張?jiān)粕剑Z永剛,2,3，尉建功

1. 中國(guó)海洋大學(xué)，山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 2661002. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 2660613. 中國(guó)海洋大學(xué)，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 2661004. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760

冷泉是以水、碳?xì)浠衔?、硫化氫或二氧化碳為主要成分，受壓力梯度影響從沉積體中運(yùn)移和排放出，溫度與海水相近并具有一定流速的流體[1-3]。冷泉在全球分布較廣（圖1），廣泛發(fā)育于活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣海底[4-6]。迄今為止，我國(guó)海域共發(fā)現(xiàn)有7大冷泉區(qū)，主要分布于東海（沖繩海槽）和南海（臺(tái)西南海域、東沙群島、西南海域、神狐海域西南海槽以及西沙海槽）[7]，僅在南海北部就存在30多個(gè)滲漏點(diǎn)[8-9]。海底冷泉多由天然氣水合物滲漏形成，會(huì)向海洋和大氣排放大量CH4，與天然氣水合物資源、溫室效應(yīng)以及極端環(huán)境下生物的演化等重大問題密切相關(guān)[10-12]。因此，1983年冷泉在墨西哥灣佛羅里達(dá)陡崖一經(jīng)發(fā)現(xiàn)[13]，便迅速成為研究熱點(diǎn)。

圖1 全球冷滲漏位置[6]Fig.1 Schematic map showing global distribution of cold seeps[6]

目前，冷泉的研究方法主要有地球物理方法、地球化學(xué)方法、地球生物方法以及原位觀測(cè)方法。地球物理方法主要包括地震探測(cè)、多波束測(cè)深、旁側(cè)聲吶、淺地層剖面儀、海底可視觀測(cè)等[8,14]，能夠有效識(shí)別海底地形地貌，識(shí)別海底冷泉地質(zhì)標(biāo)志和冷泉運(yùn)移通道，識(shí)別可能發(fā)生海底滲漏的區(qū)域。地球化學(xué)方法主要通過對(duì)冷泉區(qū)海水溶解成分、孔隙水以及沉積物中的特殊離子進(jìn)行分析，識(shí)別天然氣水合物資源以及冷泉滲漏特征。例如，冷泉系統(tǒng)中與甲烷厭氧氧化耦合的微生物硫酸鹽還原作用（AOM-MSR）是甲烷最主要的消耗方式，冷泉系統(tǒng)中硫的生物地球化學(xué)過程及其沉積記錄的研究為探究甲烷在地球表層環(huán)境演化中的角色奠定了基礎(chǔ)[15]；測(cè)定海底沉積物孔隙水中的CH4、SO42-濃度及溶解無機(jī)碳的碳同位素組成可以用來識(shí)別目前正在發(fā)生的甲烷滲漏活動(dòng)[16]；對(duì)海底表層沉積物的元素分析可以了解冷泉區(qū)域冷泉形成背景以及碳酸鹽巖的形成機(jī)理[17]。此外，研究冷泉區(qū)C、S等元素的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)地球化學(xué)循環(huán)、海洋生態(tài)環(huán)境以及溫室效應(yīng)等有重要意義。冷泉生物系統(tǒng)是依托海底冷泉形成的重要生物群落，也是指示海底冷泉非常直接的標(biāo)志，而且冷泉生物群落一定程度上能指示流體流動(dòng)方向和大小等特性[18]，研究冷泉生物對(duì)冷泉生命的起源與演化也有重要意義[19-20]。

冷泉原位觀測(cè)主要觀測(cè)指標(biāo)有滲流通量、溫度、pH、電導(dǎo)率、CH4濃度、CO2濃度等。相較于實(shí)驗(yàn)室分析，在海底冷泉區(qū)直接對(duì)滲漏流體進(jìn)行分析，能最大限度地保證樣品的原始性和可靠性，而且還可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地獲取數(shù)據(jù)，對(duì)冷泉流速、物質(zhì)濃度變化等研究具有重要意義。此外，對(duì)冷泉滲漏通量進(jìn)行觀測(cè)，也具有十分重要的意義。甲烷既是重要溫室氣體[21]，又是地球上碳的主要存在形式之一[22]，測(cè)量海底冷泉滲漏通量對(duì)全球溫室效應(yīng)和全球碳循環(huán)的研究有重要意義[23-25]。冷泉原位觀測(cè)在海底冷泉調(diào)查研究中具有不可替代的作用。

1 冷泉滲漏氣體通量原位觀測(cè)裝置

由于和溫室效應(yīng)、碳地球化學(xué)循環(huán)等問題密切相關(guān), 冷泉滲漏氣體通量監(jiān)測(cè)一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。原位監(jiān)測(cè)冷泉滲漏氣體通量的方法有很多，用于海底冷泉滲漏氣體通量原位觀測(cè)的裝備也有很多，但目前并沒有統(tǒng)一的分類方法。本文根據(jù)工作原理，將這些裝備分為冷泉滲漏氣體通量直接觀測(cè)裝置和冷泉滲漏氣體通量間接觀測(cè)裝置兩種。

1.1 冷泉滲漏氣體通量直接觀測(cè)裝置

最早的冷泉滲漏氣體通量直接觀測(cè)裝置于2001年由加州大學(xué)計(jì)算地球系統(tǒng)科學(xué)研究所Washburn等[26]研發(fā)，該裝置是一個(gè)漂浮式氣泡通量測(cè)量裝置（圖2），用于測(cè)量從海底上升到海面的冷泉滲漏氣體通量。該裝置通過圓錐形收集器收集海底滲漏產(chǎn)生的氣泡，氣泡和海水在收集室內(nèi)形成氣-水界面，使收集室與周圍海水之間的壓力差發(fā)生變化。當(dāng)收集室與周圍海水之間的壓力差達(dá)到預(yù)設(shè)的壓差值，微型計(jì)算機(jī)將收集室的電磁閥打開，收集室中收集的氣體被釋放，然后開始新一輪的收集。根據(jù)記錄的電磁閥打開的次數(shù), 可知部署時(shí)間內(nèi)海底冷泉滲漏氣泡通量。該裝置布設(shè)簡(jiǎn)便，工作時(shí)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，測(cè)量方便，但是受潮汐和波浪影響較大，只能在無風(fēng)少浪的情況下使用。

圖2 通量浮標(biāo)示意圖[26]Fig.2 Gas-capture buoy for measuring bubbling gas flux [26]

與漂浮式氣體通量測(cè)量裝置相比，坐底式的氣體通量測(cè)量裝置受潮汐和波浪影響較小，可以固定在冷泉滲漏地點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。2005年，加州大學(xué)斯克里普斯海洋科學(xué)研究所Leifer等[27]研發(fā)了一個(gè)海底冷泉滲漏流量測(cè)定裝置（圖3）。該裝置在布放時(shí)底面鑲?cè)牒５?，圓錐與海底面形成密封狀態(tài)。工作時(shí)圓錐形收集器收集海底冷泉滲漏產(chǎn)生的氣泡，氣泡使帳篷內(nèi)的海水產(chǎn)生上升流，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)渦輪的旋轉(zhuǎn)速度，計(jì)算氣泡通量。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布設(shè)方便，受潮汐和風(fēng)浪影響較小，但對(duì)于滲漏氣泡通量較小的區(qū)域精確度不高，適用于滲漏氣泡通量較大的地區(qū)。

圖3 渦輪滲漏示意圖[27]Fig.3 Schematic diagram of CAT meter[27]

2012年，中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室邸鵬飛等[28]研制了一套海底冷泉滲漏氣體原位在線測(cè)量裝置（圖4），用于測(cè)量海底冷泉?dú)馀轁B漏通量。與通量浮標(biāo)原理類似，該裝置同樣采用排空氣法測(cè)量海底滲漏氣體通量，理論上可測(cè)量通量極小的海底滲漏，但并不適用于氣體通量較大的地區(qū)。通過試驗(yàn)測(cè)得的測(cè)量范圍為0～15300 mL/min，測(cè)量誤差為±1%。

圖4 海底冷泉天然氣滲漏原位在線測(cè)量裝置[28]Fig.4 Schematic diagram of in situ on-line measuring device of gas flux at marine seeping sites[28]

同樣基于排空氣原理，美國(guó)新罕布什爾大學(xué)海岸和海洋測(cè)繪中心Padilla等[29]研發(fā)了一套氣泡捕捉裝置（圖5）。相較于前兩種裝置，該裝置搭載有水下攝影機(jī)，且氣體收集室是一個(gè)量筒，可實(shí)現(xiàn)冷泉滲出氣體通量的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

圖5 氣泡捕捉裝置[29]Fig.5 Bubble catch device schematic[29]

由于此類裝置測(cè)量范圍較小且成本較高，因此近年來對(duì)其研究較少。但此類裝置可應(yīng)用于微小滲漏氣體通量的測(cè)量且精度較高，可作為間接測(cè)量裝置的輔助裝置，提高間接測(cè)量的精確度。

1.2 冷泉滲漏氣體通量間接觀測(cè)裝置

由于冷泉滲漏氣體通量直接觀測(cè)裝置容易對(duì)冷泉滲漏氣泡產(chǎn)生擾動(dòng)且測(cè)量范圍較小，有學(xué)者研究了非接觸式的氣泡通量測(cè)量的裝置，這些裝置按照工作原理可分為基于聲學(xué)信號(hào)的氣泡通量測(cè)量裝置和基于光學(xué)信號(hào)的氣泡通量測(cè)量裝置。

1.2.1 基于聲學(xué)信號(hào)的氣泡通量觀測(cè)裝置

基于聲學(xué)信號(hào)的冷泉滲漏氣體通量測(cè)量裝置可以在不對(duì)氣泡產(chǎn)生擾動(dòng)的情況下進(jìn)行氣體通量測(cè)量，是近年來冷泉滲漏氣體通量的主要測(cè)量方式之一。

2004年，德國(guó)萊布尼茨海洋科學(xué)研究所Greinert等[30]進(jìn)行了一項(xiàng)利用聲波測(cè)量海底滲漏氣泡通量的實(shí)驗(yàn)（圖6）。他們利用安裝在底座上的換能器向水平方向發(fā)射單束聲波，根據(jù)回波強(qiáng)度計(jì)算氣泡通量，氣泡通量越大，回波強(qiáng)度越強(qiáng)。

圖6 船塢實(shí)驗(yàn)裝置[30]Fig.6 Scheme of the experimental set-up in the ship dock [30]

但由于該設(shè)備發(fā)射的聲波為單波束聲波，水平測(cè)量范圍有限，于是他們又在該裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)了基于多波束聲波的GasQuant系統(tǒng)[31]。

GasQuant系統(tǒng)是一個(gè)坐底式觀測(cè)系統(tǒng)，工作時(shí)可由固定在底座以上3 m處的換能器發(fā)射由21條光束組成的水聲掃描帶，每條光束垂直寬1.5°，水平寬3°，發(fā)射頻率為180 kHz，覆蓋總掃描帶角度63°。該裝置發(fā)射的聲波水平有效測(cè)量距離為60 m，可部署在距離滲漏較遠(yuǎn)處，因此，基本不對(duì)沉積物和氣泡產(chǎn)生擾動(dòng)，但由于體積較大，布設(shè)工作較為繁瑣，且換能器位置固定，回波很難反映氣泡的流動(dòng)信息。

與GasQuant系統(tǒng)相比，向上發(fā)射聲波的水柱剖面儀，可以反映海水中氣泡的運(yùn)動(dòng)信息（圖7）。水柱剖面儀最初由加拿大ASL Environmental Sciences公司研發(fā)，用于觀察浮游生物和魚類[32]，經(jīng)華盛頓大學(xué)Salmi等[33]改進(jìn)后，可以用于冷泉滲漏氣泡通量測(cè)量。該裝置工作時(shí)換能器向上發(fā)射的聲波，在海水中可向上穿透100 m，根據(jù)回聲信號(hào)可以獲得海底滲漏氣體通量和氣泡的運(yùn)動(dòng)特征，但在實(shí)際應(yīng)用中易受海洋懸浮物和生物的干擾。

圖7 聲學(xué)剖面儀[33]Fig.7 Schematic diagram of the water column profiler [33]

近年來，隨著遙控潛水器（ROV）的發(fā)展以及人們對(duì)于聲波認(rèn)識(shí)的加深，許多學(xué)者[34-35]利用拖魚或ROV搭載聲吶系統(tǒng)對(duì)冷泉滲漏氣體通量進(jìn)行觀測(cè)。相較于布設(shè)在海底的儀器來說，這種觀測(cè)方法更加靈活、觀測(cè)面積更大，但不適用于精細(xì)的滲漏通量測(cè)量，在實(shí)際應(yīng)用中可搭配氣體通量直接觀測(cè)裝置使用。

除了可以利用主動(dòng)聲吶對(duì)冷泉滲漏氣體通量進(jìn)行觀測(cè)外，還可使用被動(dòng)聲吶對(duì)氣體通量進(jìn)行觀測(cè)。被動(dòng)聲吶法是指被動(dòng)接受氣泡本身產(chǎn)生的聲波以測(cè)量氣泡通量，不同于主動(dòng)聲吶法，采用被動(dòng)聲吶法可以減少海洋懸浮物干擾。

不萊梅大學(xué)海洋邊緣研究中心Nikolovska等[36]首次提出利用被動(dòng)聲吶進(jìn)行海洋滲漏氣體通量測(cè)量，并開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)裝置（圖8）。

圖8 被動(dòng)聲吶實(shí)驗(yàn)裝置[36]Fig.8 Experimental set-up of passive sonar [36]

該裝置首先由氣源產(chǎn)生氣體，氣體經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入收集器，用水聽器記錄氣體流經(jīng)收集器上方的噴嘴的聲音信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上基于Morlet小波分析記錄的聲音信號(hào)序列，獲取氣體通量。用流量計(jì)測(cè)得的氣體通量與基于Morlet小波分析獲得氣體通量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該裝置測(cè)量精準(zhǔn)度較高。

之后斯克里普斯海洋學(xué)研究所Wiggins等[37]利用被動(dòng)聲吶測(cè)量裝置在蘇格蘭和挪威之間的北海22/4b井場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的原位觀測(cè)，獲取了該地區(qū)長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月的聲學(xué)數(shù)據(jù)。但該方法獲取的聲學(xué)數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，不僅有氣泡的聲音，而且還有生物產(chǎn)生的聲音。被動(dòng)聲吶只能大致獲得該地區(qū)冷泉?dú)怏w噴發(fā)速率，無法準(zhǔn)確獲取氣體通量。

廣東工業(yè)大學(xué)龍建軍等[38]設(shè)計(jì)了用聲波分路器將一個(gè)換能器發(fā)射的聲波分為兩路，然后利用同源聲波互相關(guān)方法測(cè)量海底滲漏氣體通量的裝置（圖9），胡柳[39]和張浩[40]利用這一裝置研發(fā)了坐底式海底冷泉滲漏聲波測(cè)量裝置。該裝置首次采用了同源聲波對(duì)冷泉滲漏氣體進(jìn)行觀測(cè)，回波信號(hào)較為穩(wěn)定，但在實(shí)際應(yīng)用中聲波分布器使得聲波損失較大。

圖9 氣泡流量測(cè)量裝置[38]Fig.9 Schematic diagram of the bubble flow measuring device[38]

1.2.2 基于光學(xué)信號(hào)的氣泡通量觀測(cè)裝置

光信號(hào)雖在水中傳播距離較短，但在海底冷泉滲漏氣體觀測(cè)中仍有應(yīng)用空間。

2003年，加州大學(xué)圣巴巴拉分校Leifer[41]使用了荷蘭海牙TNO物理和電子實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的微型氣泡測(cè)量裝置（圖10）和愛爾蘭國(guó)立高威大學(xué)開發(fā)的大型氣泡測(cè)量裝置（圖11）觀測(cè)了海底冷泉滲漏氣體。

圖10 微型氣泡測(cè)量裝置[41]Fig.10 Schematic mini-bubble measurement system [41]

圖11 大型氣泡測(cè)量裝置[42]Fig.11 Schematic diagram of Large-bubble measurement system [42]

大型氣泡測(cè)量系統(tǒng)可觀察的氣泡范圍為200～5000 μm，可在冷泉滲漏地點(diǎn)進(jìn)行原位觀測(cè)。微型氣泡測(cè)量系統(tǒng)可觀察的氣泡范圍為15～500 μm，可觀測(cè)冷泉滲漏附近海水中的氣泡通量，確定氣泡的背景分布特征。兩套裝置需水平平行部署，且相機(jī)和屏幕的方向垂直于水流方向，以此提高測(cè)量精準(zhǔn)度。

大型氣泡測(cè)量裝置工作時(shí)，氣泡由水下燈背光照明，照射在半透明的屏幕上，水下攝像機(jī)獲取氣泡流動(dòng)圖像，然后運(yùn)用圖像處理軟件計(jì)算氣泡的直徑。當(dāng)氣泡流太密時(shí)，需要加裝擋板，擋板防止氣泡距離攝影機(jī)過近或通過上升到燈光和照明屏之間產(chǎn)生陰影。微型氣泡測(cè)量裝置工作原理與大型氣泡測(cè)量裝置類似，不過為了減小體積，微型氣泡測(cè)量裝置安裝了多面鏡子，利用反射原理，測(cè)量氣泡通量。

較聲學(xué)裝置來說，光學(xué)測(cè)量裝置對(duì)滲漏氣泡的觀測(cè)更加直觀，但對(duì)滲漏氣體通量的測(cè)量范圍有待提高。

近年來，得益于ROV的發(fā)展，許多學(xué)者[43-45]開始利用ROV搭載水下攝影裝置對(duì)冷泉羽狀流進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)氣泡的大小和上升速率對(duì)冷泉滲出氣體通量進(jìn)行估算，這大大提高了觀測(cè)的靈活性。

2 冷泉滲漏液體通量原位觀測(cè)裝置

海底冷泉除了會(huì)產(chǎn)生滲漏氣體外，還會(huì)產(chǎn)生滲漏液體，對(duì)海底冷泉滲漏液體通量進(jìn)行測(cè)量也是冷泉原位觀測(cè)的研究方向之一。冷泉滲漏液體富含碳?xì)浠?、硫化物、碳酸鹽等物質(zhì)，其通量觀測(cè)于研究海洋環(huán)境變化、海底生物群落演化等問題有十分重要的意義。測(cè)算冷泉滲漏液體通量的方法也有很多，目前并未形成統(tǒng)一的方法。根據(jù)工作原理，冷泉滲漏液體通量原位觀測(cè)裝備可分為直接觀測(cè)裝置和間接觀測(cè)裝置兩種。

2.1 冷泉滲漏液體通量直接觀測(cè)裝置

最早的冷泉滲漏液體通量直接觀測(cè)裝置，由佛羅里達(dá)州立大學(xué)Cable等[46]研發(fā)，他們根據(jù)滑鐵盧大學(xué)Lee等[47]設(shè)計(jì)的用于測(cè)量地下水向湖泊中滲透的水和化學(xué)物質(zhì)的通量簡(jiǎn)易滲流計(jì)，研發(fā)了用于測(cè)量海底冷泉滲漏液體量的滲流計(jì)（圖12）。

圖12 改進(jìn)后的滲流計(jì)[46]Fig.12 Schematic diagram of improved seepage cylinder[46]

該儀器布設(shè)時(shí)將下部的敞口鋼桶斜著緩慢插入沉積物中，上部留大約2 cm的空隙，保持進(jìn)氣孔在鋼桶的最高點(diǎn)。布設(shè)完成后打開鋼桶和海水之間的閥門靜止24 h，保持鋼桶內(nèi)與背景環(huán)境平衡。待鋼桶與背景環(huán)境平衡后，關(guān)閉連接鋼桶與海水的閥門，打開連接鋼桶與塑料袋的閥門，海底滲漏液體進(jìn)入鋼桶，鋼桶內(nèi)的液體進(jìn)入塑料袋，根據(jù)塑料袋中的海水量可獲得該地區(qū)的液體滲漏通量。該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但收集袋的容積有限，收集時(shí)間很難精確把握，測(cè)量滲漏液體通量的精確度不高，并不適用于冷泉滲漏流體通量的準(zhǔn)確測(cè)量。

2.2 冷泉滲漏液體通量間接觀測(cè)裝置

冷泉滲漏液體通量間接觀測(cè)裝置是通過對(duì)滲漏區(qū)海水進(jìn)行采樣，待裝置回收后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析獲得海底冷泉流體通量的一類觀測(cè)裝置。

1994年，德國(guó)亥姆霍茲基爾海洋研究中心Linke等[48]開發(fā)了一套海底滲漏通量測(cè)量裝置（圖13）。這套裝置同樣以敞口鋼桶為底座，布設(shè)時(shí)將鋼桶邊緣摻入沉積物中，與頂部的排氣孔形成半密封空間。布設(shè)完成后海水充滿圓桶，海底冷泉滲漏流體會(huì)與鋼桶內(nèi)的海水混合，通過安裝在圓桶內(nèi)的6個(gè)采樣瓶依次定時(shí)采集的鋼桶中海水的樣本，回收后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，根據(jù)采樣瓶中溶解組分濃度的變化確定此處的滲漏流體通量。

圖13 海底觀測(cè)桶[48]Fig.13 Schematic diagram of the Benthic Barrel[48]

除采集樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析外，還可將機(jī)械式或利哈伊大學(xué)Michael等[49]設(shè)計(jì)的熱敏電阻流量計(jì)通過潛水器插入位于圓桶上部的排氣孔，直接記錄海底滲漏的流量。此外，該儀器還可改裝為內(nèi)部裝有5個(gè)采樣瓶和CTD探頭的配置，以便對(duì)觀測(cè)地點(diǎn)的電導(dǎo)率、溫度、壓力進(jìn)行觀測(cè)。該裝置雖可對(duì)冷泉滲漏液體通量進(jìn)行直接和間接兩種方式的觀測(cè)，但它采樣時(shí)的時(shí)間分辨率不高，而且采樣還具有一定偶然性，只能適用于流速較小的滲漏區(qū)。

與該原理類似，Sommer等[50]研制了BIGO和FLUFO，他們工作時(shí)都需要插入海底沉積物中形成半密閉環(huán)境，然后利用內(nèi)部的采樣瓶依次對(duì)儀器內(nèi)部的海水進(jìn)行采樣，回收后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析確定冷泉滲流通量。這兩個(gè)裝置內(nèi)部帶有圓盤和泵，可將裝置內(nèi)部海水混勻，保證每次采集樣品的合理性，目前已在多地應(yīng)用。

加州大學(xué)斯克里普斯海洋學(xué)研究所Michael等[51]基于滲透壓和同位素示蹤原理研發(fā)了一套海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測(cè)量?jī)x（圖14）。該裝置同樣利用采樣的方式采集滲漏液體，在采樣期間可自主運(yùn)行，待裝置回收后對(duì)采集到的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，以獲得滲漏液體通量和化學(xué)組成信息。

圖14 海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測(cè)量?jī)x[51]Fig.14 Schematic diagram of the chemical and aqueous transport meter[51]

該裝置部署時(shí)需將下口敞開的收集箱插入沉積物中，使之形成半密封空間。測(cè)量向上的滲流時(shí)，海底滲流進(jìn)入收集箱, 然后沿I/O管向外流出；測(cè)量向下的滲流時(shí)，收集箱中的海水向下流動(dòng)，海水通過I/O管補(bǔ)給進(jìn)入收集箱。

工作時(shí)去離子水通過半透膜進(jìn)入飽和NaCl溶液，其中裝有示蹤劑的彈性容器，使示蹤劑流入I/O管。在海水通過I/O管時(shí)，示蹤劑會(huì)以恒定的速率注入管道中的海水，示蹤劑采用RbCl溶液，與海水組分不同也不會(huì)相互反應(yīng)。樣品卷管最初都裝滿去離子水，隨著去離子水進(jìn)入飽和NaCl溶液，流入或流出I/O管的部分流體被收集在樣品卷管中，待裝置回收后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。此裝置不僅可以分析海底冷泉滲漏流體通量，還可以根據(jù)樣品卷管中不同時(shí)間采集到的樣品中含有示蹤劑的濃度獲得不同時(shí)間海底冷泉滲漏流體的滲漏速率，但該裝置布設(shè)時(shí)同樣會(huì)對(duì)沉積物產(chǎn)生擾動(dòng)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要防止I/O管堵塞。

基于海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測(cè)量?jī)x的滲透原理，Jannasch等[52]研制了一個(gè)滲透取樣器OsmoSampler（圖15a），Solomon和Kastne等[53-54]使用多個(gè)滲透取樣器開發(fā)了一套海底甲烷流體流量計(jì)MOSQUITO（圖15b），旨在觀測(cè)冷泉滲漏區(qū)不同深度、不同位置的液體流量變化，冷泉滲漏液體微尺度變化特征。

圖15 甲烷流體流量測(cè)量裝置 [54] a. 滲透泵，b. 滲透取樣器。Fig.15 Schematic diagram of methane flow measurement device [54] a. Schematic diagram of an Osmo sampler, b. schematic representation of a MOSQUITO.

該裝置通過載人潛水器或水下機(jī)器人進(jìn)行部署，布設(shè)完成后鈦毛細(xì)管和樣品取樣管在釋放板作用下插入海底沉積物中，示蹤劑作為點(diǎn)源注入海底沉積物，示蹤劑連同沉積物中的孔隙水一起被采集，根據(jù)示蹤劑的濃度計(jì)算該地區(qū)的滲流通量。此裝置可在低至中等流體流速地區(qū)進(jìn)行為期1年以上的原位觀測(cè)，但無法應(yīng)用于高流體流速地區(qū)。

除Jannasch、Solomon和Kastne 外，LaBonte等[55]也基于海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測(cè)量?jī)x的滲透原理開發(fā)了一套高時(shí)間分辨率的光學(xué)流量計(jì)（圖16）。

圖16 光學(xué)流量計(jì)[55]Fig.16 Schematic diagram of the optical tracer injection system[55]

該裝置工作原理與海底冷泉滲漏流體化學(xué)和通量測(cè)量?jī)x類似，但滲漏流體流速主要是通過對(duì)滲漏流體示蹤劑含量的熒光監(jiān)測(cè)和透光檢測(cè)確定，具有高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)。

目前，BIGO、FLUFO以及基于滲透原理的取樣裝置在世界各地得到廣泛應(yīng)用。雖在觀測(cè)時(shí)有一定誤差，但仍在可接受范圍內(nèi)，迄今為止未見有進(jìn)一步研究。

3 冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測(cè)裝置

海底冷泉原位觀測(cè)除了對(duì)冷泉滲漏氣體和流體進(jìn)行觀測(cè)外，還包括對(duì)海底冷泉化學(xué)組分的觀測(cè)。對(duì)海底冷泉區(qū)海水進(jìn)行原位地球化學(xué)觀測(cè)可以實(shí)時(shí)獲得海水中CH4、CO2、H2S等物質(zhì)的濃度，對(duì)于觀測(cè)冷泉滲漏化學(xué)物質(zhì)通量、海洋環(huán)境變化、獲得長(zhǎng)時(shí)間序列的冷泉滲漏速率具有重要意義。根據(jù)工作原理，冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測(cè)裝置可分為模擬實(shí)驗(yàn)室原理的冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測(cè)裝置和多學(xué)科地球化學(xué)觀測(cè)站。

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)室原理的冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測(cè)裝置

模擬實(shí)驗(yàn)室原理的冷泉滲漏流體化學(xué)組分原位觀測(cè)裝置是指利用觀測(cè)儀器在海底冷泉區(qū)對(duì)海水進(jìn)行取樣，然后原位模擬實(shí)驗(yàn)室流程對(duì)冷泉進(jìn)行分析，以獲得海底冷泉化學(xué)組分的方法。

在海底溫壓下進(jìn)行冷泉化學(xué)組分分析，拉曼光譜有很大的應(yīng)用前景。拉曼光譜是一種分子指紋光譜，在物質(zhì)成分識(shí)別和定量分析領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[56-59]。常溫常壓下的拉曼光譜定量分析方法已經(jīng)比較成熟，但深海條件較為復(fù)雜，人們對(duì)在此條件下的各種粒子的拉曼光譜認(rèn)識(shí)比較有限,因此拉曼光譜以前在深海多用于定性研究[60-61]。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)室深海極端環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)展，人們逐漸掌握了深海極端環(huán)境下CH4、SO42-、CO2等目標(biāo)物的拉曼光譜特征，這為拉曼光譜技術(shù)在深海原位觀測(cè)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2017年，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所張?chǎng)蔚萚62]研發(fā)了一套基于拉曼光譜的深海插入探針。該探針裝配有兩套探頭，一套適用于海底熱液原位觀測(cè)，一套適用于海底冷泉原位觀測(cè)，本文主要介紹適用于海底冷泉原位觀測(cè)的探頭（圖17）。

圖17 基于拉曼光譜的冷泉探針[62]Fig.17 Schematic diagram of the probes for studying cold seep fluids[62]

該探針由ROV搭載插入指定區(qū)域，可以測(cè)量冷泉區(qū)CH4、SO42-、H2S等粒子濃度以及溫度。工作時(shí)，冷泉樣品通過ROV上的液壓泵，經(jīng)探頭頂部進(jìn)入直徑為2 mm的通道，然后利用探頭內(nèi)部的光學(xué)單元進(jìn)行測(cè)量。

在每次拉曼測(cè)量之前，都要用海水沖洗整個(gè)系統(tǒng)并收集背景海水拉曼光譜。背景海水光譜將與水下機(jī)器人潛水的首個(gè)海水光譜進(jìn)行比較，以檢查光學(xué)元件表面上吸附的物質(zhì)是否有殘留拉曼信號(hào)。該裝置可有效測(cè)量冷泉區(qū)CH4、SO42-、H2S等離子濃度，但由于人們對(duì)深海條件下各離子拉曼光譜認(rèn)識(shí)的有限性，可見檢測(cè)的離子不多，未來還有很大發(fā)展空間。

利用觀測(cè)設(shè)備直接將海底溫壓條件轉(zhuǎn)化為正常溫壓條件，然后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)室分析，可解決常規(guī)分析方法在海底溫壓下不可用的問題。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)申正偉等[63]研制了一套深海溶解甲烷原位探測(cè)儀（圖18）。

圖18 深海溶解甲烷原位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)儀器[63]a. 側(cè)視及俯視圖，b. 實(shí)物圖，c. 各部件布局圖。Fig.18 In-situ long-term monitoring instrument for deep-sea dissolved methane[63]a. Side view and top view, b. physical drawing, c. layout drawing of various components.

該裝置包括減壓穩(wěn)流單元、脫氣檢測(cè)單元以及氣液處理單元，工作原理為將復(fù)雜的海底高壓環(huán)境轉(zhuǎn)換為常壓環(huán)境，以保護(hù)內(nèi)部部件和形成良好的檢測(cè)環(huán)境。海水被采集進(jìn)入儀器后模擬實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)流程，先將海水中的氣體分離，然后對(duì)分離出的氣體進(jìn)行甲烷含量的檢測(cè)。

工作時(shí)（圖19），海水經(jīng)過濾器進(jìn)入耐壓倉，經(jīng)過減壓穩(wěn)流系統(tǒng)后降為勻速海水，然后由脫氣系統(tǒng)將海水中的氣體分離出來。分離出的氣體經(jīng)過干擾空氣凈化器過濾后與半導(dǎo)體傳感器發(fā)生反應(yīng)，傳感器的電阻發(fā)生變化，以此來檢測(cè)海水中的甲烷濃度。脫氣后的海水進(jìn)入氣液處理系統(tǒng)，最后增壓排出艙外。

圖19 深海溶解甲烷探測(cè)儀器工原理圖[63]Fig.19 Schematic diagram of the in-situ long-term monitoring instrument for deep-sea dissolved methane[63]

此裝置模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，脫氣率高，測(cè)量精確度較高，所用甲烷傳感器體積小、操作簡(jiǎn)便、可實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，并且可與其他化學(xué)、物理傳感器集為一體進(jìn)行甲烷海底觀測(cè)[64-65]，但是只能對(duì)CH4濃度進(jìn)行檢測(cè)，還有進(jìn)一步的提升空間。

3.2 多學(xué)科地球化學(xué)觀測(cè)站

多學(xué)科地球化學(xué)觀測(cè)站基于各種化學(xué)傳感器研發(fā)，不需要模擬實(shí)驗(yàn)室工作流程對(duì)海水進(jìn)行化學(xué)分析。利用坐底式地球化學(xué)觀測(cè)站對(duì)海底冷泉滲漏進(jìn)行多學(xué)科分析，對(duì)于認(rèn)識(shí)海底天然氣水合物的分解、碳?xì)浠衔镞\(yùn)移、冷泉生物群落演化、冷泉流體活動(dòng)特征等有重要的科學(xué)意義[66-68]。

1998年，意大利國(guó)家地球物理研究所Beranzoli等[69]研制了第一個(gè)適用于海底冷泉區(qū)的坐底式多學(xué)科海底觀測(cè)系統(tǒng)（GEOSTAR）。該裝置設(shè)計(jì)工作水深4000 m，最多可在水下工作1年，裝有用于地震、地磁、重力、地球化學(xué)和海洋學(xué)測(cè)量等多學(xué)科傳感器，可測(cè)量電導(dǎo)率、溫度、深度、湍流、pH、Eh、H2和HS-濃度等指標(biāo)，但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布設(shè)繁瑣，且無法對(duì)CH4、CO2等關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。

之后，意大利國(guó)家地球物理和火山學(xué)研究所Marinaro等[70]研制了一套用于長(zhǎng)期探測(cè)海底甲烷泄漏的氣體監(jiān)測(cè)裝置（GMM）（圖20）。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可觀測(cè)海底CH4濃度、H2S濃度、溫度、鹽度、深度，最多可在水下運(yùn)行1年，但對(duì)海底地球化學(xué)觀測(cè)指標(biāo)仍較少。

圖20 GMM氣體監(jiān)測(cè)裝置[70]Fig.20 The gas monitoring module[70]

德國(guó)基爾海洋地球科學(xué)研究中心Pfannkuche等[71]研發(fā)了一套海底邊界層觀測(cè)系統(tǒng)（GEOMAR），設(shè)計(jì)深度6000 m，可在海底自主工作6至12個(gè)月。GEOMAR為多學(xué)科觀測(cè)裝置，搭載有標(biāo)準(zhǔn)有效載荷設(shè)備包括聲學(xué)多普勒海流剖面儀、電流表、CTD、立體深海攝像系統(tǒng)、多波束回聲測(cè)深儀、沉積物收集器、海水取樣器，可觀測(cè)海底邊界層海流測(cè)量、顆粒通量量化、聲學(xué)氣泡尺寸成像氣流量化、大型海底活動(dòng)監(jiān)測(cè)、沉積物-水界面流體和氣流測(cè)量、沉積物-水界面生物地球化學(xué)通量（氧化劑、甲烷、營(yíng)養(yǎng)物）、深海沉積物和地球生物指標(biāo)（食物富集、示蹤劑添加、物理和化學(xué)環(huán)境參數(shù)變化）。除此之外，GEOMAR系統(tǒng)上搭載BIGO和FLUFO，使其具備了觀測(cè)海底邊界層O2濃度和海底冷泉排放CH4通量的能力。GEOMAR應(yīng)用前景十分廣泛，未來搭載的傳感器種類也可根據(jù)觀測(cè)需要進(jìn)一步添加。

國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)海洋大學(xué)趙廣濤[72]研發(fā)了一套海底邊界層原位監(jiān)測(cè)裝置Benvir（圖21），旨在獲取近海底邊界層CH4、CO2、海流、溫度、鹽度、壓力、濁度等參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間序列變化數(shù)據(jù)[73]，設(shè)計(jì)工作水深4000 m，工作溫度零下5～45 ℃，電源自給，數(shù)據(jù)自容儲(chǔ)存，最多可在水下工作40 d。

圖21 Benvir海底邊界層原位監(jiān)測(cè)裝置[72]Fig.21 Benvir-in situ deep-sea observation system[72]

該裝置搭載有水下攝像裝置，在布放時(shí)可采用可視化布放，在復(fù)雜地形的坐底成功率較高。回收時(shí)利用聲學(xué)釋放單元和信標(biāo)單元，裝置接收到信號(hào)后釋放配重，僅回收觀測(cè)單元和控制單元，待回收單元在浮力材料作用下升至海面，然后利用信標(biāo)單元查找系統(tǒng)位置進(jìn)行回收。

除了進(jìn)行常規(guī)的冷泉觀測(cè)外，該裝置還可在近海底海水中進(jìn)行垂向上的微尺度觀測(cè)。其自身裝有水下電機(jī)，可驅(qū)動(dòng)傳感器組合進(jìn)行垂向移動(dòng)，每次移動(dòng)距離5～10 cm，最大移動(dòng)距離50 cm，可實(shí)現(xiàn)對(duì)近海底邊界層微尺度剖面的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合湍流數(shù)據(jù)，可以用來估算海底邊界層物質(zhì)擴(kuò)散通量。但該裝置在水下運(yùn)行時(shí)間較短，整體結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)水下湍流產(chǎn)生擾動(dòng)，影響測(cè)量精度。

4 結(jié)論與展望

近幾十年來，海底冷泉因和天然氣水合物資源、溫室效應(yīng)、物質(zhì)地球化學(xué)循環(huán)、極端環(huán)境下的生物演化等問題聯(lián)系密切而備受關(guān)注，海底冷泉原位觀測(cè)裝置也隨之發(fā)展。海底冷泉原位觀測(cè)儀器因成本較高且觀測(cè)范圍較小而發(fā)展緩慢，但在冷泉精細(xì)化、定量化研究中仍有不可替代的作用。海底冷泉滲漏流體通量以及滲漏流的化學(xué)組成都形成了相應(yīng)的原位觀測(cè)方法，并在實(shí)際觀測(cè)中應(yīng)用，解決了海底冷泉原位觀測(cè)裝備從無到有的問題。

經(jīng)過20年的發(fā)展，海底冷泉原位觀測(cè)裝備在自主觀測(cè)、觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)精度、可觀測(cè)目標(biāo)等方面取得了巨大進(jìn)步，但是目前存在的原位觀測(cè)裝置仍存在一些問題。滲漏氣泡和滲漏液體原位觀測(cè)裝置布設(shè)后存在對(duì)沉積物的擾動(dòng)，觀測(cè)精度也有待提高；基于聲學(xué)和光學(xué)原理的觀測(cè)裝置存在信號(hào)強(qiáng)度不高，對(duì)致密氣泡測(cè)量不準(zhǔn)確，易受懸浮物和海洋生物影響；對(duì)于深海條件下的各元素的拉曼光譜認(rèn)識(shí)不足；多學(xué)科地球化學(xué)觀測(cè)站傳感器精度有待提高，傳感器類型有待豐富。

為了適應(yīng)發(fā)展需要，對(duì)冷泉進(jìn)行精細(xì)、全面的研究是不可或缺的，冷泉原位觀測(cè)發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)?？v觀國(guó)內(nèi)外海底冷泉觀測(cè)儀器的發(fā)展，為滿足未來海底冷泉原位觀測(cè)的需要，海底冷泉觀測(cè)儀器的發(fā)展方向包括：

（1）海底冷泉水深較深且地形復(fù)雜，對(duì)原位觀測(cè)儀器的布設(shè)提出了較高要求，未來冷泉原位觀測(cè)裝置需要向布設(shè)方便、布設(shè)成功率高的方向發(fā)展。在布設(shè)后，原位觀測(cè)裝置會(huì)對(duì)海底沉積物產(chǎn)生擾動(dòng)，怎樣減小原位觀測(cè)裝置對(duì)海底沉積物的擾動(dòng)也是需要努力的方向。

（2）海底冷泉滲漏是復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的過程，海底邊界層同樣也是復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的區(qū)域，這決定了滲漏流體在時(shí)間和空間上是復(fù)雜多變的。目前的海底冷泉原位觀測(cè)均為單個(gè)獨(dú)立的觀測(cè)，各個(gè)觀測(cè)之間并沒有形成聯(lián)系。未來的冷泉原位觀測(cè)應(yīng)向大空間、多尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列發(fā)展，最終形成完整的海洋觀測(cè)網(wǎng)。

（3）海底冷泉滲漏流體成分復(fù)雜，目前的坐底式地球化學(xué)觀測(cè)站僅局限于對(duì)CH4、CO2、H2S等少數(shù)幾種粒子的觀測(cè)，未來應(yīng)擴(kuò)展冷泉觀測(cè)目標(biāo)，充分認(rèn)識(shí)海底冷泉滲漏組分。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)依賴于傳感器的發(fā)展，適用于海底觀測(cè)的高靈敏度傳感器也是未來的研究方向之一。

（4）目前利用聲學(xué)信號(hào)和光學(xué)信號(hào)的原位觀測(cè)裝置對(duì)致密氣泡的觀測(cè)效果一般，對(duì)海洋生物等干擾物的識(shí)別并不明顯。未來需進(jìn)一步加強(qiáng)氣泡對(duì)聲學(xué)和光學(xué)信號(hào)響應(yīng)的研究，降低雜質(zhì)干擾，拓寬觀測(cè)冷泉滲漏的流量范圍。

（5）未來冷泉原位觀測(cè)應(yīng)與地球物理探測(cè)、實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析、海洋生物研究、海洋潮流湍流研究、海洋地質(zhì)構(gòu)造等研究相結(jié)合，確定冷泉?dú)庠?，尋找滲流通道，分析海底冷泉的影響因素，從多學(xué)科、多角度充分掌握海底冷泉活動(dòng)機(jī)制。

致謝：感謝孫志文博士和薛涼博士在寫作時(shí)給予的幫助。