CN113932854B - 一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法 - Google Patents
一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113932854B CN113932854B CN202111223796.3A CN202111223796A CN113932854B CN 113932854 B CN113932854 B CN 113932854B CN 202111223796 A CN202111223796 A CN 202111223796A CN 113932854 B CN113932854 B CN 113932854B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cold spring
- methane
- time
- seawater
- time sequence
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 404
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 37
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 70
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000013535 sea water Substances 0.000 claims description 58
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 18
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract description 17
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000005888 antibody-dependent cellular phagocytosis Effects 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004177 carbon cycle Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
- G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种冷泉区沉积物‑水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，包括：通过冷泉观测装置获取冷泉水体综合观测数据；通过背景观测装置获取背景垂向流速，修正冷泉流体喷发速度，获得冷泉流体喷发速度时间序列；对冷泉观测装置中多量程传感器获取的甲烷浓度进行平滑处理，在获得该时间内平滑后的甲烷浓度时间序列；通过冷泉观测装置估算冷泉喷口面积，结合冷泉流体喷发速度时间序列和甲烷浓度时间序列，计算甲烷渗漏通量。在本发明中，利用对常用海洋观测设备的简单组合，进行冷泉区海底甲烷浓度及海洋动力环境要素同步观测，以达到探究冷泉区沉积物‑水界面甲烷宏渗漏通量时间演变规律的目的。
Description
技术领域
本发明涉及海洋探测技术领域，尤其涉及一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法。
背景技术
海底冷泉是海洋、大气中甲烷的一个重要自然源，其沉积物-水界面甲烷宏渗漏活动具有极强的时间变率。因此，了解冷泉区沉积物-水界面甲烷渗漏强度时间变化规律及其驱动机制对全球碳循环和气候效应研究有重要意义。目前国际上提出了两种常用的沉积物-水界面甲烷渗漏强度观测方法：①流体渗漏速率原位观测搭配室内甲烷浓度分析，②底栖式流体连续取样搭配室内甲烷浓度分析。以上方法虽得到一定应用，但存在以下不足：第一，需要研发专用设备，不易推广。第二，仅依赖室内甲烷浓度分析，但受目前分析技术所限，其往往无法覆盖甲烷浓度完整变化范围，且存在时间滞后性，进而无法准确反应冷泉区沉积物-水界面甲烷渗漏强度时间变化规律。第三，甲烷渗漏强度时间变化通常受海底压力、水温、海流等海洋动力环境要素影响，目前的观测方法缺乏对以上要素的观测，无法支撑对甲烷渗漏强度时间变化驱动机制的研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其能利用简易的冷泉观测装置解决现有技术中缺乏对甲烷渗漏强度时间变化及甲烷宏渗漏通量的准确观测、无法支撑对甲烷渗漏强度时间变化驱动机制研究的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，包括以下步骤：
通过冷泉观测装置获取冷泉水体综合观测数据，以及通过背景观测装置获取背景海流数据，所述冷泉水体综合观测数据包括冷泉喷口处的垂向流速、海水甲烷浓度、温度及压力，所述背景海流数据包括背景站的海底垂向流速，其中，使用水下机器人将冷泉观测装置精准布放在冷泉喷口，将背景观测装置布放在无冷泉流体喷发的背景站；
使用背景站的海底垂向流速修正冷泉喷口处的垂向流速，生成冷泉流体喷发速度，以获得冷泉流体喷发速度时间序列；
对冷泉观测装置在若干个连续的时间点中获取到的海水甲烷浓度进行平滑处理，以获得若干时间段内平滑后的海水甲烷浓度时间序列；通过冷泉观测装置估算冷泉喷口面积，再结合冷泉流体喷发速度时间序列和海水甲烷浓度时间序列，计算观测时间内甲烷渗漏总量。优选的，所述冷泉流体喷发速度的计算过程如下：
根据公式：Xt＝w-wref进行计算，得到冷泉流体喷发速度，其中，w为冷泉喷口垂向流速，wref为背景站海底垂向流速，Xt为冷泉流体喷发速度，单位：m/s。
优选的，所述冷泉流体喷发速度时间序列的计算过程如下：
判断冷泉喷口垂向流速是否远大于背景站海底垂向流速，若是，则标记当前时间为喷发时段，并计算冷泉流体喷发速度，若否，则判定冷泉流体喷发速度为0，并标记当前时间为未喷发时段。
通过公式：
对冷泉流体喷发速度时间序列进行平滑处理，以获得冷泉流体喷发速度时间序列；
其中，wr(t)为平滑处理结果，即冷泉流体喷发速度时间序列；n为滑动窗口半径，且n属于自然数；所述Xt-i为时间点t-i对应的冷泉流体喷发速度；Xt+i为时间点t+i对应的冷泉流体喷发速度；Xt为时间点t对应的冷泉流体喷发速度。
优选的，判断冷泉喷口垂向流速和背景站海底垂向流速的关系是否满足|w|≥10|wref|，若是，则认为冷泉喷口垂向流速远大于背景站海底垂向流速，若否，则判定冷泉流体喷发速度为0。
优选的，所述海水甲烷浓度时间序列的计算过程如下：
通过冷泉观测装置在若干个连续的时间点中获取海水甲烷浓度，并依次标记为Yt，通过公式：
对冷泉观测装置获取到的海水甲烷浓度进行滑动平均处理，以获得第一海水甲烷浓度时间序列；
其中t和n为自然数；Ct为第一海水甲烷浓度时间序列；Yt-i为时间点t-i对应的海水甲烷浓度；Yt为时间点t对应的海水甲烷浓度；Yt+i为时间点t+i对应的海水甲烷浓度；n为滑动窗口半径；
判断海水甲烷浓度时间序列是否在对应甲烷传感器的量程内，若是，则标记为有效数据，若否，则标记为无效数据，并将同一时刻不同传感器获取的所有有效数据进行算术平均，以获得第二海水甲烷浓度时间序列；
对第二海水甲烷浓度时间序列进行滑动平均处理，形成第三海水甲烷浓度时间序列。
优选的，所述观测时间内甲烷渗漏总量的计算过程如下：
根据公式：G＝∫(S×wr(t)×C(t))dt，结合冷泉流体喷发速度时间序列、海水甲烷浓度时间序列和冷泉喷口面积，计算观测时间内甲烷渗漏总量；
其中G为甲烷渗漏总量，单位：nmol，S为冷泉喷口面积，单位：m2，C(t)为第三海水甲烷浓度时间序列，单位：nmol/L，wr(t)为冷泉流体喷发速度时间序列，单位：m/s。
优选的，所述冷泉观测装置包括用于观测冷泉喷口垂向流速、的第一声学多普勒剖面仪、用于观测海水甲烷浓度变化的甲烷传感组件、用于采集流体温度、盐度、压力、溶解氧和浊度数据的温盐深测量仪、用于估算冷泉喷口面积的标尺和用于储存冷泉水体综合观测数据的冷泉数据舱，所述第一声学多普勒剖面仪、甲烷传感组件、温盐深测量仪和标尺均与冷泉数据舱连接。
优选的，所述冷泉观测装置还包括用于获取冷泉渗漏口视像数据的摄像模块，所述摄像模块与冷泉数据舱连接。
优选的，所述甲烷传感组件包括量程为1nM-500nM的第一甲烷传感器、量程为20nM-1μM的第二甲烷传感器和量程为1μM-40μM的第三甲烷传感器，所述第一甲烷传感器、第二甲烷传感器和第三甲烷传感器均与冷泉数据舱连接。
优选的，所述背景观测装置包括用于观测背景站海底垂向流速的第二声学多普勒剖面仪。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过在背景站设置观测装置进行观测，形成参照对比，以准确地判断冷泉是否处于喷发状态以及喷发的强度，进一步的，以物理海洋观测思路为引导，通过声学多普勒剖面仪、甲烷传感组件、温盐深测量仪和标尺组成简易的冷泉观测装置，实现对冷泉区海底甲烷渗漏通量及海洋动力环境要素的同步观测，从而获得甲烷渗漏通量时间演变规律。
附图说明
图1为本发明中所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法的流程图。
图2为本发明中所述的计算冷泉流体喷发速度时间序列的流程图。
图3为本发明中所述的计算甲烷浓度时间序列的流程图。
图4为本发明中所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测系统的实际应用示意图。
图5为本发明中所述的实际观测甲烷渗漏通量变化折线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图4所示，在本发明中，所述冷泉观测区为海底甲烷宏渗漏区域，所述背景站泛指与冷泉观测区邻近但海底垂向流不受甲烷渗漏影响的区域，并且本发明中所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法适用于冷泉区沉积物-海水界面的甲烷宏渗漏。在本实施例中，进行观测作业前，使用同一台计算机分别对冷泉观测装置和背景站观测装置中所有传感器进行时钟同步，以使冷泉观测装置和背景站观测装置能够同步进行观测，降低误差，提高观测数据的真实性。如图1所示，一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，包括以下步骤：
通过冷泉观测装置获取冷泉水体综合观测数据，以及通过背景观测装置获取背景海流数据，所述冷泉水体综合观测数据包括冷泉喷口处的垂向流速、海水甲烷浓度、温度及压力，所述背景海流数据包括背景站的海底垂向流速，其中，冷泉观测装置布放在冷泉喷口，背景观测装置布放在无冷泉流体喷发的背景站。
具体的，将冷泉观测装置布放在冷泉喷口沉积物-水界面中心点，以使冷泉观测装置能够有效观测整个冷泉观测区的甲烷渗漏情况，从而获取详尽的冷泉水体综合观测数据，同时将背景站观测装置布放在无冷泉流体喷发的背景站，以获得背景海流数据；在本实施例中，如果研究海底甲烷渗漏通量在潮汐时间尺度内的变化，且观测时间在3天以上时，可将冷泉观测装置和背景站观测装置的采样频率设为1秒/次；如果研究海底甲烷渗漏通量在惯性运动、天气性事件、季节周期尺度内的变化，观测时间在1年以上时，可将冷泉观测装置和背景站观测装置的采样频率设为2小时/次。
通过冷泉观测装置获取冷泉喷口的垂向流速，以及通过背景站观测装置获取背景海底垂向流速，由背景海底垂向流速修正冷泉喷口的垂向流速，并生成冷泉流体喷发速度，以获得冷泉流体喷发速度时间序列；具体的，开展观测时，冷泉观测装置和背景站观测装置同时运行，并同步获取各自所在的区域的垂向流速，通过计算冷泉喷口的垂向流速与背景海底垂向流速的差值，从而判断冷泉是否处于喷发状态，在本实施例中，所述冷泉流体喷发速度的计算过程如下：
根据公式：Xt＝w-wref进行计算，得到冷泉流体喷发速度，其中，w为冷泉喷口的垂向流速，Wref为背景海底垂向流速，Xt为第一冷泉喷发速度，单位：m/s。
海洋是一个庞大的生态系统，即使在动态平衡的状态下，也会在局部区域出现环境扰动，其中，环境扰动是指，因为环境中动植物或其他要素导致仪器采集数据不准确；ADCP通过释放声学信号获得数据，个别时刻点可能因为环境扰动而得到异常值，为了避免采集到无效的数据，导致误判，故需要将大量的数据整理成一个集体(即第二冷泉喷发速度时间序列)，如图2所示，所述第二冷泉喷发速度时间序列的计算过程如下：
判断冷泉区域的流体垂向流速是否远大于背景海底垂向流速，若是，则标记当前时间为喷发时段，并计算冷泉流体喷发速度，若否，则判定冷泉流体喷发速度为0，并标记当前时间为未喷发时段。
具体的，冷泉喷发时，会向外释放出甲烷气泡，引起强垂向流，所以冷泉喷口的垂向流速w远大于背景海底垂向流速wref，故可通过设定阈值，判断冷泉是否处于喷发时段，在本实施例中，判断冷泉喷口垂向流速和背景站海底垂向流速的关系是否满足|w|≥10|wref|，若是，则标记当前时间为喷发时段，并计算冷泉喷发速度时间序列，若否，则判定该时刻冷泉流体喷发速度Xt为0，并标记当前时间为未喷发时段。
通过公式3：
对冷泉观测装置在若干个连续的时间点中获取到的冷泉喷发速度进行平滑处理，以获得冷泉流体喷发速度时间序列；
其中，Xt为冷泉喷发速度，wr(t)为平滑处理结果，即冷泉流体喷发速度时间序列，n为滑动窗口半径，且n属于自然数；所述Xt-i为时间点t-i对应的冷泉流体喷发速度；Xt+i为时间点t+i对应的冷泉流体喷发速度；Xt为时间点t对应的冷泉流体喷发速度。在本实施例中，取n＝5，也就是说
即以时间点t对应的冷泉流体喷发速度Xt为中点，沿时间递减的方向，取5个值：Xt-1，、Xt-2、Xt-3、Xt-4和Xt-5，沿时间递增的方向，取5个值：Xt+1，、Xt+2、Xt+3、Xt+4和Xt+5，共11个值进行求平均值，即平滑处理，得到冷泉流体喷发速度时间序列wr(t)。
优选的，对冷泉观测装置在若干个连续的时间点中获取到的海水甲烷浓度进行平滑处理，以获得若干时间段内对应的甲烷浓度时间序列；在本实施例中，如图3所示，所述甲烷浓度时间序列的计算过程如下：通过冷泉观测装置在若干个连续的时间点中获取海水甲烷浓度，并依次标记为Yt；
通过公式：
对冷泉观测装置获取到的海水甲烷浓度进行滑动平均处理，以获得第一甲烷浓度时间序列，其中t和n为自然数；Ct为第一海水甲烷浓度时间序列；Yt-i为时间点t-i对应的海水甲烷浓度；Yt为时间点t对应的海水甲烷浓度；Yt+i为时间点t+i对应的海水甲烷浓度；n为滑动窗口半径，此处取n＝5，单位：nmol/L；也就是说，
即以时间点t对应的海水甲烷浓度Yt为中点，沿时间递减的方向，取5个值：Yt-1，、Yt-2、Yt-3、Yt-4和Yt-5，沿时间递增的方向，取5个值：Yt+1，、Yt+2、Yt+3、Yt+4和Yt+5，共11个值进行求平均值，即平滑处理，得到第一海水甲烷浓度时间序列Ct。
判断第一甲烷浓度时间序列是否在对应型号甲烷传感器量程内，若是，则标记为有效数据，若否，则标记为无效数据，并将所有同一时刻不同型号传感器的有效数据进行算术平均，以获得第二甲烷浓度时间序列；
具体的，平滑处理后获得的第一甲烷浓度时间序列Ct有可能不在甲烷传感器的量程范围，具体的，所述冷泉观测装置中至少包括三种类型的甲烷传感器(灵敏型(1nM-500nM)、低量程(20nM-1μM)及高量程(1μM-40μM))的甲烷传感器，需要对同一时刻点不同甲烷传感器测量的有效数据进行算术平均，所以将位于甲烷传感器量程范围以内的第一甲烷浓度时间序列Ct标记为有效数据C′t，其它数值则以“Nan”(无效数据)代替，再对同一时刻，各个甲烷传感器的有效数据C′t进行算术平均，从而得到一个新的甲烷浓度时间序列(第二甲烷浓度时间序列C"t)。
对第二甲烷浓度时间序列进行滑动平均处理，形成第三甲烷浓度时间序列。
具体的，由于是由不同甲烷传感器数据拼接而成，因此在不同甲烷传感器的量程重叠处存在虚假拐点。为去除该虚假拐点，第二甲烷浓度时间序列做滑动平均处理，具体的：
通过公式：
对第二海水甲烷浓度时间序列进行滑动平均处理，以获得最终海水甲烷浓度时间序列，即第三甲烷浓度时间序列C(t)，单位：nmol/L。
通过水下机器人视像资料配合冷泉观测装置估算冷泉喷口面积，再结合冷泉流体喷发速度时间序列和甲烷浓度时间序列，计算观测时间内甲烷渗漏总量。
具体的，通过将甲烷浓度与冷泉流体喷发速度相乘可得实时甲烷渗漏通量，再结合对喷口面积的估算，可计算单位时间内该区域甲烷渗漏量，然后进行时间积分，可计算观测区域观测时间内甲烷渗漏总量；在本实施例中，所述观测时间内甲烷渗漏总量的计算过程如下：通过冷泉观测装置估算冷泉喷口面积；
具体的，结合水下机器人(或者冷泉观测装置上的摄像模块)的视像资料及冷泉观测装置上的标尺，估算喷口面积S。
通过公式5：G＝∫(S×Wr(t)×C(t))dt，结合冷泉流体喷发速度时间序列、甲烷浓度时间序列和冷泉喷口面积，计算观测时间内甲烷渗漏总量；
其中G为甲烷渗漏总量，单位：nmol；S为冷泉喷口面积，单位：m2；C(t)为第三甲烷浓度时间序列，单位：nmol/L；Wr(t)为第二冷泉流体喷发速度时间序列，单位：m/s。
具体的，先通过将甲烷浓度与冷泉流体流速相乘可得实时甲烷渗漏通量,详见公式：J(t)＝C(t)×wr(t)5.1
其中J(t)为甲烷渗漏通量，单位：nmol·m/L·s；
再通过对喷口面积的估计，可计算单位时间甲烷渗漏量，详见公式：Q(t)＝J(t)×S5.2
其中Q(t)为单位时间甲烷渗漏量，单位：nmol/s，S为冷泉喷口面积，单位：m2；
然后通过对时间积分，可计算观测区域观测时间内甲烷渗漏总量，详见公式：G＝∫Q(t)dt5.3；
即获得甲烷渗漏总量，该方式突破以化学方法为主导的传统海底甲烷渗漏通量观测方式，改为以物理海洋观测思路为引导，实现对冷泉区海底甲烷渗漏通量及海洋动力环境要素的同步观测，从而获得甲烷渗漏通量时间演变规律。
实际上，所述冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法已于2020年试用于中国南海琼东南冷泉区，所得甲烷渗漏通量变化如图5所示，冷泉喷口的垂向流速平均值为0.16m/s，背景站海底垂向流速平均值为0.002m/s，二者相差2个量级，因此认为该站位存在强度较高的甲烷渗漏。该站位4月28日内甲烷平均浓度为4.42×103nmol/L，经计算可得平均单位体积单位时间甲烷渗漏量为6.21×105nmol/m2·，单位面积(1m2)一天喷发的甲烷渗漏量可达5.38×1010nmol。
如图4所示，所述冷泉观测装置包括用于观测冷泉喷口垂向流速、的第一声学多普勒剖面仪、用于观测海水甲烷浓度变化的甲烷传感组件、用于实时采集流体温度、盐度、压力、溶解氧和浊度数据的温盐深测量仪、用于估算冷泉喷口面积的标尺和用于储存冷泉水体综合观测数据的冷泉数据舱，所述第一声学多普勒剖面仪、甲烷传感组件、温盐深测量仪和标尺均与冷泉数据舱连接。进一步的，所述甲烷传感组件包括量程为1nM-500nM的第一甲烷传感传感器、量程为20nM-1μM的第二甲烷传感传感器和量程为1μM-40μM的第三甲烷传感传感器，所述第一甲烷传感传感器、第二甲烷传感传感器和第三甲烷传感传感器均与冷泉数据舱连接，优选的，所述冷泉观测装置还包括用于获取冷泉渗漏口视像数据的摄像模块，所述摄像模块与冷泉数据舱连接。所述背景站观测装置包括用于观测背景站海底垂向流速的第二声学多普勒剖面仪。
具体的，冷泉观测装置包括声学多普勒剖面仪(ADCP)、三种量程的甲烷传感器、搭载浊度计的温盐深测量仪(CTD)。此外，装置带有标尺，可用于估算喷口面积。其中ADCP探头向上，通过观测海水垂向流速获得冷泉喷发速度；此外，ADCP还将记录海水水平流速及背散射强度，其中背散射强度将作为冷泉喷发强度的第二表征参数，用于辅助研究甲烷渗漏通量的时间变化；ADCP声频率可根据冷泉实际喷发强度选择，通常使用600KHz；同时，通过CTD对渗漏口的流体温度、盐度、压力、溶解氧、浊度数据进行实时采集，一方面获取渗漏流体物理、化学特征，另一方面结合甲烷渗漏通量变化进行分析，获得渗漏强度变化的控制机制。所述冷泉数据舱为水下数据舱，用于对采集到的数据进行处理、储存和发送至外界；优选的，至少包括三种类型的甲烷传感器(灵敏型(1nM-500nM)、低量程(20nM-1μM)及高量程(1μM-40μM))，通过不同量程和精确度的甲烷传感器配合使用，可以更全面覆盖该地区甲烷浓度变化区间，保证对甲烷浓度变化的全周期、全范围的观测，以捕捉甲烷浓度的精确变化，如甲烷浓度在小于1μM时，低量程传感器可以捕捉到其浓度变化，如果仅仅使用高量程传感器则无法捕捉到，另外，针对浓度较低的观测区域，灵敏型的可以更有效地捕捉到其甲烷浓度变化。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过冷泉观测装置获取冷泉水体综合观测数据，以及通过背景观测装置获取背景海流数据，所述冷泉水体综合观测数据包括冷泉喷口处的垂向流速、海水甲烷浓度、温度及压力，所述背景海流数据包括背景站的海底垂向流速，其中，使用水下机器人将冷泉观测装置精准布放在冷泉喷口，将背景观测装置布放在无冷泉流体喷发的背景站；
使用背景站的海底垂向流速修正冷泉喷口处的垂向流速，生成冷泉流体喷发速度，以获得冷泉流体喷发速度时间序列；
对冷泉观测装置在若干个连续的时间点中获取到的海水甲烷浓度进行平滑处理，以获得若干时间段内平滑后的海水甲烷浓度时间序列；通过冷泉观测装置估算冷泉喷口面积，再结合冷泉流体喷发速度时间序列和海水甲烷浓度时间序列，计算观测时间内甲烷渗漏总量；所述冷泉流体喷发速度的计算过程如下：
根据公式：Xt＝w-wref进行计算，得到冷泉流体喷发速度，其中，w为冷泉喷口垂向流速，wref为背景站海底垂向流速，Xt为冷泉流体喷发速度，单位：m/s；所述冷泉流体喷发速度时间序列的计算过程如下：
判断冷泉喷口垂向流速是否远大于背景站海底垂向流速，若是，则标记当前时间为喷发时段，并计算冷泉流体喷发速度，若否，则判定冷泉流体喷发速度为0，并标记当前时间为未喷发时段；
通过公式：
对冷泉流体喷发速度时间序列进行平滑处理，以获得冷泉流体喷发速度时间序列；
其中，wr(t)为平滑处理结果，即冷泉流体喷发速度时间序列；n为滑动窗口半径，且n属于自然数；所述Xt-i为时间点t-i对应的冷泉流体喷发速度；Xt+i为时间点t+i对应的冷泉流体喷发速度；Xt为时间点t对应的冷泉流体喷发速度。
2.如权利要求1所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于：判断冷泉喷口垂向流速和背景站海底垂向流速的关系是否满足|w|≥10|wref|，若是，则认为冷泉喷口垂向流速远大于背景站海底垂向流速，若否，则判定冷泉流体喷发速度为0。
3.如权利要求1所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于，所述海水甲烷浓度时间序列的计算过程如下：通过冷泉观测装置在若干个连续的时间点中获取海水甲烷浓度，并依次标记为Yt；
通过公式：
对冷泉观测装置获取到的海水甲烷浓度进行滑动平均处理，以获得第一海水甲烷浓度时间序列；
其中t和n为自然数；Ct为第一海水甲烷浓度时间序列；Yt-i为时间点t-i对应的海水甲烷浓度；Yt为时间点t对应的海水甲烷浓度；Yt+i为时间点t+i对应的海水甲烷浓度；n为滑动窗口半径；
判断海水甲烷浓度时间序列是否在对应甲烷传感器的量程内，若是，则标记为有效数据，若否，则标记为无效数据，并将同一时刻不同传感器获取的所有有效数据进行算术平均，以获得第二海水甲烷浓度时间序列；
对第二海水甲烷浓度时间序列进行滑动平均处理，形成第三海水甲烷浓度时间序列。
4.如权利要求3所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于，所述观测时间内甲烷渗漏总量的计算过程如下：根据公式：G＝∫(S×wr(t)×C(t))dt，结合冷泉流体喷发速度时间序列、海水甲烷浓度时间序列和冷泉喷口面积，计算观测时间内甲烷渗漏总量；
其中G为甲烷渗漏总量，单位：nmol，S为冷泉喷口面积，单位：m2，C(t)为第三海水甲烷浓度时间序列，单位：nmol/L，wr(t)为冷泉流体喷发速度时间序列，单位：m/s。
5.如权利要求4所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于：所述冷泉观测装置包括用于观测冷泉喷口垂向流速的第一声学多普勒剖面仪、用于观测海水甲烷浓度变化的甲烷传感组件、用于采集流体温度、盐度、压力、溶解氧和浊度数据的温盐深测量仪、用于估算冷泉喷口面积的标尺和用于储存冷泉水体综合观测数据的冷泉数据舱，所述第一声学多普勒剖面仪、甲烷传感组件、温盐深测量仪和标尺均与冷泉数据舱连接。
6.如权利要求5所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于：所述甲烷传感组件包括量程为1nM-500nM的第一甲烷传感器、量程为20nM-1μM的第二甲烷传感器和量程为1μM-40μM的第三甲烷传感器，所述第一甲烷传感器、第二甲烷传感器和第三甲烷传感器均与冷泉数据舱连接。
7.如权利要求1所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于：所述冷泉观测装置还包括用于获取冷泉渗漏口视像数据的摄像模块，所述摄像模块与冷泉数据舱连接。
8.如权利要求1所述的冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法，其特征在于：所述背景观测装置包括用于观测背景站海底垂向流速的第二声学多普勒剖面仪。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111223796.3A CN113932854B (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111223796.3A CN113932854B (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113932854A CN113932854A (zh) | 2022-01-14 |
| CN113932854B true CN113932854B (zh) | 2022-07-05 |
Family
ID=79280946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111223796.3A Active CN113932854B (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113932854B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115575182B (zh) * | 2022-09-29 | 2023-08-15 | 中国船舶科学研究中心 | 一种水母型深海冷泉喷出流体取样器及取样方法 |
| CN117406283B (zh) * | 2023-12-15 | 2024-02-27 | 青岛海洋地质研究所 | 针对大范围海域中海底冷泉的声学多频联用识别方法 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1431269A (en) * | 1972-11-28 | 1976-04-07 | Amg Zzrbier Ltdbird T J | Detection of gas leakage |
| JP2003149150A (ja) * | 2001-11-12 | 2003-05-21 | Ishikawajima Inspection & Instrumentation Co | 液中溶存メタンの測定方法及び装置 |
| JP2009047656A (ja) * | 2007-08-22 | 2009-03-05 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 海底湧出流体の検出装置 |
| JP2010197368A (ja) * | 2009-01-29 | 2010-09-09 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 海底下地層貯留における漏洩二酸化炭素のモニタリング方法及びそのモニタリングシステム |
| JP2011052493A (ja) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Shimizu Corp | メタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法 |
| CN102012246A (zh) * | 2010-09-25 | 2011-04-13 | 中国科学院广州地球化学研究所 | 一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置 |
| CN102565870A (zh) * | 2011-12-12 | 2012-07-11 | 中国地质科学院矿产资源研究所 | 深海可视化地球化学多参量原位综合探测系统 |
| CN107608007A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-19 | 广州海洋地质调查局 | 一种海洋天然气水合物开发环境监测系统及方法 |
| CN107678055A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-02-09 | 广州海洋地质调查局 | 一种海域天然气水合物海底甲烷监测系统及方法 |
| CN110389054A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-29 | 广州海洋地质调查局 | 海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法 |
| JP6609787B1 (ja) * | 2018-07-16 | 2019-11-27 | 中国海洋大学 | 深海底混濁流のマルチパラメータ総合モニタリング装置 |
| CN112145133A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-29 | 中国石油大学(华东) | 一种深海海底天然气水合物采集方法及生产大棚 |
| CN113432660A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-24 | 青岛海洋地质研究所 | 海底冷泉天然气渗漏流量原位在线测量装置及测量方法 |
-
2021
- 2021-10-20 CN CN202111223796.3A patent/CN113932854B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1431269A (en) * | 1972-11-28 | 1976-04-07 | Amg Zzrbier Ltdbird T J | Detection of gas leakage |
| JP2003149150A (ja) * | 2001-11-12 | 2003-05-21 | Ishikawajima Inspection & Instrumentation Co | 液中溶存メタンの測定方法及び装置 |
| JP2009047656A (ja) * | 2007-08-22 | 2009-03-05 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 海底湧出流体の検出装置 |
| JP2010197368A (ja) * | 2009-01-29 | 2010-09-09 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 海底下地層貯留における漏洩二酸化炭素のモニタリング方法及びそのモニタリングシステム |
| JP2011052493A (ja) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Shimizu Corp | メタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法 |
| CN102012246A (zh) * | 2010-09-25 | 2011-04-13 | 中国科学院广州地球化学研究所 | 一种测量海底冷泉天然气渗漏原位流量速率变化的测量装置 |
| CN102565870A (zh) * | 2011-12-12 | 2012-07-11 | 中国地质科学院矿产资源研究所 | 深海可视化地球化学多参量原位综合探测系统 |
| CN107608007A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-19 | 广州海洋地质调查局 | 一种海洋天然气水合物开发环境监测系统及方法 |
| CN107678055A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-02-09 | 广州海洋地质调查局 | 一种海域天然气水合物海底甲烷监测系统及方法 |
| JP6609787B1 (ja) * | 2018-07-16 | 2019-11-27 | 中国海洋大学 | 深海底混濁流のマルチパラメータ総合モニタリング装置 |
| CN110389054A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-29 | 广州海洋地质调查局 | 海底沉积物大深度剖面孔隙水长期原位取样及分析方法 |
| CN112145133A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-29 | 中国石油大学(华东) | 一种深海海底天然气水合物采集方法及生产大棚 |
| CN113432660A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-24 | 青岛海洋地质研究所 | 海底冷泉天然气渗漏流量原位在线测量装置及测量方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| In situ observation and detection of deep-sea hydrothermal and cold seep systems based on ROV Fa Xian at R/V Ke Xue;Xin Zhange et.al;《2014 Oceans - St. John"s》;20150108;第1-5页 * |
| 声学深拖系统在海底冷泉调查中的应用;冯强强等;《测绘工程》;20180831;第27卷(第8期);第49-52页 * |
| 海底冷泉探测系统的研制及应用;温明明等;《地质装备》;20170630;第19-23页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113932854A (zh) | 2022-01-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113932854B (zh) | 一种冷泉区沉积物-水界面甲烷宏渗漏强度原位观测方法 | |
| WO2020215458A1 (zh) | 一种基于声学多普勒测流仪的流场智能计算方法及系统 | |
| US8825430B2 (en) | Differential pressure systems and methods for measuring hydraulic parameters across surface water-aquifer interfaces | |
| RU2445594C1 (ru) | Способ диагностики магистральных трубопроводов и устройство для его осуществления | |
| CN108168635A (zh) | 河道流量实时在线监测方法及装置 | |
| CN104245499B (zh) | 海洋浮动船坞搭载精度管理系统 | |
| CN112413414B (zh) | 一种供热管网泄漏的综合检测方法 | |
| ITRM20070134A1 (it) | Metodo di misura della portata di piena in un corso d'acqua e relativo sistema | |
| CN109932496A (zh) | 一种基于多参数耦合交叉的水质在线监测方法和系统 | |
| RU120766U1 (ru) | Эхоледомер | |
| CN104280024B (zh) | 一种深水机器人组合导航装置和方法 | |
| CN111366936B (zh) | 多波束测深数据处理方法及装置 | |
| CN202928654U (zh) | 一种拍照式电子水尺装置 | |
| CN110926434A (zh) | 一种浅地层剖面测量系统软件架构及实现方法 | |
| CN103712669A (zh) | 一种流量计在线校准装置 | |
| CN106896361A (zh) | 一种深水机器人多模型ekf组合导航装置及方法 | |
| CN108692773B (zh) | 一种基于人工智能技术的触手式传感测流仪及其测流方法 | |
| CN114858221B (zh) | 一种基于水域营养状态预测的水华智能预警系统及方法 | |
| CN215066606U (zh) | 一种野外水动力-地形-水质同步测量一体化装置 | |
| Bahreinimotlagh et al. | Investigation of flow condition in the haftbarm lake using acoustic tomography technology. | |
| CN113671508B (zh) | 水下淤泥测量方法、装置及系统 | |
| CN116256761A (zh) | 一种小尺度水平剖面温度场声层析观测方法 | |
| CN207976230U (zh) | 一种河海口水域的平均水温测量装置 | |
| CN109029916B (zh) | 一种自反馈泥沙冲刷率测量系统及测量方法 | |
| RU2477498C1 (ru) | Метод мониторинга вертикального распределения скорости звука в условиях мелководных акваторий |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |