海底觀測裝置—CORK:安裝在深海鉆孔內的“眼睛”

朱榮偉 張伙帶 杜文波 唐江浪

自然資源部海底礦產資源重點實驗室,廣州海洋地質調查局 廣東廣州 511458

過去50多年國際大洋鉆探計劃的實施,為人類了解海底世界、研究地球變化、勘探礦產和生物等各種資源開辟了一條新途徑。通過大洋鉆探,人們驗證了地球構造運動的板塊理論,證實了氣候演變的軌道周期學說,發現了海底深部生物圈和天然氣水合物,揭示了大洋巖石圈的成礦機制,使人類對地球和生命科學的認知取得了顯著進步。在大洋鉆探最初的20多年,大多數鉆孔在取完樣后均被遺棄,這無疑對科學界是一場重大資源浪費和損失。為了更大程度地發揮這些已取完樣鉆孔的科學研究價值,科學家們研發了一套海底井控觀測裝置(Circulation Obviation Retrofit Kit,簡稱CORK),并在1991年ODP 139航次的857D和858G鉆孔取完樣后完成首次布放。該裝置就如同一雙安裝在深海鉆孔內的“眼睛”,可實現對地球內溫度、壓力、流體通量及微生物群落等物理化學、生物和生命過程的長期原位觀測,已廣泛應用于水文地質學、微生物學及生物地球化學等方面的長期研究中,為人類認識地球和生命科學增加了新途徑。由于CORK是大洋鉆探技術進步衍生的產品,因此,也有人將其稱之為“深海鉆探計劃之子”[8]。

1 CORK的基本概念

CORK的概念最早由Carson,Becker和Davis于1989年提出[1,3],并將其腦中的裝置示意圖在一張餐巾紙上繪出(圖1)。“CO”是“封閉”鉆孔的意思,意即對鉆孔進行控制,阻止洋殼地層與海底海水間發生流體交換;如果鉆入洋殼水文地質條件活躍地層的鉆孔沒有封閉,這種交換的發生是可以預期的。“RK”是“(重新)進入”的意思,指不論是近期的新鉆孔還是20年前的老鉆孔,通過再入圓錐筒均可再入鉆孔并安裝儀器設備進行科學實驗和觀測。

圖1 Carson B等人于1989年在餐巾紙上繪制的最早CORK裝置概念示意圖(據Becker and Davis,2005)

2 CORK裝置的基本結構

CORK裝置的基本結構組成主要包括:(1)再入圓錐筒與套管系統(永久性海底裝置,起著支撐海底松散沉積物,使觀測設備到達深部地層的作用,為提高鉆孔長期觀測、采樣及數據收集的質量,可反復進行鉆孔加深及觀測設備的布放);(2)用于封閉鉆孔頂部的套管;(3)長期數據記錄儀與傳感器鏈(可搭載壓力、溫度、地震/地層應變量等感應裝置)。與此同時,隨著CORK技術發展和滿足不同科學需求的需要,已經在初始版CORK的基礎上發展衍生出諸如ACORK(圖2)、CORK Ⅱ、有纜CORK和L-CORK等不同類型的CORK[1,6,7]。新研發的CORK主要在以下四個方面進行改進:(1)增強密封性,減少污染和擾動;(2)增加獨立隔層,拓展單孔多層位的立體觀測;(3)增加傳感器類型,獲取綜合觀測數據;(4)優化布放和數據傳輸技術,減少布放難度,提高數據傳輸效率。另外,為研究地殼中含水層在液體(水、氣)、熱能、溶解質、生物能量及微生物搬運中的作用,目前國外已開始采用多站位、多層次CORK觀測站來構成一個立體的三維觀測網,在每一個觀測站(同一站孔的不同深度)裝備取樣器,用于物理學(溫度、壓力)、地球化學和微生物學分析和實驗。最新的CORK技術包括一些可用于進行微生物—巖石相互作用和微生物在巖石表面生長實驗的裝置,以及進行地殼含水層取樣和微生物分析的微生物取樣器。

(a)初始CORK;(b)改進型CORK;(c)CORK Ⅱ;(d)有纜型CORK;(e)L-CORK

3 CORK的主要應用

在國外,CORK的應用已經比較廣泛。截至目前,已經有數十個CORK被布放于不同海域的海底。比如,布放于哥斯達黎加俯沖邊界上的兩套CORK Ⅱ裝置用于監測地層應變量以及地震活動(ODP 205航次);在胡安·德富卡(Juan de Fuca)洋脊東側進行的單(鉆)孔和多孔連接水文學和地球化學、微生物學實驗(IODP 327航次)以及安裝在地震頻發的日本南海海槽的多套CORK裝置(ODP 196航次、IODP319和332航次)等。這些分布在不同海域、時間上可進行長期連續觀測的CORK為科學研究帶來十分重要的應用價值,比如,(1)通過測定地層對潮汐和海底地震載荷的響應,取得地層彈性與水文特性資料;(2)通過大范圍、長期連續觀測,獲取如地震、滑塌、深部海底紊流等瞬時事件記錄,并通過數據來分析該類事件發生前的環境變化;(3)找到與幕式流體流動或地震前兆有關的溫度異常;(4)獲取流體化學成分及地層滲透率實時變化數據;(5)通過直接注入特定化學成分的流體或采集深部流體,對海底地層中微生物群落及其生命過程進行研究等一些寶貴的科研數據[2-5]。

然而,我國目前在這方面研究和應用相對落后。盡管目前已在南海執行了4+1個國際大洋鉆探航次,共完成18個站位46口鉆孔的鉆探取心工作。遺憾的是,這些鉆孔在取完樣后均遭“閑置”,未得到科學利用。隨著今后我國科學家參與國際大洋鉆探工作的深入,下一步很有必要以南海為試點,依托南海已有的深海科學鉆孔或已開采完油氣的工業鉆孔裝上一雙“眼睛”,即建立南海CORK觀測站,實現“透明南海”;將這些井下觀測站作為觀測節點納入南海海底觀測網,從而實現對南海長期實時的原位觀測。這項工作不僅對研究南海水文地質學、構造動力學體系、微深部生物圈以及在海底資源的形成和分布有重要意義,還對華南沿海,尤其是我國經濟重要陣地粵港灣大灣區的地質災害評估及監測方面發揮關鍵作用。另外,利用我國自己的資源和人才構建海底CORK觀測系統,還將為我國海洋科學飛速發展、實現高水平科技自立自強,以及盡快躋身世界海洋強國行列奠定堅實基礎。