自主式深海海底溶质通量原位观测站研究进展

针对深入了解深海海底界面的物理、化学和生物动态变化过程及机制的观测需求,综述了自主式海底观测站(着陆器,lander)在深海海底溶质通量监测的研究进展。探讨了海底观测站的设计与实施技术,分析总结了深海自主式原位观测站在沉积物-水界面化学组分通量的观测机理,讨论了自主式海底观测站的国内外发展现状。自主式海底观测站具有可灵活机动选择观测地点、操作简单、便于多参数综合测量的特点,为获取深海海底长时空尺度综合参数资料提供了有效的技术支撑。根据目前深海生物地球化学循环研究特点,提出了自主式海底观测站面临的问题与发展建议。

生物扰动下海底沉积物-水界面溶解氧二维观测方法

沉积物-水界面（SWI）是生物地球化学循环的主要界面,界面上溶解氧（DO）的分布实时测量对于了解生物扰动的复杂作用和生物地球化学循环过程有着重要意义。为了探索生物扰动作用对SWI微尺度溶解氧二维分布的影响作用,本文以八乙基卟啉铂为荧光指示剂,掺杂香豆素（Macrolex Yellow10GN）作为荧光素能量供体,以聚苯乙烯为基质制作了光学平面传感膜。以发光二极管（LED）为激励光源,结合彩色相机,构建了基于比率法的二维溶解氧观测系统,系统能够以0.36 mm的空间分辨率对SWI的溶解氧分布连续观测,实验室内的模拟实验结果表明,底栖沙蚕掘穴扰动可使局部沉积物溶解氧质量比提高3-4？g/g。该研究填补了国内基于比率法的平面光学溶解氧传感器研究领域的空白。

雨滴对水-气界面溶解氧与pH扩散影响的平面光极观测方法

水-气界面是一个重要的物质交换过程界面,对生态系统及生物地球化学循环过程有着重要影响。自然界的降雨可以改变水体表面平衡状态,提高气体在界面的通量交换速率,使得水体界面溶解氧和pH的水平、垂直方向浓度分布发生变化。本文利用平面传感膜具有高时空分辨率、可提供两维浓度分布信息的特点,开展了雨滴对水-气微界面层中的氧气扩散和pH值分布变化模拟实验,采用双参数平面光极同步测量获取低溶解气体在水-气界面的两维分布浓度变化。实验结果证明在受风速、温度影响较小区域,降雨过程对调节表层水体的溶解氧含量和pH值变化具有重要作用,雨滴可以打破水-气界面的微表层平衡机制,促进大气中氧气在表层水体的溶解,使得水面垂直方向23mm内的溶解氧平均升高2.3mg/L;降雨对水面12mm之内表层水体pH值产生的影响较为明显,pH值平均降低了0.2~0.4个单位,表明降雨雨滴促进大气在水-气界面的迁移进程,溶解的CO2使得表层水体向酸性方向转化。本文提出的基于平面光极两维观测方法为评估低风速、高降雨或低降雨区域的海岸带溶解氧和pH值的变化提供高空间分辨率的水-气界面实时观测新的技术支撑。

平面光极的研制及浒苔对沉积物——海水界面溶解氧影响的模拟观测

利用油酸修饰合成了具有良好光化学稳定性,对氧不敏感,可发射520nm荧光的量子点(QDs),以八乙基卟啉铂(PtOEP)作为荧光指示剂,聚苯乙烯(PS)为包埋基质,掺杂QDs为参比光染料制备了溶解氧比率法传感膜。针对短时间内大量繁殖的浒苔造成的生态灾害现象,利用制备的平面光极在实验室内对浒苔影响下的海水—沉积物周围的溶解氧的动态变化进行了模拟观测研究,实验结果表明,高CO_2浓度下的浒苔藻体的呼吸作用要高于正常CO_2水平,而两者在光合作用带来的氧浓度的升高方面并没有显著性差异,均可升高至7mg/L以上。高温下的浒苔很快进入衰退消亡,不利于光合作用,氧最高值仅达2.3mg/L,沉降后可在沉积物—海水界面附近形成大范围无氧,局部贫氧区,改变了海底区域的溶解氧分布体系,将会对海底的生态结构和生活环境产生较大影响。

平面光极的制备及水母消亡对沉积物-海水界面溶解氧影响的模拟观测

制备了基于八乙基卟啉铂和香豆素的光强比率测量传感膜,结合3CCD相机构建了基于比率测量法的两维溶解氧观测系统,通过实验验证了该系统在沉积物-水界面微结构的溶解氧的时空动态变化监测的可行性.基于实验室模拟观测装置对海蜇消亡过程中沉积物-海水溶解氧的变化特征进行了观测.观测结果表明在置入水母组织的第16h后,水母分解使得沉积物-水界面的溶解氧开始下降,在2～3 d内会导致沉积物-水界面空间的海水溶解氧发生剧烈变化,在沉积物-海水界面附近海水形成严重缺氧区.第1天内,沉积物-海水界面的溶解氧消耗速率为0.2 mg·L^-1·h^-1,第2天溶解氧的消耗速率为0.04 mg·L^-1·h^-1.在近海底的水体空间内,第1天的溶解氧消耗速率为0.28 mg·L^-1·h^-1,第2天为0.14mg·L^-1·h^-1,第3天为0.13 mg·Lv-1·h^-1,表明水母消亡过程中的溶解氧消耗呈动态分布.实验证明水母在消亡过程中的3～4 d内可在沉积物-海水界面附近形成一个贫氧区,水母消亡过程改变了海底区域的溶解氧分布体系,将对海底生态环境产生较大影响.

海底未爆物的电磁探测方法仿真研究

海底埋藏的未爆炸物对海洋开发及环境造成极大的隐患，准确识别并定位海底埋藏的未爆炸物（Unexploded Ordnance，UXO）对及时清除这些武器装备，改善人类生活环境具有重大意义。本文基于电场和磁场方法的一维正演模型对海底埋藏UXO检测的可行性进行了仿真研究，仿真结果表明当发射频率在10Hz，水平偏移距500-1000米处时，其检测异常最为明显。仿真结果证明基于电磁场方法用于水下未爆炸物识别及定位是可行的，为研制水下电磁场UXO探测装置提供了理论依据。

现代海底热液硫化物的成矿序列和指示意义——以印度洋中脊为例

与快速扩张的洋中脊相比,主要由超慢速-慢速扩张洋脊组成的印度洋中脊具有独特的热液硫化物成矿模式.运用高精度矿相显微镜、XRD、电子探针和ICP-AES/MS等测试手段,对印度洋中脊的热液硫化物矿床样品开展了矿物成分、结构构造、地球化学等各方面分析.结果表明,来自中印度洋脊(CIR)艾德蒙德(Edmond)热液区的硫化物A主要由黄铁矿、白铁矿以及黄铜矿构成,其成矿期次可划分为白铁矿-黄铁矿阶段(Ⅰ)、闪锌矿-黄铜矿阶段(Ⅱ)以及后期石英阶段(Ⅲ),成矿流体温度经历了低-高-低的变化;同样来自于艾德蒙德热液区的硫化物B主要矿物成分为黄铁矿、白铁矿和硬石膏,成矿期次划分为硬石膏-白铁矿-黄铁矿阶段(Ⅰ)和胶状黄铁矿-石英(Ⅱ) 2个阶段,流体温度经历了低-高的变化;与之相比,来自西南印度洋脊(SWIR)龙旂热液区的硫化物C主要由纤铁矿、黄铜矿、黄铁矿和白铁矿组成,成矿期次划分为纤铁矿-白铁矿-黄铁矿阶段(Ⅰ)和闪锌矿-黄铜矿(Ⅱ)阶段,后期闪锌矿、黄铜矿的出现反映热液流体温度发生了升高.地球化学特征表明,印度洋中脊的热液硫化物总体为富Fe型,并相对富集Co和Ni元素,而Zn和Cu元素的含量相对较低.此外,取自艾德蒙德热液区的硫化物与EPR 21°N热液硫化物组成非常相似,而与慢速扩张脊TAG相比,Pb、Zn、Ag和Sr元素含量较高,Cu和Fe元素含量则较低.

基于双光源相关算法的溶解氧浓度检测技术研究

基于荧光猝灭原理,提出了一种基于双光源相关检测算法的溶解氧浓度检测技术。采用双光源的光路结构,增加了抗干扰能力,改进了荧光寿命的检测算法,简化了计算的复杂度。基于Stern-Volmer方程,使用多项式运算法则反演水中氧分压,结合温度和盐度校正最终获得水体中溶解氧浓度。实验结果表明:在0~20 mg/L的测量范围内,实际测量误差小于0.1 mg/L;交替放置在饱和水和无氧水中,反应浓度升高和浓度降低的响应速度相比于9030M氧传感器分别提高了2.8 s和4.5 s;连续测量12 h,测量结果具有较好的一致性,波动范围小于0.2 mg/L。本文方法具有测量准确、响应快、长期稳定性好的优点。