于新生, 閻子衿, 朱明亮, 李 棟, 姜子可, 崔尚公

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自主式深海海底溶質(zhì)通量原位觀測站研究進展

于新生1, 2, 閻子衿1, 朱明亮3, 李 棟4, 姜子可1, 崔尚公1

(1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東青島 266100; 2. 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東青島 266100; 3. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東青島 266100; 4. 中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所, 山東煙臺 264003)

針對深入了解深海海底界面的物理、化學(xué)和生物動態(tài)變化過程及機制的觀測需求, 綜述了自主式海底觀測站(著陸器, lander)在深海海底溶質(zhì)通量監(jiān)測的研究進展。探討了海底觀測站的設(shè)計與實施技術(shù), 分析總結(jié)了深海自主式原位觀測站在沉積物-水界面化學(xué)組分通量的觀測機理, 討論了自主式海底觀測站的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。自主式海底觀測站具有可靈活機動選擇觀測地點、操作簡單、便于多參數(shù)綜合測量的特點, 為獲取深海海底長時空尺度綜合參數(shù)資料提供了有效的技術(shù)支撐。根據(jù)目前深海生物地球化學(xué)循環(huán)研究特點, 提出了自主式海底觀測站面臨的問題與發(fā)展建議。

深海海底; 原位觀測; 溶質(zhì)通量; 自主式海底觀測站; 生物地球化學(xué)

海洋占地球總面積的71%, 其中50%是水深超過3 000 m的深海海域[1]。深海海底不但蘊藏著豐富的油氣資源、生物資源以及天然氣水合物等新能源, 同時也是研究板塊活動及天然地震震源的關(guān)鍵區(qū)域[2]。深海海底界面存在復(fù)雜的物質(zhì)-能量交換與生態(tài)過程, 海底沉積物是存儲和埋藏有機質(zhì)重要場地, 對調(diào)節(jié)海洋氮循環(huán)和碳循環(huán)都起著重要影響[3]。近幾十年來, 隨著深海資源勘探開發(fā)與研究的發(fā)展, 迫切需要長時序、連續(xù)的深海海底觀測資料, 如海底邊界層(bottom boundary layer, BBL)動力過程對海底管線引起的危害作用[4]、有機質(zhì)降解和擴散對調(diào)節(jié)海洋氮、碳、磷循環(huán)及海底生態(tài)系統(tǒng)的影響[5], 海底滲漏溫室氣體對全球氣候變化的貢獻等[6]。因此, 獲取長期、實時、多學(xué)科的海底綜合觀測資料是掌握海底工程引起的環(huán)境變化、開展生物圈、地球圈、水圈的多圈層相互作用及多尺度過程耦合研究的關(guān)鍵?；诳瓶即M行深海海底考察與采樣的傳統(tǒng)方法存在著觀測資料在空間及時間尺度上的不連續(xù)性, 制約了對深海海底動態(tài)變化過程的深入認識[7], 因此開發(fā)海底原位觀測的新技術(shù)新方法是深海研究的關(guān)鍵目標(biāo)之一。

隨著近十年傳感器與計算機材料技術(shù)的快速更新, 各種深海觀測新技術(shù)與新方法有了極大的發(fā)展, 為拓寬海洋觀測時空尺度, 開創(chuàng)深海研究的新時代提供了支撐[8]。在空間尺度上, 水下遙控航行器(remote operated vehicle , ROV)、自航式觀測技術(shù)((autonomous underwater vehicle, AUV)、水下滑翔機(gliders)等可以將觀測范圍拓展至數(shù)百至數(shù)千公里, 利用其自身的巡航模式實現(xiàn)水下的大尺度連續(xù)觀測[9-11]。但是AUV受體積,推進器功耗及電池比能量等因素的制約, 其在水下連續(xù)工作時間通常不超過2~3 d; ROV利用光纖電纜將水下觀測系統(tǒng)與調(diào)查船連接, 通過電纜實現(xiàn)電源和數(shù)據(jù)資料的雙向傳輸, 使水下設(shè)備所搭載的傳感器及執(zhí)行機構(gòu)可以在水下無限期地連續(xù)觀測和作業(yè), 但是船只受海況及其他因素影響, 難以對某一特定地點進行10 d以上的連續(xù)觀測; Gliders具備水下長期續(xù)航能力, 可以連續(xù)工作幾個月甚至1年, 但是Gliders屬于大空間尺度檢測的動態(tài)觀測平臺, 無法實現(xiàn)定點長期觀測, 同時由于Gliders屬于非動力推進裝置, 對所搭載的傳感器負載具有嚴(yán)格的重量和體積要求。海底潛標(biāo)是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的長期定點觀測系統(tǒng), 可以獲取水柱體剖面秒至年的高頻率連續(xù)觀測資料, 但是潛標(biāo)需要較大的錨系重塊提供穩(wěn)定的負浮力, 所搭載傳感器距海底約幾米至幾十米的距離, 因此潛標(biāo)系統(tǒng)適于水柱體剖面觀測, 難以滿足底棲邊界層(BBL)和沉積物界面的動態(tài)變化實時變化監(jiān)測的應(yīng)用需求[12]。

近年來, 通過在海底布設(shè)通訊電纜, 電纜一端位于陸地岸站, 圍繞著海底電纜建立一系列海底觀測傳感器節(jié)點, 通過海底接駁盒將節(jié)點傳感器的測量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)疥懙匕墩? 實現(xiàn)了深海海底邊界層、海底界面及水體的長期、連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測采集。譬如, 美國于1998年啟動了“NEPTUNE”計劃, 在太平洋的胡安×德富卡(Juan de Fuca)板塊區(qū)鋪設(shè)了長達3 km長的寬帶海底主光纜, 圍繞著海底主光纜設(shè)置了50多個定點觀測節(jié)點, 同時搭建了為深海AUV充電及數(shù)據(jù)回放的停泊節(jié)點[13]。目前一些國家也相繼啟動了深海海底多節(jié)點觀測網(wǎng)的建設(shè)計劃。譬如日本在建的海底實時觀測網(wǎng)ARENA (advanced real-time earth monitoring network in the area)和用于地震和海嘯監(jiān)測的DONET觀測網(wǎng)(dense ocean-floor network system for earthquakes and tsunamis); 歐共體制定了歐洲海底觀測網(wǎng)建設(shè)計劃ESONET (European seafloor observatory network); 加拿大布設(shè)了VENUS (the victoria experimental network under the sea)實驗網(wǎng)并建設(shè)了NRPTUNE在加拿大的局域網(wǎng)部分[14-16]。中國在20世紀(jì)90年代啟動了深海觀測網(wǎng)開發(fā)計劃, 在南海取得了一些標(biāo)志性的成果[17-20], 使得中國在國際海底觀測網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地。海底觀測網(wǎng)雖然擁有其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)點, 但是建設(shè)海底觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要在深海海底鋪設(shè)電纜, 其鋪設(shè)工程造價昂貴, 并且一旦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)完畢, 其結(jié)構(gòu)是永久性的, 整體觀測裝置將無法移動到別的區(qū)域; 此外各節(jié)點的維護需要依賴于ROV的技術(shù)支撐, 運行和維護成本較高。

自主式海底觀測站(著陸器, lander)是一種可在水面拋棄式投放, 自由降落到海底, 利用所搭載傳感器及儀器裝置在水下進行自動連續(xù)觀測與原位實驗的集成化裝置。通過科考船發(fā)射聲學(xué)釋放指令可將重塊與自主式海底觀測站系統(tǒng)脫離, 系統(tǒng)依靠自身攜帶的浮力裝置返回水面, 實現(xiàn)觀測站地回收。自主式海底觀測站可針對海底或近海底邊界層的物理、化學(xué)、地質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)的特性, 搭載不同功能的傳感器及儀器設(shè)備, 與數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)形成了一個獨立的水下綜合測量或?qū)嶒炑b置, 為快速實現(xiàn)多參數(shù)的長期、連續(xù)、自容式原位觀測及海底試驗提供了一種便捷的觀測手段。海底自主式觀測站體積緊湊, 對科考船的配置裝備無特殊要求, 可實現(xiàn)快速投放與回收, 因此具有便于快速實施觀測、靈活機動性強、維護成本低、可以實現(xiàn)海底沉積物表層及上覆水的微剖面梯度變化實時監(jiān)測等特點, 為海底長期觀測網(wǎng)絡(luò)提供了一種高效互補技術(shù)支撐[21]。

海底沉積物界面既是化學(xué)物質(zhì)和有機質(zhì)交換界面、也是有機質(zhì)及污染物富集的場所, 同時也是植物、動物、微生物和細菌重要的活動和棲息地[22]。早期成巖、顆粒有機碳的降解、以及金屬顆粒的溶解等作用在沉積物及上覆水形成化學(xué)物質(zhì)的梯度擴散變化過程, 這些沉積物與水體的耦合和交換作用, 對了解海底生物地球化學(xué)及底棲生態(tài)系統(tǒng)對全球物質(zhì)循環(huán)的貢獻具有重要意義[23]。雖然自主式海底觀測站技術(shù)在美國、歐洲等國家的海洋生態(tài)與環(huán)境研究、海洋地球化學(xué)通量與生物資源觀測、海底沉積物搬運過程等方面得到了廣泛的應(yīng)用, 由于中國開展深海觀測技術(shù)方法研究較晚, 國內(nèi)在自主式海底觀測站的應(yīng)用研究報道有限。本文對國內(nèi)外當(dāng)前自主式海底觀測站在深海生物地球化學(xué)觀測的發(fā)展現(xiàn)狀及特點進行展望與分析, 綜述海底界面溶質(zhì)通量監(jiān)測的箱式實驗室觀測站、沉積物-水剖面海底原位觀測站、基于渦動相關(guān)原理的邊界層通量監(jiān)測觀測站、以及移動式海底觀測站技術(shù)特點, 以期對相關(guān)研究工作提供參考, 推進中國在深海原位觀測技術(shù)與方法的研究和發(fā)展。

1 深海自主式原位觀測站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海底自主式原位觀測站通常從水面直接投放, 依靠所攜帶配重所產(chǎn)生的負浮力自由降落至海底表面; 回收時通過水面船只發(fā)送聲學(xué)指令, 啟動觀測平臺中的聲學(xué)釋放器機構(gòu), 使得配重與觀測系統(tǒng)分離, 原位觀測平臺依靠浮力系統(tǒng)提供的正浮力上升至水面, 借助于觀測平臺上的無線電信標(biāo)或GPS定位信標(biāo)進行系統(tǒng)定位回收。底棲自主升降觀測站由觀測框架平臺、傳感器/原位實驗裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水下電源、浮力系統(tǒng)、釋放系統(tǒng)組成。為減少觀測平臺對海底環(huán)境的干擾并為觀測平臺在水下提供穩(wěn)定的保障, 平臺框架結(jié)構(gòu)多采用3支撐架或4支撐架開放平臺結(jié)構(gòu)[21], 每個支撐腿都采用腳墊結(jié)構(gòu), 增加支架與海底的接觸面積, 阻止系統(tǒng)在海底下陷。從安裝觀測儀器、實驗設(shè)備空間和甲板操作性角度考慮, 框架的外形尺寸通?，F(xiàn)在1~5 m, 高度控制在3 m之內(nèi)。如圖1所示, 2009年在國家863計劃資助下, 中國海洋大學(xué)設(shè)計并制造了基于4支撐架開放平臺結(jié)構(gòu)的深海邊界層自主式原位觀測站, 整體外型尺寸為1.5 m′1.5 m, 高度為2.0 m; 具有自供電、數(shù)據(jù)自容, 可進行多參數(shù)同步監(jiān)測[24]。

海底自主式原位觀測站框架主要為各種儀器設(shè)備、浮力系統(tǒng)、釋放系統(tǒng)安裝提供支撐, 在滿足機械強度的前提下應(yīng)采用低密度材料, 因為隨著框架重量增加, 需要提供相應(yīng)的正浮力, 添加浮力裝置會導(dǎo)致系統(tǒng)整體體積增大, 對設(shè)備的運輸、甲板上作業(yè)及安裝等帶來一系列問題。因此結(jié)構(gòu)框架材料的選取需要綜合考慮重量、機械強度、加工性能、耐海水腐蝕能力及成本等因素。鈦合金具有較高的抗海水腐蝕能力和強度, 其重量比不銹鋼要低44%, 適于長期觀測應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計; 不銹鋼具有較好耐海水腐蝕和較高的強度、成本相比較低、便于加工, 但是密度較大。高強度鋁合金具有較高的機械強度和較輕的比重系數(shù), 可是其耐海水腐蝕能力較弱, 并且需要增加防腐措施。雖然復(fù)合材料擁有質(zhì)量輕、機械強度高的特點(如玻璃纖維及碳纖維等), 因為原材料加工工藝復(fù)雜, 加工成本高, 在深海應(yīng)用的可靠性有待于進一步驗證。表1給出上述材料的密度與彈性模量。

浮力系統(tǒng)是保證自主升降式海底原位觀測站能夠返回水面的重要裝置之一, 通常與觀測平臺集成為一體, 提高自主升降式海底原位觀在水下具的穩(wěn)定性。深海浮力系統(tǒng)可采用深海玻璃浮球、或基于玻璃微珠或陶瓷球制作的復(fù)合材料。商品化玻璃浮球標(biāo)準(zhǔn)耐壓能力為60 MPa, 可以直接用于6 000 m水深的系統(tǒng)設(shè)計。采用中空玻璃微珠制作大于60 MPa壓力的浮力材料在浮力系數(shù)、制作工藝以及成本方面尚都面臨一些技術(shù)難題, 有待于進一步的完善。利用陶瓷球制作的浮力材料具有較高的抗壓能力, 譬如采用氧化鋁陶瓷制作的浮力球可承受83 MPa壓力, 提供的浮力系數(shù)高于54%[25], 隨著新工藝新材料研究的不斷深入, 基于陶瓷微球的浮力材料將在深海浮力材料應(yīng)用中占有一席之地。

表1 海底觀測站框架材料的密度和彈性模量系數(shù)

自主升降式海底原位觀測站多采用自容式工作模式, 水下工作時間取決于電池的放電能力及數(shù)據(jù)存儲空間。因此在傳感器的選型上首選低功耗的儀器設(shè)備, 電池選用比能量高的電池, 譬如鋰錳電池、鋰聚合物電池及鋰亞硫酰氯電池等。從可操作性方面考慮, 應(yīng)考慮選用比能高的可充電電池[26]。近年來在環(huán)保理念的驅(qū)動下, 混合動力與電動汽車的高效電池研究有了長足的進展, 這些先進的供電技術(shù)也相繼被引進了水下自動觀測裝置, 譬如與傳統(tǒng)充電電池相比, 燃料電池或混合燃料電池可提高 AUV 水下續(xù)航能力3~6倍以上[27-28]。隨著水下系統(tǒng)優(yōu)化及安全性的進一步改進, 燃料電池或混合燃料電池有望替代現(xiàn)有供電技術(shù)方案, 為拓展水下自主觀測系統(tǒng)的應(yīng)用時間提供有效的技術(shù)支撐。

自主升降海底原位觀測站投放方式是采用水面自由投放, 即在水面實施投放系統(tǒng), 依靠系統(tǒng)的配重所產(chǎn)生重力使其自由下降到海底, 因此坐底式海底定點觀測系統(tǒng)的下沉和上升速度控制是安全回收系統(tǒng)的重要保障。如果下降的速度過快, 系統(tǒng)到達海底表面時所產(chǎn)生的慣性將對觀測站的儀器設(shè)備產(chǎn)生不良影響[21], 如果速度過慢, 系統(tǒng)到達海底表面所需的時間太長, 同時受水平海流的影響, 導(dǎo)致著陸地點與預(yù)定觀測位置的偏差增大。在回收過程中, 增加上浮速度需要配置較大的正浮力裝置, 而大浮力裝置會帶來整體體積增大的問題, 伴隨著體積增大而帶來的投放和回收操作上的一系列問題。實際應(yīng)用實驗結(jié)果表明, 自主升降式原位觀測系統(tǒng)的下降和上升速度控制在30~60 m/min為最佳選擇[21, 29]。配重釋放機構(gòu)多采用雙聲學(xué)釋放器并聯(lián)釋放機構(gòu)提供冗余釋放保障, 商品化聲學(xué)釋放器產(chǎn)品提供了較多的選擇余地, 如機電驅(qū)動脫鉤、熔斷釋放或爆炸斷裂等方式。

水面直接投放方法雖然有著操作簡單、投放速度快等優(yōu)點, 但是也存在著受海流等動力要素影響, 系統(tǒng)在海底著陸地點與預(yù)期存在較大偏差的問題[30]。借助于可視化“投放器”, 將自主升降底棲原位觀測站通過科考船上的深海同軸電纜或鎧裝光纜投放到特定的觀測區(qū)域[31], 可以實現(xiàn)“選擇著陸地點”以及系統(tǒng)“軟著陸”功能。通過投放器上的攝像裝置人工選取合適“著陸”地點, 譬如海底天然氣水合物的泄露點、泥隆堆、以及熱液噴口附近區(qū)等。投放器主要由遠程通信裝置、水下攝像系統(tǒng)、水下照明光源以及機電釋放機構(gòu)組成, 投放器與甲板控制端通過深海同軸電纜或鎧裝光纜進行實時圖像信息傳輸, 利用投放器上的攝像機在距海地1~50 m范圍內(nèi)可獲取海底環(huán)境信息, 在甲板上根據(jù)水下觀測圖像選定合適著陸地點后, 啟動投放器“投放”指令, 投放器與自主升降底棲原位觀測站分離, 自主底棲原位觀測站依靠配重的負浮力降落到海底, 從而實現(xiàn)米級精度著陸[32]。

2 自主式海底原位箱式實驗室觀測站

基于底棲原位箱式的海底界面溶質(zhì)通量的定量檢測方法是研究沉積物邊界物質(zhì)通量變化應(yīng)用時間最長的觀測方式, 通過測量覆蓋在單位沉積物面積的底棲原位箱式內(nèi)溶質(zhì)濃度變化, 如溶解氧、氮、磷、碳或甲烷(CH4), 即可計算得出溶解物質(zhì)的含量, 獲取沉積物-水界面物質(zhì)交換的單位體積內(nèi)的變化量。即利用已知面積和高度的箱式實驗室置于海底, 使得來自于沉積物中的溶解物質(zhì)封閉在箱式實驗室的水體中, 在封閉水體中的沉積物-海水界面上, 沉積物中的溶解物質(zhì)隨著周邊環(huán)境變化與海水進行交換, 來自海底沉積物的溶解化學(xué)物質(zhì)濃度增加, 而被沉積物吸收的化學(xué)物質(zhì)降低, 從而可以定量評估界面溶質(zhì)交換通量變化過程。

自主升降式原位觀測站是在深海海底進行原位培養(yǎng)實驗的有效技術(shù)手段, 當(dāng)觀測站在海底著陸后, 通過觀測平臺的機電控制機構(gòu), 可以精確地將原位箱式培養(yǎng)實驗室插入沉積物中, 在海底形成一個封閉的箱式培養(yǎng)室, 利用培養(yǎng)室中的傳感器對封閉實驗室內(nèi)化學(xué)組分濃度進行時序變化測量, 通過公式(1)可以定量地評估溶質(zhì)在海底界面通量變化:

20世紀(jì)90年代美國斯克里普斯海洋研究所Smith團隊研制的FVR(Free Vehicle Respirometer)實現(xiàn)了深海海底表層沉積物的溶解氧消耗量實時觀測[30, 33]。該自主式海底觀測站搭載了相機、極譜氧電極和4個底棲箱式實驗室構(gòu)成的一體化的底棲實驗平臺, 利用電機可以將底棲實驗倉緩慢地推入沉積物中(插入深度約為15 cm), 在原位箱式培養(yǎng)實驗室內(nèi)利用旋轉(zhuǎn)攪拌器模擬實驗箱外的動力環(huán)境。系統(tǒng)回收時, 4個底棲實驗箱在執(zhí)行機構(gòu)控制下, 將沉積物樣品封閉在倉內(nèi), 形成4個底泥采樣器, 所采集的沉積物樣品用于實驗室分析。隨后Smith教授團隊對FVR進行了改進, 開發(fā)了FVGR(Free Vehicle Grab Respirometers)和FVGR-II原位觀測站, 增加了時間序列水樣采集器, 通過對所采集水樣及沉積樣品的實驗室分析, 可進行底棲顆粒有機碳、有機氮、表層沉積物耗氧量的定量評估, 為沉積物-海水界面物質(zhì)交換的定量評估提供了新的技術(shù)方法[34-35]。美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)研制的GoMEX原位觀測站(Gulf of Mexico Lander)與FVGR功能類似, 在觀測平臺上搭載兩個密閉的底棲箱式實驗室, 一個水下相機, 每個底棲箱式實驗室配有溶解氧探頭和溫度探頭, 水泵以及攪拌器, 水下工作時間為8~36 h, 可實現(xiàn)表層沉積物中微生物代謝過程氧的通量測量及沉積物表面生物膜代謝過程的原位定植實驗[36-37]。

近年來, 荷蘭海洋研究所開發(fā)的BOLAS (Benthic Oxygen Lander System)觀測站采用兩個相機, 由熔斷機構(gòu)觸發(fā)2個1.7 L采水器, 搭載了兩個沉積物采樣器和兩個底棲箱式實驗室。其中一個底棲箱式實驗室裝有磁攪拌器, 兩套時間序列采水器一個用于底棲箱式實驗室內(nèi)的水樣采集, 另一個采集底棲實驗室外的水樣, 在觀測站的上部還可搭載兩個沉積物捕獲器。當(dāng)觀測站達海底后, 利用電機將底棲實驗室緩慢地插入到沉積物中, 當(dāng)電導(dǎo)率探頭觸到沉積物時, 電導(dǎo)率發(fā)生變化, 停止插入, 開始按事先預(yù)定設(shè)定的時間間隔采集底棲實驗室內(nèi)上覆水, 根據(jù)所采集的水樣分析沉積物-水界面的氮及氧的通量變化[38]。荷蘭海洋研究所研制的另一臺多功能底棲原位觀測站ALBEX(Autonomous Lander for Biological Experiments), 可進行海底沉積物中的氧消耗速率實時測量, 進行沉積物中碳礦化作用的估算。該觀測站搭載3個原位箱式培育室, 并集成1個沉積物捕獲器, 每個箱內(nèi)有一個溶解氧傳感器和攪拌器, 模擬海底物質(zhì)交換環(huán)境, 可以記錄溶解氧、濁度以及底流等參數(shù), 為研究生物與海底物理環(huán)境之間的影響過程提供了有效支撐[39-40]。

表2 國外研制的部分深海原位箱式實驗室觀測站

丹麥KC公司與德國不萊梅馬克斯普朗克海洋研究所設(shè)計了原位培植實驗觀測站LUISE(Lander for Underwater in Situ Experiments), 觀測平臺中部裝有6個箱式培養(yǎng)實驗管, 管內(nèi)分別裝有注射器, 在海底利用電機可以將柱狀培養(yǎng)管和注射針頭插入60 cm厚的沉積物中, 根據(jù)事先編制的程序依次將跟蹤試劑注入到沉積物中進行原位培植實驗, 系統(tǒng)回收后, 將柱狀培養(yǎng)管的沉積物樣品帶到實驗室內(nèi)分別測量培養(yǎng)管中未注射與注射示蹤劑沉積物中的H2S, FeS, FeS2, S等剖面變化, 用于評估沉積物中細菌對化學(xué)物質(zhì)的消耗影響[41]。

針對多數(shù)報道的底棲觀測站缺少近海底動力要素參數(shù)不足, 法國海洋開發(fā)研究院(IFREMER)研制了底棲觀測站RAP2 (Respirometre Autonome Grande Profondeur), 該觀測站除了攜帶3個底棲箱式實驗室, 還攜帶邊界層海流測量的聲學(xué)海流計, 程控序列水樣采集器, 水下攝像機[42]。當(dāng)觀測站在海底著陸后, 3個底棲箱式實驗室在步進電機驅(qū)動下分別插入約9 cm厚的沉積物中, 然后在底棲實驗室中注入定量的NaF, 利用攪拌器模擬底流, 同時按時序采集水樣, 系統(tǒng)回收后對水樣及沉積物樣品進行分析, 評估沉積物中微生物代謝活動與營養(yǎng)鹽、硅、氮、磷及溶解氧通量變化的關(guān)系。

德國赫姆基爾海洋研究所近十年來開發(fā)了一系列的底棲原位觀測站, 其中具有代表性的是用于沉積物界面生物地球化學(xué)作用觀測的BIGO (Biogeochemical Observatory)觀測站, 在支撐架中部安置兩個直徑為28.8 cm的原位箱式實驗室, 一個原位箱式實驗室配有氧氣補償裝置, 觀測站采用可視化有纜“投放器”布放到海底。系統(tǒng)在海底著陸2~3 h后, 底棲實驗室以30 cm/h的速度緩慢插入沉積物中, 觀測站上搭載的8個序列水樣依次抽取兩個底棲箱內(nèi)的水樣, 觀測結(jié)束時底棲箱底部執(zhí)行封閉操作, 將沉積物保存在箱體內(nèi)一同回收, 通過在實驗室內(nèi)對表層沉積物的O2、SO42–、HS–、NO3–、NO2–、NH4–、PO43–、Fe2+、Si、Br–、I–、總氯含量以及水樣中的O2、N2、Ar、N、PO43–、Si、SO42–等濃度的檢測, 為評估沉積物-水剖面的物質(zhì)通量提供了新的方法[43]。2009年Linke等利用BIGO觀測站在水合物滲漏區(qū)進行了4 h的海底總氧消耗及甲烷通量觀測, 驗證了總耗氧量與甲烷通量變化的相關(guān)性[44]。德國赫姆基爾海洋研究所研制的專用的海底天然氣水合物噴發(fā)機制觀測站——VESP(Vent Sampler), VESP攜帶5個水樣采集器, 底部覆蓋面積為1 m2的箱體, 內(nèi)部安置熱流計, 電極驅(qū)動注射式采水器、熱敏電阻式流量計等, 同時攜帶CTD、聲學(xué)海流計[45]。FLUFO(Fluid Flux Observatory)是一個用于進行海底界面物理與化學(xué)綜合因素對底部流體及化學(xué)物質(zhì)的影響研究的觀測站, 特別是天然氣水合物的原位觀測, 與BIGO一樣也攜帶兩個原位箱式實驗室, 同時搭載了海流計用于測量流體和氣體通量以及相關(guān)的控制參數(shù), 可以用來定性或定量地解釋復(fù)雜物理、化學(xué)環(huán)境變化與溢流的關(guān)系或?qū)θ芙饣瘜W(xué)物質(zhì)釋放速率的影響[45]。

瑞典哥德堡大學(xué)開發(fā)了GoTEBORG(Goteborg chamber and profile)底棲觀測站, 該觀測站可搭載4個底棲箱式培植實驗室, 每個實驗箱內(nèi)裝有溶解氧和電導(dǎo)率探頭, 底棲箱式培植實驗室插入沉積物深度為13~21 cm, 攜帶9個時間序列水樣采集器, 具有90多種不同的控制模式進行原位實驗, 譬如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、傳感器采集頻率變更等, 實現(xiàn)了沉積物-水界面的氧、有機碳、營養(yǎng)鹽、金屬離子的通量監(jiān)測[46]。

3 自主式沉積物-海水剖面測量原位觀測站

隨著深海原位化學(xué)傳感器研究不斷深入, 新型化學(xué)傳感探頭達到微米級直徑, 可直接插入沉積物中實現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)梯度分布測量[47]。這些5~20mm直徑的微型傳感器探頭集成在自主式底棲原位觀測站, 替代原位培養(yǎng)實驗室, 通過步進電機控制微電極傳感器在垂直方向的運動步長, 實現(xiàn)了沉積物-海水界面的垂直剖面測量。根據(jù)Fick’s第一定律, 假設(shè)已知探測沉積物的孔隙率和粒徑分布, 可利用Fick’s公式(2)計算底棲溶質(zhì)通量變化[48]:

其中,(mmol/(m2·d))是某一溶質(zhì)在沉積物-水界面的擴散通量,s( m2·d)是沉積物擴散系數(shù),是沉積物孔隙度, d/d(mmol/m4)是溶質(zhì)在沉積物-水界面垂直梯度的濃度分布。沉積物的孔隙度可以利用電導(dǎo)率傳感器直接測量, 也可以對采集的沉積物樣品稱質(zhì)量。分子物擴散系數(shù)計算采用s=w/ 2, 其中w(m–2·d–1)是溶質(zhì)在水體的擴散系數(shù); 2是沉積物彎曲效應(yīng)的實際分子彎曲半徑, 可采用估算方法獲得: 2=1–2ln。

德國赫姆基爾海洋研究所研制的PRFL(profiler lander)剖面系統(tǒng)搭載兩個玻璃纖維制作的框架, 上部玻璃纖維框架可以在軸或軸以毫米級單位位移, 最大行程50 cm; 下部框架安裝有微電極傳感器, 在軸方向按照預(yù)先設(shè)置的位移尺度進行垂直平面測量, 傳感器平臺上集成了溶解氧、硫、和pH傳感探頭, 可以實現(xiàn)50 cm范圍內(nèi)的剖面實現(xiàn)沉積物-水界面物質(zhì)含量測量。PRFL原位觀測站同時集成了1臺流速剖面測量ADCP, 1臺矢量海流計測量近海底邊界流速, 水下成像系統(tǒng)提供了海底沉積物表面的地貌變化信息[49]。

韓國海洋科學(xué)研究院設(shè)計制作了小型化自制式深海剖面觀測站NAFRI BelpI(National Fisheries Research and Development Institute, Benthic lander microprofiler), 4個支撐框架結(jié)構(gòu), 工作水深可達3 000 m, 剖面移動平臺可攜帶3個微電極傳感器, 可以進行垂直剖面的O2、pCO2、H2S、或N2O的測量, 最小垂直移動步長根據(jù)實驗要求可以設(shè)置為 50, 100或200mm[50]。

在歐供體資助的項目BENBO(Benthic Boundary Program)中, 英國和丹麥合作研制了BENBO三角支架底棲觀測站進行深海海底生物物理及生物地球化學(xué)過程監(jiān)測[51]。在觀測站的中部裝有步進驅(qū)動的垂直運動監(jiān)測平臺, 平臺上的微電極探頭在垂直運動過程中, 對上覆水及沉積物孔隙水剖面進行亞毫米級分辨率O2、pH測量。也可搭載30 cm′30 cm箱式底棲實驗室模塊, 進行界面的化學(xué)物質(zhì)通量測量; 同時該觀測站還可搭載管式沉積物取樣器, 間隔水樣采樣器等設(shè)備, 便于實驗室內(nèi)的樣品分析。

近十年來由于熒光材料的快速發(fā)展, 基于平面光極傳感器的海底觀測技術(shù)為測量兩維化學(xué)組分剖面變化提供了新的技術(shù)方法[52]。平面光極基于數(shù)字相機記錄探測平面發(fā)射的熒光強度, 根據(jù)Stern- Volmer方程對每個像素的熒光強度或熒光壽命進行分析, 可獲得被觀測物質(zhì)濃度變化分布。平面光極的優(yōu)勢在于可同時獲得微米級分辨率的兩維空間分動態(tài)變化信息, 而微電極傳感器只能提供單點的梯度變化數(shù)據(jù)[53]。Glud等開發(fā)了集溶解氧微電極傳感器和溶解氧平面光極為一體的海底觀測站試驗樣機[54], 實現(xiàn)了深海沉積物-水界面微米級至厘米級溶解氧剖面動態(tài)分布變化連續(xù)觀測。但是平面光極傳感技術(shù)在實際應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)性問題是在插入海底界面過程中會破壞表層沉積物結(jié)構(gòu)、響應(yīng)時間較長, 這些問題還有待于在今后結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用研究中進一步改進和完善。

隨著商品化微型化學(xué)傳感器的性能不斷完善, 自主式微剖面觀測站已從實驗室樣機研制階段向商品化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?？偛课挥诘湹腢nisense公司提供可用于深?；驕\海的Miniprofiler MP4剖面原位觀測產(chǎn)品, 工作水深范圍為300~6 000 m, 同時可搭載Unisense公司銷售的8個微電極傳感器, 如O2、 H2、H2S、pH、氧化還原電極及溫度探頭等[55], 為亞毫米級的1維和2維空間沉積物-水界面的梯度變化檢測提供了技術(shù)支持。

4 基于渦動相關(guān)方法的自主式邊界層溶質(zhì)通量原位觀測站

幾十年的海底原位監(jiān)測技術(shù)發(fā)展及觀測數(shù)據(jù)積累, 證明傳統(tǒng)概念中深海海底溶質(zhì)在邊界層基本處于均勻分布的片面性[56]。觀測研究表明在深海生物及細菌作用下, 溶質(zhì)在邊界層不同空間尺度(千米~毫米)呈現(xiàn)出較大的異質(zhì)性, 譬如陸坡、海底峽谷、低氧區(qū)、珊瑚礁、冷泉噴口等[57]。因此開展深海邊界層動態(tài)變化實時監(jiān)測研究, 對深入了解海洋中的物質(zhì)循環(huán)及交換過程機理具有重要意義[58], Berg等首次提出利用矢量海流計和高速溶解氧傳感探頭同步測量單點的渦動湍流和溶解氧濃度評估邊界層溶解氧通量變化, 證明基于非接觸式測量的渦動相關(guān)技術(shù)可用于沉積物-水界面溶解氧通量定量評估[59]。根據(jù)水體在擴散邊界層及內(nèi)邊界層的作用, 其垂直通量用可表示為:

其中,是垂直速度,是溶質(zhì)的濃度,是溶質(zhì)的分子擴散系數(shù),是溶質(zhì)在沉積物-水界面濃度的垂直梯度分布。在流速較強環(huán)境下, 由于湍流對流對垂直方向上地傳輸起主導(dǎo)作用, 因此可以忽略公式中的(3)中的第1項。其平均垂向渦動通量可通過計算垂向速度和溶質(zhì)濃度變化的相關(guān)性獲得:

其中,′是垂直流速,′是溶質(zhì)的濃度, 上劃線表示采樣間隔內(nèi)的平均值。垂向流速由變化流速和平均流速組成, 表示為=′+; 溶質(zhì)的濃度由瞬間變化濃度和平均濃度組成, 即=′+, 這樣邊界層溶質(zhì)的通量就簡化成計算溶質(zhì)和垂直方向上流速的協(xié)方差。

與自主式海底原位箱式實驗室及沉積物-海水剖面測量方法觀測站相比, 渦動相關(guān)技術(shù)的最大優(yōu)勢在于測量過程中不需要與沉積物接觸, 對海底沉積物及生物棲息地不產(chǎn)生干擾, 并且可用于100 m2大面積的溶質(zhì)通量變化評估[60]。目前美國、德國、英國、日本等國家相繼研制了自容式水下渦動相關(guān)原位觀測站, 美國俄勒岡州立大學(xué)制作的BOXER海底觀測站采用三角框架, 高1.8 m, 寬2.3 m, 利用聲學(xué)矢量流速儀和低噪聲溶解氧電極以64 Hz同步采集, 觀測站同時還集成了CTD及水下相機[61]。歐共體成員國合作研制了多種形式的自容式水下渦動相關(guān)原位觀測站, 采用響應(yīng)時間小于0.3 s的溶解氧微電極, 同步采集速率為64 Hz, 開展了在潮汐動力要素影響下英國北海滲透沉積物的邊界層及沉積物-水界面的氧通量動態(tài)變化研究[62]、硬質(zhì)海底的氧交換速率觀測研究[63]、深海冷水區(qū)珊瑚礁表面的耗氧速率動態(tài)變化觀測研究等[64]。日本港灣與空港技術(shù)研究所利用渦動相關(guān)原位觀測站分別對白天和黑天潮間帶、河口, 以及潮汐、海浪、等底棲溶氧通量的動態(tài)變化進行了觀測研究[65-66]。因此渦動相關(guān)原位觀測技術(shù)在不適宜實施箱式實驗室及剖面?zhèn)鞲衅鞯暮５? 如深海峽谷、礁石地質(zhì)區(qū)等的溶質(zhì)通量異質(zhì)性變化觀測中具有廣闊的應(yīng)用前景[67]。

5 自主式溶質(zhì)通量原位移動觀測站

在海底觀測中, 自主式海底觀測站的原位觀測時空尺度受其外形限制, 通常在1~2 m2。為提升自主式底棲原位觀測站空間尺度資料獲取能力, 美國蒙特里海灣水族館研究所研制了首臺深海海底移動觀測站(ROVER—漫游者)[68], 與星球自動移動機器人一樣, ROVER可以在水深6 000 m的海底自動移動, 連續(xù)觀測能力可達6 個月, 在海底可實現(xiàn)30個點的沉積物-水界面剖面及原位箱式實驗室觀測?；谛碌膫鞲衅髟O(shè)備和材料, 第二代ROVER在觀測能力和性能都得到了優(yōu)化, 體積更加緊湊, 在水下運動范圍可達40 km, 集成了2臺高分辨率深海攝像機和1個避障聲吶與1個導(dǎo)航聲吶, 觀測平臺上的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器用于觀測數(shù)據(jù)的無線傳輸[69]。

德國16個科研院所聯(lián)合開發(fā)了深海水下履帶移動觀測平臺實驗樣機TRAMPER, 工作水深 4 500 m, 最大移動速度 13 m/min, 集成了沉積物-水剖面溶解氧微電極, 在每星期觀測1次的采樣間隔設(shè)置下可在水下工作1年[70], 由于配備了基于地形導(dǎo)航系統(tǒng), 極大提高其水下工作靈活性和工作范圍。近年來德國又開發(fā)了與定點觀測站協(xié)同作業(yè)的VIATOR自主式移動觀測平臺, 并與加拿大聯(lián)合研制了可通過海底觀測網(wǎng)對其觀測/作業(yè)進行控制的Wally樣機[71]。目前Wally已經(jīng)完成了與加拿大NEPTUNE海底觀測網(wǎng)的連接調(diào)試, 譬如利用Wally可實現(xiàn)海底觀測網(wǎng)無法完成的異常環(huán)境中的熱液噴口活動實時監(jiān)測[72], 為拓展海底觀測網(wǎng)的觀測空間尺度能力提供了新方法。

6 自主式溶質(zhì)通量原位觀測站研發(fā)建議

近幾十年圍繞著海底邊界層溶質(zhì)通量監(jiān)測開發(fā)了的各種原位觀測技術(shù)方法, 在觀測時空尺度方面存在較大的差異, 如圖2所示。自主式海底原位箱式實驗室觀測站內(nèi)部通過攪拌或轉(zhuǎn)子只是模擬外界動力環(huán)境, 無法再現(xiàn)真實外界環(huán)境變化過程; 此外箱體覆蓋空間誤差較大, 可引起人為測量誤差。自主式沉積物-海水剖面測量原位觀測站所采用的海洋化學(xué)傳感器, 普遍面臨著使用壽命較短、容易產(chǎn)生信號漂移等難題, 難以滿足長期自動監(jiān)測應(yīng)用需求?；跍u動相關(guān)方法的自主式邊界層溶質(zhì)通量原位觀測站在微觀時空尺度觀測方面存在局限性, 計算的溶質(zhì)通量變化受觀測儀器的采樣時間及響應(yīng)分辨率制約存在較大的誤差, 此外流速儀的功耗制約了其水下工作時間; 自主式溶質(zhì)通量原位移動觀測站是AUV 技術(shù)與自主式原位觀測站優(yōu)勢互補的觀測系統(tǒng), 為實現(xiàn)大空間范圍定點實時觀測提供了新的技術(shù)手段, 但是其面臨與AUV類似的問題, 受功耗與攜帶儀器負載的限制, 此外在海底移動過程中對表面沉積物會產(chǎn)生影響, 帶來測量誤差。

自主式海底原位觀測站在今后研制與應(yīng)用中, 要針對不同的海底屬性和時空尺度觀測, 在觀測站的靈活性, 綜合觀測能力、儀器設(shè)備通用性、可靠性等方面不斷完善, 以適應(yīng)不同的深海觀測研究需求。譬如最近德國赫姆基爾海洋研究所研制的模塊化、大負載搭載能力(400 kg)的底棲觀測站HiCAP(High Capacity and Payload), 便于多傳感器集及原位定植培養(yǎng)實驗裝置搭載, 在5.4 m2內(nèi)進行生物、物理、化學(xué)以及地質(zhì)等多項現(xiàn)場試驗及監(jiān)測, 實現(xiàn)物理、化學(xué)監(jiān)測及底棲原位實驗等多要素的實時觀測目標(biāo)。

傳感器是獲取深海溶質(zhì)實時變化的重要手段, 目前受傳感器技術(shù)的限制, 所測量的無機或有機溶解物質(zhì)通量指標(biāo)有限, 因此進一步完善現(xiàn)有原位傳感器性能、開發(fā)新一代高效、可靠的傳感技術(shù), 在壓力、靈敏度、穩(wěn)定性、精度使用壽命等方面取得突破性進展, 實現(xiàn)深海海底CO2、CH4、NH4+、NO2–、NO3–、H2S、Fe+2、Mn2+等多種指標(biāo)的實時檢測, 是深海原位觀測站發(fā)展急需解決的重要課題之一。

經(jīng)過幾十年的驗證, 底棲原位箱通量觀測方法所提供的沉積物界面通量資料具有良好參考性, 我們建議所開發(fā)的各種邊界層溶質(zhì)通量觀測站都應(yīng)集成底棲原位箱裝置用于對比驗證, 尤其是在滲透性沉積物區(qū)域。此外, 目前采用的水樣采樣器尚難以提供高分辨率的溶質(zhì)及顆粒在海底邊界層空間及時間地變化信息, 因此開發(fā)新型的高分辨率水樣采集或?qū)崟r監(jiān)測裝置也是自主式原位觀測站急需解決的問題之一。

結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的先進成果, 建議優(yōu)先開發(fā)水下無線通信和新能源供給技術(shù), 提升海底觀測站的自動觀測能力; 開展AUV、ROV、Glider、潛標(biāo)、水面浮標(biāo)等觀測技術(shù)的無線或有線組網(wǎng)技術(shù)研究, 構(gòu)建從海底到水體、從水體到水面的三維立體空間觀測體系。實現(xiàn)長時序、大時空尺度、高分辨率的邊界層溶質(zhì)通量定量評估與監(jiān)測, 是構(gòu)建深海生物地球化學(xué)循環(huán)原位觀測系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向。

7 結(jié)論

深海的復(fù)雜性及高壓力的特殊環(huán)境, 使得人類對深海海底的物理、化學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律及其對全球作用認識非常有限, 缺少長期、連續(xù)的海底宏觀和微觀現(xiàn)場觀測綜合數(shù)據(jù)資料, 譬如顆粒通量評估、溢出氣體流量監(jiān)測、沉積物-海水界面流體及氣體流量測量、沉積物-海水界面的碳、氮、磷等在生物地球化學(xué)循環(huán)以及底棲生態(tài)活動對沉積物物質(zhì)通量的影響等。與現(xiàn)有的AUV、ROV、海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)相比, 自主式海底觀測站提供了一種低成本、高效的水動力作用下海底化學(xué)物質(zhì)輸送、交換的原位監(jiān)測技術(shù)方法。自主式沉積物-水剖面原位海底觀測站可以提供深海海底溶質(zhì)的高分辨率微觀梯度動態(tài)變化信息, 是了解沉積物-水界面溶質(zhì)微觀異質(zhì)性分布及動態(tài)變化唯一有效手段; 海底原位箱式實驗室觀測站為獲取生物擾動對沉積物溶質(zhì)通量變化提供了可靠數(shù)據(jù); 渦動相關(guān)原位觀測站無需與海底接觸, 即可定量評估大面積溶質(zhì)通量變化。自主式海底原位觀測站在原位高時空分辨率具有獨特的優(yōu)勢, 但是在大空間尺度、跨年觀測能力方面有著一定的局限性, 隨著高性能供電系統(tǒng)、新型傳感技術(shù)及先進觀測方法等關(guān)鍵問題的研究突破, 推進移動式海底原位觀測站或無線觀測站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等方面的發(fā)展進度, 提升長時序、大覆蓋面積的連續(xù)觀測能力, 對提高人類對深海海底界面物質(zhì)通量動態(tài)變化過程、海底生態(tài)系統(tǒng)探索水平具有重大意義。

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Review of seabed landers for monitoring solute fluxes in deep sea

YU Xin-sheng1, 2, YAN Zhi-jin1, ZHU Ming-liang3, LI Dong4, JIANG Zi-ke1, CUI Shang-gong1

(1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Detection Technology, Qingdao 266100, China; 3. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266100, China; 4. Yantai Institute of Coastal Zone Research, the Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China)

To understand physical, chemical, and biological transportation mechanisms across the deep sea floor has been a major challenge in deep sea research. Lander equipment can be deployed from a ship and sink by its own gravity through the water column. Once it has landed smoothly on the sea floor, the lander can conduct a variety of sea-floor measurements and experiments and bring samples and collected data back to the surface. In this paper, we provide current information on benthic landers designed to monitor the biogeochemical processes of the deep seabed. We discuss applications of these systems along with their associated advantages and disadvantages.

deep seafloor, in-situ devices, solute flux, benthic lander, biogeochemistry

(本文編輯: 劉珊珊)

Dec. 12, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.41271547, No.41401644; The National High Technology Research and Development Program of China, No. 2012AA09A20103, No. 2009AA09Z201]

P715.5

A

1000-3096(2017)06-0150-12

10.11759/hykx20161212001

2016-12-12;

2017-03-08

國家自然科學(xué)基金項目(41176089, 41176078); 國家“863”計劃(2012AA09A20103, 2009AA09Z201)

于新生(1960-), 男, 山東青島人, 教授, 博士, 主要從事海底觀測與信息技術(shù), 電話: 0532-66782913, E-mail: xsyu@ouc.edu.cn