海洋论坛▏栾振东等：深海超长沉积物柱状取样系统关键技术优化及应用 -海洋沉积物检测标准

永不堕落 · 发表于地质类 2024-4-5 02:29:04

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深海沉积物作为深海地质及生命过程、环境变化的重要记录载体，是海底地形地貌、古海洋与古气候、海洋沉积作用、深海极端环境演化等海洋科学研究的基础资料。超长柱状沉积物取样系统能够获取时间尺度更大、信息记录更为丰富的沉积物样品，对开展海洋科学研究、海底矿产资源勘探、海洋工程地质勘察、军事勘察选址等具有重要意义。如何进行可控、超长、连续、低扰动的长柱状沉积物取样一直是国内外沉积物取样技术领域的研究热点，也是我国深海科学研究面临的主要技术瓶颈。

阀式重力取样器、重力活塞取样器是长柱状取样的常见装备，该类型取样器均属于非可控式取样器，其基本原理是依靠取样器自身重力作用贯入海底，取样长度取决于海底沉积物底质类型、取样器重量及接管长度等因素。阀式重力取样器是获取海水、沉积物界面附近无扰动样品的最佳手段，但是该类型取样器的样品容易受到挤压扭曲影响，样品品质差、回收率低，取样长度多小于10m；重力活塞取样器是在阀式重力取样器的基础上发展而来，代表性产品有美国伍兹霍尔海洋研究所的GiantPistonCorer、JumboPistonCorer、LongCoring，法国PolaireFrancaisPaul-EmileVictor研究所的CALYPSOCorer等。该类型取样器取样长度大于10.00m，如CalypsoCorer取样器曾取得64.50m的超长深海沉积物样品，LongCoring系统曾取得长为38.00m的超长沉积物样品。但是，该类型取样系统体积庞大（如LongCoring系统自重超过10t，总长达到50m），需要对母船后甲板、收放绞车和收放缆进行特殊设计，并且需要使用特殊的零浮力缆作为主缆，船舶适应性差，作业风险大。

近年来，国内外专家学者针对重力活塞取样器的取样管尺寸、取样器刀头、自由释放触发机构等技术细节开展了相关研究，但这些研究多集中在抑制活塞机构对沉积物的扰动方面。同时，有关学者对该类型取样器的贯入深度、贯入模型、作业方式等开展了模拟分析及试验验证，在一定程度上提高了重力活塞取样器的工作性能。但是，该类型取样器存在的体积庞大、组装复杂、误释放取样、接管长度受限于母船甲板作业空间等固有缺点一直未能得到有效解决。

随着深海科学研究和调查工作的深入进行，该类型取样器已不能满足深海科学研究的需求。为此，中国科学院海洋研究所历时10余a研制了深水可视化可控轻型沉积物柱状取样系统（以下简称为中科海开拓柱状沉积物取样系统），该系统突破了重力活塞取样器的设计理念，设计实现了液压锤击、立式收放、在线实时监控等功能，解决了上述常见的沉积物柱状取样器的固有缺点，该系统于2017—2018年在南海冷泉区取得了15.25和16.01m的柱状沉积物样品，顺利完成海试验收工作。2019年后，在该系统成果转化过程中，根据前期积累的海试应用经验，对系统排缆机构、取样管拆装、样品封堵、取样刀头等方面进行了优化，优化后的系统操作更为简便，大大提高了取样率及作业效率，同时有效减少了工作安全风险，这对我国深海长柱状沉积物取样技术的发展具有参考意义。

一、系统介绍

中科海开拓柱状沉积物取样系统提出了全新的理念，颠覆了简单重力取样器、重力活塞取样器的设计原理，突破了可视化、重力+往复式气动夯击、立式收放和接管等关键技术，同时实现了实时在线、通讯控制功能。系统下放时，利用高度计判断距底高度情况，利用摄像系统和姿态仪判断系统横滚、俯仰状态。在满足释放条件时，以一定的距底高度自由释放，在下插稳定且倾斜角度满足锤击要求条件时，启动锤击功能，使取样管继续向深部插入，实现沉积物的超长、低扰动、定点精准采样。

⒈系统组成

该系统由液压锤击、立式收放、实时监控、数据传输四个子系统组成。液压锤击子系统主要由液压锤机构、动力单元、耐压舱、释放机构、弃管机构等组成；立式收放子系统包括立式收放平台、取样钢管、内衬管、取样刀头、活塞、配重块等；实时监控子系统包括内置的压力传感器、电压电流传感器，外置的高度计、摄像头等、及其显示和控制软件（图1）；数据传输子系统主要指与母船甲板控制单元通讯的同轴铠装缆、光纤油盒等。为了避免系统在起吊、投放、回收过程中的冲击损坏，系统设计了可拆卸防撞外壳。

图1中科海开拓沉积物柱状取样系统

系统电源采用三相五线制，电压AC380V，频率50Hz，功率＞3500W。系统能在温度0～45℃、湿度30%～80%的环境下长期稳定工作。系统起吊作业需满足A架滑轮最下端到甲板位置高于7.0m，立式收放平台安装需船舶后甲板留有5.0m×2.5m×1.7m的空间，其支撑点撑拉强度需超过12t。系统主要性能指标为：①最大工作水深6000m，最长取样长度20m，自重2.7t，具有距底4～6m内自由释放功能；②动力可控，具有水下夯击能力，夯击力度在500～4200J间可调；③配备高度计，在距底50m范围内能实时反映距底高度；④配备姿态传感器，能够实时监控系统的水下姿态，判断样品管插入沉积物时的状态；⑤配备2个摄像头，分别用于观察释放机构和弃管机构的脱销机构；⑥配备压力传感器、电压/电流传感器等，实现对系统本体动力源等多种参数的实时监测；⑦具有重力释放、夯击控制、弃管回收等在线控制功能（表1）。

表1中科海开拓沉积物柱状取样系统性能指标

系统组成部分

性能指标

液压锤击子系统

最大工作水深6000m，最长取样长度20m，自重2.7t；水下夯击动力可控，夯击力度在500～4200J可调

立式收放子系统

立式收放平台，取样管连接、拆卸；外管为钢管，规格L410×Φ111mm；内衬管为PVC管，规格L400×Φ109mm

实时监控子系统

在线实时监测，控制工作状态具有距底4～6m自由释放功能、弃管回收本体功能配备姿态传感器，反映取样系统水中姿态信息配备高度计，获取距底50m以内的实时距底高度配备压力传感器、电压电流传感器等，实时监测系统水下工作状态配备摄像头，观测系统安全状态、海底底质状态

数据传输子系统

配备光纤盒，实现甲板部分和水下本体之间的通信数据传输

⒉作业过程

根据研究区多波束、浅地层剖面等地质资料，分析海底底质情况、合理规划沉积物取样区后，按以下步骤进行作业：首先，在立式收放平台上进行取样管接管工作（图2a），接管工作完成后，吊装取样系统本体，与取样管进行连接（图2b）；其次，利用绞车将取样系统整体吊起，将A架外放至最大角度后，开始取样系统的入水下放作业，下放过程中应实时观测下放深度、缆绳张力、系统压力、距底高度、电流电压等参数的变化（图2c），在达到设定下放深度后停止下放（图2d），当取样系统姿态稳定、满足释放条件时，释放系统，此时系统在自身重力作用下插入海底（图2e）；再次，系统开始进行液压锤夯击动作，带动取样系统整体向下插入（图2f），当达到取样长度要求或在操控界面观测到已经不能继续下插时，停止夯击工作；最后，回收缆绳，将取样系统吊至后甲板收放平台，开始拆管与样品收集工作（图2g～图2i）。

图2取样系统作业过程示意图

二、系统核心技术

液压锤击、立式收放、在线实时监控是中科海开拓沉积物柱状取样系统的核心技术。液压锤击能够在系统重力释放后，给予一定的打击能量来增加沉积物的贯入深度；立式收放使取样系统的接管长度不再受限于甲板作业空间；在线实时控制，能够实时反馈取样系统的海底状态以及周边环境信息，保障作业安全，提高作业效率。

⒈液压锤击

液压锤击是系统增大取样管贯入深度、降低沉积物扰动的关键。本系统中的液压锤采用充压式全封闭锤体技术，将动力头、锤杆、锤头集成统一在全封闭锤体内，以此来保障锤体在深水条件下的密闭性（图3）。锤体主油路采用无管化连接方式、锤头运动采用液气联合方式，该方式能够大大提高液压锤的传动效率与工作效率。液压锤击子系统的工作模式：首先锤头在下腔液压油作用下举升，此时上腔压缩空气被压缩，锤头获得势能、空气压缩能，举锤动作完成；然后在液压阀的控制作用下，下腔液压油得到快速释放，此时锤头在势能、空气压缩能的作用下快速向下运动；最后势能、空气压缩能转变为锤头动能，打击工作完成。液压锤击的打击频率、能量高低可以通过甲板单元控制软件进行设置。液压锤击技术的应用，能够使取样系统在不显著增加自重的前提下，完成深入、连续、低扰动的沉积物取样工作。

图3液压锤结构示意图

⒉立式收放

获取超长沉积物柱状样品的必要条件是具备足够长的样品管长度。传统重力、重力活塞式取样器通常需要在整体组装完成后，将取样器整体吊装至船舷或船尾，然后通过轨道及翻转机构进行下放作业，这种接管方式下，接管长度受到甲板作业空间的限制。此外，样品管接管完成后，设备总体重量通常在几吨至十几吨，吊装的难度、风险较大，尤其在海况恶劣条件下，作业安全隐患极大。为此，本系统采用立式收放技术，设计一立式收放平台，在平台上完成取样管的接管、拆管工作（图4）。

图4立式收放平台示意图

该平台包括取样系统本体夹持机构、取样管夹持机构，平台材质采用高强度碳素结构钢材料，利用螺栓将平台固定于船舶甲板之上。该作业方式无需铺设轨道、翻转机构，占用甲板面积少，有效解决了传统取样器接管长度受限于甲板空间以及船尾作业的安全隐患问题。此外，该立式收放平台可用作热流探针等其他大型设备的布放平台，提高了平台利用率，节约了船舶甲板空间。

⒊在线实时监控

在线实时监控是系统可控、可视功能的核心设计。系统设计有多种传感器（姿态传感器、方位传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器等），以此来实现系统在水下作业时姿态、方位、压力、电压、电流等多种参数的实时监测。远程数据传输单元通过光电复合缆或同轴缆完成甲板单元和水下系统之间的通信数据传输，甲板单元通过快速网络TCP/IP协议方式进行数据传输。系统操控软件能实时显示系统在水下时的各种传感器数据，同时能够实现系统打击控制、锁桩松缆、松桩松缆等操控功能（图5）。

图5系统在线实时控制软件

⒋海试应用

2017年7月，中科海开拓沉积物柱状取样系统搭载中国科学院“科学三号”海洋科学考察船在北黄海某海域进行了海上试验，试验结果表明，系统性能指标均满足设计要求。2017—2020年，系统搭载中国科学院重大基础设施“科学号”海洋科学综合考察船在南海冷泉区开展了示范应用工作，累计获取沉积物柱状样品达百米以上。其中，在2017年9月南海冷泉综合调查航次中，系统在琼东南盆地1700m水深处，单次取得最长样品长度15.25m，获得了该区域内首个具有姿态和方位信息的长柱状沉积物样品；在2018年6月琼东南盆地冷泉航次调查过程中，系统在1725m水深处，单次取得最长样品长度超过16.01m，经现场分析发现，取样管中清晰可见可燃冰沉积物，并伴有强烈的H2S气味，该样品对该区域内冷泉系统及天然气水合物的成因分析、运聚模式等研究起到了重要支撑作用（表2）。

表2中科海开拓沉积物柱状取样系统取样参数

序号

1

2

3

作业海域

琼东南盆地

珠江口盆地

搭载船舶

科学号

海洋地质九号

水深/m

1700

1725

1778

样品管长度/m

20

取样进尺/m

19.50

19.30

18.00

取样长度/m

15.25

16.01

15.83

取样率/%

78.21

82.95

87.94

取样时间

2017年9月（优化前）

2018年6月（优化前）

2021年4月（优化后）

沉积物性质

灰黑色泥质沉积，质地均匀

灰黑色泥质沉积，有中空气体段，伴有强烈H2S气味

有孔虫砂质沉积

三、关键技术优化

中科海开拓沉积物柱状取样系统在海试成功应用后，根据设备研制、海试应用过程中积累的经验，对系统存在的缆绳钩挂、取样管拆装难度大、样品脱落、刀头部分样品扰动大等关键技术细节进行了优化：提出用独立排缆替代本体排缆方式解决缆绳钩挂的安全问题；研制快拆取样管、刀头体系，解决样品管拆装难度大、样品脱落及扰动大的问题。

⒈独立排缆

在系统作业过程中，自由缆的存在极易造成缆绳钩挂系统主体部件的现象发生，进而导致系统通讯及控制失常。为了解决自由缆存在带来的安全隐患，在理论计算、仿真分析的基础上，对系统排缆方式进行了优化。排缆方式由之前的盘于取样系统本体（图6a）改为脱离取样系统本体排缆，在取样系统本体上方设计一纺锤形的缆线排缆装置（图6b），以此来消除线缆钩挂问题带来的安全隐患。

图6系统排缆方式对比

此外，采用取样系统本体排缆方式时，作业需要在系统回收至甲板，完成本体拆除、固定作业后才能进行，并且系统横置于设备托架上，排缆操作难度极大；而采用独立排缆方式时，在系统回收后便可与上述其他作业同步进行，与取样系统本体排缆方式相比，独立排缆机构降低了排缆固定的难度，大大节约了排缆固定的作业时间。

⒉取样管快速拆装

传统沉积物取样管连接多采用螺纹或卡板加套筒的方式，这些方式在船舶晃动条件下操作极其困难。加之在作业过程中，样品管连接处易受力变形或卡入泥沙，取样管的连接和拆装作业变得更为困难，甚至出现不能拆卸、只能锯开破坏的情况。针对这一实际问题，结合海上作业经验，提出使用内外套加螺钉锁紧固定的方式，以解决取样管拆装难度大的问题（图7）。

图7取样管快速拆装过程示意图

同时，将刀头的传统螺纹传统连接方式也改为快速拆装连接方式（图8），实现取样管与刀头规格的统一，由此便无需定制与刀头连接的专用取样管，实现了管与管、管与刀头的快速连接。取样管接头处锥形区设有O型圈，能确保管与管接头处的密封性，减少取样过程中活塞抽拉时沉积物泄漏情况的发生，提高沉积物样品的真空度及取样率。该连接方式与传统卡板加套筒的方式相比，可以有效解决套筒、卡板拆装难度大的问题，降低了拆接管作业的难度。

图8取样刀头安装拆除示意图

⒊样品封堵装置

取样系统回收至甲板后，需要对样品管进行拆分，完成单根分段回收。在回收过程中，两根相连接的样品管分离后，容易出现样品从管中脱落的问题。传统作业通常采用一特制的独立封堵装置来解决这一问题，该类装置首先需要与取样管进行固定连接，然后再利用绞车将上部取样管吊起一定高度，然后再将托板插入两根样品管之间，之后再次进行封堵装置与取样管的固定作业，最后才能起吊上部取样管，完成取样管的拆离工作。现场作业发现，这一作业过程在泥沙侵入、海况恶劣条件下，作业效率极低。此外，在稀疏泥质沉积物的底质情况下，常有沉积物流失情况发生，封堵效果不佳。为解决这一问题，设计一配合取样管快速拆装体系使用的样品防脱落装置（图9）。该装置主要包括封堵插板和与之适配的凹槽卡板，在取样管接头分离时，首先固定凹槽卡板，然后将封堵插板直接插入卡板的凹槽即可。这种插入的方式操作简便，并且能够有效防止样品管分离过程中的泥样滑落问题，作业效率、作业效果较独立封堵装置均有明显提高。

图9样品封堵过程示意图

⒋低扰动刀头设计

刀头对沉积物造成的扰动是柱状沉积物取样过程中不可忽视的问题。为解决这一实际问题，设计一新型低扰动刀头，刀头在取样前、取样中均能保持花瓣打开，直到上提才关闭。低扰动刀头具体工作原理：进样前，刀头自锁装置将刀口组件锁定不下滑，刀头花瓣在扭簧作用下保持打开；进样时，刀头花瓣能一直保持打开状态，直到刀口组件被完全挤压到刀头座，这时自锁装置复位，刀口恢复自由状态；刀头上提时，由于刀口组件受到的沉积物阻力大于刀头座阻力，刀口组件相对下移，从而带动刀头花瓣关闭。相较于传统刀头的工作方式（在取样前花瓣关闭，直到接触沉积物受到足够阻力后才能将花瓣冲开），该新型刀头进样时间提前，进样阻力减小，提高进样率的同时，有效降低了刀头对样品的扰动程度，保障了沉积物样品的质量（图10）。

图10取样刀头工作状态

四、结语

优化后的取样系统于2020年入列中国地质调查局“海洋地质九号”地球物理勘探船。2021年4月，该系统在我国南海珠江口盆地1778m水深处顺利完成成果验收试验。作业区域沉积物底质较硬，以有孔虫砂质沉积为主，系统在单次接管20m的长度条件下，取样管进尺18m，获取单柱、连续、低扰动沉积物柱状样品15.83m，取样率达到87.94%（表2）。本次作业圆满完成了预定的15.00m取样长度验收指标，创造了用户单位在该海域内具有姿态和方位信息的最长沉积物样品纪录。由此表明，系统在技术细节优化后，作业效率、样品质量均有较大提升，证实了技术细节优化的可行性和可靠性。

随着技术的革新和进步，实用性、可靠性和智能化是深海技术装备的主要发展趋势，深海技术及其装备在海洋科考及服务国民经济等方面将发挥愈加重要的作用。中科海开拓沉积物柱状取样系统，完全基于国内自主设计，吸取了国内外深海地质取样的先进经验，采用液压锤击、立式收放、在线实时监控技术，实现了不同深度范围内柱状沉积物的低扰动夯击作业。轻型、可控、可视以及样品姿态、方位信息的获取，是该取样系统的主要特征。经技术细节优化后，中科海开拓沉积物柱状取样系统的性能得到了提升，这有助于促进我国深海超长沉积物柱状取样技术的发展，同时有助于提高有关我国深海科学问题的研究水平。

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END

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【作者简介】文/张建兴栾振东卢新亮连超张鑫，分别来自中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室、中国科学院海洋大科学研究中心和成都泰然科技有限公司。第一作者张建兴，男，1990年出生，工程师，硕士，主要从事海洋地质方面研究；通信作者栾振东，男，1976年出生，正高级工程师，硕士，主要从事深海探测技术方面研究。本文为基金项目，青岛海洋科学与技术试点国家实验室“问海计划”项目（2021WHZZB0800）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA22050202）。文章来自《海洋科学进展》（2023年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归期刊及作者所有，编发已取得作者授权。

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