海底沉积物 -深海稀土开采船

海洋底质沉积物研究简史

& M* z. y) E. u, V$ m$ U

2 g, S' I6 n& C1 U$ F

海洋底质沉积物是指各种海洋沉积作用所形成的海底沉积物的总称。传统上，按深度将沉积物划分为：近岸沉积（0～20米）：主要是分布在海滩、潮滩地带的机械碎屑，即不同粒度的沙、砾石和生物骨骼、壳体的碎屑等。浅海沉积（20～200米）：浅海带占海洋面积的25%，但这一海域的沉积物却占海洋全部沉积物的90%。半深海沉积（200～2000米）：通常以陆源泥为主，也有少量化学沉积物和生物沉积物。深海沉积（大于2000米）：通常以浮游生物遗体为主，而极少陆源物质，并通常为各种生物软泥为主。海洋沉积物，尤其是深海沉积物的研究对海洋地质学、海洋生物学、古气候学等等都有极其重要的意义。

1872～1876年

. s- ]' v% q* }

1872～1876年英国“挑战者”号考察，揭开了海洋沉积物调查研究的序幕，特别是有关深海沉积物的分类至今仍有重要意义。1899～1900年，荷兰船“西博加”号进行的调查在沉积物的分布及组成等方面也取得重要成果。第二次世界大战后，随着军事的需求和海底石油等矿产资源的勘探开发，海洋沉积物的研究获得长足进展。40年代末期，F.P.谢泼德和M.B.克列诺娃的海洋地质学专著相继问世，系统地总结了当时对海洋沉积物的认识。50年代末和60年代初期，由于大规模的国际合作和新技术、新方法的运用，使海洋沉积物的研究提高到一个新水平。尤其是海底沉积矿产、浊流沉积、现代碳酸盐沉积和陆架沉积模式的研究取得了不少新认识。60年代末期开始实施的深海钻探计划，使海底沉积的研究进入新的阶段，特别是在深海沉积物的类型与分布以及成岩作用的研究方面获得了大量重要资料。

/ ^/ x5 F% C$ O9 m# t/ X% v! h% Z

- U' O$ O5 A! w y4 E% Z4 h

70年代以来

70年代以来，海洋沉积物的研究派生出一些新的研究方向。如沉积动力学的研究已为很多国家所重视，它的主要目的是解决碎屑物质在不同水动力条件下的搬运过程，以及海底的沉积和侵蚀机制，强调现场观测，在海上使用沉积动力球，可同时测定含砂量、底层流速、流向等多种参数，使研究由静态阶段向动态方向发展。

' o7 |' u5 E( I3 b% J- G6 p- x2 v6 T

中国海洋沉积物研究

1 ^3 \8 Y+ k9 D! _) {

% B" z+ e6 _9 U4 A7 f

中国从20世纪50年代末开始开展大规模的海洋调查，这是中国海洋沉积研究的开端。60年代以来，又先后对渤海、黄海、东海、南海的沉积类型，物质组成，沉积速率以及陆架沉积模式和沉积发育历史进行了深入的专题调查。在海岸和海底沉积物的搬运及其动力过程的研究方面也有很大进展，同时还开展了深海远洋沉积的调查研究。

! t/ }2 s% i* r/ w } q

海洋底质沉积物采样技术简述

+ y/ I/ s* L' ?. J5 k8 ^

深海沉积物采样的技术难点

( E8 s: }5 V0 k) [3 |" _' O) \

从沉积环境上来看，浅海与深海的区分界限并不是很统一的，自500m至2000m不等。在海洋环境调查中，一般把水深1000m以上的海域称为深海。在深海进行沉积物采样，往往面临以下几个方面的难点和困扰：

/ M4 g+ L( \# j/ V. Q- C; L) q2 r# H0 m : ~& f" q6 ^8 u* W5 ]4 R- |

1.定位困难

由于定位仪器通常安放在船上，因此获得的数据是船的位置。但实际采集的样品是在水下的海底，这样就可能造成船位与样品位置之间有着很大的偏差。在深海区采集一个样品往往时间很长，有时单放缆一项就需要数小时以上，在这么长的时间里要保证准确的定位是极其困难的。

4 Z. W5 K- ~- Y5 k

2.水流影响大

海水无论是在水平方向上，还是在垂直方向上都是流动的。海水的流动对采样过程产生直接的影响。现阶段深海区沉积物采样大多数采取有缆作业方式，在释放几千米缆绳的过程中，水流首先是导致缆绳的倾斜，使之与投放点(即船位点)产生水平偏差，并且水深越大、水流越急，偏差就越大；其次是对采样器的垂直位置很难判断，由于缆绳的倾斜是不均匀的，因此从放缆长度上是很难确定采样器是否接近海底，这就给重力类采样法带来一定的困难，同时也增加了采样器损坏的几率。

+ g9 \( `5 J7 A- b

3.深海底质资料少

5 z5 L1 J/ q9 K0 I7 j3 ?

相对浅海区而言，深海区的底质沉积物资料一般较少，特别是大洋海底。比如一次重力活塞采样失败，原因有很多种可能：底质是基岩或大块砾石，底质是密实沙砾层，海底水流冲刷强，采样器机械故障或没有真正到达海底等。

7 a+ k, s- i$ Y

海洋底质沉积物采样技术

$ C' O X8 X* w L* n0 d2 f

柱状重力采泥器

$ g( B8 _ i* w/ R' n

: ]: }( p. f' x* A5 B& d$ ^+ u

柱状重力采泥器是最常见的海底沉积物采样设备，它可以保证样品的自然层次不被打乱，适用于沉积物各层次的化学成分和底栖生物在泥中的垂直分布状况的研究。Gravity Corer柱状重力采泥器是由德国OKTOPUS公司生产的高品质柱状采泥器，主要为湖泊、河流、海洋等水体泥底或半硬底质环境中沉积物采样而设计。主体部件使用高强度不锈钢，德国品质，防止腐蚀和损坏。OTS Balancer平衡部件保证垂直采样的姿态。它的有效采样深度取决于采泥器的型号（重量）和沉积物的种类. Gravity Corer采样管的直径为60mm至125mm，也可以按照需要定制其他规格的采样管或者采泥器。此外OKTOPUS公司也提供各种高品质的样品处理工具和易损件，例如（样品压出器、样品切割器、采样管切割器、岩心提取器等等）。

/ s" p" c# u. `- ^" y

2 _, C, F/ Z! X M: B/ W

视频多管采泥器

: V- D4 s* s( p" T% `% U

. X0 f- c1 V& T+ _

多管采泥器也是重力采样器的一种，相比于柱状采泥器，多管采泥器可以一次性采集多个无扰动沉积物样品。Oktopus Multiple Corer 视频多管采泥器有超过30年稳定使用的经验，在全世界现有200多套Oktopus Multiple Corer正在使用中。视频多管采泥器搭载自主式高清深海摄像系统，可记录采样过程及采样环境的高清影像。相比于其他产品，Oktopus Multiple Corer 具有更加人性化的设置，更牢固的品质，全系列产品都支持样品管以及相关模块的快速更换。有效采样深度可以通过插入深度限位器进行调节。设备可额外搭载传感器、CTD等模块。

; p6 d1 I+ y+ Q9 r

从MC 1-3x100到MC 16-20x100，Oktopus GmbH公司提供不同位数的多管采泥器，适用于不同的采样需求。设备配置自容式深海摄像系统，可提供高清采样过程视频。由于深海采样有各种各样的技术难点和不确定性，采样过程和采样环境高清视频影像有着极其重要的参考价值，它可以提供采样的各种信息以及失败原因分析。

箱式采泥器

箱式采泥器主要用于海洋非扰动底质样品的大体积采样，可确保采集的样品没有遭受外力破坏，保持比较完整的状态，适合于进行化学样品尤其是生物样品的分析。通过绞车释放采泥器，插入底泥；采样时，采泥器的顶部保持打开状态，让水自由流过，这样防止压力增大引起沉积物和水体界面被搅动；采样器沉放到海底达到最大深度时，自动机械装置将释放挖铲，使其处于关闭状态；当挖铲位于垂直位置时，采泥箱底部关闭，采集到的样品保存在采泥箱中；当我们从海底升起采泥器时，采泥器的顶部将关闭 ，并通过一个带有软橡胶盖的绞翼密封。Oktopus箱式采泥器Box Corer 2500采用高强度不锈钢，经久耐用，而且操作非常方便。

9 s) _% } ]( A, |% {

' P) E j/ U6 t) k9 j' v7 I

深海电视抓斗

& H0 b) ^& L% c1 ]3 m

电视抓斗主要由采样器、铠装电缆和船上操纵系统组成。采样器框架内装有深海电视摄像机、光源及电源装置，通过铠装同轴电缆将采样器连接到船上操纵板及电视显像装置上，操作时用深海绞车将采样器投放到离海底5～10米的高度上，以1～2节慢速航行并通过船上的电视显像设备连续观察海底寻找采样目标，一旦找到目标立即用船上操纵板将采样器沉放到海底并关闭采样爪捕抓样品。采样爪的开启和关闭是通过电动液压式机械手完成的。主要用于海底块状硫化物、多金属结核、锰结壳及其他沉积物的采样。

Oktopus Video-Guided Hydraulic Grab（VgHG）电视抓斗可以完成箱式采泥器无法完成的采样任务. 由于他的高自重(2t) 和极大的边缘剪切力 (45 kN max.), 电视抓斗甚至可以穿透粗砂和石块。它搭载了Oktopus 遥测系统和液压系统, 通过同轴电缆可以进行操作和信号传输，可以将高分辨率原位彩色图像和采样进程传输至电脑. 它还可以集成各种传感器(CTD等). VgHG是德国第一个获得挪威船级社认证的科学仪器-德国劳氏船级社（DNV GL）

" `5 ^, G: P) } , C$ }4 m. A' S i