袁東方 王碩仁 陳清滿(mǎn) 沈悅 廖周鑫

(中國(guó)極地研究中心,上海 200136)

提要 中國(guó)南北極科考為極地生態(tài)、氣候等學(xué)科發(fā)展提供了豐富的數(shù)據(jù)資源,其中海底沉積物取樣是歷次科考所涵蓋的內(nèi)容之一。在國(guó)際上,箱式、蚌式和多管采泥器作為常規(guī)的表層沉積物取樣設(shè)備。在我國(guó),應(yīng)注意到在長(zhǎng)柱狀沉積物取樣設(shè)備上和國(guó)外存在很大差距,增強(qiáng)沉積物取樣能力為時(shí)下迫切需要解決的難點(diǎn)之一。早期服役的“雪龍”號(hào)極地科考船不具備搭載長(zhǎng)柱狀取樣器的能力,采用的為總長(zhǎng)度小于8 m 的普通重力取樣器來(lái)進(jìn)行柱狀沉積物取樣作業(yè),所獲取的沉積物巖心樣品長(zhǎng)度較短,一般在4～6 m。從2019年7月11日始,“雪龍2”號(hào)正式交付自然資源部并加入我國(guó)極地考察序列?！把?” 號(hào)配備達(dá)到國(guó)際主流水平的總長(zhǎng)度22 m 的長(zhǎng)柱狀重力活塞取樣器。該取樣器分別在南北極進(jìn)行了首次應(yīng)用,成功獲取了長(zhǎng)度超過(guò)18 m的高質(zhì)量長(zhǎng)柱狀沉積物樣品,取心率超過(guò)80%,極大增強(qiáng)了我國(guó)在極地考察過(guò)程中采集高質(zhì)量長(zhǎng)柱狀沉積物樣品的能力。

0 引言

海底沉積物取樣是海洋沉積學(xué)研究的重要手段和基礎(chǔ)工作。為對(duì)海底沉積物類(lèi)型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物質(zhì)組成和地層層序等進(jìn)行直接分析,需從海底取得足夠的沉積物樣品,一般可分為表層沉積物取樣和柱狀沉積物巖心取樣。目前海底沉積物取樣常用到的設(shè)備主要有: 箱式采泥器、蚌式采泥器、多管采泥器、重力柱狀取樣器、電視抓斗、巖石拖網(wǎng)等。這些裝備主要用于常規(guī)采集海底表面或數(shù)米深度范圍內(nèi)的沉積物樣品。若開(kāi)展海底以下十米、數(shù)百米甚至數(shù)千米的樣品采集,則需要使用長(zhǎng)柱狀重力活塞取樣器(指樣品管長(zhǎng)度超過(guò)10 m 的取樣器,下同)和海底鉆探等方式來(lái)完成。對(duì)于長(zhǎng)柱狀重力活塞取樣器的配置能力是衡量一艘考察船地質(zhì)調(diào)查能力的主要指標(biāo)[1]。

我國(guó)極地海洋科學(xué)起步較晚,與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,海底沉積物取樣裝備性能也相對(duì)落后。表層沉積物取樣器(箱式采泥器、蚌式采泥器和多管采泥器等),在我國(guó)已經(jīng)作為常規(guī)取樣設(shè)備使用,總體性能與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相近,在歷次南北極考察中都參與了科考作業(yè),取得了大量的表層沉積物樣品。但是在長(zhǎng)柱狀沉積物取樣方面,在樣品長(zhǎng)度這一關(guān)鍵指標(biāo)上和國(guó)內(nèi)外存在很大差距。

2005年至 2006年,法國(guó)科考船“Marion Dufresne”執(zhí)行全球海洋變化研究(IMAGES)計(jì)劃時(shí),配備并使用了60 m 長(zhǎng)的長(zhǎng)柱狀取樣器,獲取了超過(guò)50 m 長(zhǎng)的沉積物柱狀巖心[2-3]。2012年6月,在中法合作“南海深部環(huán)流CIRCEA”航次中,使用長(zhǎng)柱狀取樣器在南海北部進(jìn)行7 個(gè)站位的作業(yè),取得了最長(zhǎng)50.80 m 的沉積物柱狀巖心,最短的也有31.91 m[4]。

相比于國(guó)外已經(jīng)使用的長(zhǎng)柱狀取樣器,國(guó)內(nèi)在極地考察中還未搭載過(guò)類(lèi)似裝備,“雪龍”號(hào)破冰船受限于原始結(jié)構(gòu),不具備搭載長(zhǎng)度超過(guò)10 m 的柱狀取樣器的能力,在“雪龍2”號(hào)服役以前,幾乎都是采用重力取樣的方式進(jìn)行柱狀沉積物采樣,采集的樣品長(zhǎng)度普遍較短,缺乏長(zhǎng)度超過(guò)10 m 的高質(zhì)量巖心作為研究材料,長(zhǎng)柱狀沉積物取樣技術(shù)明顯落后,亟待在極地科考船配備長(zhǎng)柱狀取樣器,以彌補(bǔ)我國(guó)極地研究缺少高質(zhì)量長(zhǎng)柱狀沉積物樣品的空白。

“雪龍2”號(hào)隸屬于自然資源部中國(guó)極地研究中心。作為我國(guó)第一艘國(guó)內(nèi)深化設(shè)計(jì)并自主建造的極地科考破冰船,“雪龍2”號(hào)破冰能力為PC3 級(jí)——可在兩極水域混有陳冰的次年海冰中航行作業(yè),艏向和艉向航行均能連續(xù)以2～3 節(jié)的速度破厚度不低于1.5 m 水平冰(外加0.2 m 雪)。艏向航行具有沖撞破冰能力,艉向航行時(shí)能確保在20 m 厚當(dāng)年冰冰脊(含4 m 堆積層,外加0.2 m雪)中不被卡住[5]?！把?”號(hào)配備了先進(jìn)的絞車(chē)、A 架和地質(zhì)取樣設(shè)備,使搭載長(zhǎng)柱狀取樣器成為了可能。“雪龍2”號(hào)在可行性研究和設(shè)計(jì)階段,就提出選用長(zhǎng)柱狀取樣器作為地質(zhì)沉積物取樣的設(shè)備。長(zhǎng)柱狀沉積物取樣器的取樣長(zhǎng)度是衡量取樣能力十分重要的技術(shù)指標(biāo),“雪龍2”號(hào)是我國(guó)極地科考船中首次配備22 m 的長(zhǎng)柱狀取樣器,達(dá)到國(guó)內(nèi)和國(guó)際主流水平(表1)。

表1 國(guó)內(nèi)外科考船配備的長(zhǎng)柱狀取樣器長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)比表Table1.Comparison table of length parameters of long column gravity corer equipped on research vessels in domestic and abroad

1 “雪龍2”號(hào)長(zhǎng)柱狀取樣器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

“雪龍2”號(hào)配備的為英國(guó)Ocean Scientific International Ltd.(簡(jiǎn)稱(chēng)OSIL)生產(chǎn)的長(zhǎng)柱狀取樣器(Giant Piston Corer,GPC),是世界上知名的取樣設(shè)備(圖1)。中國(guó)自然資源部第一海洋研究所“向陽(yáng)紅01”號(hào)、中山大學(xué)、英國(guó)地質(zhì)測(cè)量局、美國(guó)斯克里普斯海洋學(xué)研究所、韓國(guó)海洋科學(xué)科技研究所、印度地質(zhì)調(diào)查局以及日本海洋地質(zhì)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)等國(guó)內(nèi)外一系列科研院所都使用OSIL 提供長(zhǎng)柱狀取樣器,并已在全球范圍內(nèi)成功地取得長(zhǎng)柱狀沉積物樣品。取樣器主要適用于質(zhì)地柔軟的細(xì)粒級(jí)沉積物中取樣,僅僅依靠重力貫入海床,不需要任何電力輸入就能在深海中使用。該設(shè)備主要運(yùn)用于沉積學(xué)、地球化學(xué)和古海洋學(xué)研究。

圖1 長(zhǎng)柱狀取樣器結(jié)構(gòu)圖(單位: mm)Fig.1.Structure of the Giant Piston Corer (Unit: mm)

1.1 原理

普通重力取樣器靠重力貫入沉積層內(nèi),沉積物從底部刀口處進(jìn)入取樣器內(nèi)部,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易操作,但取樣管長(zhǎng)度短、取樣極限長(zhǎng)度有限。OSIL長(zhǎng)柱狀取樣器在襯管內(nèi)加裝了活塞,通過(guò)活塞纜拉動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),在取樣器刀口貫入沉積物的時(shí)刻,活塞纜立即拉直產(chǎn)生一定的張力(該張力應(yīng)足以克服活塞與樣品管內(nèi)壁之間的摩擦力),使活塞在取樣器的整個(gè)貫入過(guò)程中始終保持在沉積物表面位置,依靠樣品管與活塞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在樣品管內(nèi)部形成一定的負(fù)壓環(huán)境,從而有效地降低進(jìn)入樣品管內(nèi)的沉積物樣品與樣品近內(nèi)壁之間的摩擦力(稱(chēng)為“內(nèi)摩阻”)的影響,進(jìn)而達(dá)到減小樣品壓縮和提高取心率的目的[6]。長(zhǎng)柱狀取樣器工作過(guò)程分為如下幾步。

1.下放過(guò)程。組裝好長(zhǎng)柱狀取樣器,根據(jù)取樣管長(zhǎng)度設(shè)置活塞纜和重錘纜繩長(zhǎng)度。下放時(shí)重錘纜繩和長(zhǎng)柱狀取樣器相互平行,不相互纏繞,然后安全下放到海底,如圖2a 所示。

2.釋放過(guò)程。當(dāng)長(zhǎng)柱狀取樣器達(dá)到海底后,由于重錘纜繩較長(zhǎng),重錘首先貫入海底,重錘的重量消失,機(jī)械釋放裝置失去平衡,機(jī)械臂抬起,觸發(fā)機(jī)構(gòu)打開(kāi),長(zhǎng)柱狀取樣器開(kāi)始自由下落,如圖2b 所示。

3.自由下落過(guò)程。當(dāng)釋放機(jī)構(gòu)觸發(fā)后,長(zhǎng)柱狀取樣器在水中垂直做自由下落運(yùn)動(dòng),取樣器下端剛剛接觸海底時(shí),此時(shí)活塞纜剛好拉直受力,如圖2c 所示。

4.貫入過(guò)程。當(dāng)長(zhǎng)柱狀取樣器自由下落一段距離后,會(huì)以極大的速度貫入海底,此時(shí)活塞纜拉著活塞在樣品管內(nèi)做相對(duì)運(yùn)動(dòng),活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)壓環(huán)境將沉積物樣品不斷的抽入樣品管內(nèi),直到長(zhǎng)柱狀取樣器停止貫入,如圖2d 所示。

5.回收過(guò)程。取樣完成后,絞車(chē)回收纜繩,活塞纜拉動(dòng)活塞達(dá)到樣品管最頂端,將整個(gè)取樣器從海底沉積層中拉出,從而完成了一次取樣過(guò)程,如圖2e 所示。

圖2 長(zhǎng)柱狀取樣器取樣原理圖.a)下放過(guò)程; b)釋放過(guò)程; c)自由下落過(guò)程; d)貫入過(guò)程; e)回收過(guò)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 技術(shù)參數(shù)

“雪龍2”號(hào)裝配的OSIL 長(zhǎng)柱狀取樣器由主體配重、活塞系統(tǒng)、取樣管、管接頭、活塞纖維纜(31 m)、刀口(帶花瓣)、觸發(fā)機(jī)構(gòu)等組件組成,其技術(shù)參數(shù)如下表所示(表2)。

表2 長(zhǎng)柱狀取樣器技術(shù)參數(shù)Table 2.Technical parameters of Giant Piston Corer

1.3 觸發(fā)模式

該長(zhǎng)柱狀取樣器配備兩種觸發(fā)機(jī)構(gòu): 聲學(xué)釋放器和平衡錘釋放器,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇觸發(fā)方式(表3)。

1.3.1 聲學(xué)釋放

利用船載測(cè)深儀獲得作業(yè)站位處比較準(zhǔn)確的水深,按照實(shí)時(shí)顯示的取樣器下放深度和預(yù)定的釋放距離,通過(guò)甲板單元向應(yīng)答器發(fā)送聲學(xué)信號(hào),到達(dá)特定深度后,啟動(dòng)應(yīng)答器上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成釋放操作。聲學(xué)釋放系統(tǒng)由聲學(xué)應(yīng)答器和釋放支架組成,聲學(xué)釋放觸發(fā)通過(guò)甲板單元完成(圖3a)。聲納高度計(jì)PSA916 和聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器ATM965安裝在主體配重端其中一個(gè)裝配重塊的管子里,用于準(zhǔn)確測(cè)量取樣器到海床的高度(圖3b)。測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器傳回甲板單元,一旦取樣器到達(dá)釋放高度,甲板單元就發(fā)送釋放指令給聲學(xué)應(yīng)答器釋放,取樣器做自由落體運(yùn)動(dòng)貫入海底獲取沉積物巖心樣品。

1.3.2 機(jī)械釋放

觸發(fā)臂釋放由觸發(fā)臂和平衡錘組成,平衡錘系在觸發(fā)臂上以保持平衡,關(guān)閉觸發(fā)機(jī)構(gòu)。當(dāng)平衡錘抵達(dá)海底后,觸發(fā)臂上的負(fù)載消失使觸發(fā)機(jī)構(gòu)觸發(fā),釋放取樣器自由落體貫入海底。取樣器下落的高度可通過(guò)連接平衡錘的纜繩長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)(圖4)。

“雪龍2”號(hào)裝配的長(zhǎng)柱狀取樣器配備了聲學(xué)和機(jī)械兩種觸發(fā)機(jī)構(gòu),在作業(yè)的過(guò)程中由于其操作原理的差別各有優(yōu)缺點(diǎn)(表4)。聲學(xué)觸發(fā)釋放對(duì)于海況和絞車(chē)要求較高,由于“雪龍2”配備的絞車(chē)沒(méi)有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及動(dòng)力定位(Dynamic Positioning,DP)下的干擾問(wèn)題,在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)一般選擇機(jī)械觸發(fā)作為長(zhǎng)柱樣取樣方式。

1.4 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)柱狀取樣器由于具有活塞機(jī)構(gòu),所以其下放和回收相比于普通重力取樣器要繁瑣很多,需要多臺(tái)支撐設(shè)備的配合才能完成?！把?”號(hào)在進(jìn)行可行性研究和初步設(shè)計(jì)時(shí)即提出配置長(zhǎng)柱狀取樣器,以提高中國(guó)極地考察沉積物取樣能力,同時(shí)對(duì)后部作業(yè)甲板進(jìn)行了精心布局,滿(mǎn)足22 m 長(zhǎng)柱狀取樣器的作業(yè)要求(圖5)?！把?”號(hào)配備了側(cè)舷π 架及其輔助絞車(chē)、地質(zhì)絞車(chē)、6 t 折臂吊和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),并依靠這些甲板支撐設(shè)備完成長(zhǎng)柱狀取樣器的沉積物取樣工作。這也是中國(guó)科考破冰船首次配備長(zhǎng)柱狀取樣器。隨著“雪龍2”號(hào)入列考察航次,中國(guó)科考船可以在更高的緯度進(jìn)行科考作業(yè),進(jìn)入之前“雪龍”號(hào)無(wú)法作業(yè)的區(qū)域,完成高質(zhì)量長(zhǎng)柱狀巖心的取樣工作。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例

2.1 試航驗(yàn)收

2019年8月27日,“雪龍2”號(hào)在南海對(duì)長(zhǎng)柱狀取樣器進(jìn)行海試驗(yàn)收,取樣位置為: 19°32′ 36′′N(xiāo),114°53′12′′E; 水深1588 m; 長(zhǎng)柱狀取樣器配備取樣管22 m,配重為4×315 kg,總重3.4 t; 采用機(jī)械臂觸發(fā)方式作業(yè),作業(yè)期間海況良好?！把?”號(hào)配備的淺地層剖面儀還處于調(diào)試階段,無(wú)法獲取有效的地層數(shù)據(jù),首先用小的平衡錘取樣器進(jìn)行試取樣,初步確定了海底沉積物特征后才開(kāi)始進(jìn)行長(zhǎng)柱狀取樣器的作業(yè)。整個(gè)作業(yè)從14:30 開(kāi)始,22:30 結(jié)束,用時(shí)10 小時(shí),完成了第一次取樣作業(yè),取得巖心長(zhǎng)度為18.45 m(圖6)。

表3 觸發(fā)機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)Table 3.Trigger mechanism technical parameters

圖3 a)聲學(xué)釋放連接圖; b)高度計(jì)安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.3.a) Acoustic release connection diagram; b) installation structure drawing of altimeter

圖4 機(jī)械釋放結(jié)構(gòu)圖Fig.4.Structure diagram of mechanical release structure

表4 機(jī)械釋放和聲學(xué)釋放對(duì)比表Table 4.Comparision of mechanical release and acoustic release

圖5 長(zhǎng)柱狀取樣器布置圖Fig.5.Layout of Giant Piston Corer

2.2 南極應(yīng)用

2019年12月14日,“雪龍2”號(hào)在南極宇航員海進(jìn)行首次極地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,作業(yè)位置水深3738 m; 使用淺地層剖面儀測(cè)得沉積層厚度超過(guò)40 m; 長(zhǎng)柱狀取樣器配備取樣管22 m,配重為4×315 kg,總重3.4 t; 采用機(jī)械臂觸發(fā)方式作業(yè); 作業(yè)期間海況良好。作業(yè)于21:00 開(kāi)始,次日4: 00 結(jié)束,用時(shí)7 小時(shí),獲取樣品長(zhǎng)度為18.36 m。這次長(zhǎng)柱狀取樣作業(yè)也創(chuàng)造了中國(guó)在極地考察中柱狀沉積物取樣長(zhǎng)度的新紀(jì)錄,獲取了高質(zhì)量的長(zhǎng)柱狀巖心樣品。

圖6 南海海試取樣作業(yè)Fig.6.Sea test sampling operation in the South China Sea

2.3 北極應(yīng)用

2020年9月7日,“雪龍2”號(hào)在北極北風(fēng)海盆(Norehwind Basin)進(jìn)行長(zhǎng)柱狀取樣器作業(yè),作業(yè)位置水深1870 m; 使用淺地層剖面儀測(cè)得沉積層厚度超過(guò)50 m; 長(zhǎng)柱狀取樣器配備取樣管22 m,配重為6×315 kg,總重4 t; 采用機(jī)械臂觸發(fā)方式作業(yè); 作業(yè)期間海況良好; 作業(yè)從9:00開(kāi)始,于13:00 結(jié)束,用時(shí)4 小時(shí)。長(zhǎng)柱狀取樣器貫入深度約19 m,獲取巖心長(zhǎng)度18.65 m,平衡重錘取樣0.95 m。這次長(zhǎng)柱狀取樣作業(yè)又一次創(chuàng)造了中國(guó)在極地考察中柱狀沉積物取樣的新紀(jì)錄。

2020年8月31日,“雪龍2”號(hào)在北極進(jìn)行一次未加活塞的長(zhǎng)柱狀取樣器作業(yè),作為普通的重力取樣器進(jìn)行沉積物取樣; 作業(yè)位置水深1574 m; 淺地層剖面儀測(cè)得沉積層厚度超過(guò)40 m; 長(zhǎng)柱狀取樣器配備取樣管16.5 m,配重為6×315 kg,總重3.8 t; 作業(yè)期間海況良好。作業(yè)從9:00 開(kāi)始,于11:00 結(jié)束,用時(shí)2 小時(shí); 絞車(chē)速度70 m·min-1; 長(zhǎng)柱狀取樣器16.5 m 全部貫入沉積層,取得巖心6.75 m。這次未加活塞的長(zhǎng)柱狀取樣作業(yè)也突破了中國(guó)北極考察中普通重力取樣器的最長(zhǎng)取樣記錄。

2.4 南北極作業(yè)數(shù)據(jù)分析

影響取樣長(zhǎng)度的因素很多,根據(jù)杜星[7]、李民剛[8]等人的相關(guān)研究,當(dāng)取樣器參數(shù)確定后,取樣長(zhǎng)度和取樣器截面積、沖擊速度、取樣管截面積、沉積物類(lèi)型等有一定關(guān)系,同時(shí)受海況、操作因素影響很大。這也導(dǎo)致了長(zhǎng)柱狀取樣器在南北極取樣的差異,即使在北極的不同區(qū)域取樣長(zhǎng)度也有不同。

“雪龍2”號(hào)入列之前,主要是由“雪龍”號(hào)執(zhí)行南北極考察任務(wù)?！把垺碧?hào)所搭載的重力取樣器為普通重力取樣器,取樣管長(zhǎng)8～9 米,配重1.5～2 t。由于南北極沉積層的差異,導(dǎo)致其在南北極作業(yè)獲取的巖心長(zhǎng)度也有很大的區(qū)別(表5)[9-16]。從部分南北極考察航次獲取的巖心長(zhǎng)度數(shù)據(jù)可以看出,普通重力取樣器在北極中高緯獲取的巖心長(zhǎng)度普遍很短,在3～5 m 范圍內(nèi)。南極區(qū)域地形復(fù)雜,在陸架淺水區(qū)沉積物致密堅(jiān)硬,取樣困難; 部分地區(qū)沉積物質(zhì)地松軟,沉積層厚度大,取樣長(zhǎng)度較長(zhǎng),中國(guó)第32 次南極科學(xué)考察曾在南極半島附近使用8 m 的取樣管獲取了長(zhǎng)度8 m 的柱狀巖心樣品,但普通重力采樣器能夠達(dá)到100%取心率只是個(gè)例,普遍取心率很低[17-18]。

表5 部分南北極考察重力取樣器取樣信息Table 5.Partial sampling information with gravity corers at Antarctic and Arctic areas

相對(duì)于普通重力取樣器,長(zhǎng)柱狀取樣器在南北極的作業(yè)取心率非常高,“雪龍2”號(hào)在南極獲取的18.36 m 長(zhǎng)巖心的取心率為83%,在北極獲取的18.65 m 長(zhǎng)巖心的取心率更是高達(dá)98%,“海洋六號(hào)”在南極獲取的8.6 m 的長(zhǎng)巖心的取心率為96%。

3 作業(yè)要點(diǎn)分析

截至目前,“雪龍2”號(hào)長(zhǎng)柱狀取樣器雖然應(yīng)用的次數(shù)較少,但是每次使用都取得超過(guò)18 m 的高質(zhì)量巖心樣品,為未來(lái)南北極考察海洋地質(zhì)研究提供了強(qiáng)有力支持。通過(guò)這幾次作業(yè)的歷練,“雪龍2”號(hào)作業(yè)團(tuán)隊(duì)對(duì)于長(zhǎng)柱狀取樣器作業(yè)流程和甲板操作愈加熟練,作業(yè)所用時(shí)間越來(lái)越短,完全有能力承擔(dān)南北極考察長(zhǎng)柱狀取樣器的作業(yè)任務(wù)。雖然這幾次應(yīng)用下放和回收都順利,但是由于長(zhǎng)柱狀取樣器在作業(yè)過(guò)程中需要參與的人員多,作業(yè)節(jié)點(diǎn)多,每次作業(yè)還是存在著很大的風(fēng)險(xiǎn),需要通過(guò)不斷總結(jié)和改進(jìn)來(lái)完善收放流程,規(guī)避可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),保障作業(yè)順利進(jìn)行。

(1)在作業(yè)前選擇2～3 個(gè)作業(yè)點(diǎn),使用淺地層剖面儀進(jìn)行地層掃描,確定最適合進(jìn)行長(zhǎng)柱狀取樣器作業(yè)的位置。南北極作業(yè)期間浮冰較多,且作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng),要選擇開(kāi)闊少冰的區(qū)域,在長(zhǎng)柱狀取樣器下放前要再次確認(rèn)浮冰范圍,防止浮冰對(duì)纖維纜的破壞。開(kāi)啟船舶DP 定位功能,在最后觸底階段要降低速度,時(shí)刻監(jiān)控絞車(chē)運(yùn)行狀態(tài)和拉力值,及時(shí)判斷是否觸發(fā)。將取樣器從海底拔出的時(shí)候要緩慢操作絞車(chē),時(shí)刻關(guān)注絞車(chē)?yán)?shù)值,“雪龍2”號(hào)地質(zhì)絞車(chē)?yán)υ?3 t 左右即可將取樣器拔出沉積層,隨著取樣管長(zhǎng)度的增加,拉力值也應(yīng)該會(huì)相應(yīng)增加。

(2)長(zhǎng)柱狀取樣器的聲學(xué)釋放對(duì)于海況和設(shè)備要求較高,“雪龍2”號(hào)配備的地質(zhì)絞車(chē)無(wú)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能,若使用聲學(xué)釋放存在一定風(fēng)險(xiǎn),目前“雪龍2”號(hào)三次長(zhǎng)柱狀取樣器作業(yè)都使用了機(jī)械釋放方式。機(jī)械釋放雖然下放和回收過(guò)程比較繁瑣,但是可靠性高,對(duì)絞車(chē)和海況要求沒(méi)有聲學(xué)釋放高,可保障取樣成功率。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是平衡錘取樣管獲取的樣品可以彌補(bǔ)長(zhǎng)柱狀取樣管內(nèi)表層樣品的擾動(dòng)和失真的缺陷。

(3)熟練的工作團(tuán)隊(duì)可以提高作業(yè)安全性和作業(yè)效率?！把?”號(hào)長(zhǎng)巖心取樣作業(yè)從試航驗(yàn)收時(shí)的10 小時(shí)到北極考察的4 小時(shí),是一個(gè)很大的飛躍(不考慮組裝和分樣時(shí)間)。作業(yè)時(shí)間的縮短主要是因?yàn)橛幸粋€(gè)協(xié)調(diào)高效的工作團(tuán)隊(duì),現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員配合默契,對(duì)于絞車(chē)、A 架、吊車(chē)以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的操作已經(jīng)有了充分的自信。

(4)不斷改進(jìn)和優(yōu)化作業(yè)流程,配備專(zhuān)業(yè)工具,可以更有效的進(jìn)行作業(yè)。例如在進(jìn)行活塞纜倒纜作業(yè)時(shí),需要將活塞纜上的35 T 卸扣拆下,以便于活塞纜可以順利卷到輔助絞車(chē)上。以往作業(yè)時(shí)這個(gè)步驟很難操作,因?yàn)楹壑睆胶苄?35 T 卸扣很大,取樣器4 t 的質(zhì)量將繩頭緊緊的夾著卸扣,人力幾乎根本無(wú)法將卸扣移除,南海試航過(guò)程中取下這個(gè)卸扣耗時(shí)2 小時(shí)。鑒于以往的作業(yè)經(jīng)歷,北極航次配備了液壓擴(kuò)張器,使該步驟僅耗時(shí)一分鐘。

(5)倒纜作業(yè)是回收長(zhǎng)柱狀取樣器的最關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一,需要加倍小心。倒纜需要的短纜繩的承重力不小于8 t,且每次使用前都要檢查纜繩的狀態(tài),有磨損或斷裂要立即更換,防止在倒纜過(guò)程中纜繩斷裂,提高設(shè)備的安全性。

(6)樣品管接頭制作要平整,兩個(gè)插口之間的間隙應(yīng)盡可能的小,不要出現(xiàn)缺口等缺陷。兩個(gè)插口對(duì)接后用布基膠帶纏繞數(shù)圈,做到完全密封。若插口存在縫隙或者缺口,會(huì)影響活塞在樣品管內(nèi)的運(yùn)動(dòng),容易造成外部海水進(jìn)入取樣管(圖7)。

圖7 樣品管接口制作Fig.7.Production of sample tube interfaces

(7)檢查機(jī)械釋放結(jié)構(gòu)上靜水壓力釋放器功能是否良好,可以保障在開(kāi)始下放的過(guò)程不會(huì)中途脫鉤,是防止誤操作的最后一道安全措施。作業(yè)前后要對(duì)其進(jìn)行檢查,尤其是長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí),需要解體保養(yǎng)。在長(zhǎng)柱狀取樣器下放開(kāi)始前要對(duì)其進(jìn)行放氣處理。

(8)長(zhǎng)柱狀取樣器作業(yè)程序復(fù)雜,需要制作取樣管套管、組裝取樣管、安裝活塞、加裝機(jī)械觸發(fā)裝置,還要通過(guò)兩次倒纜才能將長(zhǎng)柱狀取樣器回收到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)框架內(nèi),準(zhǔn)備時(shí)間和作業(yè)時(shí)間都比較長(zhǎng)。在中國(guó)第11 次北極科學(xué)考察過(guò)程中,取消長(zhǎng)柱狀取樣器活塞、機(jī)械釋放結(jié)構(gòu)、平衡錘,直接用地質(zhì)纜連接長(zhǎng)柱狀取樣器,用作普通重力取樣器進(jìn)行作業(yè),這種模式操作方便高效,取樣管可以根據(jù)需要隨意組合,不需要制做取樣管的接頭,布放和回收都比較簡(jiǎn)單,獲取的巖心樣品也較長(zhǎng),在部分區(qū)域使用這種方式也是一種作業(yè)模式(表6)。

表6 各種取樣器采樣作業(yè)對(duì)比表Table 6.Comparison of sampling procedures with different sampling equipments

(9)北冰洋中央海域沉積物中有機(jī)質(zhì)含量低,黏度高,海底4 m 以下沉積物非常致密,對(duì)長(zhǎng)柱狀取樣器的貫入深度造成一定困難?！把?”號(hào)長(zhǎng)柱狀取樣器長(zhǎng)22 m,重量4000 kg,但是在取樣過(guò)程中取樣管只貫入沉積層19 m 左右。若要獲取更長(zhǎng)的沉積物巖心樣品,還需要適當(dāng)?shù)脑黾优渲?或者增加活塞纜長(zhǎng)度,提高沖擊距離。由于長(zhǎng)柱狀取樣器在北極高緯度區(qū)域第一次應(yīng)用,取樣數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步積累。

4 小結(jié)和展望

長(zhǎng)柱狀取樣器是目前科考船安裝的主流柱狀沉積物采樣設(shè)備,在國(guó)外應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,已經(jīng)是現(xiàn)代科考船的標(biāo)配設(shè)備。最近幾年國(guó)內(nèi)新建的科考船才開(kāi)始配備長(zhǎng)柱狀取樣器,并在大洋作業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用,其所獲取的長(zhǎng)柱狀巖心樣品是普通重力取樣器獲得樣品長(zhǎng)度的數(shù)倍。由于長(zhǎng)柱狀取樣器作業(yè)程序繁瑣,一次作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),所以在南北極考察過(guò)程中作業(yè)次數(shù)比較少,但是相對(duì)于獲取的高質(zhì)量長(zhǎng)柱狀巖心,增加長(zhǎng)柱狀取樣器的作業(yè)次數(shù)意義重大。

“雪龍2”號(hào)配置的22 m 長(zhǎng)柱狀取樣器首次在極地應(yīng)用就獲得了超過(guò)18 m 的長(zhǎng)柱狀巖心樣品,標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)具有在南北極中高緯地區(qū)進(jìn)行高質(zhì)量長(zhǎng)柱狀巖心取樣工作的能力。隨著南北極考察的逐年開(kāi)展,“雪龍2”號(hào)將采集更多的巖心樣品,為新生代以來(lái)極地海洋環(huán)境和海冰/冰蓋演化歷史的研究提供豐富的樣品支持。