海底冷泉原位觀測裝置研究回顧與展望

張?jiān)粕?，賈永剛,2,3，尉建功

1. 中國海洋大學(xué)，山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 2661002. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 2660613. 中國海洋大學(xué)，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 2661004. 中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760

冷泉是以水、碳?xì)浠衔?、硫化氫或二氧化碳為主要成分，受壓力梯度影響從沉積體中運(yùn)移和排放出，溫度與海水相近并具有一定流速的流體[1-3]。冷泉在全球分布較廣（圖1），廣泛發(fā)育于活動和被動大陸邊緣海底[4-6]。迄今為止，我國海域共發(fā)現(xiàn)有7大冷泉區(qū)，主要分布于東海（沖繩海槽）和南海（臺西南海域、東沙群島、西南海域、神狐海域西南海槽以及西沙海槽）[7]，僅在南海北部就存在30多個滲漏點(diǎn)[8-9]。海底冷泉多由天然氣水合物滲漏形成，會向海洋和大氣排放大量CH4，與天然氣水合物資源、溫室效應(yīng)以及極端環(huán)境下生物的演化等重大問題密切相關(guān)[10-12]。因此，1983年冷泉在墨西哥灣佛羅里達(dá)陡崖一經(jīng)發(fā)現(xiàn)[13]，便迅速成為研究熱點(diǎn)。

圖1 全球冷滲漏位置[6]Fig.1 Schematic map showing global distribution of cold seeps[6]

目前，冷泉的研究方法主要有地球物理方法、地球化學(xué)方法、地球生物方法以及原位觀測方法。地球物理方法主要包括地震探測、多波束測深、旁側(cè)聲吶、淺地層剖面儀、海底可視觀測等[8,14]，能夠有效識別海底地形地貌，識別海底冷泉地質(zhì)標(biāo)志和冷泉運(yùn)移通道，識別可能發(fā)生海底滲漏的區(qū)域。地球化學(xué)方法主要通過對冷泉區(qū)海水溶解成分、孔隙水以及沉積物中的特殊離子進(jìn)行分析，識別天然氣水合物資源以及冷泉滲漏特征。例如，冷泉系統(tǒng)中與甲烷厭氧氧化耦合的微生物硫酸鹽還原作用（AOM-MSR）是甲烷最主要的消耗方式，冷泉系統(tǒng)中硫的生物地球化學(xué)過程及其沉積記錄的研究為探究甲烷在地球表層環(huán)境演化中的角色奠定了基礎(chǔ)[15]；測定海底沉積物孔隙水中的CH4、SO42-濃度及溶解無機(jī)碳的碳同位素組成可以用來識別目前正在發(fā)生的甲烷滲漏活動[16]；對海底表層沉積物的元素分析可以了解冷泉區(qū)域冷泉形成背景以及碳酸鹽巖的形成機(jī)理[17]。此外，研究冷泉區(qū)C、S等元素的化學(xué)反應(yīng)，對地球化學(xué)循環(huán)、海洋生態(tài)環(huán)境以及溫室效應(yīng)等有重要意義。冷泉生物系統(tǒng)是依托海底冷泉形成的重要生物群落，也是指示海底冷泉非常直接的標(biāo)志，而且冷泉生物群落一定程度上能指示流體流動方向和大小等特性[18]，研究冷泉生物對冷泉生命的起源與演化也有重要意義[19-20]。

冷泉原位觀測主要觀測指標(biāo)有滲流通量、溫度、pH、電導(dǎo)率、CH4濃度、CO2濃度等。相較于實(shí)驗(yàn)室分析，在海底冷泉區(qū)直接對滲漏流體進(jìn)行分析，能最大限度地保證樣品的原始性和可靠性，而且還可以長時間連續(xù)地獲取數(shù)據(jù)，對冷泉流速、物質(zhì)濃度變化等研究具有重要意義。此外，對冷泉滲漏通量進(jìn)行觀測，也具有十分重要的意義。甲烷既是重要溫室氣體[21]，又是地球上碳的主要存在形式之一[22]，測量海底冷泉滲漏通量對全球溫室效應(yīng)和全球碳循環(huán)的研究有重要意義[23-25]。冷泉原位觀測在海底冷泉調(diào)查研究中具有不可替代的作用。

1 冷泉滲漏氣體通量原位觀測裝置

由于和溫室效應(yīng)、碳地球化學(xué)循環(huán)等問題密切相關(guān), 冷泉滲漏氣體通量監(jiān)測一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。原位監(jiān)測冷泉滲漏氣體通量的方法有很多，用于海底冷泉滲漏氣體通量原位觀測的裝備也有很多，但目前并沒有統(tǒng)一的分類方法。本文根據(jù)工作原理，將這些裝備分為冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置和冷泉滲漏氣體通量間接觀測裝置兩種。

1.1 冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置

最早的冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置于2001年由加州大學(xué)計(jì)算地球系統(tǒng)科學(xué)研究所Washburn等[26]研發(fā)，該裝置是一個漂浮式氣泡通量測量裝置（圖2），用于測量從海底上升到海面的冷泉滲漏氣體通量。該裝置通過圓錐形收集器收集海底滲漏產(chǎn)生的氣泡，氣泡和海水在收集室內(nèi)形成氣-水界面，使收集室與周圍海水之間的壓力差發(fā)生變化。當(dāng)收集室與周圍海水之間的壓力差達(dá)到預(yù)設(shè)的壓差值，微型計(jì)算機(jī)將收集室的電磁閥打開，收集室中收集的氣體被釋放，然后開始新一輪的收集。根據(jù)記錄的電磁閥打開的次數(shù), 可知部署時間內(nèi)海底冷泉滲漏氣泡通量。該裝置布設(shè)簡便，工作時基本實(shí)現(xiàn)自動化，測量方便，但是受潮汐和波浪影響較大，只能在無風(fēng)少浪的情況下使用。

圖2 通量浮標(biāo)示意圖[26]Fig.2 Gas-capture buoy for measuring bubbling gas flux [26]

與漂浮式氣體通量測量裝置相比，坐底式的氣體通量測量裝置受潮汐和波浪影響較小，可以固定在冷泉滲漏地點(diǎn)進(jìn)行觀測。2005年，加州大學(xué)斯克里普斯海洋科學(xué)研究所Leifer等[27]研發(fā)了一個海底冷泉滲漏流量測定裝置（圖3）。該裝置在布放時底面鑲?cè)牒５?，圓錐與海底面形成密封狀態(tài)。工作時圓錐形收集器收集海底冷泉滲漏產(chǎn)生的氣泡，氣泡使帳篷內(nèi)的海水產(chǎn)生上升流，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后，驅(qū)動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動，根據(jù)渦輪的旋轉(zhuǎn)速度，計(jì)算氣泡通量。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，布設(shè)方便，受潮汐和風(fēng)浪影響較小，但對于滲漏氣泡通量較小的區(qū)域精確度不高，適用于滲漏氣泡通量較大的地區(qū)。

圖3 渦輪滲漏示意圖[27]Fig.3 Schematic diagram of CAT meter[27]

2012年，中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室邸鵬飛等[28]研制了一套海底冷泉滲漏氣體原位在線測量裝置（圖4），用于測量海底冷泉?dú)馀轁B漏通量。與通量浮標(biāo)原理類似，該裝置同樣采用排空氣法測量海底滲漏氣體通量，理論上可測量通量極小的海底滲漏，但并不適用于氣體通量較大的地區(qū)。通過試驗(yàn)測得的測量范圍為0～15300 mL/min，測量誤差為±1%。

圖4 海底冷泉天然氣滲漏原位在線測量裝置[28]Fig.4 Schematic diagram of in situ on-line measuring device of gas flux at marine seeping sites[28]

同樣基于排空氣原理，美國新罕布什爾大學(xué)海岸和海洋測繪中心Padilla等[29]研發(fā)了一套氣泡捕捉裝置（圖5）。相較于前兩種裝置，該裝置搭載有水下攝影機(jī)，且氣體收集室是一個量筒，可實(shí)現(xiàn)冷泉滲出氣體通量的實(shí)時觀測。

圖5 氣泡捕捉裝置[29]Fig.5 Bubble catch device schematic[29]

由于此類裝置測量范圍較小且成本較高，因此近年來對其研究較少。但此類裝置可應(yīng)用于微小滲漏氣體通量的測量且精度較高，可作為間接測量裝置的輔助裝置，提高間接測量的精確度。

1.2 冷泉滲漏氣體通量間接觀測裝置

由于冷泉滲漏氣體通量直接觀測裝置容易對冷泉滲漏氣泡產(chǎn)生擾動且測量范圍較小，有學(xué)者研究了非接觸式的氣泡通量測量的裝置，這些裝置按照工作原理可分為基于聲學(xué)信號的氣泡通量測量裝置和基于光學(xué)信號的氣泡通量測量裝置。

1.2.1 基于聲學(xué)信號的氣泡通量觀測裝置

基于聲學(xué)信號的冷泉滲漏氣體通量測量裝置可以在不對氣泡產(chǎn)生擾動的情況下進(jìn)行氣體通量測量，是近年來冷泉滲漏氣體通量的主要測量方式之一。

2004年，德國萊布尼茨海洋科學(xué)研究所Greinert等[30]進(jìn)行了一項(xiàng)利用聲波測量海底滲漏氣泡通量的實(shí)驗(yàn)（圖6）。他們利用安裝在底座上的換能器向水平方向發(fā)射單束聲波，根據(jù)回波強(qiáng)度計(jì)算氣泡通量，氣泡通量越大，回波強(qiáng)度越強(qiáng)。

圖6 船塢實(shí)驗(yàn)裝置[30]Fig.6 Scheme of the experimental set-up in the ship dock [30]

但由于該設(shè)備發(fā)射的聲波為單波束聲波，水平測量范圍有限，于是他們又在該裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)了基于多波束聲波的GasQuant系統(tǒng)[31]。

GasQuant系統(tǒng)是一個坐底式觀測系統(tǒng)，工作時可由固定在底座以上3 m處的換能器發(fā)射由21條光束組成的水聲掃描帶，每條光束垂直寬1.5°，水平寬3°，發(fā)射頻率為180 kHz，覆蓋總掃描帶角度63°。該裝置發(fā)射的聲波水平有效測量距離為60 m，可部署在距離滲漏較遠(yuǎn)處，因此，基本不對沉積物和氣泡產(chǎn)生擾動，但由于體積較大，布設(shè)工作較為繁瑣，且換能器位置固定，回波很難反映氣泡的流動信息。

與GasQuant系統(tǒng)相比，向上發(fā)射聲波的水柱剖面儀，可以反映海水中氣泡的運(yùn)動信息（圖7）。水柱剖面儀最初由加拿大ASL Environmental Sciences公司研發(fā)，用于觀察浮游生物和魚類[32]，經(jīng)華盛頓大學(xué)Salmi等[33]改進(jìn)后，可以用于冷泉滲漏氣泡通量測量。該裝置工作時換能器向上發(fā)射的聲波，在海水中可向上穿透100 m，根據(jù)回聲信號可以獲得海底滲漏氣體通量和氣泡的運(yùn)動特征，但在實(shí)際應(yīng)用中易受海洋懸浮物和生物的干擾。

圖7 聲學(xué)剖面儀[33]Fig.7 Schematic diagram of the water column profiler [33]

近年來，隨著遙控潛水器（ROV）的發(fā)展以及人們對于聲波認(rèn)識的加深，許多學(xué)者[34-35]利用拖魚或ROV搭載聲吶系統(tǒng)對冷泉滲漏氣體通量進(jìn)行觀測。相較于布設(shè)在海底的儀器來說，這種觀測方法更加靈活、觀測面積更大，但不適用于精細(xì)的滲漏通量測量，在實(shí)際應(yīng)用中可搭配氣體通量直接觀測裝置使用。

除了可以利用主動聲吶對冷泉滲漏氣體通量進(jìn)行觀測外，還可使用被動聲吶對氣體通量進(jìn)行觀測。被動聲吶法是指被動接受氣泡本身產(chǎn)生的聲波以測量氣泡通量，不同于主動聲吶法，采用被動聲吶法可以減少海洋懸浮物干擾。

不萊梅大學(xué)海洋邊緣研究中心Nikolovska等[36]首次提出利用被動聲吶進(jìn)行海洋滲漏氣體通量測量，并開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)裝置（圖8）。

圖8 被動聲吶實(shí)驗(yàn)裝置[36]Fig.8 Experimental set-up of passive sonar [36]

該裝置首先由氣源產(chǎn)生氣體，氣體經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入收集器，用水聽器記錄氣體流經(jīng)收集器上方的噴嘴的聲音信號，在計(jì)算機(jī)上基于Morlet小波分析記錄的聲音信號序列，獲取氣體通量。用流量計(jì)測得的氣體通量與基于Morlet小波分析獲得氣體通量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該裝置測量精準(zhǔn)度較高。

之后斯克里普斯海洋學(xué)研究所Wiggins等[37]利用被動聲吶測量裝置在蘇格蘭和挪威之間的北海22/4b井場進(jìn)行了長期的原位觀測，獲取了該地區(qū)長達(dá)7個月的聲學(xué)數(shù)據(jù)。但該方法獲取的聲學(xué)數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，不僅有氣泡的聲音，而且還有生物產(chǎn)生的聲音。被動聲吶只能大致獲得該地區(qū)冷泉?dú)怏w噴發(fā)速率，無法準(zhǔn)確獲取氣體通量。

廣東工業(yè)大學(xué)龍建軍等[38]設(shè)計(jì)了用聲波分路器將一個換能器發(fā)射的聲波分為兩路，然后利用同源聲波互相關(guān)方法測量海底滲漏氣體通量的裝置（圖9），胡柳[39]和張浩[40]利用這一裝置研發(fā)了坐底式海底冷泉滲漏聲波測量裝置。該裝置首次采用了同源聲波對冷泉滲漏氣體進(jìn)行觀測，回波信號較為穩(wěn)定，但在實(shí)際應(yīng)用中聲波分布器使得聲波損失較大。

圖9 氣泡流量測量裝置[38]Fig.9 Schematic diagram of the bubble flow measuring device[38]

1.2.2 基于光學(xué)信號的氣泡通量觀測裝置

光信號雖在水中傳播距離較短，但在海底冷泉滲漏氣體觀測中仍有應(yīng)用空間。

2003年，加州大學(xué)圣巴巴拉分校Leifer[41]使用了荷蘭海牙TNO物理和電子實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的微型氣泡測量裝置（圖10）和愛爾蘭國立高威大學(xué)開發(fā)的大型氣泡測量裝置（圖11）觀測了海底冷泉滲漏氣體。

圖10 微型氣泡測量裝置[41]Fig.10 Schematic mini-bubble measurement system [41]

圖11 大型氣泡測量裝置[42]Fig.11 Schematic diagram of Large-bubble measurement system [42]

大型氣泡測量系統(tǒng)可觀察的氣泡范圍為200～5000 μm，可在冷泉滲漏地點(diǎn)進(jìn)行原位觀測。微型氣泡測量系統(tǒng)可觀察的氣泡范圍為15～500 μm，可觀測冷泉滲漏附近海水中的氣泡通量，確定氣泡的背景分布特征。兩套裝置需水平平行部署，且相機(jī)和屏幕的方向垂直于水流方向，以此提高測量精準(zhǔn)度。

大型氣泡測量裝置工作時，氣泡由水下燈背光照明，照射在半透明的屏幕上，水下攝像機(jī)獲取氣泡流動圖像，然后運(yùn)用圖像處理軟件計(jì)算氣泡的直徑。當(dāng)氣泡流太密時，需要加裝擋板，擋板防止氣泡距離攝影機(jī)過近或通過上升到燈光和照明屏之間產(chǎn)生陰影。微型氣泡測量裝置工作原理與大型氣泡測量裝置類似，不過為了減小體積，微型氣泡測量裝置安裝了多面鏡子，利用反射原理，測量氣泡通量。

較聲學(xué)裝置來說，光學(xué)測量裝置對滲漏氣泡的觀測更加直觀，但對滲漏氣體通量的測量范圍有待提高。

近年來，得益于ROV的發(fā)展，許多學(xué)者[43-45]開始利用ROV搭載水下攝影裝置對冷泉羽狀流進(jìn)行觀測，根據(jù)氣泡的大小和上升速率對冷泉滲出氣體通量進(jìn)行估算，這大大提高了觀測的靈活性。

2 冷泉滲漏液體通量原位觀測裝置

海底冷泉除了會產(chǎn)生滲漏氣體外，還會產(chǎn)生滲漏液體，對海底冷泉滲漏液體通量進(jìn)行測量也是冷泉原位觀測的研究方向之一。冷泉滲漏液體富含碳?xì)浠?、硫化物、碳酸鹽等物質(zhì)，其通量觀測于研究海洋環(huán)境變化、海底生物群落演化等問題有十分重要的意義。測算冷泉滲漏液體通量的方法也有很多，目前并未形成統(tǒng)一的方法。根據(jù)工作原理，冷泉滲漏液體通量原位觀測裝備可分為直接觀測裝置和間接觀測裝置兩種。

2.1 冷泉滲漏液體通量直接觀測裝置

最早的冷泉滲漏液體通量直接觀測裝置，由佛羅里達(dá)州立大學(xué)Cable等[46]研發(fā)，他們根據(jù)滑鐵盧大學(xué)Lee等[47]設(shè)計(jì)的用于測量地下水向湖泊中滲透的水和化學(xué)物質(zhì)的通量簡易滲流計(jì)，研發(fā)了用于測量海底冷泉滲漏液體量的滲流計(jì)（圖12）。

圖12 改進(jìn)后的滲流計(jì)[46]Fig.12 Schematic diagram of improved seepage cylinder[46]

該儀器布設(shè)時將下部的敞口鋼桶斜著緩慢插入沉積物中，上部留大約2 cm的空隙，保持進(jìn)氣孔在鋼桶的最高點(diǎn)。布設(shè)完成后打開鋼桶和海水之間的閥門靜止24 h，保持鋼桶內(nèi)與背景環(huán)境平衡。待鋼桶與背景環(huán)境平衡后，關(guān)閉連接鋼桶與海水的閥門，打開連接鋼桶與塑料袋的閥門，海底滲漏液體進(jìn)入鋼桶，鋼桶內(nèi)的液體進(jìn)入塑料袋，根據(jù)塑料袋中的海水量可獲得該地區(qū)的液體滲漏通量。該儀器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但收集袋的容積有限，收集時間很難精確把握，測量滲漏液體通量的精確度不高，并不適用于冷泉滲漏流體通量的準(zhǔn)確測量。

2.2 冷泉滲漏液體通量間接觀測裝置

冷泉滲漏液體通量間接觀測裝置是通過對滲漏區(qū)海水進(jìn)行采樣，待裝置回收后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析獲得海底冷泉流體通量的一類觀測裝置。

1994年，德國亥姆霍茲基爾海洋研究中心Linke等[48]開發(fā)了一套海底滲漏通量測量裝置（圖13）。這套裝置同樣以敞口鋼桶為底座，布設(shè)時將鋼桶邊緣摻入沉積物中，與頂部的排氣孔形成半密封空間。布設(shè)完成后海水充滿圓桶，海底冷泉滲漏流體會與鋼桶內(nèi)的海水混合，通過安裝在圓桶內(nèi)的6個采樣瓶依次定時采集的鋼桶中海水的樣本，回收后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，根據(jù)采樣瓶中溶解組分濃度的變化確定此處的滲漏流體通量。

圖13 海底觀測桶[48]Fig.13 Schematic diagram of the Benthic Barrel[48]

除采集樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析外，還可將機(jī)械式或利哈伊大學(xué)Michael等[49]設(shè)計(jì)的熱敏電阻流量計(jì)通過潛水器插入位于圓桶上部的排氣孔，直接記錄海底滲漏的流量。此外，該儀器還可改裝為內(nèi)部裝有5個采樣瓶和CTD探頭的配置，以便對觀測地點(diǎn)的電導(dǎo)率、溫度、壓力進(jìn)行觀測。該裝置雖可對冷泉滲漏液體通量進(jìn)行直接和間接兩種方式的觀測，但它采樣時的時間分辨率不高，而且采樣還具有一定偶然性，只能適用于流速較小的滲漏區(qū)。

與該原理類似，Sommer等[50]研制了BIGO和FLUFO，他們工作時都需要插入海底沉積物中形成半密閉環(huán)境，然后利用內(nèi)部的采樣瓶依次對儀器內(nèi)部的海水進(jìn)行采樣，回收后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析確定冷泉滲流通量。這兩個裝置內(nèi)部帶有圓盤和泵，可將裝置內(nèi)部海水混勻，保證每次采集樣品的合理性，目前已在多地應(yīng)用。

加州大學(xué)斯克里普斯海洋學(xué)研究所Michael等[51]基于滲透壓和同位素示蹤原理研發(fā)了一套海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測量儀（圖14）。該裝置同樣利用采樣的方式采集滲漏液體，在采樣期間可自主運(yùn)行，待裝置回收后對采集到的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，以獲得滲漏液體通量和化學(xué)組成信息。

圖14 海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測量儀[51]Fig.14 Schematic diagram of the chemical and aqueous transport meter[51]

該裝置部署時需將下口敞開的收集箱插入沉積物中，使之形成半密封空間。測量向上的滲流時，海底滲流進(jìn)入收集箱, 然后沿I/O管向外流出；測量向下的滲流時，收集箱中的海水向下流動，海水通過I/O管補(bǔ)給進(jìn)入收集箱。

工作時去離子水通過半透膜進(jìn)入飽和NaCl溶液，其中裝有示蹤劑的彈性容器，使示蹤劑流入I/O管。在海水通過I/O管時，示蹤劑會以恒定的速率注入管道中的海水，示蹤劑采用RbCl溶液，與海水組分不同也不會相互反應(yīng)。樣品卷管最初都裝滿去離子水，隨著去離子水進(jìn)入飽和NaCl溶液，流入或流出I/O管的部分流體被收集在樣品卷管中，待裝置回收后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。此裝置不僅可以分析海底冷泉滲漏流體通量，還可以根據(jù)樣品卷管中不同時間采集到的樣品中含有示蹤劑的濃度獲得不同時間海底冷泉滲漏流體的滲漏速率，但該裝置布設(shè)時同樣會對沉積物產(chǎn)生擾動，實(shí)際應(yīng)用時要防止I/O管堵塞。

基于海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測量儀的滲透原理，Jannasch等[52]研制了一個滲透取樣器OsmoSampler（圖15a），Solomon和Kastne等[53-54]使用多個滲透取樣器開發(fā)了一套海底甲烷流體流量計(jì)MOSQUITO（圖15b），旨在觀測冷泉滲漏區(qū)不同深度、不同位置的液體流量變化，冷泉滲漏液體微尺度變化特征。

圖15 甲烷流體流量測量裝置 [54] a. 滲透泵，b. 滲透取樣器。Fig.15 Schematic diagram of methane flow measurement device [54] a. Schematic diagram of an Osmo sampler, b. schematic representation of a MOSQUITO.

該裝置通過載人潛水器或水下機(jī)器人進(jìn)行部署，布設(shè)完成后鈦毛細(xì)管和樣品取樣管在釋放板作用下插入海底沉積物中，示蹤劑作為點(diǎn)源注入海底沉積物，示蹤劑連同沉積物中的孔隙水一起被采集，根據(jù)示蹤劑的濃度計(jì)算該地區(qū)的滲流通量。此裝置可在低至中等流體流速地區(qū)進(jìn)行為期1年以上的原位觀測，但無法應(yīng)用于高流體流速地區(qū)。

除Jannasch、Solomon和Kastne 外，LaBonte等[55]也基于海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測量儀的滲透原理開發(fā)了一套高時間分辨率的光學(xué)流量計(jì)（圖16）。

圖16 光學(xué)流量計(jì)[55]Fig.16 Schematic diagram of the optical tracer injection system[55]

該裝置工作原理與海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測量儀類似，但滲漏流體流速主要是通過對滲漏流體示蹤劑含量的熒光監(jiān)測和透光檢測確定，具有高時間分辨率的特點(diǎn)。

目前，BIGO、FLUFO以及基于滲透原理的取樣裝置在世界各地得到廣泛應(yīng)用。雖在觀測時有一定誤差，但仍在可接受范圍內(nèi)，迄今為止未見有進(jìn)一步研究。

3 冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測裝置

海底冷泉原位觀測除了對冷泉滲漏氣體和流體進(jìn)行觀測外，還包括對海底冷泉化學(xué)組分的觀測。對海底冷泉區(qū)海水進(jìn)行原位地球化學(xué)觀測可以實(shí)時獲得海水中CH4、CO2、H2S等物質(zhì)的濃度，對于觀測冷泉滲漏化學(xué)物質(zhì)通量、海洋環(huán)境變化、獲得長時間序列的冷泉滲漏速率具有重要意義。根據(jù)工作原理，冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測裝置可分為模擬實(shí)驗(yàn)室原理的冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測裝置和多學(xué)科地球化學(xué)觀測站。

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)室原理的冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測裝置

模擬實(shí)驗(yàn)室原理的冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測裝置是指利用觀測儀器在海底冷泉區(qū)對海水進(jìn)行取樣，然后原位模擬實(shí)驗(yàn)室流程對冷泉進(jìn)行分析，以獲得海底冷泉化學(xué)組分的方法。

在海底溫壓下進(jìn)行冷泉化學(xué)組分分析，拉曼光譜有很大的應(yīng)用前景。拉曼光譜是一種分子指紋光譜，在物質(zhì)成分識別和定量分析領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[56-59]。常溫常壓下的拉曼光譜定量分析方法已經(jīng)比較成熟，但深海條件較為復(fù)雜，人們對在此條件下的各種粒子的拉曼光譜認(rèn)識比較有限,因此拉曼光譜以前在深海多用于定性研究[60-61]。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)室深海極端環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)展，人們逐漸掌握了深海極端環(huán)境下CH4、SO42-、CO2等目標(biāo)物的拉曼光譜特征，這為拉曼光譜技術(shù)在深海原位觀測的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2017年，中國科學(xué)院海洋研究所張鑫等[62]研發(fā)了一套基于拉曼光譜的深海插入探針。該探針裝配有兩套探頭，一套適用于海底熱液原位觀測，一套適用于海底冷泉原位觀測，本文主要介紹適用于海底冷泉原位觀測的探頭（圖17）。

圖17 基于拉曼光譜的冷泉探針[62]Fig.17 Schematic diagram of the probes for studying cold seep fluids[62]

該探針由ROV搭載插入指定區(qū)域，可以測量冷泉區(qū)CH4、SO42-、H2S等粒子濃度以及溫度。工作時，冷泉樣品通過ROV上的液壓泵，經(jīng)探頭頂部進(jìn)入直徑為2 mm的通道，然后利用探頭內(nèi)部的光學(xué)單元進(jìn)行測量。

在每次拉曼測量之前，都要用海水沖洗整個系統(tǒng)并收集背景海水拉曼光譜。背景海水光譜將與水下機(jī)器人潛水的首個海水光譜進(jìn)行比較，以檢查光學(xué)元件表面上吸附的物質(zhì)是否有殘留拉曼信號。該裝置可有效測量冷泉區(qū)CH4、SO42-、H2S等離子濃度，但由于人們對深海條件下各離子拉曼光譜認(rèn)識的有限性，可見檢測的離子不多，未來還有很大發(fā)展空間。

利用觀測設(shè)備直接將海底溫壓條件轉(zhuǎn)化為正常溫壓條件，然后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)室分析，可解決常規(guī)分析方法在海底溫壓下不可用的問題。中國地質(zhì)大學(xué)申正偉等[63]研制了一套深海溶解甲烷原位探測儀（圖18）。

圖18 深海溶解甲烷原位長期監(jiān)測儀器[63]a. 側(cè)視及俯視圖，b. 實(shí)物圖，c. 各部件布局圖。Fig.18 In-situ long-term monitoring instrument for deep-sea dissolved methane[63]a. Side view and top view, b. physical drawing, c. layout drawing of various components.

該裝置包括減壓穩(wěn)流單元、脫氣檢測單元以及氣液處理單元，工作原理為將復(fù)雜的海底高壓環(huán)境轉(zhuǎn)換為常壓環(huán)境，以保護(hù)內(nèi)部部件和形成良好的檢測環(huán)境。海水被采集進(jìn)入儀器后模擬實(shí)驗(yàn)室檢測流程，先將海水中的氣體分離，然后對分離出的氣體進(jìn)行甲烷含量的檢測。

工作時（圖19），海水經(jīng)過濾器進(jìn)入耐壓倉，經(jīng)過減壓穩(wěn)流系統(tǒng)后降為勻速海水，然后由脫氣系統(tǒng)將海水中的氣體分離出來。分離出的氣體經(jīng)過干擾空氣凈化器過濾后與半導(dǎo)體傳感器發(fā)生反應(yīng)，傳感器的電阻發(fā)生變化，以此來檢測海水中的甲烷濃度。脫氣后的海水進(jìn)入氣液處理系統(tǒng)，最后增壓排出艙外。

圖19 深海溶解甲烷探測儀器工原理圖[63]Fig.19 Schematic diagram of the in-situ long-term monitoring instrument for deep-sea dissolved methane[63]

此裝置模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，脫氣率高，測量精確度較高，所用甲烷傳感器體積小、操作簡便、可實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時連續(xù)觀測，并且可與其他化學(xué)、物理傳感器集為一體進(jìn)行甲烷海底觀測[64-65]，但是只能對CH4濃度進(jìn)行檢測，還有進(jìn)一步的提升空間。

3.2 多學(xué)科地球化學(xué)觀測站

多學(xué)科地球化學(xué)觀測站基于各種化學(xué)傳感器研發(fā)，不需要模擬實(shí)驗(yàn)室工作流程對海水進(jìn)行化學(xué)分析。利用坐底式地球化學(xué)觀測站對海底冷泉滲漏進(jìn)行多學(xué)科分析，對于認(rèn)識海底天然氣水合物的分解、碳?xì)浠衔镞\(yùn)移、冷泉生物群落演化、冷泉流體活動特征等有重要的科學(xué)意義[66-68]。

1998年，意大利國家地球物理研究所Beranzoli等[69]研制了第一個適用于海底冷泉區(qū)的坐底式多學(xué)科海底觀測系統(tǒng)（GEOSTAR）。該裝置設(shè)計(jì)工作水深4000 m，最多可在水下工作1年，裝有用于地震、地磁、重力、地球化學(xué)和海洋學(xué)測量等多學(xué)科傳感器，可測量電導(dǎo)率、溫度、深度、湍流、pH、Eh、H2和HS-濃度等指標(biāo)，但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布設(shè)繁瑣，且無法對CH4、CO2等關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行觀測。

之后，意大利國家地球物理和火山學(xué)研究所Marinaro等[70]研制了一套用于長期探測海底甲烷泄漏的氣體監(jiān)測裝置（GMM）（圖20）。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，可觀測海底CH4濃度、H2S濃度、溫度、鹽度、深度，最多可在水下運(yùn)行1年，但對海底地球化學(xué)觀測指標(biāo)仍較少。

圖20 GMM氣體監(jiān)測裝置[70]Fig.20 The gas monitoring module[70]

德國基爾海洋地球科學(xué)研究中心Pfannkuche等[71]研發(fā)了一套海底邊界層觀測系統(tǒng)（GEOMAR），設(shè)計(jì)深度6000 m，可在海底自主工作6至12個月。GEOMAR為多學(xué)科觀測裝置，搭載有標(biāo)準(zhǔn)有效載荷設(shè)備包括聲學(xué)多普勒海流剖面儀、電流表、CTD、立體深海攝像系統(tǒng)、多波束回聲測深儀、沉積物收集器、海水取樣器，可觀測海底邊界層海流測量、顆粒通量量化、聲學(xué)氣泡尺寸成像氣流量化、大型海底活動監(jiān)測、沉積物-水界面流體和氣流測量、沉積物-水界面生物地球化學(xué)通量（氧化劑、甲烷、營養(yǎng)物）、深海沉積物和地球生物指標(biāo)（食物富集、示蹤劑添加、物理和化學(xué)環(huán)境參數(shù)變化）。除此之外，GEOMAR系統(tǒng)上搭載BIGO和FLUFO，使其具備了觀測海底邊界層O2濃度和海底冷泉排放CH4通量的能力。GEOMAR應(yīng)用前景十分廣泛，未來搭載的傳感器種類也可根據(jù)觀測需要進(jìn)一步添加。

國內(nèi)方面，中國海洋大學(xué)趙廣濤[72]研發(fā)了一套海底邊界層原位監(jiān)測裝置Benvir（圖21），旨在獲取近海底邊界層CH4、CO2、海流、溫度、鹽度、壓力、濁度等參數(shù)的長時間序列變化數(shù)據(jù)[73]，設(shè)計(jì)工作水深4000 m，工作溫度零下5～45 ℃，電源自給，數(shù)據(jù)自容儲存，最多可在水下工作40 d。

圖21 Benvir海底邊界層原位監(jiān)測裝置[72]Fig.21 Benvir-in situ deep-sea observation system[72]

該裝置搭載有水下攝像裝置，在布放時可采用可視化布放，在復(fù)雜地形的坐底成功率較高?；厥諘r利用聲學(xué)釋放單元和信標(biāo)單元，裝置接收到信號后釋放配重，僅回收觀測單元和控制單元，待回收單元在浮力材料作用下升至海面，然后利用信標(biāo)單元查找系統(tǒng)位置進(jìn)行回收。

除了進(jìn)行常規(guī)的冷泉觀測外，該裝置還可在近海底海水中進(jìn)行垂向上的微尺度觀測。其自身裝有水下電機(jī)，可驅(qū)動傳感器組合進(jìn)行垂向移動，每次移動距離5～10 cm，最大移動距離50 cm，可實(shí)現(xiàn)對近海底邊界層微尺度剖面的數(shù)據(jù)監(jiān)測，結(jié)合湍流數(shù)據(jù)，可以用來估算海底邊界層物質(zhì)擴(kuò)散通量。但該裝置在水下運(yùn)行時間較短，整體結(jié)構(gòu)也會對水下湍流產(chǎn)生擾動，影響測量精度。

4 結(jié)論與展望

近幾十年來，海底冷泉因和天然氣水合物資源、溫室效應(yīng)、物質(zhì)地球化學(xué)循環(huán)、極端環(huán)境下的生物演化等問題聯(lián)系密切而備受關(guān)注，海底冷泉原位觀測裝置也隨之發(fā)展。海底冷泉原位觀測儀器因成本較高且觀測范圍較小而發(fā)展緩慢，但在冷泉精細(xì)化、定量化研究中仍有不可替代的作用。海底冷泉滲漏流體通量以及滲漏流的化學(xué)組成都形成了相應(yīng)的原位觀測方法，并在實(shí)際觀測中應(yīng)用，解決了海底冷泉原位觀測裝備從無到有的問題。

經(jīng)過20年的發(fā)展，海底冷泉原位觀測裝備在自主觀測、觀測時間、觀測精度、可觀測目標(biāo)等方面取得了巨大進(jìn)步，但是目前存在的原位觀測裝置仍存在一些問題。滲漏氣泡和滲漏液體原位觀測裝置布設(shè)后存在對沉積物的擾動，觀測精度也有待提高；基于聲學(xué)和光學(xué)原理的觀測裝置存在信號強(qiáng)度不高，對致密氣泡測量不準(zhǔn)確，易受懸浮物和海洋生物影響；對于深海條件下的各元素的拉曼光譜認(rèn)識不足；多學(xué)科地球化學(xué)觀測站傳感器精度有待提高，傳感器類型有待豐富。

為了適應(yīng)發(fā)展需要，對冷泉進(jìn)行精細(xì)、全面的研究是不可或缺的，冷泉原位觀測發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)?？v觀國內(nèi)外海底冷泉觀測儀器的發(fā)展，為滿足未來海底冷泉原位觀測的需要，海底冷泉觀測儀器的發(fā)展方向包括：

（1）海底冷泉水深較深且地形復(fù)雜，對原位觀測儀器的布設(shè)提出了較高要求，未來冷泉原位觀測裝置需要向布設(shè)方便、布設(shè)成功率高的方向發(fā)展。在布設(shè)后，原位觀測裝置會對海底沉積物產(chǎn)生擾動，怎樣減小原位觀測裝置對海底沉積物的擾動也是需要努力的方向。

（2）海底冷泉滲漏是復(fù)雜的、動態(tài)的過程，海底邊界層同樣也是復(fù)雜的、動態(tài)的區(qū)域，這決定了滲漏流體在時間和空間上是復(fù)雜多變的。目前的海底冷泉原位觀測均為單個獨(dú)立的觀測，各個觀測之間并沒有形成聯(lián)系。未來的冷泉原位觀測應(yīng)向大空間、多尺度、長時間序列發(fā)展，最終形成完整的海洋觀測網(wǎng)。

（3）海底冷泉滲漏流體成分復(fù)雜，目前的坐底式地球化學(xué)觀測站僅局限于對CH4、CO2、H2S等少數(shù)幾種粒子的觀測，未來應(yīng)擴(kuò)展冷泉觀測目標(biāo)，充分認(rèn)識海底冷泉滲漏組分。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)依賴于傳感器的發(fā)展，適用于海底觀測的高靈敏度傳感器也是未來的研究方向之一。

（4）目前利用聲學(xué)信號和光學(xué)信號的原位觀測裝置對致密氣泡的觀測效果一般，對海洋生物等干擾物的識別并不明顯。未來需進(jìn)一步加強(qiáng)氣泡對聲學(xué)和光學(xué)信號響應(yīng)的研究，降低雜質(zhì)干擾，拓寬觀測冷泉滲漏的流量范圍。

（5）未來冷泉原位觀測應(yīng)與地球物理探測、實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析、海洋生物研究、海洋潮流湍流研究、海洋地質(zhì)構(gòu)造等研究相結(jié)合，確定冷泉?dú)庠矗瑢ふ覞B流通道，分析海底冷泉的影響因素，從多學(xué)科、多角度充分掌握海底冷泉活動機(jī)制。

致謝：感謝孫志文博士和薛涼博士在寫作時給予的幫助。