长重力活塞取样器在鄂霍茨克海的应用＊

程振波，杨 刚，吴永华，石丰登，刘焱光，方习生，邹建军，葛淑兰，石学法

（国家海洋局 第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061）

长重力活塞取样是利用大型船只所配置的专用设备将取样器送入海底，在释放器的帮助下，靠取样器自身能量及所携活塞的共同作用完成一次性取样。目前，世界上使用长重力活塞取样器做的最好的国家是法国，它们在北大西样和我国南海获取了超过50 m的长柱样品［1-6］。近十几年来，国内许多科研院所亦曾研发过不少重力活塞取样器，并取得过一定的进展［7-8］。但是后来或是因为操作繁杂、或是因为取样器自身存在缺陷和取样率低等因素先后被搁置、弃用而采用设备。本次研发的长重力活塞取样器在前人工作的基础上对刀口、活塞、释放系统以及辅助设备作了较大改进，并且海试取得了成功。其主要特点是可以在深海底获取长柱状样品，主要用于：海底矿产资源勘探、海洋工程地质勘察、全球气候及环境调查研究、海洋地质学观测研究、进行海洋地质填图勘测。

图1 长重力活塞取样器总装图Fig.1 The general assembly drawing of the long gravity piston corer

1 长重力活塞取样器组成及主要参数

长重力活塞取样器其整体结构如图1所示，其主要包括5大系统包括：1）释放系统：释放器（杠杆），副重锤，副重锤链条；2）提管系统：提管头，提管，铅饼；3）样管系统：取样管，管接头，连接法兰；4）活塞系统：活塞拉块，活塞挡块，皮垫等；5）辅助系统：主、辅托架，滑轮等。

设备主要参数包括：1）质量：配重总质量：2 000 kg（可根据取样长度组装配置）；单块铅饼厚：50 mm，直径380 mm，单块铅饼重40 kg；2）提管参数；提管长2 m，直径80 mm；3）样管参数：取样管单管长分别是3，4和5 m（可视取样长度任意组装），取样管外径127 mm，内径116 mm；4）内衬管参数：单根衬管长5 m（可根据样管长度截取），衬管外径110 mm，内径104 mm。

2 考察船及船载支撑设备

所用考察船俄罗斯科学院远东分院的“拉夫任捷耶夫院士”号科学考察船。该船全长约100 m，宽16 m，吃水6 m，排水量2 500 t，最大航速16 kn，续航力20 000 n mile，由芬兰制造。

船载支撑设备，该船后甲板配置有万米地质绞车1部，辅助绞车2部，4 t塔吊1部，同时还配有20 t A型架并附主、辅滑轮等，能基本满足长重力活塞取样器的工作要求（图2）。

图2 船载支撑设备Fig.2 Shipboard equipment

3 长重力活塞取样器释放与回收前期准备

选择好的天气对于进行长重力活塞取样而言至关重要，由于长重力活塞取样器在使用上相对于其它地质取样仪器较为复杂，且部分工作需要在船玄开展，好的天气有利于仪器的组装、收放和拆卸，同时又降低了事故发生率。取样时一般选择小于3级海况，晴朗的天气作业为最佳。

浅地层资料对于使用长重力活塞取样器是不可缺少的，取样前需详细了解调查区沉积物概况，其中包括沉积结构、性质和特点等，并围绕长重力活塞取样器的应用与俄方科学家进行研讨。

认真分析浅地层资料，寻找适合作业的地层。作业点一般选择在软泥、粘土，粉砂质软泥或粉砂质粘土沉积区，且沉积物覆盖率高，无砾石或少砾石沉积为首选。

4 长重力活塞取样器的释放与回收

甲板组装：根据预取样品长度计算所使用配重（铅饼）的总质量，并在甲板上完成铅饼与提管的组装。根据预取样长度选择所用取样管长度、并在甲板上完成组装。加入衬管后，视样管长度用强力胶带连接衬管，然后把附加缆的一端（连接活塞的钢缆）从样管下部穿过至上部法兰穿出，再拧紧上端法兰及下端的刀口（图3）。

将提管及样管移至侧舷托架：把组装好的提管用塔吊吊至侧玄托架上，然后再把样管吊上托架，用专用螺丝将提管与样管连接，再用主托架上的安全销把重力活塞取样器固定好（图4）。

图3 重力活塞取样器提管及样管组装示意图Fig.3 A assembling schematic diagram of lifting pipe and sampling pipe of the long gravity piston corer

图4 重力活塞取样器提管及样管吊上侧舷托架示意图Fig.4 A schematic diagram of the broadside cradle for lifting up the gravity piston corer

把取样器由侧舷移至船尾：在主托架（能360°旋转）、侧玄绞车、辅助滑轮的帮助下把取样器竖起，由塔吊转移至船尾部（图5）。

与杠杆及主绞车对接：仪器移至船尾后，将A型架外摆成120°，使取样器与地质绞车（主绞车）所携主缆上的杠杆（释放器）连接。后在辅助绞车的协助下，把副重锤挂在释放器上（图6）。

正确选择副重锤链条长度及附加缆（拉活塞的钢缆）长度：选择好副重锤链条长度，附加缆长度对于重力活塞取样至关重要。如果副重锤链条太长，附加缆短会出现取样器释放后未到海底，而活塞就已拉起的现象。反之，如果附加缆太长，副重锤链条短则出现冲击力不够，导致活塞行动滞后的现象发生。总之，取样器触底前拉动活塞及触底后活塞滞后拉起都不可取，只有当取样器触底后样管下行的瞬间活塞抽起并同步上移才视为最佳效果，任何活塞与取样器不同步工作的现象发生都会直接影响到取样的质量和所取样品的长度（表1）。

图5 重力活塞取样器提管和样管示意图Fig.5 A schematic diagram showing how to sling the corer at the broadside and transfer it to the back deck

图6 与主绞车对接图Fig.6 A schematic diagram showing the linking between the corer and the main winch

表1 副重锤链条长度、附加缆长度、重力活塞取样器总长度及释放高度之间的关系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 长重力活塞取样器取样工作原理及程序

当主缆下放前，首先根据拟取样长度，调整副重锤链条的长度并设置好释放高度（释放高度为取样器全长减掉副重锤链条长度），同时，计算好副重锤质量（副重锤质量一般为取样器总配重的约10%），留足附加缆长度余量。主缆下放时，杠杆（释放器）上的副重锤牵拉着释放器安全下放。在取样器即将到达海底时，副重锤首先触底，牵拉力消失，释放器杠杆失去平衡，触发释放器释放，整个取样器在设定释放高度上脱钩释放，靠自身重量及自由落体获得的动能贯入地层，此时取样器内活塞锁定在海底表层的位置上，随着取样管贯人海底的深度不断加大，活塞在取样管中的相对位置逐渐上移，隔开了静水压力对样品的影响，活塞中的球阀，在取样器下落和贯人海底时在管内水压作用下打开，而提起时关闭，以保护样品免受海水冲刷。同时消除了沉积物被非均匀压实的现象，使取出的芯样长度几乎与取样管贯入深度相等。而刀口的作用是防止所取芯样在提起时脱落。当主缆回收仪器至海面时，再重复释放时的程序，使取样器又重新回到后甲板上，然后卸下刀口，抽出衬管，完成一次取样（图7）。

图7 重力活塞取样器海底取样示意图Fig.7 A schematic diagram showing the bottom sampling of the corer

6 获得的样品与数据

从鄂霍茨克海的不同位置、不同水深的沉积物中获取长重力活塞样品6个，累计样品总长度达49.70 m，详见表2。

表2 中俄国际合作项目-鄂霍茨克海地质调查岩芯记录表Table 2 Core record form for the Geological Survey in the Okhotsk Sea，the China-Russian International Cooperation Project

7 结 语

长重力活塞取样器在鄂霍茨克海的应用中，获取的岩芯长、样品量大、质量高，可以满足多参数、长时间尺度的古环境和古气候研究的需要。在鄂霍茨克海3 361 m的深海区获取的10.9 m长长柱状样品，是迄今为止我国利用自己设计的重力活塞取样器在深海获取的最长柱状样品。同时，通过高分辨率沉积岩芯研究，以恢复重建鄂霍茨克海及西北太平洋的古海洋及气候演化历史，为将来环境变化研究及气候预测提供科学依据。

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［1］ KOBAYASHI K.Marine Earth Science［M］.Beijing：Ocean Press，1980：126-127.小林和南.海洋地球科学［M］.北京：海洋出版社，1980：126-127.

［2］ ZHANG J Y，YANG G F.Sampling technique of piston gravity corer［J］.Marine Sciences，1983，（6）：19-22.张君元，杨光复.重力活塞采样器海上采样技术的研究［J］.海洋科学，1983，（6）：19-22.

［3］ DAVID A R.Introduction to Oceanography［M］.Prentice-Hall International Incorporation，1977：151-158.

［4］ CHENG Z B，LIU Z X，WANG K Y，et al.Collecting samples by using gravity corer on LATALANTE in French oceanographic research vessel［J］.Journal of Oceanography of Huanghai &Bohai Seas，1997，15（3）：63-67.程振波，刘振夏，王揆洋，等.法国“阿塔郎特”号海洋调查船上的重力取样［J］.黄渤海海洋，1997，15（3）：63-67.

［5］ ZHANG H S.The Report of 2008 Chinese Arctic Research Expedition［M］.Beijing：China Ocean Press，2009：148-167.张海生.中国第三次北极科学考察报告［M］.北京：海洋出版社，2009：148-167.

［6］ CHENG Z B，WU Y H，SHI F D，et al.New type of sampler for deep-sea deposit grab with TV and its usage［J］.Coastal Engineering，2011，30（1）：51-54.程振波，吴永华，石丰登，等.深海新型取样仪器-电视抓斗及使用方法［J］.海岸工程，2011，30（1）：51-54.

［7］ ZANG Q Y，HAN Y B，XU X S.Study of gravity piston corer for technology of sampling［J］.Journal of Marine Technology，1999，（2）：56-61.臧启运，韩贻兵，徐孝诗.重力活塞取样器取样技术研究［J］.海洋技术，1999，（2）：56-61.

［8］ LI S L，CHENG Y，QIN H W，et al.Development of pressure piston corer for exploring natural gas hydrates［J］.Journal of Zhejiang U-niversity，2005，40（5）：888-892.李世伦，程毅，秦华伟，等.重力活塞式天然气水合物保真取样器的研制［J］.浙江大学学报，2005，40（5）：888-892.