热液羽状流研究进展

热液羽状流是全球洋中脊热泉场的重要组成部分,在深海热量和物质循环中有重要地位,是探测热泉场和热液喷口位置最直接有效的手段。介绍了热液羽状流的主要研究内容、探测技术方法、在不同海域洋脊的研究进展和21世纪的新成果,从地球系统科学和热泉场资源探测的角度归纳了主要科学问题和发展趋势。热液羽状流对全球海洋循环及大洋化学有重要影响,其位置探测在近期将经历一次“小型革命”,正在成为大洋研究前沿热点。

西南印度洋中脊热液羽状流中微生物化石的发现及意义

深海热液微生物因其生存于海底极端环境,能够提供深部生物圈和生物地球化学信息而成为当今海洋科学领域关心的热点问题之一。本文以西南印度洋中脊热液羽状流水体中悬浮颗粒物为研究对象,选取典型的3个CTD采水站位,对离底42—500m的不同水层悬浮体过滤的滤膜进行扫描电镜观察和X射线能谱面扫描分析。结果表明,热液羽状流颗粒物中含有大量的微生物化石,包括丝状、球状、杆状和簇状等4种形态。对不同形态微生物化石能谱分析表明Si、O、Ca、Fe和Zn等元素在微生物化石中都有高值出现,其中丝状体中具有Ti和Mn的高值出现,球状体中Ba具有高值,说明微生物化石化过程中不同类型的微生物体对金属元素的选择性吸收,钙化和铁硅酸盐岩化是微生物化石化的主要机制。微生物化石在羽状流中的分布状况能够提供活动热液喷口的空间信息,为我们寻找喷口提供帮助。

劳盆地热液羽状流颗粒物微区特征及指示意义

以劳盆地热液羽状流水体为研究对象,对6个不同深度水层(海底以上50～500m)的悬浮颗粒物(>0.45μm)进行了扫描电镜观察和X射线能谱分析。通过颗粒物的微形貌将颗粒物分为生物碎屑、微生物成因颗粒、无定形颗粒和自形颗粒等类型。微生物成因颗粒包括丝状体和簇状体等形态类型;自形颗粒主要为黄铁矿和闪锌矿晶体;根据颗粒组分特征将无定形颗粒分为S-Zn-Ba-Ca、Fe氧化物+少量Ba-Zn-Ca、Fe-Mn-Ca-Ba+少量的Zn、硫化物颗粒及多金属颗粒5种不同类型。大量与热液活动有关的颗粒类型的出现以及无定形颗粒的尺寸分布特征反映了研究站位处于热液羽状流的早期发育阶段,推测在附近几百米范围内存在活动的热液喷口区。

印度洋卡尔斯伯格脊6°48′N附近热液羽状流水化学参数异常和颗粒物成分特征

2015年中国大洋33航次在西北印度洋卡尔斯伯格脊6°48′N附近进行了热液异常探测,成功发现了大糦热液区。本文对该热液区附近采集的CTD水样开展了水化学与颗粒物分析。结果表明,在3 150~3 400m水深范围内水体存在Cl、Br、Mg负异常以及DFe和DMn正异常。其中Cl、Br、Mg的浓度较研究区海水背景值分别亏损2.87%~5.27%、3.21%~4.53%和2.52%~3.82%,Cl和Br的亏损指示海底释放的热液流体曾经发生了相分离。根据Mg的亏损情况,可以估算热液羽状流中热液流体的贡献约3.90%。DFe和DMn的浓度峰值分别为127nmol/L和29.0nmol/L,均出现在水深3 150m层位。颗粒物的电镜观察和能谱分析结果显示,在2 900~3 400m深度范围内存在热液成因的富铁氧化物(FeO占49.1%~95.2%),与海水样品中发现的高浓度DFe和DMn相印证。根据实测底层流流速与Fe(Ⅱ)扩散半径对研究区的Fe(Ⅱ)氧化半衰期进行了估算,得到大糦热液区Fe(Ⅱ)氧化半衰期为0.56~2.22h。

西南印度洋49°～56°E洋脊段的热液羽状流:来自深水中的氦同位素异常证据

海水中的氦同位素能对海底热液活动进行有效示踪。本文对在西南印度洋49°～56°E洋脊段采集的5条CTD拖曳剖面共14件深水样品进行了氦氖同位素分析。通过分析水体中存在的氦同位素异常，探讨调查区热液异常的特征和热液羽状流的分布。分析表明，5条CTD剖面均存在δ^3He异常，其中CTD7-2（位置：37．927°S、49．412°E，水深2140m，离底高度100m）的δ^3He值最大，达到49．2％。根据δ^3He分布特征，认为调查区内存在至少6处热液羽状流，其中37．927°S、49．412°E以西数千米范围内可能存在海底热液喷口。

洋中脊热液羽状流的分布特征及其在多金属硫化物找矿中的指示作用

热液羽状流是海底热液活动的重要标志,海底多金属硫化物是热液活动的产物。现阶段洋中脊多金属硫化物勘探工作的第一步是开展热液羽状流的近底探测;综合各类异常信息,实现从发现热液活动喷口到发现矿床的突破。本文以热液羽状流为研究对象,从羽状流的近底探测、扩散机制和分布特征3个方面,概述了最新的研究进展和有待完善的方面,阐述了羽状流在洋中脊多金属硫化物找矿中的指示作用,最后总结性地指出时空连续性、参数多元化将是热液探测的发展趋势,有助于提升对热液羽状流分布特征的认识,将为热液区分布模式的研究提供更加精细的探测资料。

热液羽状流模型的建立与仿真

构建符合实际海洋环境的热液羽状流模型一直是进行水下机器人追踪探测研究的首要问题。目前应用的模型都比较单一,无法准确全面的描述羽状流特性,为了解决上述问题,提出利用一方程模型和细丝模型相结合的方法建立离散热液羽状流仿真模型。模型考虑了湍流对热液羽状流的影响,利用一方程模型对雷诺方程进行流场求解,并利用细丝模型对羽状物化学浓度以及细丝的变化进行计算。利用所建模型对热液羽状流进行仿真,结果显示,上述模型可以很好的模拟出热液羽状流输运过程中的复杂形态,以及羽状物化学浓度的分布规律。对仿真结果进行数值分析后表明,上述模型在时间平均浓度分布以及瞬时浓度随时间变化等方面与实验结果相一致,充分验证了热液羽状流模型的合理性,并且为水下机器人进行追踪探测研究提供支持。

基于MATLAB分析热液羽状流探测数据的实践教学探索

热液探测是现今我国大洋资源调查的主要内容之一。在海洋工程实践教学中,针对其特点,结合MATLAB软件,对数据处理方法进行程序设计,学生通过实践探索,一方面能深刻认识热液羽状流分布扩散特点,掌握热液探测数据的处理方法。另一方面激发学生的学习兴趣和积极性,培养学生的算法设计和编程能力,提高学生解决实际热液调查及相关海洋工程问题的能力,从而提升实践教学效果。

大西洋洋中脊Logatchev热液场水柱中甲烷羽状流的探测

利用吹扫捕集法在“大洋一号”船上现场探测到Logatchev热液场水柱上方及附近存在明显的甲烷羽状流.测定结果显示,热液区海水甲烷背景含量为1.05～1.68nmol/L,明显高于大西洋深海平原正常海水甲烷背景值(0.4～0.5nmol/L),表明热液系统是海水溶解甲烷的重要来源之一;在垂直剖面上,甲烷含量最大异常值的变化范围为7.14～113.90nmol/L,其对应的水深为离海底180～500m.羽状流中甲烷浓度分布以及羽状流的结构特征可能受下方热液喷发供应、洋流混合和微生物氧化消耗等过程控制.另外,MAR-CTD3站甲烷的分布规律明显不同于其他站位,可能暗示周围存在新的热液喷口.探测到甲烷羽状流之处同时还伴随温度和浊度的异常,有力证明了甲烷羽状流的存在是找寻海底热液活动地点最有效的手段之一.

海底羽状流探测方法分析

海底热液活动区域广泛分布多金属结核等矿产资源,冷泉活动区域赋存丰富的天然气水合物和海洋油气资源,同时它们对于海洋生物多样性、全球气候变化、海底构造与流体地质研究具有重要意义.海底羽状流是活动热液和冷泉的重要指示标志,是进行海底原位研究的直接场所,通过探测海底羽状流来寻找海底热液和冷泉的活动区域显得尤为重要.系统梳理并总结了海底羽状流在不同探测方法的表现形态特征和不同探测方法的适用性以及局限性,为以后进行海底羽状流探测采取合适的探测方法指明了方向.条件允许的情况下应采用综合探测方法,优势互补进行海底羽状流的探测与解译,可进一步提高探测正确性和准确性,减少解释误判.声学方法能够为进一步海底羽状流属性特征研究提供有效方法,同时指出海底羽状流探测研究的相关方向.