多參數(shù)CTD測(cè)量在富鈷結(jié)殼環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用

郭斌斌，劉方蘭，李 琦

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075;2.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510075)

0 引言

20世紀(jì)70年代起，富鈷結(jié)殼的潛在經(jīng)濟(jì)利益為人們所認(rèn)識(shí)，各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入相應(yīng)的調(diào)查和研究。中國(guó)作為海洋大國(guó)，深知其間涉及的國(guó)家利益和商業(yè)利益，于20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始富鈷結(jié)殼調(diào)查工作(何清華等，2005)。

目前，富鈷結(jié)殼資源調(diào)查集中在中、西太平洋，這與太平洋海底的特殊地質(zhì)條件及富鈷結(jié)殼的成礦機(jī)制有關(guān)(張富元等，2001)。富鈷結(jié)殼主要生長(zhǎng)于碳酸鹽補(bǔ)償深度(CCD)以上、最低含氧層中或以下，并且最低含氧層也可能擔(dān)任物源輸送通道的作用(武光海等，2001;Martin et al，1985);Hein(1992)發(fā)現(xiàn)底流能量與結(jié)殼外形存在關(guān)系;南極底層流與微生物也是重要的環(huán)境因子。另外，隨著大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)的開(kāi)展，國(guó)際社會(huì)也開(kāi)始關(guān)注其可能引起的環(huán)境問(wèn)題，環(huán)境調(diào)查開(kāi)始成為富鈷結(jié)殼資源調(diào)查中不可或缺的一環(huán)。綜上，富鈷結(jié)殼環(huán)境調(diào)查具有2層重要意義：開(kāi)展自然環(huán)境變化基線調(diào)查研究，以評(píng)價(jià)深海采礦活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響程度;研究最低含氧層、底層流等富鈷結(jié)殼成礦因子(梁楚進(jìn)等，2004)。

在富鈷結(jié)殼環(huán)境調(diào)查中，溫鹽深測(cè)量及采水分析是最基本的手段，可以為其他環(huán)境研究工作提供背景參數(shù)?；谇叭嗽贑TD測(cè)量及傳感器研制領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，提出一種多參數(shù) CTD測(cè)量模式。

1 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

溫鹽深測(cè)量及采水，即使用CTD實(shí)時(shí)觀測(cè)壓力、溫度、鹽度參數(shù)，并對(duì)采集的非連續(xù)水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到葉綠素、pH值以及溶解氧等其他參數(shù)(圖1)。SBE 9plus CTD(美國(guó)海鳥(niǎo)公司)常規(guī)搭載24瓶8 L采水瓶，是富鈷結(jié)殼調(diào)查中使用的主流設(shè)備。對(duì)于以上技術(shù)，采水深度的選擇一般通過(guò)預(yù)測(cè)目標(biāo)參數(shù)的拐點(diǎn)深度或參考標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)層位，存在不確定性。另外，水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，多專業(yè)需求讓水樣分配成難題;非原位氣體測(cè)量易引入誤差;非連續(xù)采水獲得的樣本有限，這決定了方法的低垂向分辨率，低采樣頻率也必然會(huì)忽略海洋中的小尺度時(shí)間和空間變化。

圖1 傳統(tǒng)溫鹽深測(cè)量及采水示意圖Fig.1 Sketch showing traditional temperature，salinity and depth measurement and water sampling

與水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試方法相比，傳感器方法顯得更加方便、經(jīng)濟(jì)、高效。全剖面采樣的特點(diǎn)彌補(bǔ)了人為預(yù)測(cè)中存在的不確定性，避免錯(cuò)失海洋中的某些特殊現(xiàn)象。趙衛(wèi)東等(2000)指出了化學(xué)傳感器從污水應(yīng)用轉(zhuǎn)向海洋應(yīng)用所存在的問(wèn)題，并就20世紀(jì)60年代末以來(lái)海洋化學(xué)傳感器的研制情況進(jìn)行了總結(jié)。夏達(dá)英(1997)描述了我國(guó)發(fā)明的水中熒光劑，并在不同水質(zhì)的海區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。劉長(zhǎng)華等(2008)則對(duì)濁度計(jì)在海底熱液活動(dòng)調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，分析該技術(shù)的改進(jìn)方向。戴民漢等(2001)對(duì)國(guó)際上的化學(xué)生物傳感器及其海洋環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒?？梢?jiàn)，20世紀(jì)60年代末以來(lái)，我國(guó)一直致力于多參數(shù)傳感器的研制工作，并取得了相應(yīng)進(jìn)展。

目前，商用可集成的附加傳感器種類(lèi)繁多，可分別針對(duì)溶解氧、葉綠素、濁度、pH值及CDOM等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量(圖2)。為推廣附加傳感器，主流CTD廠商一般捆綁銷(xiāo)售合作方的傳感器產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)的調(diào)查人員并不會(huì)實(shí)際使用它們，依舊更愿意相信水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試方法。究其原因，是因?yàn)楦郊觽鞲衅靼l(fā)展較晚，且大多容易漂移、需要維護(hù)。另外，海洋物理專業(yè)人員負(fù)責(zé)CTD設(shè)備，但對(duì)附加參數(shù)不一定關(guān)心;而海洋生物、化學(xué)專業(yè)人員一般對(duì)設(shè)備了解不多。

圖2 附加參數(shù)傳感器Fig.2 Additional parameter sensors

2 多參數(shù)CTD測(cè)量模式

SBE 9plus作為海鳥(niǎo)公司性能最好的旗艦CTD，擁有8個(gè)0～5 V信號(hào)輸入、12位A/D轉(zhuǎn)換的電壓輸入通道，可支持最多8個(gè)附加傳感器的集成，且每個(gè)通道都有1個(gè)5.5 Hz低通濾波器。利用SBE 9plus CTD的高度可集成性，并在了解傳感器性能的前提下做好日常維護(hù)與校準(zhǔn)工作，將傳感器方法與水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)CTD測(cè)量，最終克服傳統(tǒng)溫鹽深測(cè)量及采水方法的缺點(diǎn)(圖3)。

圖3 多參數(shù)CTD測(cè)量模式圖Fig.3 Multi-parameter CTD measurement model

至于漂移問(wèn)題的發(fā)生，需要深入了解每種傳感器的特性。以SBE 43溶解氧傳感器為例，為了更加精確地測(cè)定海洋中的溶解氧，海鳥(niǎo)公司于2009年對(duì)SBE 43進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，以期得到更快的響應(yīng)速度、主要溫度補(bǔ)償以及更高的穩(wěn)定性(Edwards et al，2010)。同時(shí)，與壓力相關(guān)的SBE 43滯后現(xiàn)象也得到了有效修正。至此，SBE 43傳感器獲得了SBE 9plus CTD的標(biāo)準(zhǔn)配置。

SBE 43的測(cè)量對(duì)象是特氟龍膜表面的溶解氧，測(cè)量結(jié)果對(duì)膜的滲透性表現(xiàn)很敏感，而油濁和細(xì)菌附著會(huì)降低膜的滲透性。葛人峰等(2003)指出，溶解氧膜的有效使用期限為6～9個(gè)月，之后需要進(jìn)行更換。而海鳥(niǎo)公司認(rèn)為在SBE 43產(chǎn)生漂移后，進(jìn)行傳感器清潔可以恢復(fù)傳感器性能，所以他們并不提供現(xiàn)場(chǎng)可更換的溶解氧膜。假設(shè)這一觀點(diǎn)成立，關(guān)于溶解氧膜有效使用期限的結(jié)論很可能是在未進(jìn)行定期清潔的情況下得出的。在野外環(huán)境下，堅(jiān)持定期維護(hù)、清潔并不是一件易事。因此，這2種觀點(diǎn)還有待長(zhǎng)期驗(yàn)證，目前需保留看待。但不管如何，長(zhǎng)期的操作經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明：對(duì)SBE 43進(jìn)行定期維護(hù)、清潔確實(shí)有助于減小漂移的發(fā)生。針對(duì)SBE 43漂移的原因，日常的清潔、維護(hù)需包括：使用Triton X－100短時(shí)間沖洗去除油濁，用稀釋漂白液短時(shí)間沖洗防止生物生長(zhǎng)，盡量將SBE 43儲(chǔ)存于缺氧或接近無(wú)氧的條件下。

為了保證附加參數(shù)的精確測(cè)量，還需要對(duì)傳感器進(jìn)行正確校準(zhǔn)(肖波等，2014)。國(guó)內(nèi)調(diào)查機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)頻率一般為1次/年，而海鳥(niǎo)公司的技術(shù)要求是至少1次/航次。在這一點(diǎn)上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值得借鑒。Bryden(2003)曾在RRS Charles Darwin 139航次報(bào)告中詳細(xì)說(shuō)明，在航次過(guò)程中如何利用測(cè)站水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)校準(zhǔn)附加傳感器，實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)。葛人峰等(2003)也簡(jiǎn)述了溶解氧傳感器的漂移特性，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)溶解氧傳感器方法進(jìn)行了研究。

3 在富鈷結(jié)殼環(huán)境調(diào)查中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)資料及衍生參數(shù)應(yīng)用

溫鹽深測(cè)量是多參數(shù)CTD的最核心功能。在海洋內(nèi)部，位溫、鹽度擁有極端微弱的來(lái)源，一直是環(huán)境調(diào)查中應(yīng)用最廣泛的守恒示蹤物。影響這些參數(shù)的過(guò)程均發(fā)生在海表面，如蒸發(fā)、降水以及熱傳導(dǎo)過(guò)程;而海面以下，除去海水混合，不存在其他能使位溫、鹽度發(fā)生變化的顯著過(guò)程。這意味著借助擴(kuò)散后水團(tuán)的溫、鹽值可以追蹤到它們位于海面的源頭(Talley et al，2011)，這對(duì)富鈷結(jié)殼調(diào)查區(qū)內(nèi)的水團(tuán)研究意義重大。另外，溫度、鹽度、壓力也將作為海洋生物化學(xué)研究的背景參數(shù)。

從CTD獲得的基礎(chǔ)參數(shù)中，也可以衍生出質(zhì)量濃度、聲速等其他參數(shù)服務(wù)于富鈷結(jié)殼資源調(diào)查(圖4)。

(1)多波束測(cè)深可以為富鈷結(jié)殼調(diào)查提供基礎(chǔ)地形資料，同時(shí)，隨著多波束技術(shù)的發(fā)展，水體成像信息已經(jīng)能應(yīng)用于研究水團(tuán)分布、躍層變化以及內(nèi)波等物理海洋學(xué)問(wèn)題(Hughes Clarke，2006)，海底背散射技術(shù)也在富鈷結(jié)殼地質(zhì)識(shí)別及選區(qū)方面有所應(yīng)用。而CTD能為多波束提供高精度的聲速全剖面數(shù)據(jù)，省去額外的SVP觀測(cè)，也可與SVP觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，確保聲速數(shù)據(jù)的可信度。

(2)近年來(lái)，AUV、ROV以及載人潛水器以功能多、綜合作業(yè)能力強(qiáng)、精細(xì)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)先后運(yùn)用于大洋調(diào)查，而CTD可為此類(lèi)載體的配重提供密度數(shù)據(jù)。

圖4 麥哲倫海山群M海山CTD基礎(chǔ)資料及衍生參數(shù)調(diào)查Fig.4 Basic data and derived parameters of CTD for the M seamount in the Magellan Seamounts

(3)CTD近底時(shí)，利用實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)和高度計(jì)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出海底深度。這提供了另一種單點(diǎn)原位測(cè)深方法，也可用于從另一方面驗(yàn)證多波束數(shù)據(jù)的精確性。

3.2 最低含氧層調(diào)查

最低含氧層是富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)因子，同時(shí)溶解氧也是研究海水年齡的重要指標(biāo)。多參數(shù)CTD測(cè)量模式使用少量水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)校準(zhǔn)傳感器，在低工作量情況下獲取高采樣率、高分辨率的溶解氧數(shù)據(jù)。以麥哲倫海山群M海山調(diào)查為例，在M14、M13測(cè)站選取合適的水樣對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，將多參數(shù)CTD模式與水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試模式的結(jié)果繪于圖中進(jìn)行對(duì)比(圖5)，可得出以下結(jié)論。

(1)調(diào)查區(qū)內(nèi)溶解氧濃度呈現(xiàn)明顯層化分布，高值出現(xiàn)在125 m以淺的上層，在真光層的50～125 m深度區(qū)間達(dá)到最大值;溶解氧最小值出現(xiàn)在600 m附近，最低含氧層較為發(fā)育。

圖5 麥哲倫海山群M海山溶解氧調(diào)查模式對(duì)比Fig.5 Correlation of models of dissolved oxygen in the M seamount of the Magellan Seamounts(a)Station M14;(b)Station M13

(2)2種模式獲得的結(jié)果擬合較好，尤其是溶解氧高值區(qū)。在溶解氧低值區(qū)域，2種模式的結(jié)果在趨勢(shì)上表現(xiàn)一致，但數(shù)值吻合度不如高值區(qū)域，這與獲取的低溶解氧濃度水樣質(zhì)量有關(guān)。一般對(duì)于溶解氧測(cè)試來(lái)說(shuō)，獲取高質(zhì)量的水樣并非易事，尤其是當(dāng)溶解氧低于2～3 mL/L時(shí)，處于欠飽和狀態(tài)的水樣會(huì)在CTD回收及水樣轉(zhuǎn)移過(guò)程中溶解外來(lái)氣體。另外，溶解氧傳感器的漂移模式為斜率漂移。所以可以推斷與水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試模式相比，若校準(zhǔn)所用水樣質(zhì)量足夠高，多參數(shù)CTD模式得出的結(jié)果顯得更加可信。

(3)M14站位，水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試模式獲得的最低含氧層位于600 m深度附近，這與多參數(shù)CTD模式的結(jié)果相一致。但對(duì)于M13站位，若采用水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試模式，最低含氧層將被定位于800 m以深，而真實(shí)的最低含氧層卻位于600 m深度附近。由此看來(lái)，高分辨率的多參數(shù)CTD模式更有助于進(jìn)行分析。

4 其他可進(jìn)行的環(huán)境參數(shù)調(diào)查

進(jìn)行上層葉綠素觀測(cè)，計(jì)算浮游植物分布濃度，有助于研究調(diào)查海區(qū)生產(chǎn)力酸堿度屬于非守恒示蹤物，屬于海洋碳系統(tǒng)的重要一環(huán)。而濁度是基本的海洋光學(xué)參數(shù)，可表征水體中懸浮顆粒物的濃度，以作為水團(tuán)的獨(dú)立示蹤物，與海洋生物活動(dòng)有密切聯(lián)系。海洋環(huán)境具有復(fù)雜性，往往需要同時(shí)對(duì)多種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。所以，目前海洋環(huán)境觀測(cè)設(shè)備基本配置了一些相關(guān)傳感器，但此類(lèi)設(shè)備存在共同缺點(diǎn)：儀器主體可兼容性差，表現(xiàn)為同時(shí)可兼容傳感器數(shù)量少，支持類(lèi)型單一;儀器主體處于運(yùn)動(dòng)時(shí)觀測(cè)表現(xiàn)較差，不適合進(jìn)行高精度的剖面觀測(cè)。

得益于SBE 9plus CTD優(yōu)良的可集成性，多參數(shù)CTD可參照溶解氧調(diào)查模式，同時(shí)進(jìn)行包括葉綠素、酸堿度、濁度等8種環(huán)境參數(shù)調(diào)查;此外，激光現(xiàn)場(chǎng)粒度儀等具備自記錄能力的自容式儀器也可與多參數(shù)CTD框架捆綁搭載使用。試驗(yàn)表明，SBE 9plus CTD在常規(guī)溫鹽深剖面測(cè)量中可搭載多種環(huán)境參數(shù)傳感器，能快速、高效和實(shí)時(shí)提供同步多環(huán)境參數(shù)剖面，滿足海洋環(huán)境立體觀測(cè)的需求，具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

將水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試與傳感器方法相結(jié)合，建立多參數(shù)CTD測(cè)量模式，用于富鈷結(jié)殼環(huán)境調(diào)查，取得了較好的結(jié)果。

(1)利用SBE 9plus CTD的高度可集成性，多參數(shù)CTD測(cè)量模式能對(duì)富鈷結(jié)殼區(qū)進(jìn)行除溫度、壓力和鹽度外多達(dá)8種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行同步觀測(cè)，更符合富鈷結(jié)殼環(huán)境調(diào)查的需求。

(2)以麥哲倫海山群M海山調(diào)查為例，將多參數(shù)CTD測(cè)量模式與傳統(tǒng)方式對(duì)比，發(fā)現(xiàn)多參數(shù)CTD測(cè)量在富鈷結(jié)殼環(huán)境調(diào)查中顯得更加高效、準(zhǔn)確、精細(xì)。

但值得注意的是，附加傳感器的穩(wěn)定性以及校準(zhǔn)誤差控制，仍是今后需要努力解決的問(wèn)題。也許部分研究人員更加信賴傳統(tǒng)水樣現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試，但容易推想，更高效便捷的傳感器方法必然是技術(shù)發(fā)展的大方向。此時(shí)，不妨讓2種模式并存，互相驗(yàn)證、互補(bǔ)不足。

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