摘 要：深海沉积物作为一种重要的深海环境变化记录载体，是海洋学尤其是深海研究必不可少的基础研究资料。因此如何获得超长、连续、无扰动的沉积物柱状样品是深入开展深海科学研究的关键技术环节，也是我国在深海研究国际竞争中取得优势的主要技术瓶颈之一。通过综述国内外深海超长沉积物取样系统的研究进展，发现当今通用的沉积物取样系统存在诸多技术问题，从而不可避免地对沉积物产生扰动、压缩、断层等破坏。基于深海取样系统研制的国内外发展动态，提出了一种新的结合普通重力取样器对浅表沉积物样品无扰动取样和重力活塞取样器获取超长沉积物的混合型超长沉积物取样系统的设计构想。
关键词：深海;沉积物;取样
深海沉积物作为一种重要的深海环境变化记录载体，是全球气候变化的海洋记录、古海洋学、古地磁学、碳循环及海洋储碳、海洋沉积过程和构造演化，海底深部微生物生命过程、军事海洋学、海底矿产资源勘探、深海海洋工程地质勘察的重要基础性研究材料。因此，如何获得深海沉积物，尤其是超长、连续、无扰动的沉积物柱状样品，是深入开展深海科学研究必不可少的重要环节，也是我国在深海研究国际竞争中取得优势的主要技术瓶颈之一。
但是，当今国际通用的深海沉积物取 样 技 术都不可避免地对沉积物产生扰动、压缩、断层等破坏，海洋学家却不得不使用这些“二手”的沉积物资料去辨认解释“一手”的地层特征。海洋学家迫切需要获取原位(insitu)结构和尺寸的沉积物样品，其中原位结构可有助于保存地层的完整性和分辨率，而原位尺寸是研究深海物质运移和沉积过程的关键。因此，海洋学界，尤其是深海海洋学研究亟需开发一种超长、连续、低扰动深海沉积物取样技术。
结合国际海洋/深海科学研究 对 沉 积 物 样 品的科学需求，通过综述现有国内外深海沉积物取样系统的研究进展，分析了现有取样系统存在的诸多技术问题，并提出了相应的解决方案。
1 深海沉积物取样技术的国内外研究现状分析
在20世纪70年代以前，深海沉积物样品一般是通过不带活塞的简单重力取样器获取[1-3]。这种简单重力取样器的顶端一般会安装一个单向球阀，用于在样品回收过程中保持样品在取样管中不掉落。此类取样器在深海软泥区一般可以获取5～6m 的沉积物样品[4]，由于取样过程中沉积物一般会受到挤压扭曲或断裂破坏，因此样品质量较差，回收率(实际样品回收长度与取样器贯入实际长度的比值)一般低于70%。
由于海洋学家对超长、无扰动沉积物 样 品 的 科学需求，Kullenberg[5，6]提出了重力活塞式取样器的设计 原 理。这 种 Kullenberg式 重 力 活 塞 取样设备被认为是简单重力取样器的一大进展，也是当今世界上使用范围最广的深海沉积物取样装置。此类装置的代表产品有美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)研制的 GiantPistonCorer(GPC)、JumboPistonCorer(JPC)和 LongCoring，以及法国 FrenchInstituteforAustralResearchandTechnology(IFRTP)研 究 所 研 制 的 CALYPSOcorer(现 为 法 国InstitutPolaireFrancaisPaul-EmileVictor(IPEV)研 究 所 拥 有，母 船 为 RVMarionDufresne)，其 中 CALYPSO 取 样 器 作 为当今世界上取样长度最长的取样装置(图1)，自20世 纪90年 代 开 始 用 于 世 界 各 大 洋 的 沉 积 物柱状样品获取，曾 经 获 取 过64.5m 的 超 长 深 海沉积样品，但其 系 统 最 大 自 重 也 超 过 了10t，需使用特 殊 的 零 浮 力 缆 绳 作 为 主 缆。因 此，这 些Kullenberg式超 长 重 力 活 塞 取 样 器 都 需 要 对 母船的后甲 板、收放绞车和收放 缆进行特殊设计和改造。
Kullenberg式重力活塞取样系统的工作原理本质上和简单重力式取样器基本相同，都是从距离海底一定高度的地方自由下落，依靠自身下落过程中积攒的动能贯入沉积物中。由于其下端连接有一个活塞机构，在下落过程中活塞会停止在海水/沉积物界面处。这个活塞机构一般 会 通 过直接与主缆相连或者通过一根单独的活塞缆与船上布放的主缆相连[7]。但是不论 哪 种 联 接 方 式，由于母船的运动都会通过主缆传递给活塞，因此活塞的位置都只能保持相对固定。
美国的 WHOI海洋研究所 从20世 纪70年代开始 设 计 Kullenberg 式 重 力 活 塞 取 样 系 统。GPC系统作为最初的原理样机于1973年由 Hol-lister等[8]设计完成，并于1974年 进 行 了 一 些 改进，用于Silva等[9-11]对海洋沉积物岩土力学性质的相关研究工作。
随后，WHOI研究所的科研人员对 GPC 系统的取样管外径尺寸、取样器刀头和自由下落触发机构等进行了多次改造升级，虽然在这些改造升级中并没有提出样品内衬管的设计理念，但是在取样管的内壁已经开始喷涂泰夫龙材料用于降低沉积物在管内运移过程中的摩擦阻力。这些改进的核心问题多集中在活塞机构对沉积物样品扰动的抑制方 面，Driscoll[12]和 Weaver[7]提 出 使 用一种类似降落伞的缓冲机构，用于减轻主缆的弹性形变对活塞的冲击;Driscoll[12，13]更是设计了一套复杂的活塞控制系统，用于控制活塞在取样管内部的运动状态，防止其对样品产生压缩和伸长等扰动。这些机构的设计与实现虽然在一定程度上减轻了活 塞 对 样 品 的 扰 动，但 是，Silva[14，15]的研究发现，GPC系统 获 取 的 表 层0～2m 的 沉 积物样品还是会被错位的活塞所扰动，因此，认为简单的重力取样系统在获取海水/沉积物界面附近样品时具有较大优势，而对使用 GPC系统获取的浅表沉积物样品必须检查其样品的连续性和层序性。
JPC系统是在 GPC 系统的基础上设 计 完 成的，其本质就是一个轻型的 GPC 系统，而 最 大 的改进在于JPC 系统在取样管内部添加了一个内衬管，并且把取样器外径变成了102mm[14-18]。
由于 GPC系统较重的载荷和母船 RVKnorr的收放系统缆绳承载限制，GPC系统最终还是丢失在 深 海 大 洋 中。美 国 WHOI海 洋 研 究 所 从1999年 开 始 为 RV Knorr研 制 新 的 “LongCo-ring”沉积物 取 样 系 统，并 于 2007 年 完 成 了 第 1次海试[19]。“LongCoring”系统的设计取样深度可达到 46 m，在 2007 年 的 第 1 次 海 试 过 程 中， “LongCoring”在 BermudaRise海域获取了7个长度为26～38m 不 等 的 沉 积 物 样 品，样 品 回 收率达到了85%～89%。
作为当今世界上最先进的深海沉积物取样系统，美国“LongCoring”系统在取样原理上还是遵从 Kullenberg式重力活塞取样系统设计，也是通过在简单的重力取样器内部增加一个与主缆直接相连的活塞来提高取样深度和样品回收率，但是在自由下落过程的触发方式上脱离了传统“失衡定高杆释放装 置”的 触 底 触 发，而 是 通 过 在 取 样器的上端安装一套深海声学数据传输系统，通过这套系统上安装的声学高度计实时测量取样器距海底高度，最终由甲板控制系统完成触发自由下落部分的操作。
整套“LongCoring”系 统 造 价 超 过500万 美元，系统设计重量达到11.3t，总长度达到50m，而母船 RV Knorr的船长只有85m，不能满足系统的收放基本要求，因此对 RV Knorr的船体 进行了大量的结构改造，增加了后甲板的强度和可操作面积、专用零浮力缆、收放绞车和导缆槽、并对侧舷加装水平收放装置。图2为改造后的系统收放装置的主要组成部分，包括一个新定制的 A型架，该 A 型架装有专用载荷收放绞车和垂直缆绳收放机构(图2a，c);在船尾装有一个专用机构用于将取样器从侧舷安装位置转移到船尾的布放位置(图2a);一个新的定制绞车用于布放与回收长度 为 7500 m 的 Vectran—Plasma 缆 绳 (图2b)，该缆绳具有零浮力、低弹性模量和高拉断强度的突出优点，直径为2ft，拉断强度达到了360klb;3个专用绞车用于将取样器在水平安装位置和垂直布放位置之间的转换作业(图2d)[19]。
我国从20世纪70年代开始研制沉积物取样设备。在吸收当时国外已有简单重力取样器设计原理的基础上，1988年中国科学院海洋研究所张君元、宋欢龄等[20]研制了一种安全重力活塞取样器，采用气缸活塞式安全销和缓冲器总成，有效地解决了因取样器主体突然脱钩或在松散沉积物采心时容易挣断钢缆而导致重力活塞取样器丢失的问题。在国家863计划支持下，1996年国家海洋局第一海 洋 研 究 所 开 展 了 重 力 活 塞 取 样 器 的 研制，2001年浙江大学开展了深海沉积物保真取样系统的研制工作。到目前为止，国内鲜有取样深度>10m 的成型设备。
2 深海沉积物取样系统存在的主要技术问题
纵观 国 内 外 深 海 沉 积 物 样 品 的 取 样 技 术 发展，不难发现，20世纪70年代是深海沉积物取样器发展的一个辉煌时期，最具代表性的就是美国伍兹霍 尔 海 洋 研 究 所 (WHOI)的 Charley Hol-lister等，在20世纪70年代于东北太平洋海域获取了一个具6500万a历史的超长 沉 积 物 样 品。但是随着海洋探测技术的发展，尤其是国际综合大洋钻探计 划IODP/ODP 等通过钻探手段获取超长岩心能力的提升，由于重力活塞式取样系统存在样品扰动、取样系统过于庞大等自身缺陷，慢慢地被边缘化，只有法国的 CALYPSO 系统还坚持在全球各地的大洋深处从事取样工作。
近年来，随着全球气候变化、天然气水合物、海洋酸化等重大的科学问题研究对深海连续、无扰动沉积物样品需求的增加，以美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)为代表的 国 际 海 洋 研 究 机 构，在21世纪初开始重启深海超长沉积物取样系统的研制工作，最具代表性的就是上面提到的美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)斥资500万美元研制的“LongCoring”沉 积 物 取 样 系 统。但 是 在 取样原理上 还 是 没 有 逃 脱 Kullenberg式 重 力 活 塞取样系统基本概念，只是通过简单的增加取样器的自身重量(从最初的1～2t，到现在的普遍>10t)的方式来提高取样器的 瞬 时 冲 击 力，从 而 增 加取样深度。这样就会很容易出现取样器在深海作业 过 程 中 产 生 弯 曲、折 断 甚 至 丢 失 等 事 故 (图3)[21]。
虽然 Kullenberg式重力活塞取样系统是 当今取样长度最大的沉积物取样系统，但是活塞机构 自身却存在着诸多问题[7，22，23]。取样器在灌入沉积物时如果活塞未处于沉积物/海水界面、灌入过程中活塞产生无序运动、取样器回收过程中由于主缆的弹性模量导致的活塞在取样管内的相对快速上移产生的局部真空吸力都会导致样品产生扰动、压缩或者延伸等形变[7]。样 品 被 压 缩 会 导致回收样品长度小于取样器贯入深度，一般 Kul- lenberg式重力活塞取样系统的样品回收率只能达到70%;样品 也 有 可 能 被 拉 伸，从 而 导 致 回 收样品长度超过取样器贯入深度，这样会导致浅表层样品的丢失，沉积层的层序混乱，以及底层沉积物样品的无序吸入等样品扰动现象。
3 新一代深海沉积物取样系统设计展望
对于简单的重力式取样器，由于不存在活塞的无规则运动和取样管上端排水过程导致的沉积物扰动现象，因此，不带活塞的简单重力取样器是当今获取海水/沉积物界面附近无扰动样品的最佳手段[18]。Skinner和 McCave[23]的相关研究指出，在没有真正的无反冲力的固定活塞取样器的情况 下，使用大口径的简单重力取样器获取0～10m的沉积 物 样 品，然后使用重力活塞式取样器获取深于10m 的沉积物样品是最佳的一种深海沉积物柱状样品取样方式。
但是，在实际的深海取样作业过程中，由于受到船舶自身定位能力，深层海流场和取样器水下定位等技术条件限制，不可能对同一个取样点不同深度的沉积物样品采用两种不同取样设备获取。因此，亟需开发一种可以结合普通重力取样器对浅表沉积物样品无扰动和重力活塞取样器获取超长沉积物的混合型超长沉积物取样系统。——论文作者：张 鑫，栾振东，阎 军，陈长安参考文献：
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