“雪龍2”號長柱狀取樣器的極地應用

袁東方 王碩仁 陳清滿 沈悅 廖周鑫

(中國極地研究中心,上海 200136)

提要 中國南北極科考為極地生態、氣候等學科發展提供了豐富的數據資源,其中海底沉積物取樣是歷次科考所涵蓋的內容之一。在國際上,箱式、蚌式和多管采泥器作為常規的表層沉積物取樣設備。在我國,應注意到在長柱狀沉積物取樣設備上和國外存在很大差距,增強沉積物取樣能力為時下迫切需要解決的難點之一。早期服役的“雪龍”號極地科考船不具備搭載長柱狀取樣器的能力,采用的為總長度小于8 m 的普通重力取樣器來進行柱狀沉積物取樣作業,所獲取的沉積物巖心樣品長度較短,一般在4～6 m。從2019年7月11日始,“雪龍2”號正式交付自然資源部并加入我國極地考察序列。“雪龍2” 號配備達到國際主流水平的總長度22 m 的長柱狀重力活塞取樣器。該取樣器分別在南北極進行了首次應用,成功獲取了長度超過18 m的高質量長柱狀沉積物樣品,取心率超過80%,極大增強了我國在極地考察過程中采集高質量長柱狀沉積物樣品的能力。

0 引言

海底沉積物取樣是海洋沉積學研究的重要手段和基礎工作。為對海底沉積物類型、結構構造、物質組成和地層層序等進行直接分析,需從海底取得足夠的沉積物樣品,一般可分為表層沉積物取樣和柱狀沉積物巖心取樣。目前海底沉積物取樣常用到的設備主要有: 箱式采泥器、蚌式采泥器、多管采泥器、重力柱狀取樣器、電視抓斗、巖石拖網等。這些裝備主要用于常規采集海底表面或數米深度范圍內的沉積物樣品。若開展海底以下十米、數百米甚至數千米的樣品采集,則需要使用長柱狀重力活塞取樣器(指樣品管長度超過10 m 的取樣器,下同)和海底鉆探等方式來完成。對于長柱狀重力活塞取樣器的配置能力是衡量一艘考察船地質調查能力的主要指標[1]。

我國極地海洋科學起步較晚,與發達國家相比,海底沉積物取樣裝備性能也相對落后。表層沉積物取樣器(箱式采泥器、蚌式采泥器和多管采泥器等),在我國已經作為常規取樣設備使用,總體性能與國外同類產品相近,在歷次南北極考察中都參與了科考作業,取得了大量的表層沉積物樣品。但是在長柱狀沉積物取樣方面,在樣品長度這一關鍵指標上和國內外存在很大差距。

2005年至 2006年,法國科考船“Marion Dufresne”執行全球海洋變化研究(IMAGES)計劃時,配備并使用了60 m 長的長柱狀取樣器,獲取了超過50 m 長的沉積物柱狀巖心[2-3]。2012年6月,在中法合作“南海深部環流CIRCEA”航次中,使用長柱狀取樣器在南海北部進行7 個站位的作業,取得了最長50.80 m 的沉積物柱狀巖心,最短的也有31.91 m[4]。

相比于國外已經使用的長柱狀取樣器,國內在極地考察中還未搭載過類似裝備,“雪龍”號破冰船受限于原始結構,不具備搭載長度超過10 m 的柱狀取樣器的能力,在“雪龍2”號服役以前,幾乎都是采用重力取樣的方式進行柱狀沉積物采樣,采集的樣品長度普遍較短,缺乏長度超過10 m 的高質量巖心作為研究材料,長柱狀沉積物取樣技術明顯落后,亟待在極地科考船配備長柱狀取樣器,以彌補我國極地研究缺少高質量長柱狀沉積物樣品的空白。

“雪龍2”號隸屬于自然資源部中國極地研究中心。作為我國第一艘國內深化設計并自主建造的極地科考破冰船,“雪龍2”號破冰能力為PC3 級——可在兩極水域混有陳冰的次年海冰中航行作業,艏向和艉向航行均能連續以2～3 節的速度破厚度不低于1.5 m 水平冰(外加0.2 m 雪)。艏向航行具有沖撞破冰能力,艉向航行時能確保在20 m 厚當年冰冰脊(含4 m 堆積層,外加0.2 m雪)中不被卡住[5]。“雪龍2”號配備了先進的絞車、A 架和地質取樣設備,使搭載長柱狀取樣器成為了可能。“雪龍2”號在可行性研究和設計階段,就提出選用長柱狀取樣器作為地質沉積物取樣的設備。長柱狀沉積物取樣器的取樣長度是衡量取樣能力十分重要的技術指標,“雪龍2”號是我國極地科考船中首次配備22 m 的長柱狀取樣器,達到國內和國際主流水平(表1)。

表1 國內外科考船配備的長柱狀取樣器長度參數對比表Table1.Comparison table of length parameters of long column gravity corer equipped on research vessels in domestic and abroad

1 “雪龍2”號長柱狀取樣器的設計和實現

“雪龍2”號配備的為英國Ocean Scientific International Ltd.(簡稱OSIL)生產的長柱狀取樣器(Giant Piston Corer,GPC),是世界上知名的取樣設備(圖1)。中國自然資源部第一海洋研究所“向陽紅01”號、中山大學、英國地質測量局、美國斯克里普斯海洋學研究所、韓國海洋科學科技研究所、印度地質調查局以及日本海洋地質開發機構等國內外一系列科研院所都使用OSIL 提供長柱狀取樣器,并已在全球范圍內成功地取得長柱狀沉積物樣品。取樣器主要適用于質地柔軟的細粒級沉積物中取樣,僅僅依靠重力貫入海床,不需要任何電力輸入就能在深海中使用。該設備主要運用于沉積學、地球化學和古海洋學研究。

圖1 長柱狀取樣器結構圖(單位: mm)Fig.1.Structure of the Giant Piston Corer (Unit: mm)

1.1 原理

普通重力取樣器靠重力貫入沉積層內,沉積物從底部刀口處進入取樣器內部,結構簡單,易操作,但取樣管長度短、取樣極限長度有限。OSIL長柱狀取樣器在襯管內加裝了活塞,通過活塞纜拉動活塞向上運動,在取樣器刀口貫入沉積物的時刻,活塞纜立即拉直產生一定的張力(該張力應足以克服活塞與樣品管內壁之間的摩擦力),使活塞在取樣器的整個貫入過程中始終保持在沉積物表面位置,依靠樣品管與活塞之間的相對運動在樣品管內部形成一定的負壓環境,從而有效地降低進入樣品管內的沉積物樣品與樣品近內壁之間的摩擦力(稱為“內摩阻”)的影響,進而達到減小樣品壓縮和提高取心率的目的[6]。長柱狀取樣器工作過程分為如下幾步。

1.下放過程。組裝好長柱狀取樣器,根據取樣管長度設置活塞纜和重錘纜繩長度。下放時重錘纜繩和長柱狀取樣器相互平行,不相互纏繞,然后安全下放到海底,如圖2a 所示。

2.釋放過程。當長柱狀取樣器達到海底后,由于重錘纜繩較長,重錘首先貫入海底,重錘的重量消失,機械釋放裝置失去平衡,機械臂抬起,觸發機構打開,長柱狀取樣器開始自由下落,如圖2b 所示。

3.自由下落過程。當釋放機構觸發后,長柱狀取樣器在水中垂直做自由下落運動,取樣器下端剛剛接觸海底時,此時活塞纜剛好拉直受力,如圖2c 所示。

4.貫入過程。當長柱狀取樣器自由下落一段距離后,會以極大的速度貫入海底,此時活塞纜拉著活塞在樣品管內做相對運動,活塞運動產生的負壓環境將沉積物樣品不斷的抽入樣品管內,直到長柱狀取樣器停止貫入,如圖2d 所示。

5.回收過程。取樣完成后,絞車回收纜繩,活塞纜拉動活塞達到樣品管最頂端,將整個取樣器從海底沉積層中拉出,從而完成了一次取樣過程,如圖2e 所示。

圖2 長柱狀取樣器取樣原理圖.a)下放過程; b)釋放過程; c)自由下落過程; d)貫入過程; e)回收過程。Fig.2.Scheme of sampling with Giant Piston Corer.a) descent; b) releasing; c) fail (G-speed); d) penetration; e) extraction and lift.

1.2 技術參數

“雪龍2”號裝配的OSIL 長柱狀取樣器由主體配重、活塞系統、取樣管、管接頭、活塞纖維纜(31 m)、刀口(帶花瓣)、觸發機構等組件組成,其技術參數如下表所示(表2)。

表2 長柱狀取樣器技術參數Table 2.Technical parameters of Giant Piston Corer

1.3 觸發模式

該長柱狀取樣器配備兩種觸發機構: 聲學釋放器和平衡錘釋放器,可以根據現場情況選擇觸發方式(表3)。

1.3.1 聲學釋放

利用船載測深儀獲得作業站位處比較準確的水深,按照實時顯示的取樣器下放深度和預定的釋放距離,通過甲板單元向應答器發送聲學信號,到達特定深度后,啟動應答器上的驅動電機完成釋放操作。聲學釋放系統由聲學應答器和釋放支架組成,聲學釋放觸發通過甲板單元完成(圖3a)。聲納高度計PSA916 和聲學調制解調器ATM965安裝在主體配重端其中一個裝配重塊的管子里,用于準確測量取樣器到海床的高度(圖3b)。測得的數據通過聲學調制解調器傳回甲板單元,一旦取樣器到達釋放高度,甲板單元就發送釋放指令給聲學應答器釋放,取樣器做自由落體運動貫入海底獲取沉積物巖心樣品。

1.3.2 機械釋放

觸發臂釋放由觸發臂和平衡錘組成,平衡錘系在觸發臂上以保持平衡,關閉觸發機構。當平衡錘抵達海底后,觸發臂上的負載消失使觸發機構觸發,釋放取樣器自由落體貫入海底。取樣器下落的高度可通過連接平衡錘的纜繩長度來調節(圖4)。

“雪龍2”號裝配的長柱狀取樣器配備了聲學和機械兩種觸發機構,在作業的過程中由于其操作原理的差別各有優缺點(表4)。聲學觸發釋放對于海況和絞車要求較高,由于“雪龍2”配備的絞車沒有動態補償以及動力定位(Dynamic Positioning,DP)下的干擾問題,在現場作業時一般選擇機械觸發作為長柱樣取樣方式。

1.4 設計和實現

長柱狀取樣器由于具有活塞機構,所以其下放和回收相比于普通重力取樣器要繁瑣很多,需要多臺支撐設備的配合才能完成。“雪龍2”號在進行可行性研究和初步設計時即提出配置長柱狀取樣器,以提高中國極地考察沉積物取樣能力,同時對后部作業甲板進行了精心布局,滿足22 m 長柱狀取樣器的作業要求(圖5)。“雪龍2”號配備了側舷π 架及其輔助絞車、地質絞車、6 t 折臂吊和翻轉機構,并依靠這些甲板支撐設備完成長柱狀取樣器的沉積物取樣工作。這也是中國科考破冰船首次配備長柱狀取樣器。隨著“雪龍2”號入列考察航次,中國科考船可以在更高的緯度進行科考作業,進入之前“雪龍”號無法作業的區域,完成高質量長柱狀巖心的取樣工作。

2 現場應用案例

2.1 試航驗收

2019年8月27日,“雪龍2”號在南海對長柱狀取樣器進行海試驗收,取樣位置為: 19°32′ 36′′N,114°53′12′′E; 水深1588 m; 長柱狀取樣器配備取樣管22 m,配重為4×315 kg,總重3.4 t; 采用機械臂觸發方式作業,作業期間海況良好。“雪龍2”號配備的淺地層剖面儀還處于調試階段,無法獲取有效的地層數據,首先用小的平衡錘取樣器進行試取樣,初步確定了海底沉積物特征后才開始進行長柱狀取樣器的作業。整個作業從14:30 開始,22:30 結束,用時10 小時,完成了第一次取樣作業,取得巖心長度為18.45 m(圖6)。

表3 觸發機構技術參數Table 3.Trigger mechanism technical parameters

圖3 a)聲學釋放連接圖; b)高度計安裝結構圖Fig.3.a) Acoustic release connection diagram; b) installation structure drawing of altimeter

圖4 機械釋放結構圖Fig.4.Structure diagram of mechanical release structure

表4 機械釋放和聲學釋放對比表Table 4.Comparision of mechanical release and acoustic release

圖5 長柱狀取樣器布置圖Fig.5.Layout of Giant Piston Corer

2.2 南極應用

2019年12月14日,“雪龍2”號在南極宇航員海進行首次極地現場應用,作業位置水深3738 m; 使用淺地層剖面儀測得沉積層厚度超過40 m; 長柱狀取樣器配備取樣管22 m,配重為4×315 kg,總重3.4 t; 采用機械臂觸發方式作業; 作業期間海況良好。作業于21:00 開始,次日4: 00 結束,用時7 小時,獲取樣品長度為18.36 m。這次長柱狀取樣作業也創造了中國在極地考察中柱狀沉積物取樣長度的新紀錄,獲取了高質量的長柱狀巖心樣品。

圖6 南海海試取樣作業Fig.6.Sea test sampling operation in the South China Sea

2.3 北極應用

2020年9月7日,“雪龍2”號在北極北風海盆(Norehwind Basin)進行長柱狀取樣器作業,作業位置水深1870 m; 使用淺地層剖面儀測得沉積層厚度超過50 m; 長柱狀取樣器配備取樣管22 m,配重為6×315 kg,總重4 t; 采用機械臂觸發方式作業; 作業期間海況良好; 作業從9:00開始,于13:00 結束,用時4 小時。長柱狀取樣器貫入深度約19 m,獲取巖心長度18.65 m,平衡重錘取樣0.95 m。這次長柱狀取樣作業又一次創造了中國在極地考察中柱狀沉積物取樣的新紀錄。

2020年8月31日,“雪龍2”號在北極進行一次未加活塞的長柱狀取樣器作業,作為普通的重力取樣器進行沉積物取樣; 作業位置水深1574 m; 淺地層剖面儀測得沉積層厚度超過40 m; 長柱狀取樣器配備取樣管16.5 m,配重為6×315 kg,總重3.8 t; 作業期間海況良好。作業從9:00 開始,于11:00 結束,用時2 小時; 絞車速度70 m·min-1; 長柱狀取樣器16.5 m 全部貫入沉積層,取得巖心6.75 m。這次未加活塞的長柱狀取樣作業也突破了中國北極考察中普通重力取樣器的最長取樣記錄。

2.4 南北極作業數據分析

影響取樣長度的因素很多,根據杜星[7]、李民剛[8]等人的相關研究,當取樣器參數確定后,取樣長度和取樣器截面積、沖擊速度、取樣管截面積、沉積物類型等有一定關系,同時受海況、操作因素影響很大。這也導致了長柱狀取樣器在南北極取樣的差異,即使在北極的不同區域取樣長度也有不同。

“雪龍2”號入列之前,主要是由“雪龍”號執行南北極考察任務。“雪龍”號所搭載的重力取樣器為普通重力取樣器,取樣管長8～9 米,配重1.5～2 t。由于南北極沉積層的差異,導致其在南北極作業獲取的巖心長度也有很大的區別(表5)[9-16]。從部分南北極考察航次獲取的巖心長度數據可以看出,普通重力取樣器在北極中高緯獲取的巖心長度普遍很短,在3～5 m 范圍內。南極區域地形復雜,在陸架淺水區沉積物致密堅硬,取樣困難; 部分地區沉積物質地松軟,沉積層厚度大,取樣長度較長,中國第32 次南極科學考察曾在南極半島附近使用8 m 的取樣管獲取了長度8 m 的柱狀巖心樣品,但普通重力采樣器能夠達到100%取心率只是個例,普遍取心率很低[17-18]。

表5 部分南北極考察重力取樣器取樣信息Table 5.Partial sampling information with gravity corers at Antarctic and Arctic areas

相對于普通重力取樣器,長柱狀取樣器在南北極的作業取心率非常高,“雪龍2”號在南極獲取的18.36 m 長巖心的取心率為83%,在北極獲取的18.65 m 長巖心的取心率更是高達98%,“海洋六號”在南極獲取的8.6 m 的長巖心的取心率為96%。

3 作業要點分析

截至目前,“雪龍2”號長柱狀取樣器雖然應用的次數較少,但是每次使用都取得超過18 m 的高質量巖心樣品,為未來南北極考察海洋地質研究提供了強有力支持。通過這幾次作業的歷練,“雪龍2”號作業團隊對于長柱狀取樣器作業流程和甲板操作愈加熟練,作業所用時間越來越短,完全有能力承擔南北極考察長柱狀取樣器的作業任務。雖然這幾次應用下放和回收都順利,但是由于長柱狀取樣器在作業過程中需要參與的人員多,作業節點多,每次作業還是存在著很大的風險,需要通過不斷總結和改進來完善收放流程,規避可能發生的風險,保障作業順利進行。

(1)在作業前選擇2～3 個作業點,使用淺地層剖面儀進行地層掃描,確定最適合進行長柱狀取樣器作業的位置。南北極作業期間浮冰較多,且作業時間較長,要選擇開闊少冰的區域,在長柱狀取樣器下放前要再次確認浮冰范圍,防止浮冰對纖維纜的破壞。開啟船舶DP 定位功能,在最后觸底階段要降低速度,時刻監控絞車運行狀態和拉力值,及時判斷是否觸發。將取樣器從海底拔出的時候要緩慢操作絞車,時刻關注絞車拉力數值,“雪龍2”號地質絞車拉力在13 t 左右即可將取樣器拔出沉積層,隨著取樣管長度的增加,拉力值也應該會相應增加。

(2)長柱狀取樣器的聲學釋放對于海況和設備要求較高,“雪龍2”號配備的地質絞車無動態補償功能,若使用聲學釋放存在一定風險,目前“雪龍2”號三次長柱狀取樣器作業都使用了機械釋放方式。機械釋放雖然下放和回收過程比較繁瑣,但是可靠性高,對絞車和海況要求沒有聲學釋放高,可保障取樣成功率。另一個優勢是平衡錘取樣管獲取的樣品可以彌補長柱狀取樣管內表層樣品的擾動和失真的缺陷。

(3)熟練的工作團隊可以提高作業安全性和作業效率。“雪龍2”號長巖心取樣作業從試航驗收時的10 小時到北極考察的4 小時,是一個很大的飛躍(不考慮組裝和分樣時間)。作業時間的縮短主要是因為有一個協調高效的工作團隊,現場作業人員配合默契,對于絞車、A 架、吊車以及翻轉機構的操作已經有了充分的自信。

(4)不斷改進和優化作業流程,配備專業工具,可以更有效的進行作業。例如在進行活塞纜倒纜作業時,需要將活塞纜上的35 T 卸扣拆下,以便于活塞纜可以順利卷到輔助絞車上。以往作業時這個步驟很難操作,因為蝴蝶扣直徑很小,35 T 卸扣很大,取樣器4 t 的質量將繩頭緊緊的夾著卸扣,人力幾乎根本無法將卸扣移除,南海試航過程中取下這個卸扣耗時2 小時。鑒于以往的作業經歷,北極航次配備了液壓擴張器,使該步驟僅耗時一分鐘。

(5)倒纜作業是回收長柱狀取樣器的最關鍵節點之一,需要加倍小心。倒纜需要的短纜繩的承重力不小于8 t,且每次使用前都要檢查纜繩的狀態,有磨損或斷裂要立即更換,防止在倒纜過程中纜繩斷裂,提高設備的安全性。

(6)樣品管接頭制作要平整,兩個插口之間的間隙應盡可能的小,不要出現缺口等缺陷。兩個插口對接后用布基膠帶纏繞數圈,做到完全密封。若插口存在縫隙或者缺口,會影響活塞在樣品管內的運動,容易造成外部海水進入取樣管(圖7)。

圖7 樣品管接口制作Fig.7.Production of sample tube interfaces

(7)檢查機械釋放結構上靜水壓力釋放器功能是否良好,可以保障在開始下放的過程不會中途脫鉤,是防止誤操作的最后一道安全措施。作業前后要對其進行檢查,尤其是長時間不用時,需要解體保養。在長柱狀取樣器下放開始前要對其進行放氣處理。

(8)長柱狀取樣器作業程序復雜,需要制作取樣管套管、組裝取樣管、安裝活塞、加裝機械觸發裝置,還要通過兩次倒纜才能將長柱狀取樣器回收到翻轉機構框架內,準備時間和作業時間都比較長。在中國第11 次北極科學考察過程中,取消長柱狀取樣器活塞、機械釋放結構、平衡錘,直接用地質纜連接長柱狀取樣器,用作普通重力取樣器進行作業,這種模式操作方便高效,取樣管可以根據需要隨意組合,不需要制做取樣管的接頭,布放和回收都比較簡單,獲取的巖心樣品也較長,在部分區域使用這種方式也是一種作業模式(表6)。

表6 各種取樣器采樣作業對比表Table 6.Comparison of sampling procedures with different sampling equipments

(9)北冰洋中央海域沉積物中有機質含量低,黏度高,海底4 m 以下沉積物非常致密,對長柱狀取樣器的貫入深度造成一定困難。“雪龍2”號長柱狀取樣器長22 m,重量4000 kg,但是在取樣過程中取樣管只貫入沉積層19 m 左右。若要獲取更長的沉積物巖心樣品,還需要適當的增加配重,或者增加活塞纜長度,提高沖擊距離。由于長柱狀取樣器在北極高緯度區域第一次應用,取樣數據還需要進一步積累。

4 小結和展望

長柱狀取樣器是目前科考船安裝的主流柱狀沉積物采樣設備,在國外應用已經非常廣泛,已經是現代科考船的標配設備。最近幾年國內新建的科考船才開始配備長柱狀取樣器,并在大洋作業中進行應用,其所獲取的長柱狀巖心樣品是普通重力取樣器獲得樣品長度的數倍。由于長柱狀取樣器作業程序繁瑣,一次作業時間長,所以在南北極考察過程中作業次數比較少,但是相對于獲取的高質量長柱狀巖心,增加長柱狀取樣器的作業次數意義重大。

“雪龍2”號配置的22 m 長柱狀取樣器首次在極地應用就獲得了超過18 m 的長柱狀巖心樣品,標志著中國已經具有在南北極中高緯地區進行高質量長柱狀巖心取樣工作的能力。隨著南北極考察的逐年開展,“雪龍2”號將采集更多的巖心樣品,為新生代以來極地海洋環境和海冰/冰蓋演化歷史的研究提供豐富的樣品支持。