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user: 3. “海洋六号”船重力活塞取样技术方法 根据影响取样效果的主要困素分析，重力活塞取样应是以下四方面技术系统的综合。一是优良可靠的重力活塞取样器，二是高分辨率的地形、地貌和地层探测系统，三是高精度的定位导航系统，四是强大的收放系统和准确灵活的取样操纵信息监控系统。“海洋六号”船进行重力活塞取样作业时正好是将这四方面的技术系统进行了综合应用(见图1)：目标区域的地形地貌探测，导航精确定位目标点，在动力定位系统的辅助下，利用先进的绞车系统收放取样器，在大洋科学考察工作中取得了显著的效果。 3.1. 地形地貌探测系统 通过对工区地形地貌的探测，可以避免重力活塞取样的盲目性，提高取样成功率。先利用多波束测深系统对工区进行全覆盖地形地貌调查，获取工区的水深，地形，地质数据，有效的避开海底陡坡，提高取样器投放的成功率；再利用浅地层剖面系统识别站位对应的水深，沉积物厚度以及硬度，保证取样站位点的沉积物满足重力活塞取样的要求。 3.1.1. 多波束调查 多波束测量是进行条带式地形地貌的调查设备，主要用于对调查工区进行地形测量及回波强度测量，可以为重力活塞取样和其他调查手段提供地形与水深信息。如图2所示，A1，A2区域地形较为平坦，B1，B2区域为陡坡。相比较，平坦的地形对重力活塞取样器的着底姿态影响小，陡坡地形，取样器容易倾斜，弯折，影响取样成功率。 另外还可依据多波束回波强度大小对沉积物的声学性质进行简单分类[ 4 ] ，为沉积物的判别提供一定的依据(如图3)。从图中可以看出，该调查工区的大多数海域的背散射强度在35~40 db之间，表明该海域以软质沉积物为主。 3.1.2. 浅地层剖面系统 在多波束进行全覆盖地形调查的基础上，利用浅地层剖面系统具有较高的地层分辨率和地层穿透能力的特点，用来识别取样站位对应位置的水深以及沉积物厚度，硬度等情况。如图4所示：根据穿透的 图1. “海洋六号”船重力活塞取样技术方法 图2. 多波束测量的海底地形特征(海丘) 图3. 多波束测量的背反射分析 图4. 浅地层剖面系统测得的海底地形及沉积物厚度 情况判断：A区的沉积物层薄，且下覆较硬的沉积层，重力活塞取样器无法穿透硬的沉积物层，样品长度不足，且容易损伤取样管。B区的沉积物层厚，大概有20~30 m，且底质较软，重力活塞取样的采获足够长度的柱状样品的可能性非常大。通过比较，B区比较适合作为取样作业的目标点。 3.2. 导航和动力定位系统 地形地貌探测系统确定取样站位的地形，地貌，底质等情况后，将测站经纬度坐标同时输入HYPACK导航系统和动力定位系统，并设为重力活塞取样的目标点。作业方法：需要在到达测站前半个小时启动动力定位系统，在接近目标点时，将船速降低，并启动船艏的两个侧推[ 5 ] 。待船停稳后，将舵桨控制系统切至动力定位控制，待动力定位稳定后便可进行重力活塞取样作业。作业过程中，利用HYPACK导航系统捕捉特征异常点的功能[ 6 ] ，分别在取样器入水、着底、出水时各打印一组定位点，并记录时间、经纬度、取样器着底时的水深、钢缆长度等数据。导航定位和动力定位系统配合使用，保证取样点定位精准，可有效避免因受海风和海流(四级海况以下) [ 7 ] 引起的船体漂移，阻止钢缆倾斜，保证设备的着地姿态垂直，避免取样管被拉弯和取样器提前释放，保证取样成功率。 3.3. 强大的收放系统和灵活的操作信息监控 “海洋六号”船拥有强大的设备收放系统和操作信息监控能力，很大程度上提高了取样的成功率和采样长度。A型架主要负责将取样器吊出舷外和收回至甲板；50t-m深折臂/伸缩吊辅助吊装和拆卸重锤；深海地质绞车系统可直接控制重力活塞取样器入底速度，回收速度，并在确认着地后多放5~10米的钢缆。快的入底速度一定程度上可增加取样器贯入深度，慢的回收速度防止取样管被拉弯。同时除了绞车本身的信息监控取样器状态外，还利用Pinger [ 8 ] 图5(a)判别设备着底。 设备主要参数和图示： 深海洋地质绞车(图5(b))主要由牵引绞车、储缆绞车和排缆器组成，由液压单元提供动力。可实现自动排缆，无级变速，可远程操控，速度范围0~100 m/s，缆长，张力值可以实时数字显示，牵引绞车额定安全工作负荷为186 KN。储缆量：10，000 m，缆径17.3 mm，钢缆破断力27.3 KN。 A型架(图5(c))总高：10.5 m，最大舷外跨距：7.8 m，动态安全工作负荷：16吨。 50 t-m深折臂/伸缩吊(图5(d))，回转角度：360˚，最大力矩：50 t，最大起吊能力：8 t，最大跨距：16 m。 图5. (a) Pinger；(b) 深海地质绞车；(c) A型架；(d) 50 t-m深折臂/伸缩吊 3.4. 优良可靠的重力活塞取样器 “海洋六号”船使用的是广州海洋地质调查局改进仿制的800型重力活塞取样器(图6)。重力活塞取样器由重锤，取样管，释放系统，活塞系统等组成。取样器整体为纺锤形(流线型)，取样器重800 kg，可增加到1200 kg，最大取样长度超过15 m，样品内管采用pc透明管，内径Φ70 mm。这种取样器与我国现用的其他各类取样器相比，其机构简单，使用方便，可靠性高，取样长度长，样品扰动性小。 取样管采用优质碳钢，强度高，韧性好，不易塑性变形，抗冲击断裂。每段管的长度为3 m或6 m，管与管之间连接采用锥螺纹连接，这样大大减少贯入沉积物时的端面面积，增加贯入深度，同时也减少对柱状样品的扰动。 衬管采用聚碳酸酯硬塑料管(PC)，具高冲击强度，高度透明性，内壁光洁度高；无味无臭对人体无害，对样品无污染。样品易于顺利进入并保证原状，联接和装卸也极方便。 重力活塞取样器作业过程(见图7)：设备入水前，取样器按要求安装，按照设备入水检查表完成检查，确保取样器正常。A型架将设备吊至舷外，绞车匀速释放取样器，时时监控钢缆和取样器状态，避免提前释放。重锤先着底，平衡机构失去平衡，取样器以自由落体的方式冲入沉积物中，连接钢缆的活塞被拉起，同时海底沉积物也跟随活塞在衬管内往上运行，在衬管内形成负压环境，减少了样品与样管的摩擦力，当活塞到达样管顶端时闭合密封，采样器完成取样过程[ 9 ] 。 3.5. 取样结果 2014年大洋某航次，“海洋六号”船利用多学科技术综合的调查方法共收放重力活塞取样器32次，30次采获到合格样品，成功率为93.75%，共采获的高品质的柱状沉积物样品，共计218.7 m，最长单个站位样品为13.7 m，其中大部分站位的取样结果与浅地层剖面系统的观测结果一致。相比较，“海洋四号”船2012年在南海中沙海域，水深2000~3000米，海底地形与底质不清楚，船上只有简单的多波束数据，没有更详尽的浅剖资料，绞车系统为服役30年的机械式绞车。该航段，海洋四号船工作20天，共完成40个重力柱状取样和10个重力活塞取样，其中出现多次弯管和刀口损伤的情况，效率低，且样品长度不足。表1为“海洋六号”船重力活塞取样前20次收放过程的站位数据统计。 图6. 800型重力活塞取样器 图7. 重力活塞取样器作业过程[ 5 ] Table 1 Statistics of gravity-piston samplin 序号 水深(m) 取样器 操作参数 岩心长度(m) 备注 取样管 配重(kg) 自由落体高度(m) 着底缆长(m) 放缆速度(m/min) 钢缆最大张力(KN) PC管内径(mm) 长度(m) 1 6012 67.5 9 800 1.0 6020 50.0 8900 3.85 2 5677 67.5 9 800 3.0 5687 50.0 8700 7.20 3 5651 67.5 9 800 3.0 5655 50.0 8500 4.65 4 5747 67.5 9 800 3.2 5775 50.0 8500 6.05 5 5723 67.5 12 800 4.5 5743 50.0 8800 9.57 6 5739 67.5 9 800 3.5 5822 50.0 8800 7.15 7 5753 67.5 9 800 3.5 5795 50.0 9500 4.98 8 5714 67.5 9 800 3.5 5887 50.0 9100 7.00 9 5640 80.0 15 1200 5.0 5645 50.0 10，500 4.40 弯管 10 5650 67.5 12 800 4.5 5682 50.0 8671 4.35 11 5640 67.5 12 800 4.5 5668 50.0 9200 4.18 12 5644 67.5 12 800 4.5 5675 50.0 9000 6.87 13 5279 67.5 12 800 4.5 5305 50.0 8700 10.97 14 5663 67.5 12 800 4.5 5675 50.0 9000 11.72 15 5737 67.5 12 800 4.5 5774 50.0 9400 3.45 16 5720 80.0 16 1200 4.0 5725 50.0 10，600 13.70 17 5613 67.5 12 800 4.5 5643 50.0 9500 5.22 18 5640 67.5 12 800 4.5 5645 50.0 8500 10.49 19 5685 67.5 12 800 4.5 5683 50.0 8643 7.52 20 5750 67.5 12 800 4.5 5755 50.0 9000 7.80 表1. 重力活塞取样站位统计