深海采矿细颗粒羽状流数值模拟研究

深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响,预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法,采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究,分析近海底排放的羽状流演化和发展过程,探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明:初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小,随着入射质量浓度的增大而增大;初始羽状流入射速度和质量浓度越大,撞击海底后的水平方向流动速度越快,影响区域越广;水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长;当初始质量浓度和速度高于50 g/L和0.5 m/s时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状,影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。

冷泉羽状流多波束水体声学探测技术与应用

海底冷泉作为地球水圈与下伏岩石圈之间物质和能量交换的重要场所,其广泛发育于主动大陆和被动大陆边缘、深海扩张中心、汇聚板块边界、弧前盆地、断层以及泥火山发育区等区域。研究海底冷泉对于海洋工程安全、天然气水合物开发、海洋油气勘探、全球气候变化、碳循环和极端生物群落等方面具有重要意义。本文在系统总结海底冷泉探测技术方法的基础上,重点阐述了多波束水体声学探测技术及海底冷泉羽状流特征反演方法,对海底冷泉系统探测技术方法完善和应用具有重要意义。

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。

天然气水合物冷泉和气泡羽状流研究进展

近些年来,天然气水合物的调查研究及勘探开发都取得了一定进展,但针对与天然气水合物相关的海底冷泉和气泡羽状流(或羽状水体)的研究报道较少.为了更好地进行天然气水合物基础研究,本文首先简要总结了天然气水合物的发展状况;然后阐述了与天然气水合物相关的冷泉和气泡羽状流的发展状况,天然气水合物羽状流识别技术情况,以及地震识别水合物的发展现状;最后针对气泡羽状流提出天然气水合物的研究方向和科学问题,为水合物的识别和勘查提供新的线索和思路.

南海北部陆坡气泡羽状流的发现:多波束水体数据

利用2016年在南海西北部陆坡琼东南海域采集的多波束水体数据,发现了海底气体渗漏至海水中形成的羽状流。在多波束数据上,羽状流成火焰状,直径大约为30~50m,从1 380多米的海底延伸至大约650m的深度,高度超过700m。在经过羽状流的浅剖剖面上,存在显示浅层气存在的声学空白区域,并识别出断裂和裂隙区域,但在水体中并无明显的异常。这可能是由于浅剖数据的分辨率不够未能捕捉到水体异常,或者气体渗漏具有间歇性。该海域存在明显的似海底反射显示,气体渗漏可能与水合物系统之间存在复杂的相互作用。由于缺乏经过羽状流的多道地震数据,难以对羽状流的形成机制进行进一步的推测。南海北部陆坡羽状流的发现对于理解被动大陆边缘的甲烷渗漏机制、水合物的形成与分解具有重要的意义。

甲烷羽状流水体声学探测及气体运移通量测算

探测海底天气渗漏活动形成的甲烷羽状流,研究其基本特征和分布,具有重要的资源和环境效益。目前对于海底甲烷羽状流的声学探测主要以船载单波束和分裂波束声呐系统为主,而多波束声呐系统的声学图像分辨率较高,覆盖宽度较大,具有良好的应用前景。对于单个或少量甲烷羽状流气体运移通量的测算,多采用声学原位观测,即通过ROV携带声呐探头或在海底固定安装特定声呐系统的方式实现。对于某一海域海底天然气渗漏总量的测算,多采用走航式声学遥感观测,其核心是建立由甲烷羽状流体积反向散射强度反演其气体运移通量的模型。

冷泉活动区气泡羽状流数值模型研究

羽状流对天然气水合物的识别起到了间接指示作用,为研究冷泉活动区气泡羽状流产生的地震响应,需建立符合实际羽状流特征的模型。为此,参考实际羽状流赋存状态,结合含气泡水体特征,在已建立模型基础上,从羽状流气泡的垂直运移规律、分布特点及羽状流外观特征上对模型进行了改进,先后获得3个羽状流模型,最后的模型Ⅲ更接近实际羽状流赋存特征。通过与实际羽状流的对比,讨论分析了模型Ⅲ的合理性,并得出结论:所建模型体现了实际羽状流气泡的本质特征,并包含了更为复杂的气泡含量变化,可用于进一步深入研究羽状流地震响应特征,也为气泡羽状流的地震识别及天然气水合物的相关研究提供了较好的数值模型。

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。

陆坡非旋转重力羽状流的数值模拟

借助MITgcm模式使用二维非静力近似在水平方向采用不等间距网格,模拟了陆坡非旋转重力羽状流的流动。模拟显示陆坡上的重力羽状流的运动比较复杂。通过数值实验,发现改变地形或调整冷源强度都会影响沿陆坡下沉的低温高密度水的羽状流形态,潮汐亦会对重力羽状流有一定的影响。经计算发现在陆坡处,Richardson数小于1/4,宜发生Kelvin-Helmholtz不稳定性,并由卷挟导致环境流体与高密度流体混合,沿着斜坡加速下滑。

长江口外羽状流水体中的垂向混合与层化的观测与分析

2002年9月17日17:00至18日17:00,在长江口外E4站位(122°40′8″E,30°59′17″N),采用300kHz声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)测得连续的水位、流速大小、流向、电导(盐度)和温度等水文资料.基于这些资料,通过文献中相应的公式,估算出水体的密度(ρ)、浮力频率(N)和梯度Richardson数(Ri),并绘制成水流流速分量、盐度、温度、ρ、N和Ri的垂线分布,从而对该站位羽状流水体中的垂向混合与层化进行了研究.结果表明:①东西向流速分量大小范围为-0.36～0.61m/s,南北向流速大小范围为-0.59～0.39m/s.涨急、落急和落憩,流速分量在垂向上变化均不大;涨憩时,表、中、底层流速存在显著差异.②涨急、涨憩,从表层至底层,盐度随着水深的增加而增大,温度随着水深的增加而减小;落憩,温度在中层达到最大;落急,水体出现显著的密度跃层.③该站位表层水体的N均较小,基本在10-3 s-1量级,水体垂向混合较好;中、下层水体的N出现10-2 s-1量级,混合相对较弱.④该站位水体垂向混合强度呈现涨、落潮周期变化:涨急、涨憩,Ri范围在10-2～101量级,混合较好;落急,Ri在中下层水体出现102量级,水体出现显著层化;落憩,整个水体的Ri大部分都小于临界值0.25,水体混合最充分.

调水调沙期间黄河口羽状流的逐时变化

2002年黄河实施调水调沙以来,黄河入海泥沙普遍以异轻羽状流的形式在河口附近的有限区域内堆积下来。采用2011年、2012年以及2013年调水调沙期间3期静止轨道海洋水色卫星(GOCI)数据对黄河口附近海域进行悬浮物浓度反演,提取了黄河口羽状流的逐时变化信息;通过黄河口水动力数值模拟以及风场、潮汐等实测数据分析,阐明了羽状流逐时变化的驱动机制。研究结果表明:黄河调水调沙前后黄河口羽状流表现出单向变化和往复变化两种不同的变化过程;而悬浮物浓度的逐时变化显示:河口附近不同站位的悬浮物浓度逐时变化过程差异较大,同一站位的悬浮物浓度可在1小时之内升高或降低约100mg/L。单向变化型羽状流主要受单向潮流的控制,且GOCI观测时段位于一个落潮或者涨潮过程,河流动力较弱;往复变化型羽状流受涨、落潮往复潮流的控制,涨、落潮流向的转换驱使羽状流向相反的方向运动,而且羽状流位于潮流切变带以内,切变锋对羽状流的形态、分布范围具有明显的切变效应。

羽状流作用下的非等温空调射流运动研究

在传统非等温射流理论的基础上,考虑由室内热源形成的羽状气流对非等温空调射流的热浮升作用,建立数学模型,得到了在内热源作用下非等温射流运动轨迹方程表达式.同时对不同热源形式、热源大小以及热源位置对空调射流和室内热舒适性的影响进行了实验研究,并根据实验结果对热源与射流的相互作用进行了讨论.结果表明,室内热源的存在将明显改变空调射流的运动轨迹,影响室内热舒适性.

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。

夏季南海北部浮游植物对上升流与羽状流的响应

文章建立了基于真实场驱动的三维物理—生态耦合模型,利用模型定量分析了夏季南海北部上升流和羽状流过程对浮游植物生物量空间分布的影响程度及作用机制。首先,利用2006—2008年卫星遥感数据及2006与2008年夏季观测数据对模型进行了验证,结果表明,模型能较好地再现夏季南海北部上升流和羽状流过程,较好地反映出浮游植物的空间分布特征。模拟分析结果显示,夏季南海北部浮游植物主要分布在50m等深线以内。琼州海峡东部海域和汕头海域浮游植物垂向分布较为均匀,上升流的贡献均达到90%以上,表层水平平流输送是浮游植物主要的汇,生物过程是浮游植物的源。珠江口和汕尾海域浮游植物存在表层和次表层两个高值区,羽状流贡献35%～40%,主要促进表层浮游植物生长,而上升流贡献60%～65%,主要促进中底层浮游植物的生长。粤西海域上升流对浮游植物的贡献占92%,主要促进中底层浮游植物生长,而表层浮游植物浓度极低。整体上,夏季南海北部上升流和羽状流主要是通过输送营养盐的方式影响浮游植物的生长。上升流对营养盐的输送作用是向岸方向的爬升输送和平行于等深线的沿岸流输送共同作用的结果。跃层的存在改变了营养盐的垂向输送过程,是导致上升流和羽状流过程对不同水层浮游植物贡献差异的关键因素之一。整体而言,夏季南海北部浮游植物空间分布差异是以上升流、羽状流主导,环流—营养盐—生物过程共同作用的结果。

一个概化的潮汐河口羽状流动力学的初步研究

基于区域陆架海水动力-生态耦合模型(COHERENS)中的三维水动力模型,对一个概化的潮汐河口羽状流动力学进行了初步研究。在均一水深和无风的理想条件下,模拟得到了一个潮周期内概化的潮汐河口表层水体:a)羽状流流场和盐度场的平面分布;b)3种不同河流径流量作用下的羽状流流场和盐度场的平面分布;c)4种不同底床粗糙长度下的羽状流流场和盐度场的平面分布。结果分析表明:a)羽状流的长度在潮汐的作用下递增,而其最大宽度近似呈周期性的变化;b)羽状流的长度和最大宽度都随着河流径流量的增大而分别变长和变宽;c)羽状流的长度和最大宽度都随底床粗糙长度的增大而变小;d)无潮情况下羽状流的凸起明显并存在沿岸流,然而在有潮情况下凸起不明显且无沿岸流;e)水平扩散可能限制了沿岸羽状流的发展。

基于高精度海洋动力模型的珠江口羽状流季节和年际变化规律研究

基于高精度海洋动力模型 FVCOM (finite-volume community ocean model),模拟分析了 1999-2010年珠江口羽状流的季节和年际变化规律,并结合经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分析探讨了影响珠江口羽状流扩展变化的主要动力因子。采用模拟时段内的现场观测数据对多年模拟结果进行验证,结果表明模型具有较高的精度,能够较好地模拟珠江口羽状流的扩展变化规律。模拟结果显示,珠江口羽状流存在显著的季节变化。夏季,受大径流和西南风的影响,羽状流的扩展呈现双向特征,即粤西沿岸扩展和粤东离岸扩展同时存在,扩展范围最大;冬季,径流衰减为最小值,风场转变为强烈的东北风,羽状流被紧紧挤压在西岸,形成狭窄的条带状,扩展范围最小;春、秋两季属于过渡季节,羽状流扩展情况类似,均表现为沿岸向粤西扩展。年际变化层面,夏季羽状流的年际变化最为显著,呈现粤东扩展占优型、近似对称型和粤西扩展占优型三种形态;春季羽状流的年际变化次之,羽状流的差异主要体现在珠江口和粤西海域;秋、冬两季羽状流的年际变化较小,尤以冬季最小。EOF 分析的第一模态可以解释整体变化的 91.2%,反映了径流量对珠江口羽状流的影响;第二模态可以解释整体变化的 4.1%,反映了盛行风对珠江口羽状流的影响。

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。

数据挖掘算法在河口羽状流数据分析中的应用

羽状流的近场扩散角作为河口动力学的关键参数,对河流入海物质的输运扩散过程有重要影响,而在真实环境中由于受到复杂因素的影响,羽状流扩散角存在着显著的变化。数据挖掘技术尽管在地学数据的应用上尚处于探索阶段,但研究这一问题提供了一种有效途径。本文基于马格达莱纳河羽状流近场扩散角及周边环境数据,利用多重数据挖掘算法开展数据分析和评估,最终建立了羽状流扩散模型,对其影响因素和时间序列开展研究。结果表明,数据挖掘算法能够有效指示环境因素的贡献值而不受量纲、极值的影响,从而为进一步探究河口羽状流控制因素提供参考。受数据量和数据精度的影响,随机森林算法得到的变量分析结果与实际情况更为相似,数据集特征与数据量之间的博弈是造成模型结果差异的主要原因。根据数据挖掘算法结果,可以在马格达莱纳河河口建立羽状流扩散角模型,并分析其随环境参数和时间变化的趋势。模型结果显示,对马格达莱纳河而言,环境因素与羽状流扩散角均存在负相关关系,河流的指向方向为最主要影响因素,其次为风速,因此在开展进一步分析时可以针对环境因素添加不同权重以期获得更真实的结果。随时间增长,羽状流扩散角将进一步收紧,可能会引起河口的通道化。