長重力活塞取樣器在鄂霍茨克海的應(yīng)用＊

程振波，楊 剛，吳永華，石豐登，劉焱光，方習(xí)生，鄒建軍，葛淑蘭，石學(xué)法

（國家海洋局 第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061）

長重力活塞取樣是利用大型船只所配置的專用設(shè)備將取樣器送入海底，在釋放器的幫助下，靠取樣器自身能量及所攜活塞的共同作用完成一次性取樣。目前，世界上使用長重力活塞取樣器做的最好的國家是法國，它們在北大西樣和我國南海獲取了超過50 m的長柱樣品［1-6］。近十幾年來，國內(nèi)許多科研院所亦曾研發(fā)過不少重力活塞取樣器，并取得過一定的進展［7-8］。但是后來或是因為操作繁雜、或是因為取樣器自身存在缺陷和取樣率低等因素先后被擱置、棄用而采用設(shè)備。本次研發(fā)的長重力活塞取樣器在前人工作的基礎(chǔ)上對刀口、活塞、釋放系統(tǒng)以及輔助設(shè)備作了較大改進，并且海試取得了成功。其主要特點是可以在深海底獲取長柱狀樣品，主要用于：海底礦產(chǎn)資源勘探、海洋工程地質(zhì)勘察、全球氣候及環(huán)境調(diào)查研究、海洋地質(zhì)學(xué)觀測研究、進行海洋地質(zhì)填圖勘測。

圖1 長重力活塞取樣器總裝圖Fig.1 The general assembly drawing of the long gravity piston corer

1 長重力活塞取樣器組成及主要參數(shù)

長重力活塞取樣器其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括5大系統(tǒng)包括：1）釋放系統(tǒng)：釋放器（杠桿），副重錘，副重錘鏈條；2）提管系統(tǒng)：提管頭，提管，鉛餅；3）樣管系統(tǒng)：取樣管，管接頭，連接法蘭；4）活塞系統(tǒng)：活塞拉塊，活塞擋塊，皮墊等；5）輔助系統(tǒng)：主、輔托架，滑輪等。

設(shè)備主要參數(shù)包括：1）質(zhì)量：配重總質(zhì)量：2 000 kg（可根據(jù)取樣長度組裝配置）；單塊鉛餅厚：50 mm，直徑380 mm，單塊鉛餅重40 kg；2）提管參數(shù)；提管長2 m，直徑80 mm；3）樣管參數(shù)：取樣管單管長分別是3，4和5 m（可視取樣長度任意組裝），取樣管外徑127 mm，內(nèi)徑116 mm；4）內(nèi)襯管參數(shù)：單根襯管長5 m（可根據(jù)樣管長度截取），襯管外徑110 mm，內(nèi)徑104 mm。

2 考察船及船載支撐設(shè)備

所用考察船俄羅斯科學(xué)院遠東分院的“拉夫任捷耶夫院士”號科學(xué)考察船。該船全長約100 m，寬16 m，吃水6 m，排水量2 500 t，最大航速16 kn，續(xù)航力20 000 n mile，由芬蘭制造。

船載支撐設(shè)備，該船后甲板配置有萬米地質(zhì)絞車1部，輔助絞車2部，4 t塔吊1部，同時還配有20 t A型架并附主、輔滑輪等，能基本滿足長重力活塞取樣器的工作要求（圖2）。

圖2 船載支撐設(shè)備Fig.2 Shipboard equipment

3 長重力活塞取樣器釋放與回收前期準(zhǔn)備

選擇好的天氣對于進行長重力活塞取樣而言至關(guān)重要，由于長重力活塞取樣器在使用上相對于其它地質(zhì)取樣儀器較為復(fù)雜，且部分工作需要在船玄開展，好的天氣有利于儀器的組裝、收放和拆卸，同時又降低了事故發(fā)生率。取樣時一般選擇小于3級海況，晴朗的天氣作業(yè)為最佳。

淺地層資料對于使用長重力活塞取樣器是不可缺少的，取樣前需詳細了解調(diào)查區(qū)沉積物概況，其中包括沉積結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和特點等，并圍繞長重力活塞取樣器的應(yīng)用與俄方科學(xué)家進行研討。

認真分析淺地層資料，尋找適合作業(yè)的地層。作業(yè)點一般選擇在軟泥、粘土，粉砂質(zhì)軟泥或粉砂質(zhì)粘土沉積區(qū)，且沉積物覆蓋率高，無礫石或少礫石沉積為首選。

4 長重力活塞取樣器的釋放與回收

甲板組裝：根據(jù)預(yù)取樣品長度計算所使用配重（鉛餅）的總質(zhì)量，并在甲板上完成鉛餅與提管的組裝。根據(jù)預(yù)取樣長度選擇所用取樣管長度、并在甲板上完成組裝。加入襯管后，視樣管長度用強力膠帶連接襯管，然后把附加纜的一端（連接活塞的鋼纜）從樣管下部穿過至上部法蘭穿出，再擰緊上端法蘭及下端的刀口（圖3）。

將提管及樣管移至側(cè)舷托架：把組裝好的提管用塔吊吊至側(cè)玄托架上，然后再把樣管吊上托架，用專用螺絲將提管與樣管連接，再用主托架上的安全銷把重力活塞取樣器固定好（圖4）。

圖3 重力活塞取樣器提管及樣管組裝示意圖Fig.3 A assembling schematic diagram of lifting pipe and sampling pipe of the long gravity piston corer

圖4 重力活塞取樣器提管及樣管吊上側(cè)舷托架示意圖Fig.4 A schematic diagram of the broadside cradle for lifting up the gravity piston corer

把取樣器由側(cè)舷移至船尾：在主托架（能360°旋轉(zhuǎn)）、側(cè)玄絞車、輔助滑輪的幫助下把取樣器豎起，由塔吊轉(zhuǎn)移至船尾部（圖5）。

與杠桿及主絞車對接：儀器移至船尾后，將A型架外擺成120°，使取樣器與地質(zhì)絞車（主絞車）所攜主纜上的杠桿（釋放器）連接。后在輔助絞車的協(xié)助下，把副重錘掛在釋放器上（圖6）。

正確選擇副重錘鏈條長度及附加纜（拉活塞的鋼纜）長度：選擇好副重錘鏈條長度，附加纜長度對于重力活塞取樣至關(guān)重要。如果副重錘鏈條太長，附加纜短會出現(xiàn)取樣器釋放后未到海底，而活塞就已拉起的現(xiàn)象。反之，如果附加纜太長，副重錘鏈條短則出現(xiàn)沖擊力不夠，導(dǎo)致活塞行動滯后的現(xiàn)象發(fā)生。總之，取樣器觸底前拉動活塞及觸底后活塞滯后拉起都不可取，只有當(dāng)取樣器觸底后樣管下行的瞬間活塞抽起并同步上移才視為最佳效果，任何活塞與取樣器不同步工作的現(xiàn)象發(fā)生都會直接影響到取樣的質(zhì)量和所取樣品的長度（表1）。

圖5 重力活塞取樣器提管和樣管示意圖Fig.5 A schematic diagram showing how to sling the corer at the broadside and transfer it to the back deck

圖6 與主絞車對接圖Fig.6 A schematic diagram showing the linking between the corer and the main winch

表1 副重錘鏈條長度、附加纜長度、重力活塞取樣器總長度及釋放高度之間的關(guān)系Table 1 The relationship among the release height，the chain length of heavy hammer，the length of attached cable and the total length of the gravity piston corer

5 長重力活塞取樣器取樣工作原理及程序

當(dāng)主纜下放前，首先根據(jù)擬取樣長度，調(diào)整副重錘鏈條的長度并設(shè)置好釋放高度（釋放高度為取樣器全長減掉副重錘鏈條長度），同時，計算好副重錘質(zhì)量（副重錘質(zhì)量一般為取樣器總配重的約10%），留足附加纜長度余量。主纜下放時，杠桿（釋放器）上的副重錘牽拉著釋放器安全下放。在取樣器即將到達海底時，副重錘首先觸底，牽拉力消失，釋放器杠桿失去平衡，觸發(fā)釋放器釋放，整個取樣器在設(shè)定釋放高度上脫鉤釋放，靠自身重量及自由落體獲得的動能貫入地層，此時取樣器內(nèi)活塞鎖定在海底表層的位置上，隨著取樣管貫人海底的深度不斷加大，活塞在取樣管中的相對位置逐漸上移，隔開了靜水壓力對樣品的影響，活塞中的球閥，在取樣器下落和貫人海底時在管內(nèi)水壓作用下打開，而提起時關(guān)閉，以保護樣品免受海水沖刷。同時消除了沉積物被非均勻壓實的現(xiàn)象，使取出的芯樣長度幾乎與取樣管貫入深度相等。而刀口的作用是防止所取芯樣在提起時脫落。當(dāng)主纜回收儀器至海面時，再重復(fù)釋放時的程序，使取樣器又重新回到后甲板上，然后卸下刀口，抽出襯管，完成一次取樣（圖7）。

圖7 重力活塞取樣器海底取樣示意圖Fig.7 A schematic diagram showing the bottom sampling of the corer

6 獲得的樣品與數(shù)據(jù)

從鄂霍茨克海的不同位置、不同水深的沉積物中獲取長重力活塞樣品6個，累計樣品總長度達49.70 m，詳見表2。

表2 中俄國際合作項目-鄂霍茨克海地質(zhì)調(diào)查巖芯記錄表Table 2 Core record form for the Geological Survey in the Okhotsk Sea，the China-Russian International Cooperation Project

7 結(jié) 語

長重力活塞取樣器在鄂霍茨克海的應(yīng)用中，獲取的巖芯長、樣品量大、質(zhì)量高，可以滿足多參數(shù)、長時間尺度的古環(huán)境和古氣候研究的需要。在鄂霍茨克海3 361 m的深海區(qū)獲取的10.9 m長長柱狀樣品，是迄今為止我國利用自己設(shè)計的重力活塞取樣器在深海獲取的最長柱狀樣品。同時，通過高分辨率沉積巖芯研究，以恢復(fù)重建鄂霍茨克海及西北太平洋的古海洋及氣候演化歷史，為將來環(huán)境變化研究及氣候預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

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