ABSTRACT

Considering that the samples of sediment pore water may be polluted by seawater in the process of collection, we improved the Principled Situ Pore Water Sampler System to prevent the samples from being polluted by seawater in terms of structure and overall design. In order to test and verify the effectiveness and feasibility of the improved system, we further carried out in-situ pore water collection test using the prototype of the new system in the northern South China Sea. The analysis results of CH₄, $P{O}_4^{3-}$ , $N{H}_4^{+}$ and total alkalinity in the test sample indicated that the improved system can effectively prevent the sediment pore water samples from being polluted and mixed by seawater.

Keywords:In-Situ Pore Water, Design, Improve, Sea Test, Effective

深海原位孔隙水采集系统设计改进和海试验证

刘广虎¹，陆程²，赵宏宇³，刘纪勇⁴，刘梓锐⁴，何赵⁴，白名岗²，吴宣志²，徐著华⁵

¹防灾科技学院，河北 廊坊

²中国地质调查局油气资源调查中心，北京

³中航工业宜宾三江机械有限公司，四川 宜宾

⁴广州海洋地质调查局，广东 广州

⁵成都欧迅海洋工程技术股份有限公司，四川 成都

收稿日期：2018年2月7日；录用日期：2018年2月20日；发布日期：2018年2月28日

摘 要

针对原位孔隙水气密采集系统原理样机可能会受到少量海水混合的干扰问题，原位孔隙水气密采集系统生产样机在结构和总体设计等方面进行了多项防海水混合的改进措施。并在南海北部海域通过原位孔隙水气密采集系统生产样机开展了原位孔隙水样品采集试验，通过对样品中CH₄、 $P{O}_4^{3-}$ 、 $N{H}_4^{+}$ 、总碱度含量进行测试分析，证实了生产样机防海水混合设计方案的可行性、科学性和有效性。

关键词 :原位孔隙水，设计，改进，海试，有效

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1. 概况

原位孔隙水气密采集系统是“十一五”期间国家863项目研制的一种深海沉积物孔隙水原位气密采样器 [1] [2] (图1)，采集原理有别于非原位孔隙水提取设备 [3] - [8] ，且不仅仅适用于湖泊、潮间带、沼泽地等浅水沉积物 [9] - [18] ，克服了采样量少的缺陷 [19] [20] 攻克了深海高压下进行沉积物原位孔隙水采集的“泥水分离过滤技术”、“保真空超高压海水电磁阀技术”、“采集过程计算机控制技术”等技术难点，通过压滤法原理实现海底沉积物孔隙水的原位气密采集，该系统可在短时间内获取深海多层位、气密性原位孔隙水样品，其工作水深范围500~4200 m，海底沉积物采集深度2~5.5 m，孔隙水采集间距0.5 m，单层最小采水量100 mL [1] [2] 。该套系统经过多次陆地及海上试验证明，其工作原理科学可行 [1] [2] ，但该系统作为首次研制的原理样机，在可靠性、易操作性和耐用性上都有一些不足，作为实际的生产设备使用尚有欠缺，还需要进一步的完善和改进，例如，该采样器在进入沉积物下插过程中，由于采样管外壁在海水中下放时会有少量海水残留，外露的线路管壁与采样管之间的空隙也会造成少量海水沿流，以及采样柱斜歪时海水容易沿采样管外壁下流，从而导致收集的原位孔隙水样品容易混合少量海水。针对此项不足，进行了设计方案的改进，通过在南海北部陆坡神狐海域开展原位孔隙水样品采集试验，并对收集到的原位孔隙水样品中的CH₄、 $P{O}_4^{3-}$ 、 $N{H}_4^{+}$ 、总碱度等含量进行测试分析，从实测数据的角度论证改进措施的有效性。

2. 原理样机混合海水来源分析

“十一五”研制的原理样机在原位孔隙水采集过程中可能存在少量海水的混入，经过对样机结构及采水过程的研究，认为海水混入原位孔隙水样品可能有以下三个途径：

1) 孔隙水采集瓶自带的海水

沉积物孔隙水要通过过滤层，单向阀才能进入采水瓶的储水室，在设备下海过程中该路径的空间早已经被海水占据，这些水将先于孔隙水进入储水室，造成原位孔隙水样品中有海水混入。

图1. 深海原位孔隙水采集系统改进前后结构对比示意图

2) 采集柱下插过程中带来的海水及非原位沉积物

“十一五”原理样机采样柱外挂有电磁阀电源电缆和护套、固定卡以及触发器和固定卡、连接电缆等突出物(图1)。采样柱下插过程中这些突出物必定会将上部沉积物及粘附的少量海水带到底部，与原位沉积物混合，造成原位孔隙水样品中有非原位沉积物孔隙水或海水混入。

3) 通过采集柱与海底沉积物之间的间隙继续渗入的海水

采样柱插入海底，如果没有被沉积物紧紧包裹，特别是由于海况原因使得采样柱在采样过程中小幅度或大幅度摆动，采样柱与沉积物之间会产生细微的瞬间间隙，海水就会在孔隙水原位采集过程中沿着间隙进入到采集柱的周边，造成原位孔隙水样品中有海水混入。

3. 原理样机改进方案

针对可能造成样机海水混入的每个环节，针对性地制定了防海水混入改进方案：

1) 单储水室采水瓶改为双储水室采水瓶(图2)，通过两次采水，去除采样器先采集的混入海水样品：第一次采水时，采水瓶过滤层上留存的海水、采样柱下插过程中带入的少量海水以及上部沉积物的孔隙水将进入第一储水室(海水/孔隙水混合样)，此储水室采集到的样品为废样(对比样)；第二次采水时，采水瓶过滤层上留存的海水、采样柱下插过程中带入的少量海水以及上部沉积物的孔隙水等外界水已经采集完毕，进入第二储水室的则是沉积物原位孔隙水样品。双储水室采水瓶的设计保证了获得的沉积物原位孔隙水样品的纯度。

2) 改进采样柱与柱头结构，预防海水或沉积物混入：去除外挂部件，包括采样柱外表的开关电缆护套和触发信号线护套，将原先外置的采水瓶电磁阀开关电缆置于采水瓶内，在下压板边部加独立的支架安装触发器，同时减少采样柱表面凹凸不平部件，使采样柱外壁为光滑表面(图3)。采样柱与柱头结构的改进保证了采样柱在下插过程中不携带或少携带上面海水和沉积物到下面的沉积物中混合。

图2. 原理样机采水瓶单元结构及改进方案设计图

图3. 采样柱外壁表面效果图(据刘广虎，2015)

3) 加装锚定板，预防外界海水混入：采样柱在采样过程中有可能发生左右摇摆，导致海水侵入到沉积物中，增加海水混合的可能性，改进措施是在采样系统柱头的下压板上焊接锚定板(图4)，当采样柱插入沉积物后可将采样柱固定住不致倾倒，同时用沉积物堵住开口，阻断海水，防止海水沿采样柱与沉积物之间的间隙下渗，可以有效预防外界海水混入孔隙水样品。

4. 海上试验过程

深海沉积物原位孔隙水气密采集系统搭载海洋四号船HYIV20150919航次，在南海神狐海域HSSY05站位进行了原位孔隙水气密采集海上试验，HSSY05站位位于南海北部陆坡区域，水深913米，海底底质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土，站位位置详见图5。

海试当日海况较好，轻风轻浪轻涌，船舶漂速为每小时0.3节。原位孔隙水气密采集系统安装了十个孔隙水采水瓶采集单元，计算机预设的休眠启动时间为35分钟，即系统在接通电源后35分钟后将自动打开电磁阀，开始样品采集工作。设备通过海洋四号后甲板配置的万米绞车和A型架释放下水，至水面后万米绞车开始以0.5 m/秒的速度缓慢下放，下放100米后与主钢缆安装pinger海底反射测深仪，随后以1~2米/秒的速度匀速下放，设备于距离海底50米处悬停等待，之后原位孔隙水气密采集系统以1.2米/秒的速度插入到沉积物里面，到底缆长915米，采样器在海底停留10分钟采样，等待过程中为防止因船舶漂泊造成原位孔隙水气密采集系统在海底的晃动，后甲板继续通过万米绞车缓慢放缆，最长放缆长度为927米。样品采集完毕后，后甲板开始通过万米绞车以0.1~0.3 m/秒的速度缓慢回收钢缆，设备离

图4. 原位孔隙水气密采集系统柱头综合设计图(左)及实物图(右)

图5. 原位孔隙水采集系统海试站位位置图

底钢缆最大张力显示为4.5吨。设备被回收至后甲板后，发现每个采样单元的孔隙水外滤网周围都有海底沉积物紧紧吸附(图6(c))，海底的浅黄色表层沉积物刚好在采集系统柱头下压板的底部(图6(a))，随后开始采集采样单元中的原位孔隙水样品及水溶气样品，并进行CH₄、 $N{H}_4^{+}$ 、 $P{O}_4^{3-}$ 含量及总碱度的船载现场检测。获取的原位孔隙水样品一部分用于、、总碱度测试工作，另一部分装进洗净烘干的聚四氟乙烯瓶密封置于４℃冷藏库保存，用于航次后测试。

图6. 深海沉积物原位孔隙水采集系统海试现场图

本次海上原位孔隙水采集试验共采集了19个原位孔隙水样品、19个水溶气样品以及一个底层水海水样品(图6(b))，其中，原位孔隙水样品每个约120 ml，水溶气样品每个约3 ml，底层水海水样品200 ml。

5. 现场测试方法

对于南海神狐HSSY05站位海试获得的原位孔隙水A样(为系统改进后获得的水样品，保存在A瓶中，以下简称A样)、孔隙水B样(相当于采集系统改进之前原理样机获得的水样品，保存在B瓶中，以下简称B样)以及底层海水样开展了CH₄、、含量及总碱度的现场分析测试。其中，CH₄含量分析采用美国Agilent7890气相色谱仪，色谱柱为Al₂O₃毛细管色谱柱；柱温为120℃；气化室温度为140℃；检测器温度(FID)为250℃；载气(N₂)流速为3 ml/min；氢气流速为30 ml/min；空气流速为300 ml/min；分流比为1:3，检测误差 < 3%；现场、浓度测试采用的仪器为美国哈希公司生产的DR5000紫外可见分光光度计，总碱度测试仪器为美国哈希公司生产的数字滴定仪；浓度的测定采用的是水杨酸盐法，测试误差 < 5%；磷酸盐测定采用活性磷法，测试误差 < 5%。具体测试流程详见DR5000分析方法手册(Hach Company, 2005)，总碱度测试方法采用滴定法，测试误差 < 5%，测试流程详见数字滴定器使用手册(Hach Company, 2006)。样品检测依据现场检测依据国标《海洋调查规范海水化学要素调查》(GBT12763.4-2007)，每5个样品做一次标样校准及平行检测，检测方法和精度符合国家标准的要求。

6. 系统改进前后试验结果对比及系统稳定性分析

实验结果表明：A样中甲烷含量范围在33.99~59.92 ppm之间，甲烷含量从表层至深呈大体逐渐升高的趋势(图7)；B样中甲烷含量范围在26.99~50.24 ppm之间，从表层至深也呈大体逐渐升高的趋势，与A样的变化趋势基本相同，只是每个层位的绝对含量均比A样略低(图7)；站位底层海水中甲烷的实测值为23.74 ppm，中层或上次海水中甲烷含量会更低，所以混入的混合海水的甲烷含量值一定低于23.74

图7. HSSY05站位孔隙水A样(系统改进后)、B样(原理样机)和底水D样中甲烷含量对比图

ppm。假设B样中混入的混合海水占样品总量的体积体积比为x，混入的混合海水中甲烷含量为n，原位孔隙水A样中甲烷含量为a，孔隙水B样中甲烷含量为b，则a、b、x、n之间存在如下关系：

若已知A样甲烷含量a，B样甲烷含量b，以及混入的混合海水中甲烷含量n，则可以推导出每个层位B样中可能混入的最大海水比例：

即B样中实际混入的海水比例小于等于x。

本站位所采集的底层海水实测甲烷含量为23.74 ppm，混合海水中甲烷含量n均按底层海水中甲烷含量23.74计算，据此可推断各层位B样中混入的最大海水比例(B样中实际混入的海水比例小于等于最大海水比例)。结果显示，从表层至深混入体积从37%呈非线性降至26%，大致呈下降的趋势(图8)，越往底部混入的海水越少。A样中NH₄⁺、PO₄³、总碱度的含量也证明，原位孔隙水A样纯度显著高于B样纯度(图9~11)。因为在海水表层至底层下放过程中，采集系统顶部至底部处于相同的海洋环境中，所以此过程中采集系统顶部至底部所有采集单元中国过滤网和烧结毡粘附的海水量和海水性质基本是相同的，灌入海底沉积物后表层至深越深外界海水越难以混入，所以造成从表层至深混入海水体积呈非线性下降的趋势(图8)。这也证明项目组对于采集单元可能有混入海水方式的原理判断是正确的，防海水混合设计方案所针对的海水混入途径是准确的。生产样机防海水混合设计方案的设计和实施是科学有效的。

另一方面，在不同时间、不同底质、不同深度的海域运用改进后的原位孔隙水气密采集系统进行了20次样品采集试验，试验最大水深4000米，均采集到了有效样品，证明该套采集系统具有很好的稳定性，安全可靠。

图8. HSSY05站位B样(原理样机)最大混入海水体积比随深度变化图

图9. HSSY05站位孔隙水A样(系统改进后)、B样(原理样机)和底水D样中含量对比图

图10. HSSY05站位孔隙水A样(系统改进后)、B样(原理样机)和底水D样中含量对比图

图11. HSSY05站位孔隙水A样(系统改进后)、B样(原理样机)和底水D样中总碱度对比图

7. 结论

本次海上试验证实了有关“双储水室采水瓶设计、线路内置、采样柱与柱头结构优化以及增加锚定板”等防水混合设计方案的科学性和有效性，同时也验证了深海沉积物原位孔隙水采集系统样品采集原理的科学性及可行性，证实了改进后的采集系统工作稳定、科学准确、安全可靠。

基金项目

国家高技术研究发展计划(2013AA092502)；中央高校基本科研业务费专项资金创新团队项目(ZY20160109)。

文章引用

刘广虎,陆 程,赵宏宇,刘纪勇,刘梓锐,何 赵,白名岗,吴宣志,徐著华. 深海原位孔隙水采集系统设计改进和海试验证
Design Improvement and Sea Test about In Situ Pore Water Sampler System for Deep-Sea Sediments[J]. 地球科学前沿, 2018, 08(01): 141-151. http://dx.doi.org/10.12677/AG.2018.81015

参考文献 (References)