉流体源41的开启系统，同时开启泄漏通路装置42，甲烷气体将会从流体源逐步进入泄漏通路装置42、海底沉积物化学分带模拟层43、海底界面单元3及海底界面以上单元2中进行发育，在冷泉发育的全过程中实时记录冷泉的各项发育行为信息和环境参数指标变化情况。

在具体实施过程中，本发明主要涉及一种模拟海洋冷泉发育系统及其实现方法，针对现有海底观测调查手段仅能观测海底及海底底部水域空间的冷泉流体运移过程的现状，本发明提出了运用室内模拟手段模拟研究冷泉在海底界面以下、海底界面和海底界面的上覆水体系统发育的全流程演化行为，并且保证泄漏通路、沉积物化学分带、海底界面及上覆水体环境系统与真实冷泉发育环境条件一致或者接近。通过对冷泉发育全流程模拟，实现了对冷泉发育的动力机制和周期演化行为特征的全面研究；其中，通过模拟不同地质单元不同特征的冷泉发育，提供多角度、不同特征、不同类型的冷泉发育行为数据及演化行为特征，完善冷泉研究的基础理论和数据系统，有效避免了常规的海底冷泉调查观测手段存在的受恶劣海洋风浪环境条件的限制，耗时短、成本低，风险低。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.模拟海洋冷泉发育的系统，其特征在于：包括高压模拟腔(1)，在高压模拟腔(1)中进行地质分层构建，由上而下包括海底界面以上单元(2)、海底界面单元(3)和海底界面以下单元(4)；所述海底界面以上单元(2)用于海底水体情况的模拟；所述海底界面单元(3)用于模拟海底界面；所述海底界面以下单元(4)用于模拟海底分布及冷泉的发育过程；

在所述高压模拟腔(1)上还设置有环境条件控制设备(5)，用于系统环境条件的控制及数据的采集；

其中，所述海底界面以下单元(4)包括冷泉流体源系统(41)、泄漏通路装置(42)和海底沉积物化学分带模拟层(43)；其中：

所述冷泉流体源系统(41)包括高压气源(411)、气体增压装置(412)、气体注入装置(413)和液体注入装置(414)；所述高压气源(411)输出口通过所述气体增压装置(412)输入口连接；

所述气体注入装置(413)输出口与所述泄漏通路装置(42)输入端连接；

所述泄漏通路装置(42)输出端设置在所述高压模拟腔(1)底部；

所述液体注入装置(414)输出口直接设置在所述高压模拟腔(1)底部；

所述海底沉积物化学分带模拟层(43)设置在所述高压模拟腔(1)内部，实现海底界面以下沉积物的化学分带模拟；

所述高压气源(411)、气体增压装置(412)、气体注入装置(413)和液体注入装置(414)和泄漏通路装置(42)控制端均与所述环境条件控制设备(5)电性连接；

所述液体注入装置(414)包括含硫溶液储库(4141)、饱和氧溶液(4142)、注入泵(4143)、质量流量计(4144)和可控阀组(4145)；其中：

所述含硫溶液储库(4141)、饱和氧溶液(4142)输出端均通过注入泵(4143)连接到所述高压模拟腔(1)内部；

所述质量流量计(4144)、可控阀组(4145)均设置在所述注入泵(4143)输出口处；

所述质量流量计(4144)、可控阀组(4145)与所述环境条件控制设备(5)电性连接。

2.根据权利要求1所述的模拟海洋冷泉发育的系统，其特征在于：所述泄漏通路装置(42)包括均匀或非均匀分布的管路(421)，所述的每根管路(421)上均设置有流速调节元件(422)、流动计量元件(423)和流动观测元件；所述流速调节元件(422)、流动计量元件(423)和流动观测元件均由所述环境条件控制设备(5)控制。

3.根据权利要求2所述的模拟海洋冷泉发育的系统，其特征在于：所述海底沉积物化学分带模拟层(43)自下而上从厌氧氧化带(431)、次氧氧化带(432)到含氧氧化带(433)。

4.根据权利要求3所述的模拟海洋冷泉发育的系统，其特征在于：所述环境条件控制设备(5)包括温度控制装置(51)、压力检测装置(52)、气液循环装置(53)、光源装置(54)、计量装置(55)、取样装置(56)和处理终端(57)；其中：

所述气液循环装置(53)、光源装置(54)、计量装置(55)、取样装置(56)控制端均与所述处理终端(57)电性连接；

所述气液循环装置(53)一端通口设置在所述高压模拟腔(1)顶部，另一端设置在高压模拟腔(1)腔体上，实现海底界面以上单元(2)内气液流体的循环；

所述温度控制装置(51)包括若干个温度传感器和环壁温度控制装置，所述温度传感器均匀地设置在高压模拟腔(1)内各地质分层中，温度传感器信号输出端与所述处理终端(57)输入端通过电性连接；所述环壁温度控制装置设置在高压模拟腔(1)外壁上，其控制端与所述处理终端(57)输出端电性连接；

所述压力检测装置(52)包括若干个压力传感器，所述压力传感器均匀地设置在高压模拟腔(1)内各地质分层中；所述压力传感器信号输出端与所述处理终端(57)输入端电性连接；

所述光源装置(54)为设置在海底界面单元(3)出的无影光源装置网，为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源装置调节；

所述计量装置(55)包括若干个声波探测器，所述声波探测器均匀地布设在高压模拟腔(1)内各地质分层外部，用于监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

所述取样装置(56)包括在所述高压模拟腔(1)中的海底界面以上单元(2)、海底界面单元(3)和海底界面以下单元(4)的不同位置设置的采样口，所述取样装置(56)设置在所述采样口上，用于样本的采集；

所述处理终端(57)与所述流速调节元件(422)、流动计量元件(423)和流动观测元件电性连接。

5.根据权利要求4所述的模拟海洋冷泉发育的系统，其特征在于：所述处理终端(57)包括数据采集器(571)、中央处理器(572)、存储器(573)和显示器(574)；其中：

所述数据采集器(571)输入端与所述流动计量元件(423)、流动观测元件、温度控制装置(51)、压力检测装置(52)和计量装置(55)输出端电性连接；数据采集器(571)输出端与所述中央处理器(572)输入端电性连接；

所述中央处理器(572)与所述存储器(573)电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器(572)输出端与所述显示器(574)输入端电性连接，用于采集信息的显示。

6.模拟海洋冷泉发育的系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟腔(1)内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别注入含硫溶液或者饱和氧溶液，形成厌氧氧化或者次氧氧化状态，完成海底沉积物化学分带模拟层(43)的构建；

S3：向高压模拟腔(1)注入需要量的海水，构建海底界面以上单元(2)用于海底水体情况的模拟；同时控制环境条件控制设备(5)保证高压模拟腔(1)内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉发育的环境条件；

S4：根据实际情况准备冷泉流体源系统(41)的流量组分、流体量以及注入准备，准备泄漏通路装置(42)的管路分布、形态特征、管路(421)内的介质填充及管路(421)的流速调节元件(422)，根据需要同时或者部分启闭，模拟不同泄漏方式下的冷泉发育行为；

S5：所有环境条件保证到位后，打开冷泉流体源系统(41)和泄漏通路装置(42)，冷泉流体将会从流体源进入泄漏通路装置(42)、海底沉积物化学分带模拟层(43)、海底界面单元(3)、海底界面以上单元(2)进行发育；

S6：在冷泉发育的全过程中实时记录冷泉的各项发育行为信息和环境参数指标变化情况，完成海洋冷泉发育的模拟。

7.根据权利要求6所述的模拟海洋冷泉发育的系统的实现方法，其特征在于：在所述冷泉发育的全过程中，通过所述环境条件控制设备(5)进行环境条件的实时控制；其中：

通过气液循环装置(53)实现海底界面以上单元(2)内气液流体的循环；

通过温度控制装置(51)实现高压模拟腔(1)内部的温度控制；

通过压力检测装置(52)实现对高压模拟腔(1)内部各位置的压力情况进行检测；

通过光源装置(54)为观测冷泉流体逸出海底界面以后的发育行为提供光源装置调节；

通过计量装置(55)监测泄漏流体的泄漏速率和泄漏通量；

通过取样装置(56)实现对高压模拟腔(1)内各处的样本进行采集；

同时，通过流速调节元件(422)、流动计量元件(423)对泄漏通路装置(42)进行流速控制和流量计量；

通过流动观测元件对泄漏通路装置(42)管路(421)内的泄漏情况进行观测。

8.根据权利要求7所述的模拟海洋冷泉发育的系统的实现方法，其特征在于：在所述步骤S6中，通过处理终端(57)完成冷泉发育的全过程中各项发育行为信息和环境参数指标变化情况的实时记录。

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