張琳丹

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

目前深海礦產(chǎn)及生物資源的利用備受關(guān)注，其中富含礦產(chǎn)資源的熱液區(qū)與蘊(yùn)藏大量天然氣及生物資源的冷泉區(qū)是相關(guān)研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。深海研究與作業(yè)必須依托相應(yīng)的深海裝備，而深海裝備及作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行離不開(kāi)海洋環(huán)境分析。

1) 高溫。熱液噴口的高溫對(duì)潛器本體及其探測(cè)與作業(yè)設(shè)備都有直接影響。高溫會(huì)造成設(shè)備過(guò)熱、金屬框架變形、元器件損壞，從而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法使用，作業(yè)任務(wù)無(wú)法完成。因而需要預(yù)先對(duì)作業(yè)海域的高溫環(huán)境進(jìn)行分析。

2) 氣泡。冷泉區(qū)水合物在海底分解產(chǎn)生的氣泡，不僅會(huì)對(duì)水下聲光探測(cè)設(shè)備的精度造成一定的影響，還會(huì)改變區(qū)域水體的密度，進(jìn)而可能影響深海運(yùn)載設(shè)備的穩(wěn)定和安全。因而預(yù)先分析作業(yè)海域的冷泉羽狀流及氣泡情況至關(guān)重要。

3) 底質(zhì)。海底的地貌直接影響深海作業(yè)深度、作業(yè)工具的選擇等。海底地形地貌直接影響深海潛器近底航行的安全和作業(yè)任務(wù)的規(guī)劃。對(duì)深海運(yùn)載及作業(yè)裝備來(lái)說(shuō)，其坐底碰撞力、離底吸附力、取樣作業(yè)能力與海底底質(zhì)有關(guān)。

1 熱液區(qū)環(huán)境

1.1 熱液的形成與分類

海底熱液活動(dòng)普遍發(fā)育于大洋中活動(dòng)板塊邊界及板內(nèi)火山活動(dòng)中心，其突出表象是高溫?zé)嵋簭暮５琢鞒?。海水先通過(guò)海底洋殼的縫隙滲入地球深處，繼而被洋殼深部的化學(xué)轉(zhuǎn)化放出的熱量加熱，之后重新從縫隙向外溢出或如煙囪般噴涌而出。

海水可以滲透洋殼2～3km的深處，被加熱后的海水溫度可以高達(dá)600 ℃，噴口處的熱液溫度在400 ℃左右。熱液噴口按呈現(xiàn)的熱液顏色可以分為“黑煙囪”和“白煙囪”[1]6-7?！昂跓焽琛睘楦邷匦停瑴囟绕毡楦哂?00 ℃，熱液以金屬硫化物為主，能形成品位極高且易于冶煉的多金屬硫化物礦床?！鞍谉焽琛睘橹械蜏匦停瑴囟鹊陀?00 ℃，其礦藏價(jià)值相對(duì)較低。受熱液口高溫影響的擴(kuò)散流的溫度為10～30 ℃，高于海水2～8 ℃的平均溫度。

針對(duì)熱液區(qū)的深海潛器設(shè)計(jì)，若只考慮在一般的水體溫度環(huán)境和常見(jiàn)的較平坦地形下作業(yè)，則無(wú)法應(yīng)對(duì)熱液區(qū)科學(xué)考察、礦產(chǎn)勘探等作業(yè)任務(wù)。

1.2 熱液區(qū)作業(yè)環(huán)境分析

1.2.1 熱液噴口

熱液噴口主要位于大洋中脊斷裂帶、海盆擴(kuò)張區(qū)等洋殼板塊接縫處，熱液流體噴出后，在快速上升的同時(shí)會(huì)與周圍海水混合并稀釋濃度[1]6-7。熱液流體在熱浮力的作用下，可向上升高至數(shù)百米，側(cè)向可擴(kuò)散達(dá)數(shù)千公里。在海底底層的海流影響下，噴出的熱液流體會(huì)向背景海水的流動(dòng)方向稍稍偏移。

熱液噴口擴(kuò)散流的溫度為10～30 ℃，對(duì)深海裝備的影響較小。噴口的煙囪高度變化大，從幾十厘米到幾百米，因此深海潛器在熱液區(qū)作業(yè)航行時(shí)所受影響主要在垂向范圍。

噴口流體剛噴出時(shí)的流速為1 m·s-1[1]6-7。深海的底流流速通常很慢(0.011 m·s-1左右)，熱液噴口附近的海水相對(duì)流速較快，因此噴口流體的溫度變化幅度為3～464 ℃[2]。這對(duì)熱液作業(yè)設(shè)備的耐熱性及其探測(cè)儀器的溫度量程提出了較高的要求。

1.2.2 熱液柱

熱液流體的相對(duì)溫度高，相對(duì)流速快，熱液活動(dòng)噴出的熱液流體不是很快就能與海水混合并達(dá)到平衡，而是可能以熱液柱的形式在海水中存在并隨流漂移一段時(shí)間。由已有的深海熱液活動(dòng)環(huán)境建模分析[3]可知熱液柱中軸速度與熱液流體上升高度的關(guān)系，詳見(jiàn)圖1。熱液柱流動(dòng)速率約為1 m/s，平均垂直流速在10 cm/s左右；熱液柱上升時(shí)，存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，速度在10 cm/s的量度。

針對(duì)熱液柱進(jìn)行原位探測(cè)的深海潛器應(yīng)注意在流體速度及運(yùn)動(dòng)方向變化時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，纜控型潛器還應(yīng)注意避免發(fā)生臍帶纜纏繞等危險(xiǎn)狀況。

圖1 熱液柱中軸速度與熱液流體上升高度的關(guān)系

熱液柱與周圍海水存在溫度上的不同，具體表現(xiàn)為溫度的異常，其溫差大多小于0.05 ℃，但有的可達(dá)0.4 ℃[4]。熱液柱通常表現(xiàn)出正的溫度異常，但也可能表現(xiàn)出負(fù)的溫度異常。

此外，熱液柱的濁度變化范圍較大，空間上亦可表現(xiàn)出分層性，其濁度變化在0.001～0.01 FTU的量級(jí)[1]6-7，可作為深海潛器觀測(cè)系統(tǒng)和高精度探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考。

1.3 熱液區(qū)地質(zhì)

目前作為研究熱點(diǎn)的熱液區(qū)多分布于西南印度洋中脊和沖繩海槽。其中，洋中脊隆起于洋底中部，通常高出兩側(cè)的洋盆底部1 000～3 000 m，脊頂處水深多為2 000～3 000 m[5]5-6，垂直軸線方向存在一系列斷裂帶，并發(fā)育有溝槽、海脊和崖壁。沖繩海槽北部水深小于1 350 m，中部水深1 850～2 050 m，南部水深大于2 050 m，最大水深2 719 m[5]32；北部地形崎嶇，多海底火山，南部槽底平坦，有個(gè)別的孤立山峰，東西兩側(cè)的槽坡大致呈階梯狀[5]54。

圖2[6]為1993年美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所的阿爾文號(hào)載人潛器在大西洋下潛時(shí)拍攝的熱液噴口黑煙囪，該噴口位于大西洋的洋中脊，呈現(xiàn)較為典型的熱液噴口地質(zhì)特征。熱液活動(dòng)區(qū)的基底為火山噴發(fā)產(chǎn)生的巖石，不同區(qū)域的巖石組成成分稍有不同，但多為玄武巖。表面覆蓋有熱液產(chǎn)物所形成的不同形狀的堆積體，如煙囪體、丘狀體、塊狀硫化物等，有些區(qū)域混有生物碎屑和陸源物質(zhì)。

熱液區(qū)高低不平的地勢(shì)和巖石狀的基底對(duì)熱液區(qū)探測(cè)及作業(yè)裝備的操縱運(yùn)動(dòng)性能、安全可靠性能提出了特殊要求。

圖2 阿爾文號(hào)拍攝的熱液噴口

2 冷泉區(qū)環(huán)境

2.1 冷泉區(qū)的形成與分類

冷泉是由低溫流體自海底沉積界面之下以噴涌或滲漏的方式注入深海盆地，并產(chǎn)生一系列物化反應(yīng)及生物作用所形成的系統(tǒng)[7]。冷泉在大陸邊緣海底約4 000 m以內(nèi)均有發(fā)現(xiàn)，主要發(fā)育在大陸邊緣斜坡。冷泉滲漏流體成分以水、碳?xì)浠衔?、硫化氫、?xì)粒沉積物為主。碳?xì)浠衔锇淄楹褪椭責(zé)N類化合物[8]，是日前備受關(guān)注的油氣資源。

冷泉流體溫度與海水相近，根據(jù)流體流入盆地的速度，可分為快速冷泉和慢速冷泉[7]?？焖倮淙ǔ．a(chǎn)自泥火山附近，其流體為富甲烷流體，攜帶大量細(xì)粒沉積物；慢速冷泉的流體則富含油或氣。冷泉在海底沿構(gòu)造帶和高滲透的地層呈線性群的形式，有的冷泉圍繞泥火山集中分布，多為近圓形的冷泉群，而在地形狹窄凹陷處也有呈孤立形式的冷泉。

2.2 冷泉羽狀流

冷泉區(qū)的環(huán)境相對(duì)友好，但在深海作業(yè)中不能忽視伴隨冷泉產(chǎn)生的氣泡及可燃性氣體的釋放。

海底的碳酸鹽巖結(jié)殼破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的流體滲漏，并伴隨周期性的甲烷氣體噴溢，在氣源充足的情況下，冷泉上方海水中會(huì)產(chǎn)生氣泡羽狀流[9]。不過(guò)，有冷泉發(fā)育的地區(qū)不一定必然出現(xiàn)羽狀流。

羽狀流中常見(jiàn)氣泡的直徑為0.5～5 mm，中等氣泡直徑為2.5 mm，大多數(shù)氣泡直徑在1.5 mm左右[7,9]。如圖3所示[10]，海底水溫升高時(shí)，氣泡釋放速度會(huì)相應(yīng)提高。羽狀氣泡有時(shí)會(huì)攜帶水合物噴溢出海底，形成海底“火焰”，“焰高”幾十毫米至幾十米不等，特殊地形可達(dá)千米[9]。甲烷羽狀流多為直立或微傾圓錐體，多數(shù)羽狀流能從噴口上升至海平面之下200～300 m，而每個(gè)羽狀流的分布直徑由上至下逐漸增大，到海底處可達(dá)300～500 m[7]。

圖3 NOAA拍攝的冷泉區(qū)底質(zhì)及甲烷氣泡

根據(jù)具體作業(yè)設(shè)備的精度要求，可進(jìn)一步分析羽狀流氣泡與周邊海水密度、流動(dòng)的關(guān)系。

2.3 冷泉區(qū)地質(zhì)

冷泉分布較廣，在深海擴(kuò)張中心、匯聚板塊邊界、大陸邊緣、弧前盆地、斷層和泥火山發(fā)育的海域都有發(fā)現(xiàn)。冷泉區(qū)表層沉積物通常為泥質(zhì)，周圍分布有冷泉特征產(chǎn)物：碳酸鹽丘、生物礁、泥海嶺、泥火山、結(jié)晶狀天然氣水合物和天然氣泄漏的氣柱[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)與研制深海作業(yè)設(shè)備時(shí)有必要研究相應(yīng)的環(huán)境狀況，針對(duì)深海載人潛器探測(cè)與科學(xué)研究、深海資源開(kāi)發(fā)與利用、海洋綜合防衛(wèi)的不同需求，進(jìn)行作業(yè)任務(wù)的合理規(guī)劃。設(shè)計(jì)人員應(yīng)從載人潛器的安全、探測(cè)設(shè)備的運(yùn)行、深海作業(yè)工況的特殊要求等方面分析深海潛器的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)，針對(duì)作業(yè)海域的極端溫度、氣泡流環(huán)境等采取必要的措施。