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        多參數(shù)CTD測量在富鈷結殼環(huán)境調(diào)查中的應用

        2015-04-11 01:08:20郭斌斌劉方蘭
        地質(zhì)學刊 2015年4期
        關鍵詞:結殼溶解氧水樣

        郭斌斌,劉方蘭,李 琦

        (1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510075;2.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室,廣東 廣州510075)

        0 引言

        20世紀70年代起,富鈷結殼的潛在經(jīng)濟利益為人們所認識,各發(fā)達國家紛紛投入相應的調(diào)查和研究。中國作為海洋大國,深知其間涉及的國家利益和商業(yè)利益,于20世紀90年代中期開始富鈷結殼調(diào)查工作(何清華等,2005)。

        目前,富鈷結殼資源調(diào)查集中在中、西太平洋,這與太平洋海底的特殊地質(zhì)條件及富鈷結殼的成礦機制有關(張富元等,2001)。富鈷結殼主要生長于碳酸鹽補償深度(CCD)以上、最低含氧層中或以下,并且最低含氧層也可能擔任物源輸送通道的作用(武光海等,2001;Martin et al,1985);Hein(1992)發(fā)現(xiàn)底流能量與結殼外形存在關系;南極底層流與微生物也是重要的環(huán)境因子。另外,隨著大規(guī)??碧介_發(fā)活動的開展,國際社會也開始關注其可能引起的環(huán)境問題,環(huán)境調(diào)查開始成為富鈷結殼資源調(diào)查中不可或缺的一環(huán)。綜上,富鈷結殼環(huán)境調(diào)查具有2層重要意義:開展自然環(huán)境變化基線調(diào)查研究,以評價深海采礦活動對環(huán)境的影響程度;研究最低含氧層、底層流等富鈷結殼成礦因子(梁楚進等,2004)。

        在富鈷結殼環(huán)境調(diào)查中,溫鹽深測量及采水分析是最基本的手段,可以為其他環(huán)境研究工作提供背景參數(shù)?;谇叭嗽贑TD測量及傳感器研制領域的相關研究成果,提出一種多參數(shù) CTD測量模式。

        1 國內(nèi)技術現(xiàn)狀

        溫鹽深測量及采水,即使用CTD實時觀測壓力、溫度、鹽度參數(shù),并對采集的非連續(xù)水樣進行實驗分析,得到葉綠素、pH值以及溶解氧等其他參數(shù)(圖1)。SBE 9plus CTD(美國海鳥公司)常規(guī)搭載24瓶8 L采水瓶,是富鈷結殼調(diào)查中使用的主流設備。對于以上技術,采水深度的選擇一般通過預測目標參數(shù)的拐點深度或參考標準經(jīng)驗層位,存在不確定性。另外,水樣現(xiàn)場化學測試方法費時費力,多專業(yè)需求讓水樣分配成難題;非原位氣體測量易引入誤差;非連續(xù)采水獲得的樣本有限,這決定了方法的低垂向分辨率,低采樣頻率也必然會忽略海洋中的小尺度時間和空間變化。

        圖1 傳統(tǒng)溫鹽深測量及采水示意圖Fig.1 Sketch showing traditional temperature,salinity and depth measurement and water sampling

        與水樣現(xiàn)場化學測試方法相比,傳感器方法顯得更加方便、經(jīng)濟、高效。全剖面采樣的特點彌補了人為預測中存在的不確定性,避免錯失海洋中的某些特殊現(xiàn)象。趙衛(wèi)東等(2000)指出了化學傳感器從污水應用轉(zhuǎn)向海洋應用所存在的問題,并就20世紀60年代末以來海洋化學傳感器的研制情況進行了總結。夏達英(1997)描述了我國發(fā)明的水中熒光劑,并在不同水質(zhì)的海區(qū)進行試驗,獲得了大量實踐經(jīng)驗。劉長華等(2008)則對濁度計在海底熱液活動調(diào)查中的應用進行介紹,分析該技術的改進方向。戴民漢等(2001)對國際上的化學生物傳感器及其海洋環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測手段進行了詳細介紹,為我國在該領域的發(fā)展提供借鑒??梢?,20世紀60年代末以來,我國一直致力于多參數(shù)傳感器的研制工作,并取得了相應進展。

        目前,商用可集成的附加傳感器種類繁多,可分別針對溶解氧、葉綠素、濁度、pH值及CDOM等參數(shù)進行測量(圖2)。為推廣附加傳感器,主流CTD廠商一般捆綁銷售合作方的傳感器產(chǎn)品,但國內(nèi)的調(diào)查人員并不會實際使用它們,依舊更愿意相信水樣現(xiàn)場化學測試方法。究其原因,是因為附加傳感器發(fā)展較晚,且大多容易漂移、需要維護。另外,海洋物理專業(yè)人員負責CTD設備,但對附加參數(shù)不一定關心;而海洋生物、化學專業(yè)人員一般對設備了解不多。

        圖2 附加參數(shù)傳感器Fig.2 Additional parameter sensors

        2 多參數(shù)CTD測量模式

        SBE 9plus作為海鳥公司性能最好的旗艦CTD,擁有8個0~5 V信號輸入、12位A/D轉(zhuǎn)換的電壓輸入通道,可支持最多8個附加傳感器的集成,且每個通道都有1個5.5 Hz低通濾波器。利用SBE 9plus CTD的高度可集成性,并在了解傳感器性能的前提下做好日常維護與校準工作,將傳感器方法與水樣現(xiàn)場化學測試方法相結合,實現(xiàn)多參數(shù)CTD測量,最終克服傳統(tǒng)溫鹽深測量及采水方法的缺點(圖3)。

        圖3 多參數(shù)CTD測量模式圖Fig.3 Multi-parameter CTD measurement model

        至于漂移問題的發(fā)生,需要深入了解每種傳感器的特性。以SBE 43溶解氧傳感器為例,為了更加精確地測定海洋中的溶解氧,海鳥公司于2009年對SBE 43進行了設計改進,以期得到更快的響應速度、主要溫度補償以及更高的穩(wěn)定性(Edwards et al,2010)。同時,與壓力相關的SBE 43滯后現(xiàn)象也得到了有效修正。至此,SBE 43傳感器獲得了SBE 9plus CTD的標準配置。

        SBE 43的測量對象是特氟龍膜表面的溶解氧,測量結果對膜的滲透性表現(xiàn)很敏感,而油濁和細菌附著會降低膜的滲透性。葛人峰等(2003)指出,溶解氧膜的有效使用期限為6~9個月,之后需要進行更換。而海鳥公司認為在SBE 43產(chǎn)生漂移后,進行傳感器清潔可以恢復傳感器性能,所以他們并不提供現(xiàn)場可更換的溶解氧膜。假設這一觀點成立,關于溶解氧膜有效使用期限的結論很可能是在未進行定期清潔的情況下得出的。在野外環(huán)境下,堅持定期維護、清潔并不是一件易事。因此,這2種觀點還有待長期驗證,目前需保留看待。但不管如何,長期的操作經(jīng)驗說明:對SBE 43進行定期維護、清潔確實有助于減小漂移的發(fā)生。針對SBE 43漂移的原因,日常的清潔、維護需包括:使用Triton X-100短時間沖洗去除油濁,用稀釋漂白液短時間沖洗防止生物生長,盡量將SBE 43儲存于缺氧或接近無氧的條件下。

        為了保證附加參數(shù)的精確測量,還需要對傳感器進行正確校準(肖波等,2014)。國內(nèi)調(diào)查機構的校準頻率一般為1次/年,而海鳥公司的技術要求是至少1次/航次。在這一點上,國際標準值得借鑒。Bryden(2003)曾在RRS Charles Darwin 139航次報告中詳細說明,在航次過程中如何利用測站水樣現(xiàn)場化學測試數(shù)據(jù)校準附加傳感器,實時修正數(shù)據(jù)。葛人峰等(2003)也簡述了溶解氧傳感器的漂移特性,并對現(xiàn)場校準溶解氧傳感器方法進行了研究。

        3 在富鈷結殼環(huán)境調(diào)查中的實際應用

        3.1 基礎資料及衍生參數(shù)應用

        溫鹽深測量是多參數(shù)CTD的最核心功能。在海洋內(nèi)部,位溫、鹽度擁有極端微弱的來源,一直是環(huán)境調(diào)查中應用最廣泛的守恒示蹤物。影響這些參數(shù)的過程均發(fā)生在海表面,如蒸發(fā)、降水以及熱傳導過程;而海面以下,除去海水混合,不存在其他能使位溫、鹽度發(fā)生變化的顯著過程。這意味著借助擴散后水團的溫、鹽值可以追蹤到它們位于海面的源頭(Talley et al,2011),這對富鈷結殼調(diào)查區(qū)內(nèi)的水團研究意義重大。另外,溫度、鹽度、壓力也將作為海洋生物化學研究的背景參數(shù)。

        從CTD獲得的基礎參數(shù)中,也可以衍生出質(zhì)量濃度、聲速等其他參數(shù)服務于富鈷結殼資源調(diào)查(圖4)。

        (1)多波束測深可以為富鈷結殼調(diào)查提供基礎地形資料,同時,隨著多波束技術的發(fā)展,水體成像信息已經(jīng)能應用于研究水團分布、躍層變化以及內(nèi)波等物理海洋學問題(Hughes Clarke,2006),海底背散射技術也在富鈷結殼地質(zhì)識別及選區(qū)方面有所應用。而CTD能為多波束提供高精度的聲速全剖面數(shù)據(jù),省去額外的SVP觀測,也可與SVP觀測數(shù)據(jù)對比,確保聲速數(shù)據(jù)的可信度。

        (2)近年來,AUV、ROV以及載人潛水器以功能多、綜合作業(yè)能力強、精細測量等優(yōu)勢先后運用于大洋調(diào)查,而CTD可為此類載體的配重提供密度數(shù)據(jù)。

        圖4 麥哲倫海山群M海山CTD基礎資料及衍生參數(shù)調(diào)查Fig.4 Basic data and derived parameters of CTD for the M seamount in the Magellan Seamounts

        (3)CTD近底時,利用實時壓力數(shù)據(jù)和高度計數(shù)據(jù),可計算出海底深度。這提供了另一種單點原位測深方法,也可用于從另一方面驗證多波束數(shù)據(jù)的精確性。

        3.2 最低含氧層調(diào)查

        最低含氧層是富鈷結殼的生長因子,同時溶解氧也是研究海水年齡的重要指標。多參數(shù)CTD測量模式使用少量水樣現(xiàn)場化學測試數(shù)據(jù)校準傳感器,在低工作量情況下獲取高采樣率、高分辨率的溶解氧數(shù)據(jù)。以麥哲倫海山群M海山調(diào)查為例,在M14、M13測站選取合適的水樣對傳感器數(shù)據(jù)進行修正后,將多參數(shù)CTD模式與水樣現(xiàn)場化學測試模式的結果繪于圖中進行對比(圖5),可得出以下結論。

        (1)調(diào)查區(qū)內(nèi)溶解氧濃度呈現(xiàn)明顯層化分布,高值出現(xiàn)在125 m以淺的上層,在真光層的50~125 m深度區(qū)間達到最大值;溶解氧最小值出現(xiàn)在600 m附近,最低含氧層較為發(fā)育。

        圖5 麥哲倫海山群M海山溶解氧調(diào)查模式對比Fig.5 Correlation of models of dissolved oxygen in the M seamount of the Magellan Seamounts(a)Station M14;(b)Station M13

        (2)2種模式獲得的結果擬合較好,尤其是溶解氧高值區(qū)。在溶解氧低值區(qū)域,2種模式的結果在趨勢上表現(xiàn)一致,但數(shù)值吻合度不如高值區(qū)域,這與獲取的低溶解氧濃度水樣質(zhì)量有關。一般對于溶解氧測試來說,獲取高質(zhì)量的水樣并非易事,尤其是當溶解氧低于2~3 mL/L時,處于欠飽和狀態(tài)的水樣會在CTD回收及水樣轉(zhuǎn)移過程中溶解外來氣體。另外,溶解氧傳感器的漂移模式為斜率漂移。所以可以推斷與水樣現(xiàn)場化學測試模式相比,若校準所用水樣質(zhì)量足夠高,多參數(shù)CTD模式得出的結果顯得更加可信。

        (3)M14站位,水樣現(xiàn)場化學測試模式獲得的最低含氧層位于600 m深度附近,這與多參數(shù)CTD模式的結果相一致。但對于M13站位,若采用水樣現(xiàn)場化學測試模式,最低含氧層將被定位于800 m以深,而真實的最低含氧層卻位于600 m深度附近。由此看來,高分辨率的多參數(shù)CTD模式更有助于進行分析。

        4 其他可進行的環(huán)境參數(shù)調(diào)查

        進行上層葉綠素觀測,計算浮游植物分布濃度,有助于研究調(diào)查海區(qū)生產(chǎn)力酸堿度屬于非守恒示蹤物,屬于海洋碳系統(tǒng)的重要一環(huán)。而濁度是基本的海洋光學參數(shù),可表征水體中懸浮顆粒物的濃度,以作為水團的獨立示蹤物,與海洋生物活動有密切聯(lián)系。海洋環(huán)境具有復雜性,往往需要同時對多種環(huán)境參數(shù)進行實時、現(xiàn)場觀測。所以,目前海洋環(huán)境觀測設備基本配置了一些相關傳感器,但此類設備存在共同缺點:儀器主體可兼容性差,表現(xiàn)為同時可兼容傳感器數(shù)量少,支持類型單一;儀器主體處于運動時觀測表現(xiàn)較差,不適合進行高精度的剖面觀測。

        得益于SBE 9plus CTD優(yōu)良的可集成性,多參數(shù)CTD可參照溶解氧調(diào)查模式,同時進行包括葉綠素、酸堿度、濁度等8種環(huán)境參數(shù)調(diào)查;此外,激光現(xiàn)場粒度儀等具備自記錄能力的自容式儀器也可與多參數(shù)CTD框架捆綁搭載使用。試驗表明,SBE 9plus CTD在常規(guī)溫鹽深剖面測量中可搭載多種環(huán)境參數(shù)傳感器,能快速、高效和實時提供同步多環(huán)境參數(shù)剖面,滿足海洋環(huán)境立體觀測的需求,具有良好的應用前景。

        5 結論

        將水樣現(xiàn)場化學測試與傳感器方法相結合,建立多參數(shù)CTD測量模式,用于富鈷結殼環(huán)境調(diào)查,取得了較好的結果。

        (1)利用SBE 9plus CTD的高度可集成性,多參數(shù)CTD測量模式能對富鈷結殼區(qū)進行除溫度、壓力和鹽度外多達8種環(huán)境參數(shù)進行同步觀測,更符合富鈷結殼環(huán)境調(diào)查的需求。

        (2)以麥哲倫海山群M海山調(diào)查為例,將多參數(shù)CTD測量模式與傳統(tǒng)方式對比,發(fā)現(xiàn)多參數(shù)CTD測量在富鈷結殼環(huán)境調(diào)查中顯得更加高效、準確、精細。

        但值得注意的是,附加傳感器的穩(wěn)定性以及校準誤差控制,仍是今后需要努力解決的問題。也許部分研究人員更加信賴傳統(tǒng)水樣現(xiàn)場化學測試,但容易推想,更高效便捷的傳感器方法必然是技術發(fā)展的大方向。此時,不妨讓2種模式并存,互相驗證、互補不足。

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