海底冷泉原位觀測裝置研究回顧與展望

張云山，賈永剛,2,3，尉建功

1. 中國海洋大學，山東省海洋環境地質工程重點實驗室，青島 2661002. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室，青島 2660613. 中國海洋大學，海洋環境與生態教育部重點實驗室，青島 2661004. 中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州 510760

冷泉是以水、碳氫化合物、硫化氫或二氧化碳為主要成分，受壓力梯度影響從沉積體中運移和排放出，溫度與海水相近并具有一定流速的流體[1-3]。冷泉在全球分布較廣（圖1），廣泛發育于活動和被動大陸邊緣海底[4-6]。迄今為止，我國海域共發現有7大冷泉區，主要分布于東海（沖繩海槽）和南海（臺西南海域、東沙群島、西南海域、神狐海域西南海槽以及西沙海槽）[7]，僅在南海北部就存在30多個滲漏點[8-9]。海底冷泉多由天然氣水合物滲漏形成，會向海洋和大氣排放大量CH4，與天然氣水合物資源、溫室效應以及極端環境下生物的演化等重大問題密切相關[10-12]。因此，1983年冷泉在墨西哥灣佛羅里達陡崖一經發現[13]，便迅速成為研究熱點。

圖1 全球冷滲漏位置[6]Fig.1 Schematic map showing global distribution of cold seeps[6]

目前，冷泉的研究方法主要有地球物理方法、地球化學方法、地球生物方法以及原位觀測方法。地球物理方法主要包括地震探測、多波束測深、旁側聲吶、淺地層剖面儀、海底可視觀測等[8,14]，能夠有效識別海底地形地貌，識別海底冷泉地質標志和冷泉運移通道，識別可能發生海底滲漏的區域。地球化學方法主要通過對冷泉區海水溶解成分、孔隙水以及沉積物中的特殊離子進行分析，識別天然氣水合物資源以及冷泉滲漏特征。例如，冷泉系統中與甲烷厭氧氧化耦合的微生物硫酸鹽還原作用（AOM-MSR）是甲烷最主要的消耗方式，冷泉系統中硫的生物地球化學過程及其沉積記錄的研究為探究甲烷在地球表層環境演化中的角色奠定了基礎[15]；測定海底沉積物孔隙水中的CH4、SO42-濃度及溶解無機碳的碳同位素組成可以用來識別目前正在發生的甲烷滲漏活動[16]；對海底表層沉積物的元素分析可以了解冷泉區域冷泉形成背景以及碳酸鹽巖的形成機理[17]。此外，研究冷泉區C、S等元素的化學反應，對地球化學循環、海洋生態環境以及溫室效應等有重要意義。冷泉生物系統是依托海底冷泉形成的重要生物群落，也是指示海底冷泉非常直接的標志，而且冷泉生物群落一定程度上能指示流體流動方向和大小等特性[18]，研究冷泉生物對冷泉生命的起源與演化也有重要意義[19-20]。

冷泉原位觀測主要觀測指標有滲流通量、溫度、pH、電導率、CH4濃度、CO2濃度等。相較于實驗室分析，在海底冷泉區直接對滲漏流體進行分析，能最大限度地保證樣品的原始性和可靠性，而且還可以長時間連續地獲取數據，對冷泉流速、物質濃度變化等研究具有重要意義。此外，對冷泉滲漏通量進行觀測，也具有十分重要的意義。甲烷既是重要溫室氣體[21]，又是地球上碳的主要存在形式之一[22]，測量海底冷泉滲漏通量對全球溫室效應和全球碳循環的研究有重要意義[23-25]。冷泉原位觀測在海底冷泉調查研究中具有不可替代的作用。

1 冷泉滲漏氣體通量原位觀測裝置

由于和溫室效應、碳地球化學循環等問題密切相關, 冷泉滲漏氣體通量監測一直是國內外研究的重點。原位監測冷泉滲漏氣體通量的方法有很多，用于海底冷泉滲漏氣體通量原位觀測的裝備也有很多，但目前并沒有統一的分類方法。本文根據工作原理，將這些裝備分為冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置和冷泉滲漏氣體通量間接觀測裝置兩種。

1.1 冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置

最早的冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置于2001年由加州大學計算地球系統科學研究所Washburn等[26]研發，該裝置是一個漂浮式氣泡通量測量裝置（圖2），用于測量從海底上升到海面的冷泉滲漏氣體通量。該裝置通過圓錐形收集器收集海底滲漏產生的氣泡，氣泡和海水在收集室內形成氣-水界面，使收集室與周圍海水之間的壓力差發生變化。當收集室與周圍海水之間的壓力差達到預設的壓差值，微型計算機將收集室的電磁閥打開，收集室中收集的氣體被釋放，然后開始新一輪的收集。根據記錄的電磁閥打開的次數, 可知部署時間內海底冷泉滲漏氣泡通量。該裝置布設簡便，工作時基本實現自動化，測量方便，但是受潮汐和波浪影響較大，只能在無風少浪的情況下使用。

圖2 通量浮標示意圖[26]Fig.2 Gas-capture buoy for measuring bubbling gas flux [26]

與漂浮式氣體通量測量裝置相比，坐底式的氣體通量測量裝置受潮汐和波浪影響較小，可以固定在冷泉滲漏地點進行觀測。2005年，加州大學斯克里普斯海洋科學研究所Leifer等[27]研發了一個海底冷泉滲漏流量測定裝置（圖3）。該裝置在布放時底面鑲入海底，圓錐與海底面形成密封狀態。工作時圓錐形收集器收集海底冷泉滲漏產生的氣泡，氣泡使帳篷內的海水產生上升流，經過濾網過濾后，驅動渦輪機轉動，根據渦輪的旋轉速度，計算氣泡通量。該裝置結構簡單，布設方便，受潮汐和風浪影響較小，但對于滲漏氣泡通量較小的區域精確度不高，適用于滲漏氣泡通量較大的地區。

圖3 渦輪滲漏示意圖[27]Fig.3 Schematic diagram of CAT meter[27]

2012年，中國科學院邊緣海地質重點實驗室邸鵬飛等[28]研制了一套海底冷泉滲漏氣體原位在線測量裝置（圖4），用于測量海底冷泉氣泡滲漏通量。與通量浮標原理類似，該裝置同樣采用排空氣法測量海底滲漏氣體通量，理論上可測量通量極小的海底滲漏，但并不適用于氣體通量較大的地區。通過試驗測得的測量范圍為0～15300 mL/min，測量誤差為±1%。

圖4 海底冷泉天然氣滲漏原位在線測量裝置[28]Fig.4 Schematic diagram of in situ on-line measuring device of gas flux at marine seeping sites[28]

同樣基于排空氣原理，美國新罕布什爾大學海岸和海洋測繪中心Padilla等[29]研發了一套氣泡捕捉裝置（圖5）。相較于前兩種裝置，該裝置搭載有水下攝影機，且氣體收集室是一個量筒，可實現冷泉滲出氣體通量的實時觀測。

圖5 氣泡捕捉裝置[29]Fig.5 Bubble catch device schematic[29]

由于此類裝置測量范圍較小且成本較高，因此近年來對其研究較少。但此類裝置可應用于微小滲漏氣體通量的測量且精度較高，可作為間接測量裝置的輔助裝置，提高間接測量的精確度。

1.2 冷泉滲漏氣體通量間接觀測裝置

由于冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置容易對冷泉滲漏氣泡產生擾動且測量范圍較小，有學者研究了非接觸式的氣泡通量測量的裝置，這些裝置按照工作原理可分為基于聲學信號的氣泡通量測量裝置和基于光學信號的氣泡通量測量裝置。

1.2.1 基于聲學信號的氣泡通量觀測裝置

基于聲學信號的冷泉滲漏氣體通量測量裝置可以在不對氣泡產生擾動的情況下進行氣體通量測量，是近年來冷泉滲漏氣體通量的主要測量方式之一。

2004年，德國萊布尼茨海洋科學研究所Greinert等[30]進行了一項利用聲波測量海底滲漏氣泡通量的實驗（圖6）。他們利用安裝在底座上的換能器向水平方向發射單束聲波，根據回波強度計算氣泡通量，氣泡通量越大，回波強度越強。

圖6 船塢實驗裝置[30]Fig.6 Scheme of the experimental set-up in the ship dock [30]

但由于該設備發射的聲波為單波束聲波，水平測量范圍有限，于是他們又在該裝置的基礎上研發了基于多波束聲波的GasQuant系統[31]。

GasQuant系統是一個坐底式觀測系統，工作時可由固定在底座以上3 m處的換能器發射由21條光束組成的水聲掃描帶，每條光束垂直寬1.5°，水平寬3°，發射頻率為180 kHz，覆蓋總掃描帶角度63°。該裝置發射的聲波水平有效測量距離為60 m，可部署在距離滲漏較遠處，因此，基本不對沉積物和氣泡產生擾動，但由于體積較大，布設工作較為繁瑣，且換能器位置固定，回波很難反映氣泡的流動信息。

與GasQuant系統相比，向上發射聲波的水柱剖面儀，可以反映海水中氣泡的運動信息（圖7）。水柱剖面儀最初由加拿大ASL Environmental Sciences公司研發，用于觀察浮游生物和魚類[32]，經華盛頓大學Salmi等[33]改進后，可以用于冷泉滲漏氣泡通量測量。該裝置工作時換能器向上發射的聲波，在海水中可向上穿透100 m，根據回聲信號可以獲得海底滲漏氣體通量和氣泡的運動特征，但在實際應用中易受海洋懸浮物和生物的干擾。

圖7 聲學剖面儀[33]Fig.7 Schematic diagram of the water column profiler [33]

近年來，隨著遙控潛水器（ROV）的發展以及人們對于聲波認識的加深，許多學者[34-35]利用拖魚或ROV搭載聲吶系統對冷泉滲漏氣體通量進行觀測。相較于布設在海底的儀器來說，這種觀測方法更加靈活、觀測面積更大，但不適用于精細的滲漏通量測量，在實際應用中可搭配氣體通量直接觀測裝置使用。

除了可以利用主動聲吶對冷泉滲漏氣體通量進行觀測外，還可使用被動聲吶對氣體通量進行觀測。被動聲吶法是指被動接受氣泡本身產生的聲波以測量氣泡通量，不同于主動聲吶法，采用被動聲吶法可以減少海洋懸浮物干擾。

不萊梅大學海洋邊緣研究中心Nikolovska等[36]首次提出利用被動聲吶進行海洋滲漏氣體通量測量，并開發了一套實驗裝置（圖8）。

圖8 被動聲吶實驗裝置[36]Fig.8 Experimental set-up of passive sonar [36]

該裝置首先由氣源產生氣體，氣體經流量計進入收集器，用水聽器記錄氣體流經收集器上方的噴嘴的聲音信號，在計算機上基于Morlet小波分析記錄的聲音信號序列，獲取氣體通量。用流量計測得的氣體通量與基于Morlet小波分析獲得氣體通量進行比較，發現該裝置測量精準度較高。

之后斯克里普斯海洋學研究所Wiggins等[37]利用被動聲吶測量裝置在蘇格蘭和挪威之間的北海22/4b井場進行了長期的原位觀測，獲取了該地區長達7個月的聲學數據。但該方法獲取的聲學數據比較復雜，不僅有氣泡的聲音，而且還有生物產生的聲音。被動聲吶只能大致獲得該地區冷泉氣體噴發速率，無法準確獲取氣體通量。

廣東工業大學龍建軍等[38]設計了用聲波分路器將一個換能器發射的聲波分為兩路，然后利用同源聲波互相關方法測量海底滲漏氣體通量的裝置（圖9），胡柳[39]和張浩[40]利用這一裝置研發了坐底式海底冷泉滲漏聲波測量裝置。該裝置首次采用了同源聲波對冷泉滲漏氣體進行觀測，回波信號較為穩定，但在實際應用中聲波分布器使得聲波損失較大。

圖9 氣泡流量測量裝置[38]Fig.9 Schematic diagram of the bubble flow measuring device[38]

1.2.2 基于光學信號的氣泡通量觀測裝置

光信號雖在水中傳播距離較短，但在海底冷泉滲漏氣體觀測中仍有應用空間。

2003年，加州大學圣巴巴拉分校Leifer[41]使用了荷蘭海牙TNO物理和電子實驗室開發的微型氣泡測量裝置（圖10）和愛爾蘭國立高威大學開發的大型氣泡測量裝置（圖11）觀測了海底冷泉滲漏氣體。

圖10 微型氣泡測量裝置[41]Fig.10 Schematic mini-bubble measurement system [41]

圖11 大型氣泡測量裝置[42]Fig.11 Schematic diagram of Large-bubble measurement system [42]

大型氣泡測量系統可觀察的氣泡范圍為200～5000 μm，可在冷泉滲漏地點進行原位觀測。微型氣泡測量系統可觀察的氣泡范圍為15～500 μm，可觀測冷泉滲漏附近海水中的氣泡通量，確定氣泡的背景分布特征。兩套裝置需水平平行部署，且相機和屏幕的方向垂直于水流方向，以此提高測量精準度。

大型氣泡測量裝置工作時，氣泡由水下燈背光照明，照射在半透明的屏幕上，水下攝像機獲取氣泡流動圖像，然后運用圖像處理軟件計算氣泡的直徑。當氣泡流太密時，需要加裝擋板，擋板防止氣泡距離攝影機過近或通過上升到燈光和照明屏之間產生陰影。微型氣泡測量裝置工作原理與大型氣泡測量裝置類似，不過為了減小體積，微型氣泡測量裝置安裝了多面鏡子，利用反射原理，測量氣泡通量。

較聲學裝置來說，光學測量裝置對滲漏氣泡的觀測更加直觀，但對滲漏氣體通量的測量范圍有待提高。

近年來，得益于ROV的發展，許多學者[43-45]開始利用ROV搭載水下攝影裝置對冷泉羽狀流進行觀測，根據氣泡的大小和上升速率對冷泉滲出氣體通量進行估算，這大大提高了觀測的靈活性。

2 冷泉滲漏液體通量原位觀測裝置

海底冷泉除了會產生滲漏氣體外，還會產生滲漏液體，對海底冷泉滲漏液體通量進行測量也是冷泉原位觀測的研究方向之一。冷泉滲漏液體富含碳氫化物、硫化物、碳酸鹽等物質，其通量觀測于研究海洋環境變化、海底生物群落演化等問題有十分重要的意義。測算冷泉滲漏液體通量的方法也有很多，目前并未形成統一的方法。根據工作原理，冷泉滲漏液體通量原位觀測裝備可分為直接觀測裝置和間接觀測裝置兩種。

2.1 冷泉滲漏液體通量直接觀測裝置

最早的冷泉滲漏液體通量直接觀測裝置，由佛羅里達州立大學Cable等[46]研發，他們根據滑鐵盧大學Lee等[47]設計的用于測量地下水向湖泊中滲透的水和化學物質的通量簡易滲流計，研發了用于測量海底冷泉滲漏液體量的滲流計（圖12）。

圖12 改進后的滲流計[46]Fig.12 Schematic diagram of improved seepage cylinder[46]

該儀器布設時將下部的敞口鋼桶斜著緩慢插入沉積物中，上部留大約2 cm的空隙，保持進氣孔在鋼桶的最高點。布設完成后打開鋼桶和海水之間的閥門靜止24 h，保持鋼桶內與背景環境平衡。待鋼桶與背景環境平衡后，關閉連接鋼桶與海水的閥門，打開連接鋼桶與塑料袋的閥門，海底滲漏液體進入鋼桶，鋼桶內的液體進入塑料袋，根據塑料袋中的海水量可獲得該地區的液體滲漏通量。該儀器結構簡單，成本較低，但收集袋的容積有限，收集時間很難精確把握，測量滲漏液體通量的精確度不高，并不適用于冷泉滲漏流體通量的準確測量。

2.2 冷泉滲漏液體通量間接觀測裝置

冷泉滲漏液體通量間接觀測裝置是通過對滲漏區海水進行采樣，待裝置回收后結合實驗室分析獲得海底冷泉流體通量的一類觀測裝置。

1994年，德國亥姆霍茲基爾海洋研究中心Linke等[48]開發了一套海底滲漏通量測量裝置（圖13）。這套裝置同樣以敞口鋼桶為底座，布設時將鋼桶邊緣摻入沉積物中，與頂部的排氣孔形成半密封空間。布設完成后海水充滿圓桶，海底冷泉滲漏流體會與鋼桶內的海水混合，通過安裝在圓桶內的6個采樣瓶依次定時采集的鋼桶中海水的樣本，回收后進行實驗室分析，根據采樣瓶中溶解組分濃度的變化確定此處的滲漏流體通量。

圖13 海底觀測桶[48]Fig.13 Schematic diagram of the Benthic Barrel[48]

除采集樣品進行實驗室分析外，還可將機械式或利哈伊大學Michael等[49]設計的熱敏電阻流量計通過潛水器插入位于圓桶上部的排氣孔，直接記錄海底滲漏的流量。此外，該儀器還可改裝為內部裝有5個采樣瓶和CTD探頭的配置，以便對觀測地點的電導率、溫度、壓力進行觀測。該裝置雖可對冷泉滲漏液體通量進行直接和間接兩種方式的觀測，但它采樣時的時間分辨率不高，而且采樣還具有一定偶然性，只能適用于流速較小的滲漏區。

與該原理類似，Sommer等[50]研制了BIGO和FLUFO，他們工作時都需要插入海底沉積物中形成半密閉環境，然后利用內部的采樣瓶依次對儀器內部的海水進行采樣，回收后結合實驗室分析確定冷泉滲流通量。這兩個裝置內部帶有圓盤和泵，可將裝置內部海水混勻，保證每次采集樣品的合理性，目前已在多地應用。

加州大學斯克里普斯海洋學研究所Michael等[51]基于滲透壓和同位素示蹤原理研發了一套海底冷泉滲漏流體化學和通量測量儀（圖14）。該裝置同樣利用采樣的方式采集滲漏液體，在采樣期間可自主運行，待裝置回收后對采集到的樣品進行實驗室分析，以獲得滲漏液體通量和化學組成信息。

圖14 海底冷泉滲漏流體化學和通量測量儀[51]Fig.14 Schematic diagram of the chemical and aqueous transport meter[51]

該裝置部署時需將下口敞開的收集箱插入沉積物中，使之形成半密封空間。測量向上的滲流時，海底滲流進入收集箱, 然后沿I/O管向外流出；測量向下的滲流時，收集箱中的海水向下流動，海水通過I/O管補給進入收集箱。

工作時去離子水通過半透膜進入飽和NaCl溶液，其中裝有示蹤劑的彈性容器，使示蹤劑流入I/O管。在海水通過I/O管時，示蹤劑會以恒定的速率注入管道中的海水，示蹤劑采用RbCl溶液，與海水組分不同也不會相互反應。樣品卷管最初都裝滿去離子水，隨著去離子水進入飽和NaCl溶液，流入或流出I/O管的部分流體被收集在樣品卷管中，待裝置回收后進行實驗室分析。此裝置不僅可以分析海底冷泉滲漏流體通量，還可以根據樣品卷管中不同時間采集到的樣品中含有示蹤劑的濃度獲得不同時間海底冷泉滲漏流體的滲漏速率，但該裝置布設時同樣會對沉積物產生擾動，實際應用時要防止I/O管堵塞。

基于海底冷泉滲漏流體化學和通量測量儀的滲透原理，Jannasch等[52]研制了一個滲透取樣器OsmoSampler（圖15a），Solomon和Kastne等[53-54]使用多個滲透取樣器開發了一套海底甲烷流體流量計MOSQUITO（圖15b），旨在觀測冷泉滲漏區不同深度、不同位置的液體流量變化，冷泉滲漏液體微尺度變化特征。

圖15 甲烷流體流量測量裝置 [54] a. 滲透泵，b. 滲透取樣器。Fig.15 Schematic diagram of methane flow measurement device [54] a. Schematic diagram of an Osmo sampler, b. schematic representation of a MOSQUITO.

該裝置通過載人潛水器或水下機器人進行部署，布設完成后鈦毛細管和樣品取樣管在釋放板作用下插入海底沉積物中，示蹤劑作為點源注入海底沉積物，示蹤劑連同沉積物中的孔隙水一起被采集，根據示蹤劑的濃度計算該地區的滲流通量。此裝置可在低至中等流體流速地區進行為期1年以上的原位觀測，但無法應用于高流體流速地區。

除Jannasch、Solomon和Kastne 外，LaBonte等[55]也基于海底冷泉滲漏流體化學和通量測量儀的滲透原理開發了一套高時間分辨率的光學流量計（圖16）。

圖16 光學流量計[55]Fig.16 Schematic diagram of the optical tracer injection system[55]

該裝置工作原理與海底冷泉滲漏流體化學和通量測量儀類似，但滲漏流體流速主要是通過對滲漏流體示蹤劑含量的熒光監測和透光檢測確定，具有高時間分辨率的特點。

目前，BIGO、FLUFO以及基于滲透原理的取樣裝置在世界各地得到廣泛應用。雖在觀測時有一定誤差，但仍在可接受范圍內，迄今為止未見有進一步研究。

3 冷泉滲漏流體化學組分原位觀測裝置

海底冷泉原位觀測除了對冷泉滲漏氣體和流體進行觀測外，還包括對海底冷泉化學組分的觀測。對海底冷泉區海水進行原位地球化學觀測可以實時獲得海水中CH4、CO2、H2S等物質的濃度，對于觀測冷泉滲漏化學物質通量、海洋環境變化、獲得長時間序列的冷泉滲漏速率具有重要意義。根據工作原理，冷泉滲漏流體化學組分原位觀測裝置可分為模擬實驗室原理的冷泉滲漏流體化學組分原位觀測裝置和多學科地球化學觀測站。

3.1 模擬實驗室原理的冷泉滲漏流體化學組分原位觀測裝置

模擬實驗室原理的冷泉滲漏流體化學組分原位觀測裝置是指利用觀測儀器在海底冷泉區對海水進行取樣，然后原位模擬實驗室流程對冷泉進行分析，以獲得海底冷泉化學組分的方法。

在海底溫壓下進行冷泉化學組分分析，拉曼光譜有很大的應用前景。拉曼光譜是一種分子指紋光譜，在物質成分識別和定量分析領域已得到廣泛應用[56-59]。常溫常壓下的拉曼光譜定量分析方法已經比較成熟，但深海條件較為復雜，人們對在此條件下的各種粒子的拉曼光譜認識比較有限,因此拉曼光譜以前在深海多用于定性研究[60-61]。近年來，隨著實驗室深海極端環境模擬實驗工作的進展，人們逐漸掌握了深海極端環境下CH4、SO42-、CO2等目標物的拉曼光譜特征，這為拉曼光譜技術在深海原位觀測的應用打下基礎。

2017年，中國科學院海洋研究所張鑫等[62]研發了一套基于拉曼光譜的深海插入探針。該探針裝配有兩套探頭，一套適用于海底熱液原位觀測，一套適用于海底冷泉原位觀測，本文主要介紹適用于海底冷泉原位觀測的探頭（圖17）。

圖17 基于拉曼光譜的冷泉探針[62]Fig.17 Schematic diagram of the probes for studying cold seep fluids[62]

該探針由ROV搭載插入指定區域，可以測量冷泉區CH4、SO42-、H2S等粒子濃度以及溫度。工作時，冷泉樣品通過ROV上的液壓泵，經探頭頂部進入直徑為2 mm的通道，然后利用探頭內部的光學單元進行測量。

在每次拉曼測量之前，都要用海水沖洗整個系統并收集背景海水拉曼光譜。背景海水光譜將與水下機器人潛水的首個海水光譜進行比較，以檢查光學元件表面上吸附的物質是否有殘留拉曼信號。該裝置可有效測量冷泉區CH4、SO42-、H2S等離子濃度，但由于人們對深海條件下各離子拉曼光譜認識的有限性，可見檢測的離子不多，未來還有很大發展空間。

利用觀測設備直接將海底溫壓條件轉化為正常溫壓條件，然后進行模擬實驗室分析，可解決常規分析方法在海底溫壓下不可用的問題。中國地質大學申正偉等[63]研制了一套深海溶解甲烷原位探測儀（圖18）。

圖18 深海溶解甲烷原位長期監測儀器[63]a. 側視及俯視圖，b. 實物圖，c. 各部件布局圖。Fig.18 In-situ long-term monitoring instrument for deep-sea dissolved methane[63]a. Side view and top view, b. physical drawing, c. layout drawing of various components.

該裝置包括減壓穩流單元、脫氣檢測單元以及氣液處理單元，工作原理為將復雜的海底高壓環境轉換為常壓環境，以保護內部部件和形成良好的檢測環境。海水被采集進入儀器后模擬實驗室檢測流程，先將海水中的氣體分離，然后對分離出的氣體進行甲烷含量的檢測。

工作時（圖19），海水經過濾器進入耐壓倉，經過減壓穩流系統后降為勻速海水，然后由脫氣系統將海水中的氣體分離出來。分離出的氣體經過干擾空氣凈化器過濾后與半導體傳感器發生反應，傳感器的電阻發生變化，以此來檢測海水中的甲烷濃度。脫氣后的海水進入氣液處理系統，最后增壓排出艙外。

圖19 深海溶解甲烷探測儀器工原理圖[63]Fig.19 Schematic diagram of the in-situ long-term monitoring instrument for deep-sea dissolved methane[63]

此裝置模擬實驗室環境，脫氣率高，測量精確度較高，所用甲烷傳感器體積小、操作簡便、可實現原位實時連續觀測，并且可與其他化學、物理傳感器集為一體進行甲烷海底觀測[64-65]，但是只能對CH4濃度進行檢測，還有進一步的提升空間。

3.2 多學科地球化學觀測站

多學科地球化學觀測站基于各種化學傳感器研發，不需要模擬實驗室工作流程對海水進行化學分析。利用坐底式地球化學觀測站對海底冷泉滲漏進行多學科分析，對于認識海底天然氣水合物的分解、碳氫化合物運移、冷泉生物群落演化、冷泉流體活動特征等有重要的科學意義[66-68]。

1998年，意大利國家地球物理研究所Beranzoli等[69]研制了第一個適用于海底冷泉區的坐底式多學科海底觀測系統（GEOSTAR）。該裝置設計工作水深4000 m，最多可在水下工作1年，裝有用于地震、地磁、重力、地球化學和海洋學測量等多學科傳感器，可測量電導率、溫度、深度、湍流、pH、Eh、H2和HS-濃度等指標，但該裝置結構復雜，布設繁瑣，且無法對CH4、CO2等關鍵性指標進行觀測。

之后，意大利國家地球物理和火山學研究所Marinaro等[70]研制了一套用于長期探測海底甲烷泄漏的氣體監測裝置（GMM）（圖20）。該裝置結構簡單，可觀測海底CH4濃度、H2S濃度、溫度、鹽度、深度，最多可在水下運行1年，但對海底地球化學觀測指標仍較少。

圖20 GMM氣體監測裝置[70]Fig.20 The gas monitoring module[70]

德國基爾海洋地球科學研究中心Pfannkuche等[71]研發了一套海底邊界層觀測系統（GEOMAR），設計深度6000 m，可在海底自主工作6至12個月。GEOMAR為多學科觀測裝置，搭載有標準有效載荷設備包括聲學多普勒海流剖面儀、電流表、CTD、立體深海攝像系統、多波束回聲測深儀、沉積物收集器、海水取樣器，可觀測海底邊界層海流測量、顆粒通量量化、聲學氣泡尺寸成像氣流量化、大型海底活動監測、沉積物-水界面流體和氣流測量、沉積物-水界面生物地球化學通量（氧化劑、甲烷、營養物）、深海沉積物和地球生物指標（食物富集、示蹤劑添加、物理和化學環境參數變化）。除此之外，GEOMAR系統上搭載BIGO和FLUFO，使其具備了觀測海底邊界層O2濃度和海底冷泉排放CH4通量的能力。GEOMAR應用前景十分廣泛，未來搭載的傳感器種類也可根據觀測需要進一步添加。

國內方面，中國海洋大學趙廣濤[72]研發了一套海底邊界層原位監測裝置Benvir（圖21），旨在獲取近海底邊界層CH4、CO2、海流、溫度、鹽度、壓力、濁度等參數的長時間序列變化數據[73]，設計工作水深4000 m，工作溫度零下5～45 ℃，電源自給，數據自容儲存，最多可在水下工作40 d。

圖21 Benvir海底邊界層原位監測裝置[72]Fig.21 Benvir-in situ deep-sea observation system[72]

該裝置搭載有水下攝像裝置，在布放時可采用可視化布放，在復雜地形的坐底成功率較高。回收時利用聲學釋放單元和信標單元，裝置接收到信號后釋放配重，僅回收觀測單元和控制單元，待回收單元在浮力材料作用下升至海面，然后利用信標單元查找系統位置進行回收。

除了進行常規的冷泉觀測外，該裝置還可在近海底海水中進行垂向上的微尺度觀測。其自身裝有水下電機，可驅動傳感器組合進行垂向移動，每次移動距離5～10 cm，最大移動距離50 cm，可實現對近海底邊界層微尺度剖面的數據監測，結合湍流數據，可以用來估算海底邊界層物質擴散通量。但該裝置在水下運行時間較短，整體結構也會對水下湍流產生擾動，影響測量精度。

4 結論與展望

近幾十年來，海底冷泉因和天然氣水合物資源、溫室效應、物質地球化學循環、極端環境下的生物演化等問題聯系密切而備受關注，海底冷泉原位觀測裝置也隨之發展。海底冷泉原位觀測儀器因成本較高且觀測范圍較小而發展緩慢，但在冷泉精細化、定量化研究中仍有不可替代的作用。海底冷泉滲漏流體通量以及滲漏流的化學組成都形成了相應的原位觀測方法，并在實際觀測中應用，解決了海底冷泉原位觀測裝備從無到有的問題。

經過20年的發展，海底冷泉原位觀測裝備在自主觀測、觀測時間、觀測精度、可觀測目標等方面取得了巨大進步，但是目前存在的原位觀測裝置仍存在一些問題。滲漏氣泡和滲漏液體原位觀測裝置布設后存在對沉積物的擾動，觀測精度也有待提高；基于聲學和光學原理的觀測裝置存在信號強度不高，對致密氣泡測量不準確，易受懸浮物和海洋生物影響；對于深海條件下的各元素的拉曼光譜認識不足；多學科地球化學觀測站傳感器精度有待提高，傳感器類型有待豐富。

為了適應發展需要，對冷泉進行精細、全面的研究是不可或缺的，冷泉原位觀測發展之路任重而道遠。縱觀國內外海底冷泉觀測儀器的發展，為滿足未來海底冷泉原位觀測的需要，海底冷泉觀測儀器的發展方向包括：

（1）海底冷泉水深較深且地形復雜，對原位觀測儀器的布設提出了較高要求，未來冷泉原位觀測裝置需要向布設方便、布設成功率高的方向發展。在布設后，原位觀測裝置會對海底沉積物產生擾動，怎樣減小原位觀測裝置對海底沉積物的擾動也是需要努力的方向。

（2）海底冷泉滲漏是復雜的、動態的過程，海底邊界層同樣也是復雜的、動態的區域，這決定了滲漏流體在時間和空間上是復雜多變的。目前的海底冷泉原位觀測均為單個獨立的觀測，各個觀測之間并沒有形成聯系。未來的冷泉原位觀測應向大空間、多尺度、長時間序列發展，最終形成完整的海洋觀測網。

（3）海底冷泉滲漏流體成分復雜，目前的坐底式地球化學觀測站僅局限于對CH4、CO2、H2S等少數幾種粒子的觀測，未來應擴展冷泉觀測目標，充分認識海底冷泉滲漏組分。實現這一目標依賴于傳感器的發展，適用于海底觀測的高靈敏度傳感器也是未來的研究方向之一。

（4）目前利用聲學信號和光學信號的原位觀測裝置對致密氣泡的觀測效果一般，對海洋生物等干擾物的識別并不明顯。未來需進一步加強氣泡對聲學和光學信號響應的研究，降低雜質干擾，拓寬觀測冷泉滲漏的流量范圍。

（5）未來冷泉原位觀測應與地球物理探測、實驗室化學分析、海洋生物研究、海洋潮流湍流研究、海洋地質構造等研究相結合，確定冷泉氣源，尋找滲流通道，分析海底冷泉的影響因素，從多學科、多角度充分掌握海底冷泉活動機制。

致謝：感謝孫志文博士和薛涼博士在寫作時給予的幫助。