（海洋地质专业论文）现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究.pdf

现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 摘要 本文利用数值模拟方法对大型现代海底热液硫化物矿体内部海水与热液流 体的混合作用、热液流体的演化模式以及矿体内部的温度场和流场分布特征及其 影响因素进行了系统研究，并在已有模拟实验装置的基础上设计了套新型的现 代海底热液系统模拟实验装置。 具体工作主要包括：大西洋t a g 热液活动区表层热液硫化物样品的矿物学 和地球化学组成分析；戬大西洋t a g 热液活动区为例，构建了大型海底热液硫 化物矿体内部下渗海水与热液流体的混合模型，利用重新编译的流体混合软件程 序( e m l x ) 对经过不同程度加熟的海水同热液流体之间的混合过程进行了模拟 计算；构建了一个具有三层结构的海底热液硫化物矿体模型，利用由美国地质调 查局( u s g s ) 开发并公开发行的地热体系模拟软件h y d r o t h e r m a l 研究了 介质渗透率、地形环境和大型裂缝等因素对矿体内部温度场和流场分布的影响； 设计并开发了套既可以进行水岩反应实验，又可用于热液羽状体扩散过程研究 的新型模拟实验装置。 分析探讨了大西洋t a g 热液硫化物矿体的内部结构特征以及控制矿体矿物 学和地球化学组成的地质作用、大西洋t a g 热液活动区黑、自烟囱流体之间的 成因关系以及热液流体的演化模式、下渗海水与热液流体混合过程中热液流体化 学组成和矿物沉淀的变化以及影响大型海底热液硫化物矿体生长的地质因素等 重要科学问题。主要研究成果包括： ( 1 ) 经过升温过程的海水与端员热液流体( 4 0 0 ) 的混合可以解释t a g 热液 活动区黑、白烟囱流体之间的成因关系；被加热海水的温度一般不会超过 1 5 0 。 ( 2 )下渗海水被加热及其与来自矿体深部热液流体的混合过程是控制矿体内硬 石膏大量沉淀的嚣个鬟要过程。热液流体在传导降温上升过程中，性质变化 不大，不会造成大量矿物的沉淀，热液流体喷出海底的突然降温和与海水的 混合应该是硫化物等矿物大量沉淀的机制。 ( 3 ) 在热液流体与下渗海水的混合计算中，混合流体的化学组成和矿物的沉淀 在3 3 0 3 l o 温度范隰痰发生了较大变化，是一个特殊的温度区域。 现代海底熬液硫亿物矿体内部流体过程的模拟实验研究 ( 4 )海底热液硫优物矿体的分层和不均一性在很大程度上控制着矿体邈的湿度 场结构和流体运移模式；矿体底部边界的热源位置和介质渗透率是控制大型 海底硫化物矿体黑烟蜜流体喷出位置的两个重要爨素。 f 5 )倾斜的洋壳层顶面对于海底热液硫化物矿体内温度场和流场分布的影响程 度有限，矿体地形起伏在很大程度上控制着矿髂内流体运移模式和热场分布， 高地形区域一般是海水下渗的重要区域。 f 6 ) 在具有萃一集中热源的硫化物矿体内部，大型纵向裂缝可以是流体下渗的 通道，也可以成为流体上升的通道，其通道作用会受到底部边界热通量分布、 介质渗透率和矿体志裂缝性质等因素的隈铡。 关键词魏代海底热液活动热液硫化物矿体数值模拟薪型模拟实验装置 i l 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 a b s tr a c t s o m et o p i c sa s s o c i a t e dw i t ht h el a r g es e a f l o o rh y d r o t h e r m a ld e p o s i t ，s u c ha st h e m i x i n gp r o c e s s e sb e t w e e nh y d r o t h e r m a lf l u i d sa n de n t r a i n i n gs e a w a t e r , t h ee v o l v i n g p a t t e r n so fh y d r o t h e r m a f l u i d s ，t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dg o v e r n i n gf a c t o r s o ft h et h e r m a la n df l o wf i e l d sw i t h i nt h ed e p o s i t , h a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ys i m u l a t e d u s i n gn u m e r i c a la p p r o a c h m e a n w h i l e ，b a s e do nt h ep r e v i o u sh y d r o t h e r m a l e x p e r i m e n t a lr e a c t o r s ，也en e w l yr e a c t o rt h a tc a l lb eu s e dt os i m u l a t em o d e ms e a n o o r h y d r o t h e r m a is y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h ea s s o c i a t e ds t u d i e sa r ep r e s e n t e di nt h ef o l l o w i n g f i r s t l y , t h em i n e r a la n d g e o c h e m i c a lc o m p o s i t i o n s o ft h es u l f i d e s a m p l e sd r e d g e df r o m t h et a g h y d r o t h e r m a lm o u n d , m i d a t l a n t i c r i d g e ， a l e a n a l y z e d s e c o n d l y , t h e t h e r m o d y n a m i cm o d e lo ft h eh y d r o t h e r m a lf l u i d s e a w a t e rm i x i n gw i t h i nt h el a r g e h y d r o t h e r r n a id e p o s i ti sd e v e l o p e d , t a k i n ge x a m p l ef o rt h et a gh y & o t h e r m a im o u n d t h em i x i n gp r o c e s s e sb e t w e e nt h eh y d r o t h e r m a lf l u i da n dt h es e a w a t e rh e a t e dt o d i f f e r e n te x t e n ta r ec o m p m e db ym e a n so fe m i x ，r e v i s e ds o f t w a r e ( m i x ) o ff l u i d s m i x i n gp r o c e s s e sm o d e l i n g t h i r d l y , t h ep h y s i c a lm o d e lo fh y d r o t h e r m a is u l f i d e d e p o s i tw i mt h r e e l a y e r s ，i sd e v e l o p e d u s i n gt h es o f t w a r eh y d r o t h e r a l d e v e l o p e da n di s s u e df r e e l yb yu s g s ( u n i t e ds t a t e sg e o l o g i c a ls u r v e y ) ，t h e i n f l u e n c e so fm e d i ap e r m e a b i l i t y , t o p o g r a p h ya n dl a r g ef r a c t u r e so nt h ed i s t r i b u t i o n s o ft h e r m a la n df l o wf i e l d sw i t h i nt h ed e p o s i ta r es t u d i e d a tl a s t ，an e w l ye x p e r i m e n t a l r e a c t o ra r ed e v e l o p e d , w h i c hc a l lb eu s e dt ot h es t u d yt h er o c k - w a t e ri n t e r a c t i o n sa n d t h ed i f f u s i n gp r o c e s s e so fh y d r o t h e r m a lp l u m e a c c o r d i n g l y , s o m ek e yq u e s t i o n sr e l a t e d 、析t 1 1t h el a r g eh y d r o t h e r m a id e p o s i ta r e d i s c u s s e d ，s u c ha s ，t h ei n t e r i o rs t r u c t u r e so ft h et a gd e p o s i t ；t h eg e o l o g i c a lp r o c e s s e s g o v e r n i n gt h em i n e r a la n dg e o c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ft h et a gd e p o s i t ；t h eg e n e t i c r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eb l a c ka n dw h i t es m o k e r sf l u i d si nt h et a gh y d r o t h e r m a l f i e l d ；v a r y i n gt r e n d so ft h eh y d r o t h e r m a l f l u i d sc o m p o s i t i o n sa n dt h em i n e r a l p r e c i p i t a t i o n sd u r i n gt h em i x i n gp r o c e s s e so fh y d r o t h e r m a lf l u i d sa n dt h ee n t r a i n i n g s e a w a t e r ；t h eg e o l o g i c a lf a c t o r st a k i n ge f f e c to nt h eg r o w t hp r o c e s so ft h el a r g e s e a f l o o rh y d r o t h e r m a ls u l f i d ed e p o s i t b a s e do nt h e s es t u d i e s ，s o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w n , a sp r e s e n t e di nt h e f o l l o w i n g ： 1 1 1 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 ( 1 ) d i f f e r e n c e sf o u n di nc o m p o n e n t sc o n c e n t r a t i o n so fw h i t es m o k e ra n db l a c k s m o k e rf l u i d si nt a g h y d r o t h e r m a lf i e l dc a l lb ea c c o u n t e df o rb yt h ei n t e r a c t i o n o ft h eh e a t e ds e a w a t e ra n dt h ee n d m e m b e rh y d r o t h e r m a lf l u i da t4 0 0 t h e t e m p e r a t u r eo ft h eh e a t e ds e a w a t e rm u s tb el e s st h a n15 0 。c ( 2 ) a n h y d r i t ep r e c i p i t a t i o nw i t h i nt h el a r g ed e p o s i ti sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h e s e a w a t e rh e a t i n gp r o c e s sa n dt h em i x i n gp r o c e s so fh y d r o t h e r m a lf l u i da n d e n t r a i n i n gs e a w a t e r c o n d u c t i v ec o o l i n ga l o n e c a i ln o tr e s u l ti na b u n d a n ts u l f i d e s p r e c i p i t a t i o nf r o mt h ef l u i d a f t e rh y d r o t h e r m a lf l u i dv e n t so u to ft h ed e p o s i t ，t h e a b r u p tc o o l i n ga n dm i x i n g 、衍也s e a w a t e rs h o u l db et h em a i nm e c h a n i s mt h a t g o v e r n ss u l f i d e sp r e c i p i t a t i o n ( 3 ) o o o 一- ol o 。ci sas p e c i a lt e m p e r a t u r ez o n ei nt h em i x i n gp r o c e s s e sb e t w e e nt h e s e a w a t e ra n dt h eh y d r o t h e r m a lf l u i d ( 4 ) h e t e r o g e n i cs t r u c t u r ew i t h i nt h ed e p o s i th a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o n o ft h e t e m p e r a t u r e f i e l d s t h e d i s t r i b u t i o n so fb l a c ks m o k e r si nm a t u r e h y c t r o t h e r m a ld e p o s f fa r er e l a t e d 埘mm a n yf a c t o r s ，s u c ha sh e a ts o u r c ea n d p e r m e a b i l i t y ( 5 ) t h es l o p i n go c e a n i ct o ph a sal i t t l ei n f l u e n c eo nt h et h e r m a la n df l o wf i e l d s w i t h i nt h eh y d r o t h e r m a ls u l f i d ed e p o s i t t h er e l i e fb a s e m e n ti so n eo ft h e d o m i n a t e df a c t o r st h a tc o n t r o lt h et h e r m a lf l o wf i e l d sw i t h i nt h eh y d r o t h e r m a l s u l f i d ed e p o s i t ( 6 ) t h ef u n c t i o no ft h ef r a c t u r e si sc o n s t r a i n e db ys o m ef a c t o r sw i t h i nt h el a r g e s u l f i d ed e p o s i t 谢ms i n g l ef o c u s e dt h e r m a ls o u r c e ，s u c ha st h et h e r m a lf l u xo f b o t t o mb o u n d - y , t h ep e r m e a b i l i t ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r a c t u r e s k e yw o r d s ：s e a f l o o rh y d r o t h e r m a la c t i v i t y ；h y d r o t h e r m a ls u l f i d ed e p o s i t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；n e w l ye x p e r i m e n t a lr e a c t o r l v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一简工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：棚 签- y - b n ：如& 年s 胃扣醋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 囱国家有关部门或机构送交论文的复印譬和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收泶到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解搽后适用本授权书) 学位论文作者签名：夕挤哦 导师签 签字日期：2 d o 睁5 月3 0 日签字日期专嚼年j ”月 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 1 前言 1 磷究意义 普遍发育在全球性大洋中脊、弧后盆地的板块增生带、板内火山和转换断层 等多种地质环境的现代海底热液潘动，以其特有的热液循环机制、成矿系统、生 态系统以及对大洋重大的热和物质贡献，成为近3 0 多年来地学界研究的重点领 域邓叫鄙。大型海底热液硫亿物矿体的形成是海底热液循环过程的重要环，一直 以来以其重要的科学价值和资源意义吸引着众多地质学家的关注。 大型海底热液硫化物矿体豹形成不是简单意义的热液硫化物的堆积过程，涉 及到海水下渗、流体混合、矿物的沉淀溶解以及区域纯化等多种复杂的动力学 过程。与之相关的一些秘学问题，捌如热液活动区不同喷墨流体之闻的关系、热 液硫化物矿体的内部结构、矿物组合和地球化学组成特征及其控制因素等一直是 现代海底热液活动研究领域关注的核心内容。深入了解海底热液硫化物矿体的内 部结构和形成过程是研究现代海底热液活动的成矿机制、物质和能量贡献的重要 内容。其次，发育在陵地上的古代火凼成因硫化物矿床与现代海底热液硫化物矿 体的地质和地球化学过程非常相似，但由于经历了上百万年的演化过程，已经很 难了解古代火由成因硫化物矿床的物质来源和形成过程，现代海底热液硫化物矿 体无疑成为认识和了解古代火山成因硫化物矿床形成演化过程的“天然实验室”。 此外，大型现代海底热液硫化物矿体富含大量c u 、z n 、f e 和两等金属元素，是 热液循环过程中热液物质重要的“汇”。目前，全球已经发现2 0 0 多处热液硫化 物矿点，其中已确定有l o 处矿点的硫化物规模帮品位符合采来开采要求，可以 说，与现代海底热液活动相伴生的多金属硫化物已经成为继结核和结壳资源之后 又一极其开发潜力的矿产资源。 针对现代海底热液活动的野外调查研究在很大程度上受到高温高压异常环 境条件的限制，而数值模拟和实验模拟研究能够在实验室内模拟热液环境，“蒋 现”热液循环过程，是全蔼认识和深入了解现代海底热液活动的重要手段。近年 来，随着海底热液活动研究成果的逐渐积累，特别是针对典型热液硫化物矿体大 洋钻探研究成果的不断丰富，使得人们对大型海底硫化物矿体的内部结构和化学 组成等重大科学闯题有了较为清楚的认识。这也为利用数值模拟手段深入认识大 型海底热液硫化物矿体的形成过程提供了机会。 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 本论文拟利用数值模拟方法对大型海底热液硫化物矿体内部的海水与热液 流体的混合过程以及矿体内部热场和流场分布特征及控制因素等问题进行模拟 研究，并设计开发一套新型的热液环境模拟实验装置。 1 2 选题依据 本论文依托于国家基础发展规划项目( 9 7 3 项目) “地球圈层相互作用中的 深海过程和深海记录”( n o ：g 2 0 0 0 0 7 8 5 0 3 ) 的第三子课题“海水与海底的物质和 能量交换”和国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 课题“现代海底活动及其成矿环境 模拟实验技术”( n o ：2 0 0 4 a a 6 1 5 0 2 0 ) 。选题主要出于以下几点考虑： ( 1 ) t r a n s a t l a n t i cg e o t r a v e r s e ( t a g ) 热液活动区位于大西洋中脊2 6 0 n 一条长 4 0 k m 脊段的中部，是大西洋中脊地区最早发现的大型热液硫化物矿体。多数 研究【1 6 加j 认为t a g 区黑烟囱流体与海水( 2 ) 之间不同比例的混合可以解 释该区不同喷口流体之间在化学组成、p h 值等方面的差异。但是，大洋钻探 计划( o d p ) 1 5 8 航次的研究结果表明，在t a g 热液活动区黑烟囱流体与海 水( 2 ) 的直接混合难以解释钻孔内硬石膏和石英矿物的同位素组成以及包 裹体封闭温度的实验结果。海水在下渗过程中首先经过了矿体围岩的加热， 然后再与热液流体发生混合，才能解释所观测到的事实。另外，黑烟囱流体在 向上运移直至喷出的过程中大都经过了传导降温过程。因此，来自于矿体深部 的热液端员流体温度必定高于黑烟囱流体温度。那么，经过加热过程的海水与 热液流体的混合是否能够解释不同喷出流体之间的关系? 海水与热液流体混 合过程中热液流体的化学组成变化和矿物沉淀情况? 等等，都是需要进一步 研究探讨的重要科学问题。 ( 2 ) 目前，大型海底热液硫化物矿体的地质模型大都建立在均匀介质和平坦地形 的基础之上，而已有研究成果表明大型硫化物矿体内部大都具有明显的分层 特征1 8 之0 1 。另外，大型海底热液硫化物矿体的堆积并不是持续、均匀的过程， 大都经历了长时间、多阶段的形成过程，在这个过程中必定伴随着矿体地形 的不断变化。热液活动区实际调查结果也表明热液硫化物矿体地形情况复杂， 多具有较大起伏。那么，大型海底热液硫化物矿体的分层、起伏的矿体地形 以及内部裂缝等因素对于海底热液硫化物矿体内部温度场和流场分布会产生 怎样的影响? 等问题值得深入探讨。 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 ( 3 ) 霹前，针对海底热液活动深海调查技术的开发在国内尚处于超步阶段，实验 模拟技术的发展水平更是相对滞后。虽然，国内已有实验室从国外引进了相 关的模拟实验装置，例如钛盖一可变形金袋反应器( 简称金钛反应器) ，僵是 这类反应装鬣主要针对水岩反应的模拟实验，而且实验过程中整个体系处于 静止状态，无法反映海底热液体系循环过程的流动开放本质。近年来，热液 羽状体在海水中的扩散过程引起了诸多学者的关注，有研究认为热液羽状体 的运移推动了大洋中层水的循环，甚至在更深层次上影响者海洋环境和全球 的气候变化。遗憾的是，迄今还没有见到能够进行热液羽状体动力学和化学 过程模拟实验平台的报道。 1 3 研究内容与实施方案 本文构建了海水与热液流体混合的地质模型和具有三层结构的大型热液硫 化物矿体模型，弗设计开发了一套薪型的热液活动模拟实验装置，具体的工作主 要集中在以下几个方面： ( 】) 在分析了近年来星内夕 海底热液活动调查研究技术发震的基磁上，指出了露 前已有技术开发中存在的不足，并且提出了我国在现代海底热液活动技术发 震的遥切性和应优先发展的技术。 ( 2 ) 综合已有的现代海底热液活动模拟实验装置的设计特点，制定了新型实验装 置的设计方案，并在实验室内搭建起该实验平台。新型的模拟实验装置可以 模拟热液环境( 2 - - - 4 0 0 c ，1 - 4 0 m p a ) ，进行开放流动状态下的水岩反应及 热液鬻状体在海水中扩散的物理过程和化学交化的模拟研究。同时，该实验 装置能够与我国开发的热液保真采样器相连，使得在原位取得的熟液样品能 够在实验室蠹迸行进步的分析研究。 ( 3 ) 利用x 射线衍射( x r d ) 、等离子光谱和等离子质谱等手段对采自大西洋t a g 热液活动区的9 件表层热液硫化物样品进行了矿物组成和全岩的主、微量化 学组成分析。在此基础上，并结合已有的研究结果对t a g 热液硫化物矿体的 内都结构、矿物学和化学组成特征进行了研究，探讨了影噙t a g 热液硫化物 矿体形成过程的地质因素。 ( 4 ) m 是一个能够用予模拟不丽性质流体混合的f r o t r a n 程序软件，本文 对m d ( 程序进行了重新编译( e m ) ，并利用e m l x 程序和t a g 热液活动 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 区的实测资料，对t a g 热液硫化物矿体内部海水与热液流体的混合过程进行 了模拟计算。 ( 5 ) 构建了一个具有三层结构的大型海底热液硫化物矿体模型，并利用美国地质 调查局( u s g s ) 开发并公开发行的地热体系模拟软件h y d r o t h e r m a l 研 究了渗透率分布、裂缝和起伏地形等因素对大型海底热液硫化物矿体内部温 度场和流场分布的影响。 1 4 研究特色及创新点 本论文抓住现代海底热液活动研究领域的关键科学问题，即大型热液硫化物 矿体内部流体过程及其控制因素，利用多种技术手段，特别是数值模拟技术，对 海底热液硫化物矿体内部海水与热液流体的混合过程、矿体内部流体运移模式及 控制因素等问题进行了探讨，在学术思想上具有一定的创新性。论文创新点主要 表现在以下三个方面： ( 1 ) 首次利用数值模拟手段对海底热液硫化物矿体内部热液流体与经过加热过 程海水之间的混合过程进行了模拟计算，探讨了该混合过程中热液流体化学 组成以及矿物沉淀情况的变化，并在此基础上提出了t a g 热液活动区热液流 体的演化模式。 ( 2 ) 基于大洋钻探的研究结果，构建了更加符合实际情况的热液硫化物矿体模 型，并研究了介质渗透率、地形环境和裂缝等因素对大型热液硫化物矿体内 部热场和流场分布的影响。 ( 3 ) 开发的新型的模拟实验装置可以模拟热液环境( 2 - 4 0 0 c ，1 - - 4 0 m p a ) ，进 行开放流动状态下的水岩反应及热液羽状体在海水中扩散的物理过程和化学 变化的模拟研究。同时，该实验装置成功与我国开发的热液保真采样器相连， 使得在原位取得的热液样品能够在实验室内进行进一步的分析研究。 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 2 现代海底热液活动调查研究技术进展 现代海底热液活动的发现是深海调查技术发展的结果。1 9 4 8 年瑞典“信天 翁”( a l b a t r o s s ) 号海洋考察船在红海中部发现水温与盐度异常，随后美国“发现者” 号发现了热液多金属软泥【2 1 - 2 2 。但是在此后的3 0 多年中，海底热液活动并没有 引起广泛的重视。随着深海调查技术的发展，特别是深潜器技术、海底摄像等技 术的使用，人们才在2 0 世纪7 0 年代末，亲眼目睹到海底热液活动的壮观景象， 从而揭开了全面重视调查研究海底热液活动及其与之相关的热液矿产资源、热液 环境、热液生物等重大科学问题的序幕。深海调查是全面认识和深入了解海底热 液活动这一复杂作用过程的最重要的途径，随着对海底热液活动认知程度的加 深，传统的深海调查技术，包括走航式探测技术、走航式拖网技术以及定点柱状 岩芯采样技术等已经远远满足不了海底熟液活动调查研究的需要。直视采样技 术、深潜器技术、定点监测技术、保真采样技术及模拟实验技术等成为近年来国 内外应用并致力发展的海底热液活动调查研究技术。 2 1 海底热液活动调查传统技术 传统深海调查技术是早期海底热液 活动调查的主要手段，其中包括：走航 式探测技术( 图2 1 ) ，主要用于对潜在热 液活动区的大范围普查，目的在于寻找新 的海底热液活动区，以及监测热液羽状体 的范围和漂移；走航式拖网技术( 图 ! 譬厶 j 缮? 黪l 磁撼；i 2 2 ) ，用于在已知热液活动区获取热液沉 图2 1 走航式探测技术示意图 积硫化物或海底岩石样品；定点柱状岩 芯采样技术，用于在已知热液活动区获取 沉积物岩芯样品。 在这些传统调查技术中，走航式探测 技术一直都是现代海底热液活动调查的 必需手段，在热液活动区海底地形、热液 喷口形态、热液羽状体扩散等多方面调查 图2 2 走航式拖网技术示意图 跨一 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 中发挥着重要作用。在此只对走航式探测技术作重点介绍。走航式探测技术主要 是利用相关的声学、光学或传感器设备探测热液活动区的异常特征。其主体结构 由水上和水下两部分组成，水上部分安装在调查船上，由计算机、信号实时处理 和全球定位系统组成，水下部分则是调查船后边的拖曳体，二者通过铠装拖曳电 缆联系在一起。根据调查对象的不同，走航式探测技术可分为地形地貌探测技术 和水文环境传感器探测技术两种。 常用的地形地貌探测技术主要有声学成像和光学海底摄影两大类。声学成像 技术是按不同要求向海底发射不同功率、频率、波束角的声波，然后通过回波特 征来识别地质属性，发现热液活动的特征地质体。一个深海拖曳声学海底成像系 统，在距海底1 0 0 m 处利用多波束和旁扫声纳探测，通常以1 5 节速度航行，一天 可以扫描1 3 0 k i n 2 左右的海底面积。但是，声学成像方法分辨率低，通常只有几十 厘米，无法提供海底详细的表面形态。因此，声学探测主要用于海底热液活动区 的大面积普查。同声学成像技术相比，光学海底摄像头可以提供详细的海底表面 形态特征，特别是海底地貌、热液喷口形体特征以及热液生物分布等。光学海底 摄像技术的缺点是受光学视角的制约，其海底扫描速度比声学成像技术慢很多， 在距海底1 0 m 处的高度，以1 节速度航行一天只能获得l k r n 2 左右的清晰影像。 热液羽状体和正常的中深层海水相比，其c h 4 、3 h e 和m n 等的浓度明显较 高，三者异常的耦合出现是热液羽状体的典型特征。水文环境传感器探测技术通 过装载在拖曳体上的化学传感器探测羽状体的这些异常，从而确定羽状体的存在 和分布。热液羽状体的搜寻不但要求深海水下拖曳系统集成多种参数的传感器， 同时还应具备足够的空间分辨力。因此，连接拖曳系统的船只一般航行速度要控 制在o 5 _ 5 节，并每隔一定时间通过收缆和排缆操作使拖曳体在海底上方进行 “锯齿”状轨迹的运动，由此给出垂直剖面上的各种测量参数的变化。水下拖曳传 感器探测技术具有勘测面积大，集成化程度高，成本低等特点，主要用于大面积 未知海区的普查。 2 2 海底热液活动调查近、现代技术 随着人们对现代海底热液活动认识的深化以及重视程度的增加，传统的深海 调查技术已经远远不能满足海底热液活动研究的需要。为了满足针对海底热液活 动调查研究的需要，就要发展涉及异常环境条件下的样品采集、各种环境参数 6 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 目前已经成为海底热液硫化物观察取样 咏下视觉a i ：t - + i 薮蠡疆 翥霎雾妥善= 茎姜嘉：毳蒙霎霉彗| | 4 ：蒌蓁 | | j | | 勘查和取样。我国自2 0 0 1 年开始电视抓 垂型翟统襁鐾霉 斗的研制开发，并于2 。0 3 年首航鹾太平 蓉鬟 茔：辩v t 茂 7 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 年代中期，为了了解海底热液硫化物矿床垂向结构，o d p ( l e g l 0 6 航次) 利用 “j o i d e s 决心”号钻探船，对一种裸眼钻机技术进行了试验。此种钻机应用了低 亮度电视摄像技术和新的钻探取芯机械，用时2 5 d ，钻进海底岩石3 3 5 m ，但仅 获取了2 3 的岩芯物质。虽然此举开辟了钻探块状硫化物的新领域，但是其费用 极其昂贵，不适用于进行大范围的矿区普查取样。为此，美国的s o t r d o c e a n s y s t e m s 公司和w i l l i a m s o n & a s s o c i a t e s 公司于2 0 世纪8 0 年代后期共同设计开发了一种 新型岩石取芯钻机，该钻机采用先进的水下自动连杆技术和简单易行的相对定位 技术，设计工作水深4 5 0 0 m ，连续钻进深度可达5 3 m 。最近，澳大利亚悉尼大学 海洋科学研究所联合另外四家公司，针对沉积物取芯，研制出一台便携式海底遥 控钻机，其高5 8 m ，重7 t ，主要由旋转式钻杆架、可伸缩的吸盘式固定脚架、 压力平衡电机、液压系统、推进器定位机构以及水下照相系统等组成，设计工作 水深2 0 0 0 m ，最大钻进沉积物深度为1 0 0 m - - 1 5 0 m ，取芯率可达1 0 0 。 2 2 2 深潜现场取样技术 深潜器技术是在海底探险和工程打捞的基础上发展起来的，借助于水下深潜 器，可以采集到海底精确位置的样品( 岩石、沉积物、热液和生物等) 。自1 9 6 0 年美国第一个载人深潜器“t r i e s t e ”号成功下潜以来，美国、法国和日本等国家相 继研制了多个载人深潜器，例如法国的“c y a n a ”号和 n a u t i l e ”号，日本的“深海 2 0 0 0 ”号和“深海6 5 0 0 ”号，俄罗斯的“m mi & i i ”号等。这其中利用率最高的是美 国的“阿尔文”号深潜器( 图2 - 4 ) ，“阿尔文”号深潜器可以进行多种复杂水下作业， 其上设有3 个观测窗使科学家能直接对海底环境进行观测，4 个摄像机对各种变 化进行实时记录，前端的 仪器篮内可携带各种测量 及样品采集设备( 如：深 海潜钻、化学和物理探测 传感器、水样采集器、生 物样品采集泵等) 。截止到 2 0 0 2 年，“阿尔文”号潜入 海底达3 8 5 9 次，取得了许 多重要的科学发现。 图2 4 美国的“阿尔文”号深潜器 8 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 但是，受异常环境、能源、体积等条件的限制，载入深潜器在水下实际工作 的时间只有6 h 左右，在很大程度上限制了海底调查的范围和时间。近年来，深 海无人遥控潜水器( r o v ) 和自治式水下潜水器( a u v ) 相继高现，弥补了载 人深潜器的不足。r o v 的快速发展为海底热液活动调查提供了有力的技术支撑， 主要由操纵控制系统、电缆控制系统、声学导航系统、通讯系统、动力装置、水 下操作系统及检测和观察等系统组成。r o v 在海底热液活动调查中的主要任务 是利用机械手进行海底热液样品采集、现场观测操作、海底生物监测和试验及水 下环境的空间观测等。由予不受人员安全及电源功耗等因素的限制，与载人深潜 器相比，r o v 的工作水深、水下工作时间和携带仪器负载能力都有了迸一步提 高。譬如，1 9 9 5 年，日本 k a i k o ”号无人遥控潜水器在太平洋马里亚纳海沟创造 了1 0 9 1 1 m 水深的下潜作业记录。r o v 的另一特点是利用自身的先进导航和声纳 探测系统，可以在地形起伏环境中依靠水下定位和导航系统，在距海底几米的高 度内进行海底多种成像勘测工作，以获得比拖曳系统更高分辨率的声纳断层图像 或光学影像。同r o v 相比，自治式水下潜水器( a u v ) 不需要外接电缆接受人 为控制，而是自动根据设定的任务目标进行工作，可以在复杂的海底环境中进行 自动判断，回避碰撞，选择合适航迹运动，并可以通过水声通讯技术与水面船只 进行实时信息通讯。因此，a u v 除了具备r o v 的各种性能外还具有灵活的机动 性，以及先进的导航操控性能和通讯特性等特点，能够加大考察区域藏围，快速 完成海底垂直和水平方向上的综合考察工作。自2 0 世纪多6 年代以来，在吸收浅 水鸯治式水下潜水器豹技术和经验基础上，美国、匿本、饿罗斯、加拿大、英国、 德国、法国等国家相继研制了多台下潜深度达6 0 0 0 m 的深海自治式水下潜水器。 最近德国和荷兰_ 芷在共同研制的“m o v e ”学深海自治式求下潜水器采用在海底 表面爬行运动技术，利用履带沿海底表面进行前后和左右的移动，对选定的海底 区域进行样品采集及探测，完成任务震可自动释放配重并返圈水匿。霹兹，执行 海底热液活动调查任务最多的是美国的 a b e ”号深海自治式水下潜水器，“a b e ” 号a u v 配置有7 个推进器，使其可在5 5 0 0 m 承下进行上、下、左、右、进、退 六个自由度的运动。依靠长基线定位技术，“a b e ”号可进行螺旋盘旋下潜，或在 指定的起始位置开展徘徊运动，逶过湿度、光学及化学元素的异常寻找海底热液 喷溢口阱】。 9 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 2 2 3 海底定点监测技术 海底热液活动的演化涉及到动态环境体系，其化学组成、物理性质和生物过 程在时空上变化剧烈，传统的室内样品分析方法无法获取热液流体原位的化学特 征和原始环境的条件参数。因此，为了研究热液活动发生、消亡、间歇、组成和 强弱变化的规律，获取生态系统连续观测资料，监测热液羽状体的动态变化，就 必须发展使用全方位的长期海底定点观测技术【2 4 1 。根据观测目的不同，长期海 底定点观测技术可分为定点锚定系统和定点观测站系统两种形式。 水下定点锚定系统( 又名深海潜标，图2 - 5 ) 由水下锚系，测量传感器和浮体 组成，主要任务是测量垂直剖面的海洋水文参数，譬如海流、温度、盐度、深度 和海水光学特性等。该系统在从锚系到主浮体组成的垂直“塔”之间，依次吊挂各 种海洋水文和化学参数测量传感器。根据 不同的需要，深海潜标的观测时间可从1 星期至1 年以上。一 海底定点观测站系统( 图2 6 ) 主要 由水下设备搭载平台，供电系统，数据自 动采集储存和控制系统，传感器及测量仪 器设备等组成。 根据供电和数据处理形式的不同，海底 定点观测站主要分为两种方式：一种是自 供电回收回放式，观测站回收后再将数据 图2 5定点观测锚系结构示意图 声学 采集器所记录的观测数据回放到计算机处 垂直梯 理系统，它需要有高效率的蓄电电池，代 注发计 表性的产品为欧洲研制的用于热液区地球 化学和海底微生物观测的“v e s p ”号，进行 地球物理探测的“g e o s t a r 号【2 5 1 ，以及进 行海底生物生理测试的“f r e s p 3 ”号等观 测站【2 6 】；另一种是通过铺设的水下电缆直 图2 - 6 海底观测站系统 仪 接将监测数据传输到陆地观测站或通过水面浮标的卫星通讯系统将数据传送到陆 地进行实时处理，如美国夏威夷大学的 h u g o ，海底火山观测站等1 2 7 】，该系统有效 地解决了由于水下电源和大量观测数据而给观测时间带来的限制。 l o 现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究 2 2 4 保真采样技术 传统采样技术所获取的液体( 热液) 、沉积物和生物样品由于脱离了特定的 热液活动环境，会产生气相溶解组份的散失、变价离子存在形式改变、有机组份 分解，生物体爆破等失真现象。因此，在最近十多年中许多国家发展了保真( 主 要是保压、保温和确保无污染) 采样技术，目的在于能够在船上或实验室内观察、 分析海底热液活动环境下样品的原始状态与成份特征，同时有助于在实验室内更 加逼真地再现热液活动环境。现代海底热液活动的保真采样系统主要涉及的关键 技术包括：针对高温高压热液活动环境，能够采集到热液流体、悬浮体、生 物或沉积物样品；保温、保压系统的结构和控制( 包括耐腐蚀材料) 保真 采样系统与实验室观测分析仪器的保真联接技术。 2 2 4 1 热液保真采样器 2 0 0 4 年，我国自行研制出热液保真 。采样器( 其外观见图2 7 ，其结构和工作 原理见图2 8 ) 。采样过程通常是先把热 液保真采样器安装在深潜器上，由深潜 器的机械臂把采样器送到热液喷口，首 先探测喷口热液的温度，然后启动加热 装置，使采样器内壁的温度与热液温度 相同或相近，然后启动电动泵吸入热液， 热液充满容器后立即关闭出口密封块， 最后关闭入口密封块。采样器返回途中 到与实验室装置联接前保持容器内温度 和压力基本不变。 2 2 4 2 保真悬浮体、生物和沉积物采样 器 对于悬浮体、微生物和沉积物的保 真采样，更为强调的是保压过程。采样 器结构原理见图2 - 9 。当采集悬浮体和生 物样品时，需在泵出海水的出口处附加 冒墨趸夏盈 内置熬最容器 图2 7 我国自行研制的热液保真