“雪龙2”号长柱状取样器的极地应用

袁东方 王硕仁 陈清满 沈悦 廖周鑫

(中国极地研究中心,上海 200136)

提要 中国南北极科考为极地生态、气候等学科发展提供了丰富的数据资源,其中海底沉积物取样是历次科考所涵盖的内容之一。在国际上,箱式、蚌式和多管采泥器作为常规的表层沉积物取样设备。在我国,应注意到在长柱状沉积物取样设备上和国外存在很大差距,增强沉积物取样能力为时下迫切需要解决的难点之一。早期服役的“雪龙”号极地科考船不具备搭载长柱状取样器的能力,采用的为总长度小于8 m 的普通重力取样器来进行柱状沉积物取样作业,所获取的沉积物岩心样品长度较短,一般在4～6 m。从2019年7月11日始,“雪龙2”号正式交付自然资源部并加入我国极地考察序列。“雪龙2” 号配备达到国际主流水平的总长度22 m 的长柱状重力活塞取样器。该取样器分别在南北极进行了首次应用,成功获取了长度超过18 m的高质量长柱状沉积物样品,取心率超过80%,极大增强了我国在极地考察过程中采集高质量长柱状沉积物样品的能力。

0 引言

海底沉积物取样是海洋沉积学研究的重要手段和基础工作。为对海底沉积物类型、结构构造、物质组成和地层层序等进行直接分析,需从海底取得足够的沉积物样品,一般可分为表层沉积物取样和柱状沉积物岩心取样。目前海底沉积物取样常用到的设备主要有: 箱式采泥器、蚌式采泥器、多管采泥器、重力柱状取样器、电视抓斗、岩石拖网等。这些装备主要用于常规采集海底表面或数米深度范围内的沉积物样品。若开展海底以下十米、数百米甚至数千米的样品采集,则需要使用长柱状重力活塞取样器(指样品管长度超过10 m 的取样器,下同)和海底钻探等方式来完成。对于长柱状重力活塞取样器的配置能力是衡量一艘考察船地质调查能力的主要指标[1]。

我国极地海洋科学起步较晚,与发达国家相比,海底沉积物取样装备性能也相对落后。表层沉积物取样器(箱式采泥器、蚌式采泥器和多管采泥器等),在我国已经作为常规取样设备使用,总体性能与国外同类产品相近,在历次南北极考察中都参与了科考作业,取得了大量的表层沉积物样品。但是在长柱状沉积物取样方面,在样品长度这一关键指标上和国内外存在很大差距。

2005年至 2006年,法国科考船“Marion Dufresne”执行全球海洋变化研究(IMAGES)计划时,配备并使用了60 m 长的长柱状取样器,获取了超过50 m 长的沉积物柱状岩心[2-3]。2012年6月,在中法合作“南海深部环流CIRCEA”航次中,使用长柱状取样器在南海北部进行7 个站位的作业,取得了最长50.80 m 的沉积物柱状岩心,最短的也有31.91 m[4]。

相比于国外已经使用的长柱状取样器,国内在极地考察中还未搭载过类似装备,“雪龙”号破冰船受限于原始结构,不具备搭载长度超过10 m 的柱状取样器的能力,在“雪龙2”号服役以前,几乎都是采用重力取样的方式进行柱状沉积物采样,采集的样品长度普遍较短,缺乏长度超过10 m 的高质量岩心作为研究材料,长柱状沉积物取样技术明显落后,亟待在极地科考船配备长柱状取样器,以弥补我国极地研究缺少高质量长柱状沉积物样品的空白。

“雪龙2”号隶属于自然资源部中国极地研究中心。作为我国第一艘国内深化设计并自主建造的极地科考破冰船,“雪龙2”号破冰能力为PC3 级——可在两极水域混有陈冰的次年海冰中航行作业,艏向和艉向航行均能连续以2～3 节的速度破厚度不低于1.5 m 水平冰(外加0.2 m 雪)。艏向航行具有冲撞破冰能力,艉向航行时能确保在20 m 厚当年冰冰脊(含4 m 堆积层,外加0.2 m雪)中不被卡住[5]。“雪龙2”号配备了先进的绞车、A 架和地质取样设备,使搭载长柱状取样器成为了可能。“雪龙2”号在可行性研究和设计阶段,就提出选用长柱状取样器作为地质沉积物取样的设备。长柱状沉积物取样器的取样长度是衡量取样能力十分重要的技术指标,“雪龙2”号是我国极地科考船中首次配备22 m 的长柱状取样器,达到国内和国际主流水平(表1)。

表1 国内外科考船配备的长柱状取样器长度参数对比表Table1.Comparison table of length parameters of long column gravity corer equipped on research vessels in domestic and abroad

1 “雪龙2”号长柱状取样器的设计和实现

“雪龙2”号配备的为英国Ocean Scientific International Ltd.(简称OSIL)生产的长柱状取样器(Giant Piston Corer,GPC),是世界上知名的取样设备(图1)。中国自然资源部第一海洋研究所“向阳红01”号、中山大学、英国地质测量局、美国斯克里普斯海洋学研究所、韩国海洋科学科技研究所、印度地质调查局以及日本海洋地质开发机构等国内外一系列科研院所都使用OSIL 提供长柱状取样器,并已在全球范围内成功地取得长柱状沉积物样品。取样器主要适用于质地柔软的细粒级沉积物中取样,仅仅依靠重力贯入海床,不需要任何电力输入就能在深海中使用。该设备主要运用于沉积学、地球化学和古海洋学研究。

图1 长柱状取样器结构图(单位: mm)Fig.1.Structure of the Giant Piston Corer (Unit: mm)

1.1 原理

普通重力取样器靠重力贯入沉积层内,沉积物从底部刀口处进入取样器内部,结构简单,易操作,但取样管长度短、取样极限长度有限。OSIL长柱状取样器在衬管内加装了活塞,通过活塞缆拉动活塞向上运动,在取样器刀口贯入沉积物的时刻,活塞缆立即拉直产生一定的张力(该张力应足以克服活塞与样品管内壁之间的摩擦力),使活塞在取样器的整个贯入过程中始终保持在沉积物表面位置,依靠样品管与活塞之间的相对运动在样品管内部形成一定的负压环境,从而有效地降低进入样品管内的沉积物样品与样品近内壁之间的摩擦力(称为“内摩阻”)的影响,进而达到减小样品压缩和提高取心率的目的[6]。长柱状取样器工作过程分为如下几步。

1.下放过程。组装好长柱状取样器,根据取样管长度设置活塞缆和重锤缆绳长度。下放时重锤缆绳和长柱状取样器相互平行,不相互缠绕,然后安全下放到海底,如图2a 所示。

2.释放过程。当长柱状取样器达到海底后,由于重锤缆绳较长,重锤首先贯入海底,重锤的重量消失,机械释放装置失去平衡,机械臂抬起,触发机构打开,长柱状取样器开始自由下落,如图2b 所示。

3.自由下落过程。当释放机构触发后,长柱状取样器在水中垂直做自由下落运动,取样器下端刚刚接触海底时,此时活塞缆刚好拉直受力,如图2c 所示。

4.贯入过程。当长柱状取样器自由下落一段距离后,会以极大的速度贯入海底,此时活塞缆拉着活塞在样品管内做相对运动,活塞运动产生的负压环境将沉积物样品不断的抽入样品管内,直到长柱状取样器停止贯入,如图2d 所示。

5.回收过程。取样完成后,绞车回收缆绳,活塞缆拉动活塞达到样品管最顶端,将整个取样器从海底沉积层中拉出,从而完成了一次取样过程,如图2e 所示。

图2 长柱状取样器取样原理图.a)下放过程; b)释放过程; c)自由下落过程; d)贯入过程; e)回收过程。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 技术参数

“雪龙2”号装配的OSIL 长柱状取样器由主体配重、活塞系统、取样管、管接头、活塞纤维缆(31 m)、刀口(带花瓣)、触发机构等组件组成,其技术参数如下表所示(表2)。

表2 长柱状取样器技术参数Table 2.Technical parameters of Giant Piston Corer

1.3 触发模式

该长柱状取样器配备两种触发机构: 声学释放器和平衡锤释放器,可以根据现场情况选择触发方式(表3)。

1.3.1 声学释放

利用船载测深仪获得作业站位处比较准确的水深,按照实时显示的取样器下放深度和预定的释放距离,通过甲板单元向应答器发送声学信号,到达特定深度后,启动应答器上的驱动电机完成释放操作。声学释放系统由声学应答器和释放支架组成,声学释放触发通过甲板单元完成(图3a)。声纳高度计PSA916 和声学调制解调器ATM965安装在主体配重端其中一个装配重块的管子里,用于准确测量取样器到海床的高度(图3b)。测得的数据通过声学调制解调器传回甲板单元,一旦取样器到达释放高度,甲板单元就发送释放指令给声学应答器释放,取样器做自由落体运动贯入海底获取沉积物岩心样品。

1.3.2 机械释放

触发臂释放由触发臂和平衡锤组成,平衡锤系在触发臂上以保持平衡,关闭触发机构。当平衡锤抵达海底后,触发臂上的负载消失使触发机构触发,释放取样器自由落体贯入海底。取样器下落的高度可通过连接平衡锤的缆绳长度来调节(图4)。

“雪龙2”号装配的长柱状取样器配备了声学和机械两种触发机构,在作业的过程中由于其操作原理的差别各有优缺点(表4)。声学触发释放对于海况和绞车要求较高,由于“雪龙2”配备的绞车没有动态补偿以及动力定位(Dynamic Positioning,DP)下的干扰问题,在现场作业时一般选择机械触发作为长柱样取样方式。

1.4 设计和实现

长柱状取样器由于具有活塞机构,所以其下放和回收相比于普通重力取样器要繁琐很多,需要多台支撑设备的配合才能完成。“雪龙2”号在进行可行性研究和初步设计时即提出配置长柱状取样器,以提高中国极地考察沉积物取样能力,同时对后部作业甲板进行了精心布局,满足22 m 长柱状取样器的作业要求(图5)。“雪龙2”号配备了侧舷π 架及其辅助绞车、地质绞车、6 t 折臂吊和翻转机构,并依靠这些甲板支撑设备完成长柱状取样器的沉积物取样工作。这也是中国科考破冰船首次配备长柱状取样器。随着“雪龙2”号入列考察航次,中国科考船可以在更高的纬度进行科考作业,进入之前“雪龙”号无法作业的区域,完成高质量长柱状岩心的取样工作。

2 现场应用案例

2.1 试航验收

2019年8月27日,“雪龙2”号在南海对长柱状取样器进行海试验收,取样位置为: 19°32′ 36′′N,114°53′12′′E; 水深1588 m; 长柱状取样器配备取样管22 m,配重为4×315 kg,总重3.4 t; 采用机械臂触发方式作业,作业期间海况良好。“雪龙2”号配备的浅地层剖面仪还处于调试阶段,无法获取有效的地层数据,首先用小的平衡锤取样器进行试取样,初步确定了海底沉积物特征后才开始进行长柱状取样器的作业。整个作业从14:30 开始,22:30 结束,用时10 小时,完成了第一次取样作业,取得岩心长度为18.45 m(图6)。

表3 触发机构技术参数Table 3.Trigger mechanism technical parameters

图3 a)声学释放连接图; b)高度计安装结构图Fig.3.a) Acoustic release connection diagram; b) installation structure drawing of altimeter

图4 机械释放结构图Fig.4.Structure diagram of mechanical release structure

表4 机械释放和声学释放对比表Table 4.Comparision of mechanical release and acoustic release

图5 长柱状取样器布置图Fig.5.Layout of Giant Piston Corer

2.2 南极应用

2019年12月14日,“雪龙2”号在南极宇航员海进行首次极地现场应用,作业位置水深3738 m; 使用浅地层剖面仪测得沉积层厚度超过40 m; 长柱状取样器配备取样管22 m,配重为4×315 kg,总重3.4 t; 采用机械臂触发方式作业; 作业期间海况良好。作业于21:00 开始,次日4: 00 结束,用时7 小时,获取样品长度为18.36 m。这次长柱状取样作业也创造了中国在极地考察中柱状沉积物取样长度的新纪录,获取了高质量的长柱状岩心样品。

图6 南海海试取样作业Fig.6.Sea test sampling operation in the South China Sea

2.3 北极应用

2020年9月7日,“雪龙2”号在北极北风海盆(Norehwind Basin)进行长柱状取样器作业,作业位置水深1870 m; 使用浅地层剖面仪测得沉积层厚度超过50 m; 长柱状取样器配备取样管22 m,配重为6×315 kg,总重4 t; 采用机械臂触发方式作业; 作业期间海况良好; 作业从9:00开始,于13:00 结束,用时4 小时。长柱状取样器贯入深度约19 m,获取岩心长度18.65 m,平衡重锤取样0.95 m。这次长柱状取样作业又一次创造了中国在极地考察中柱状沉积物取样的新纪录。

2020年8月31日,“雪龙2”号在北极进行一次未加活塞的长柱状取样器作业,作为普通的重力取样器进行沉积物取样; 作业位置水深1574 m; 浅地层剖面仪测得沉积层厚度超过40 m; 长柱状取样器配备取样管16.5 m,配重为6×315 kg,总重3.8 t; 作业期间海况良好。作业从9:00 开始,于11:00 结束,用时2 小时; 绞车速度70 m·min-1; 长柱状取样器16.5 m 全部贯入沉积层,取得岩心6.75 m。这次未加活塞的长柱状取样作业也突破了中国北极考察中普通重力取样器的最长取样记录。

2.4 南北极作业数据分析

影响取样长度的因素很多,根据杜星[7]、李民刚[8]等人的相关研究,当取样器参数确定后,取样长度和取样器截面积、冲击速度、取样管截面积、沉积物类型等有一定关系,同时受海况、操作因素影响很大。这也导致了长柱状取样器在南北极取样的差异,即使在北极的不同区域取样长度也有不同。

“雪龙2”号入列之前,主要是由“雪龙”号执行南北极考察任务。“雪龙”号所搭载的重力取样器为普通重力取样器,取样管长8～9 米,配重1.5～2 t。由于南北极沉积层的差异,导致其在南北极作业获取的岩心长度也有很大的区别(表5)[9-16]。从部分南北极考察航次获取的岩心长度数据可以看出,普通重力取样器在北极中高纬获取的岩心长度普遍很短,在3～5 m 范围内。南极区域地形复杂,在陆架浅水区沉积物致密坚硬,取样困难; 部分地区沉积物质地松软,沉积层厚度大,取样长度较长,中国第32 次南极科学考察曾在南极半岛附近使用8 m 的取样管获取了长度8 m 的柱状岩心样品,但普通重力采样器能够达到100%取心率只是个例,普遍取心率很低[17-18]。

表5 部分南北极考察重力取样器取样信息Table 5.Partial sampling information with gravity corers at Antarctic and Arctic areas

相对于普通重力取样器,长柱状取样器在南北极的作业取心率非常高,“雪龙2”号在南极获取的18.36 m 长岩心的取心率为83%,在北极获取的18.65 m 长岩心的取心率更是高达98%,“海洋六号”在南极获取的8.6 m 的长岩心的取心率为96%。

3 作业要点分析

截至目前,“雪龙2”号长柱状取样器虽然应用的次数较少,但是每次使用都取得超过18 m 的高质量岩心样品,为未来南北极考察海洋地质研究提供了强有力支持。通过这几次作业的历练,“雪龙2”号作业团队对于长柱状取样器作业流程和甲板操作愈加熟练,作业所用时间越来越短,完全有能力承担南北极考察长柱状取样器的作业任务。虽然这几次应用下放和回收都顺利,但是由于长柱状取样器在作业过程中需要参与的人员多,作业节点多,每次作业还是存在着很大的风险,需要通过不断总结和改进来完善收放流程,规避可能发生的风险,保障作业顺利进行。

(1)在作业前选择2～3 个作业点,使用浅地层剖面仪进行地层扫描,确定最适合进行长柱状取样器作业的位置。南北极作业期间浮冰较多,且作业时间较长,要选择开阔少冰的区域,在长柱状取样器下放前要再次确认浮冰范围,防止浮冰对纤维缆的破坏。开启船舶DP 定位功能,在最后触底阶段要降低速度,时刻监控绞车运行状态和拉力值,及时判断是否触发。将取样器从海底拔出的时候要缓慢操作绞车,时刻关注绞车拉力数值,“雪龙2”号地质绞车拉力在13 t 左右即可将取样器拔出沉积层,随着取样管长度的增加,拉力值也应该会相应增加。

(2)长柱状取样器的声学释放对于海况和设备要求较高,“雪龙2”号配备的地质绞车无动态补偿功能,若使用声学释放存在一定风险,目前“雪龙2”号三次长柱状取样器作业都使用了机械释放方式。机械释放虽然下放和回收过程比较繁琐,但是可靠性高,对绞车和海况要求没有声学释放高,可保障取样成功率。另一个优势是平衡锤取样管获取的样品可以弥补长柱状取样管内表层样品的扰动和失真的缺陷。

(3)熟练的工作团队可以提高作业安全性和作业效率。“雪龙2”号长岩心取样作业从试航验收时的10 小时到北极考察的4 小时,是一个很大的飞跃(不考虑组装和分样时间)。作业时间的缩短主要是因为有一个协调高效的工作团队,现场作业人员配合默契,对于绞车、A 架、吊车以及翻转机构的操作已经有了充分的自信。

(4)不断改进和优化作业流程,配备专业工具,可以更有效的进行作业。例如在进行活塞缆倒缆作业时,需要将活塞缆上的35 T 卸扣拆下,以便于活塞缆可以顺利卷到辅助绞车上。以往作业时这个步骤很难操作,因为蝴蝶扣直径很小,35 T 卸扣很大,取样器4 t 的质量将绳头紧紧的夹着卸扣,人力几乎根本无法将卸扣移除,南海试航过程中取下这个卸扣耗时2 小时。鉴于以往的作业经历,北极航次配备了液压扩张器,使该步骤仅耗时一分钟。

(5)倒缆作业是回收长柱状取样器的最关键节点之一,需要加倍小心。倒缆需要的短缆绳的承重力不小于8 t,且每次使用前都要检查缆绳的状态,有磨损或断裂要立即更换,防止在倒缆过程中缆绳断裂,提高设备的安全性。

(6)样品管接头制作要平整,两个插口之间的间隙应尽可能的小,不要出现缺口等缺陷。两个插口对接后用布基胶带缠绕数圈,做到完全密封。若插口存在缝隙或者缺口,会影响活塞在样品管内的运动,容易造成外部海水进入取样管(图7)。

图7 样品管接口制作Fig.7.Production of sample tube interfaces

(7)检查机械释放结构上静水压力释放器功能是否良好,可以保障在开始下放的过程不会中途脱钩,是防止误操作的最后一道安全措施。作业前后要对其进行检查,尤其是长时间不用时,需要解体保养。在长柱状取样器下放开始前要对其进行放气处理。

(8)长柱状取样器作业程序复杂,需要制作取样管套管、组装取样管、安装活塞、加装机械触发装置,还要通过两次倒缆才能将长柱状取样器回收到翻转机构框架内,准备时间和作业时间都比较长。在中国第11 次北极科学考察过程中,取消长柱状取样器活塞、机械释放结构、平衡锤,直接用地质缆连接长柱状取样器,用作普通重力取样器进行作业,这种模式操作方便高效,取样管可以根据需要随意组合,不需要制做取样管的接头,布放和回收都比较简单,获取的岩心样品也较长,在部分区域使用这种方式也是一种作业模式(表6)。

表6 各种取样器采样作业对比表Table 6.Comparison of sampling procedures with different sampling equipments

(9)北冰洋中央海域沉积物中有机质含量低,黏度高,海底4 m 以下沉积物非常致密,对长柱状取样器的贯入深度造成一定困难。“雪龙2”号长柱状取样器长22 m,重量4000 kg,但是在取样过程中取样管只贯入沉积层19 m 左右。若要获取更长的沉积物岩心样品,还需要适当的增加配重,或者增加活塞缆长度,提高冲击距离。由于长柱状取样器在北极高纬度区域第一次应用,取样数据还需要进一步积累。

4 小结和展望

长柱状取样器是目前科考船安装的主流柱状沉积物采样设备,在国外应用已经非常广泛,已经是现代科考船的标配设备。最近几年国内新建的科考船才开始配备长柱状取样器,并在大洋作业中进行应用,其所获取的长柱状岩心样品是普通重力取样器获得样品长度的数倍。由于长柱状取样器作业程序繁琐,一次作业时间长,所以在南北极考察过程中作业次数比较少,但是相对于获取的高质量长柱状岩心,增加长柱状取样器的作业次数意义重大。

“雪龙2”号配置的22 m 长柱状取样器首次在极地应用就获得了超过18 m 的长柱状岩心样品,标志着中国已经具有在南北极中高纬地区进行高质量长柱状岩心取样工作的能力。随着南北极考察的逐年开展,“雪龙2”号将采集更多的岩心样品,为新生代以来极地海洋环境和海冰/冰盖演化历史的研究提供丰富的样品支持。