（机械电子工程专业论文）龟山岛海域热液原位观测数据的小波处理及分析.pdfVIP

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 目前已知的海底热液活动区域大部分存在于深海中，人们对深海热液的研究起步早，研 究探讨也较为透彻。浅海区热液喷发组分的理化性质与深海热液有不同之处，越浅的热液喷 口较深海热液喷口受潮汐影响越加明显。浅海热液喷口虽距离人类生活区域较近，但目前对 浅海热液温度与潮汐周期变化的相关性所作研究并不是很多，本文以此为出发点，对其进行 深入研究。 众所周知由于受到海底复杂环境的影响，要获得热液喷口原位观测数据不是一件容易的 事情，而研制出适合于在海底热液环境工作的传感器采集系统对于海底热液活动的研究就显 得格外重要。论文实际使用的热液序列传感器采集系统，采用p t l 0 0 铠装热电阻做温度探头， 压力测量选用压力变送器，同时将传感器输出的模拟信号经放大、滤波处理后由微处理器的 1 2 位数模转换器转换为数字信号，并和时钟信息一同存储在f l a s h 芯片中。序列传感器的使 用，有效避免了使用单一传感器在发生意外故障导致无法工作时而影响整个工作成果的情况。 2 0 1 1 年5 月，项目组在台湾宜兰外海的龟山岛海域进行海试，由潜水员将热液序列传感 器采集系统安放在龟山岛海域热液白泉喷口( 坐标：2 4 8 3 4 1 9 n ：1 2 1 9 6 1 9 8 e ) ，采集了数十 万组探测数据，温度和压力变化均呈现出一定的周期性。 本文将此次龟山岛海试取得的海底热液的原位观测数据用m o r l e t 小波分析处理，得到温 度与压力在时间尺度下不同的变化周期。小波分析结果显示，压强在时间尺度为1 3 小时的变 化周期方差强度高，反映出当地潮汐以半日潮为主；而在时间尺度为3 0 小时的变化周期，小 波方差亦有一定强度，说明当地潮汐兼有全日潮的性质。温度的变化周期与压强的变化周期 不尽一致：温度变化的主周期是1 0 5 小时，而压强( 潮汐) 主周期是1 3 小时，存在2 5 小 时的尺度差。似乎可以认为，热液喷发强度和海水涨落有着一致的内因，即月球和太阳对地 球的引力，但地内流体( 热液) 和地表流体( 海水) 对外引力的响应却不尽相同。 关键词：海底热液，龟山岛，原位探测数据，小波分析，周期性 杭州电子科技大学硕- 上学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o s to fh y d r o t h e r m a la c t i v i t ya r e a sa r ek n o w na td e e ps e a r e s e a r c ho nd e e ps e a h y d r o t h e r m a la c t i v i t ys t a r t e de a r l i e ra n dt h es t u d yw a st h o r o u 曲l yc o m p a r e dw i t hs h a l l o ws e a h o w e v e r , t h el o c a t i o no fs h a l l o ww a t e re r u p t i o ni sc l o s et op e o p l e sl i v i n ge n v i r o n m e n t ；t h ea f f e c t o fh u m a na c t i v i t yi sn o ta v o i d e d c o m p o n e n to fh y d r o t h e r m a le r u p t i o na n dp h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e sa r ed i f f e r e n tw i t hd e e ps e ah y d r o t h e r m a ll i q u i d t h e r ew a sn o tm u c hs t u d y o nc o r r e l a t i o n b e t w e e nh y d r o t h e r m a lt e m p e r a t u r eo fs h a l l o ws e aa n dt i d a lp e r i o d i c i t y , a n dt h ee f f e c to fr e l a t e d p r e s s u r ec a u s e db yt i d a lo nh y d r o t h e r m a lv e n to fs h a l l o ws e ai sm o r ep r e v i o u s l y a si sk n o w nt oa l l ，i ns i t uo b s e r v a t i o nd a t ai sn o te a s yt og e td u et ot h ec o m p f i c a t e d e n v i r o n m e n to fs e af o o r , m a n u f a c t u r e dv a r i o u sk i n d so fs u r v e ys e n s o rw h i c hc a nw o r ki n h y d r o t h e r m a le n v i r o n m e n ts e e m se x t r e m e l yi m p o r t a n tt oh y d r o t h e r m a lr e s e a r c h i no u rj o b ，t h e t e m p e r a t u r es e r i e s s e n s o r sw eu s e di no u rj o bw e r ei n d e p e n d e n tr e s e a r c h , t h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tp r o b ei sm a d eo fp tl0 0s h e a t h e dt h e r m o c o u p l e ，p r e s s u r ew a sm e a s u r e db yp r e s s u r e t r a n s m i t t e r , a l t e rm a g n i f y i n ga n df i l t e rp r o c e s s i n g ，t h es i m u l a t i o ns i g n a lo u t p u t t e db ys e n s o r sw a s t r a n s f o r m e dt od i g i t a ls i g n a l , t o g e t h e rw i t hc l o c ks a v e di nac h i po ff l a s h u s i n gs e r i e ss e n s o r sc o u l d m a k es u r et h a tt h es u r v e ys t i l lm a k i n go n c eas e n s o rs t o p sw o r k i n gb ya c c i d e n t f r o mm a y2 5t o3 0 , 2 01l ，aj o i n tr e s e a r c hw a st a k e no nt h eh y d r o t h e r m a lv e n t so nt h es e a f l o o r o fk u e i s h a ni s l a n d ，a n das e r i e so fs e n s o r sw e r el o c a t e da taw h i t es p r i n gv e n t ( 2 4 8 3 4 l9 n ； 121 9 619 8 e ) ，w h i c hl i e sc l o s et ok u e i s h a ni s l a n d ，t ot h en o r t h e a s to ft a i w a ni s l a n d ，h u n d r e d so f t h o u s a n d so f s e t sd a t aw a sg o t ，b o t ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es h o wc e r t a i np e r i o d i c i t y i ns i t uo b s e r v a t i o nd a t aw e r ep r o c e s s e dw i t hm o r l e tw a v e l e t w a v e l e tc o e f f i c i e n t so f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ew e r ec a l c u l a t e da n dv a r i a t i o np e r i o d i c i t i e so ft h et w of a c t o r sw i t ht i m e w e r ee x t r a c t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co fl o c a lt i d a lw e r eb o t hs e m i - d i u r n a l p e r i o d i c i t y a n dd i u r n a lp e r i o d i c i t y t h ep e r i o d i c i t yo ft e m p e r a t u r ew a si n c o n s i s t e n tw i t ht h e p e r i o d i c i t yo f p r e s s u r e ，w h i c hw a se x p l a i n e da st h e r eh a dt h es a m ei n t e r n a lc a u s eb e t w e e ns t r e n g t h o fh y d r o t h e r m a le r u p t i o na n dt h ef l u c t u a t i o no fs e aw a t e r , b u td i f f e r e n tr e s p o n s et ot h ee x t e r n a l g r a v i t a t i o n a lt h eh y d r o t h e r m a la n dt h es e aw a t e r k e y w o r d s ：s e a f l o o rh y d r o t h e r r n a l ，k u e i s h a ni s l a n d ，i n s i t uo b s e r v a t i o nd a t a ，w a v e l e ta n a l y s i s ， p e r i o d i c i t y 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 随着工业化生产的发展，人类对能源的消耗速度日益增长，陆地蕴藏的矿产资源日渐枯 竭，人们已经感到一种比“能源危机”更为严重的资源短缺，将会给经济建设带来沉重的打击 【i 】。对资源短缺的这一观点的认知促使发达国家把目光转向海洋。众所周知，地球表面7 1 为海水所覆盖，在广袤的洋底蕴藏着矿物资源丰富的海底热液。进入2 l 世纪，各国纷纷制定 新的海洋战略，重视海洋的开发和利用，从海洋经济利益、安全保障、海洋资源保护、海洋 探求、海洋产业等方面，制定了符合各自国情的开发海洋、利用海洋资源的战略。随着我国 经济的快速发展，开发海洋资源，大力发展海洋经济，建设海洋经济强国也逐步成为我国首 要的战略目标。 1 2 海底热液 海底热液活动是一种自然现象。热液( h y d r o t h e r m a ll i q u i d ) 一般由热液流体、热液沉积 物、热液柱和喷口生物构成。1 ) 热液流体：可视为一种主要为酸性的溶液，可包含气、液、 固三种相态的物质。其温度范围较广，可从2 一3 0 0 。化学组分主要是水，另外还包括如 l i 、n a 、k 、r b 、m n 、p b 、c i 、s 等元素：2 ) 热液沉积物：是指除热液流体、热液柱和喷口 生物以外的海底热液活动的直接产物，包括硫化物、自然硫、硫酸盐、氧化物等矿物组成， 主要呈烟囱体、丘状体、脉体和壳体产出；3 ) 热液柱：是由喷出的热液流体形成，因为热液 流体的密度与海水相比偏小，压力偏大，喷出的热液流体脱离喷口，呈羽状体上浮，达到中 性浮力面，并漂出一定的距离；4 ) 喷口生物群：由于热液喷发为洋底生物提供了食物来源及 能量来源，因而在海底这个生命禁区里也有特殊的生物群落存在，而生物的活动又对热液的 性质和组成成分产生影响，同时又改变了海底热液及热液成矿的特征。对热液产生的海底生 物群落的研究不仅有利于新生物种群的发现，同时对生命起源等有关问题的探讨也提供了新 的解决途径。 1 3 海底热液研究现状 一般认为1 9 4 8 年红海发现温盐异常，标志着海底热液活动研究的开始。在海底热液活动 的调查以及研究过程当中，很多国家，包括美国、日本、德国、法国、加拿大等，都先后对 太平洋海隆、中大西洋洋脊，西南太平洋岛弧以及弧后盆地等海域，多次进行热液活动调查 以及深海样品采集，且已取得重要成果。而对北冰洋、南极海域、印度洋等地区的调查研究， 则是最近几年的研究热点，出海考察的航次数也大有增加之势，但即便如此迄今国际上重点 l 杭州电了科技大学硕士学位论文 调查研究的区域，仍然集中在太平洋和大西洋海域。 至1 9 9 6 年的将近三十年的海底热液活动研究中韵主要事件有( 高爱国等) 【2 l ：1 ) 高温 高盐镕液的发现：1 9 4 8 年，瑞典科学家借助“信天翁号”考察船，在a t l a n t i s 海渊附近发现 了红海“热卤水洼地 ，从而开始了海底热液活动的研究；2 ) 多金属沉积物的发现。1 9 6 1 年 由s k o m y a k o w a 在东太平洋海隆发现洋底热液性多金属沉积物，该沉积物的产生与热液活动 有关：3 ) 异常h e 的发现。1 9 6 9 年c 1 a r k e 等人，测出有过量的3 h e 在东太平洋海岭的中深 层水体中存在，这使得3 h e 成为寻找热液活动的示踪剂；4 ) 发现活动热液区：美国国家海洋 及大气局( n o a a ) ，在1 9 7 2 年执行t r a m a t h n t i cg e o t r s v e r s e 的海试计划中，在大西洋洋中 脊发现t a g 热液区，这是当时发现的第一个活动的热液区( s e o r 等，1 9 7 4 ) ；5 ) 富含f e 、 m n 的沉积物于七十年代初期在劳海盆发现；6 ) 首次玄武岩海水反应的实验室模拟实验：由 b i s e h o f f 等( 1 9 7 5 ) 进行玄武岩蚀变试验，从而掌握了海底成矿热液生成的物理化学条件；7 ) 1 9 7 6 年利用深潜器“阿尔文号”，实现了对海底热液喷口进行直接观察，发现了生物群落， 与热液活动密切相关，而且对热液温度进行了测定( c o r l i s s 等，1 9 7 9 ) ；8 ) 海底热液活动元 素通量研究：由“阿尔文号”在加拉帕戈斯扩张中心深潜时完成( c o r f i s s 等，1 9 7 7 年) ；9 ) 首次在洋底发现“矿石级”富含有色金属沉积物，在海底直接观察到暴露于海底的墩状热液 硫化物；1 0 ) 1 9 7 9 年“阿尔文号”在东太平洋海岭2 l o n 发现热液端员组分，其温度高达3 5 0 ： 1 0 ) 热液生物研究：通过对热液喷口处的生物群落进行调查，研究原始生命起源的可能方式； 1 1 ) 高温热液沉积物的发现：温度高达3 1 5 的热液流体，由v o n d a m m 等人利用“阿尔文号 ， 于1 9 8 5 年在瓜伊马斯海盆采得，为油气生成研究提供了新的途径；1 2 ) 在慢扩张洋脊发现温 度最高的热液喷口；1 3 ) 1 9 8 3 年美日联合考察首次在非洋脊的海槽区找到了海底热液溢口； 1 4 ) 冲绳海槽成为当今热液活动的热点地区之一：1 9 8 4 年发现了与热液活动有关的死烟囱； 1 9 8 8 年发现热液硫化物矿床；1 9 8 9 年发现活动的“黑烟囱”；1 9 9 1 年发现的热液烟囱，喷出 温度高达2 7 8 ，这些热液活动的相继发现，使冲绳海槽成为当今世界各国开展热液活动调 查研究的热点地区之一；1 5 ) 1 9 9 7 年，d s d p o d p 已有近2 0 个航次、7 0 余个钻孔遇到热液 作用踪迹或者热液产物，这使得海底热液研究得到空前的发展，不仅揭示了洋壳结构和热液 循环状况，同时为研究热液流体、地球化学通量，以及有关热液蚀变成矿作用灯等，都提供 了有力的依据1 2 l 。 目前来看各国相关的研究更加频繁深入1 ) 美国：相继对太平洋海隆( 1 3 。s 2 1 。以 及中大西洋洋脊( 2 6 。s 2 3 。n ) 进行了海底调查，并于2 0 0 1 年3 月在北大西洋布设了水下自 治听音裂”，2 0 0 2 年7 月由深潜器获取了原位观测数据；2 ) 法国：法国的调查不仅局限在中 大西洋、东太平洋部分海域，而且范围逐步扩大，至西南太平洋弧后盆地，以及大西洋海隆； 3 ) 德国：其调查范围主要在新爱尔兰盆地、冰岛g r i m s e y 热液活动区；4 ) 加拿大：在热液 活动及矿床调查上，加拿大也取得了重大突破( i n t e r r i d g en e w s ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 ；i n t e r r i d g e w o r k s h o p ，2 0 0 3 ) ，并将继续开展工作；5 ) 日本：调查范围正从传统的冲绳海槽、伊豆一小 笠原一伯宁岛弧和马里亚纳海槽，拓展到印度洋和南极地区；6 ) 其他国家：包括意大利、印 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 度和韩国等，在针对海底热液硫化物的调查研究方面，也加大了投入力度 4 1 。 我国对海底热液研究非常重视，主要参加的研究调查活动有： ( 1 ) 对马里亚纳海槽的热液活动调查：于1 9 8 8 年7 月8 月，中德合作s 0 5 7 航次，国家 海洋局一所参加了此次活动； ( 2 ) 东太平洋海隆热液沉积物样品采集：1 9 8 8 年9 月1 9 8 9 年1 月，中科院海洋所参加 苏连“维诺格拉多夫号 ，在太平洋开展了为期五个月的综合考查； ( 3 ) 东海陆架和冲绳海槽海底热流调查：1 9 9 0 1 9 9 1 年，中科院海洋所在该地区海域进 行了三个航次的科学考察； ( 4 ) 冲绳海槽的热液活动调查：1 9 9 2 年6 月，由中科院海洋所、地球化学所合作，搭 乘“科学一号”完成； ( 5 ) 冲绳海槽热液活动的专门调查：1 9 9 4 年，由中科院海洋所组成考察小组，再次对 该地区进行调查研究； ( 6 ) 马里亚纳海槽进行的大洋热液矿点试验调查：1 9 9 8 年1 1 月，由“大洋一号”d y 9 5 8 第五航段完成； ( 7 ) 热液硫化物样品在东太平洋海隆区拖网采得：2 0 0 3 年1 1 月到2 0 0 4 年1 月，由中 科院海洋搭乘“大洋一号”实现。 我国对现代海底热液研究，尤其是对海底硫化物的研究极为重视，但目前热液活动研究 中，主要存在着调查区域很局限、调查采样设备落后、无法得到大量第一手的热液硫化物及 热液沉积物样品，来满足相关科学研就得需要，以及存在着国际间合作不足等问题，因此在 尽快开发研制出有特色的实用性强的的海上调查采样设备的同时，也应更多地参与国际间组 织的大型调查研究工作，尽快掌握海底热液的调查研究方法和技术【4 1 。这些将对于我国提高 海洋资源调查研究水平起到至关重要的作用。 i 对海底热液的研究，一直以来人们主要集中在深海热液系统，而对浅海热液研究相对较 少。本文将讨论的主要内容，即龟山岛海底热液研究，属于浅海热液研究，对此在本文第二 章将做较为详尽的介绍。 1 4 研究意义 海底热液活动向海洋提供了大量的物质与能量来源，而目前能源紧缺成为日益加剧的矛 盾，从这一角度讲研究海底热液具有非常重要的意义。研究表明鲍海盆富含f e 、m n 的沉积 物，其中约8 4 的f e 、约7 0 的m n 来自热液活动( h e a t h 和d y m o n d ，1 9 7 7 ) t 习；太平洋中 部锰结核物质中，也有高达8 0 来源于海底热液喷发【6 】；而专家认为热液性锰是小笠原岛弧 区锰结壳、锰结核的重要物质来源( u s u i 等，1 9 7 7 ) 7 1 。 有关海底的热液活动，除了与铁锰结核、结壳有密切关系外，其与海底大量蕴藏的油气 资源、气体水合物资源等等，都有某种成因上的联系：尾原良道根据日本岛弧上存在的油气 与黑矿，所呈现出的对应带状分布的现状，就曾在1 9 8 2 提出了黑矿石油同源说【明；在对瓜伊 杭州电子科技大学硕士学位论文 马斯海盆热液活动的研究发现，海底沉积物中含有较高含量的多环芳香烃、烯烃、焦油等成 油物质，由此证明热液活动正是一个功效显著的生油场所( v o nd a m m 等，1 9 8 5 ) 1 9 - 1 0 1 。 海底热液不仅向海水中排放大量重金属元素【l 卜坨】，而且热液带来的营养元素在海水中扩 散，也会影响海洋生物产率和的碳循环【1 3 1 。不仅如此，热液系统也是c 0 2 等温室效应气体的 重要来源。比如沿火山岛弧由海底气泡流释放的气体是大气c 0 2 的重要来源之一【1 4 - 1 5 。目前 已知的海底热液活动区域大部分存在于深海中，人们对深海热液的研究起步早，研究探讨也 较为透彻。然而浅海区热液喷发由于地理位置上距离人们生活区域较近，受人文活动等环境 影响较大，其热液喷发组分的理化性质与深海热液有不同之处，尤其是浅海热液温度与潮汐 周期变化的相关性所作研究并不是很多，而越浅的热液喷口受潮汐影响则较为深海更加明显。 w e m e r 等人观测了美国黄石公园热泉盆地( h s b ) 热泉气体的成分和流量，得到的结果为： h s b 地热区c 0 2 的通量为4 1 0 4 - 1 4 0 吨天( 未包括喷口直接排放) ，而h s b 地区热扩散和挥 发份通量仅占整个黄石地区的一小部分( c 0 2 的1 - 3 ，热量的2 - 8 ) 。这些数据表明，浅海 热液系统释放的c 0 2 等温室效应气体，对研究全球变暖和海洋酸化等重大基础理论问题是不 能忽略的因素。此外，研究热液带来的生命营养元素对表层海水生物产率的影响，也是认识 海洋大气碳循环的重要环节。可以说，浅水区海底热泉系统，是研究热液环境和生态效应的 天然实验室。 由此可见，对海底热液的研究，不仅对海洋能源的利用与开发拒有积极意义，而且对海 洋地质学乃至整个海洋科学，尤其是海洋化学、海洋生物学等相关学科的研究、发展，都具 有广泛的推动作用。 1 5 本文的主要内容和研究方法 1 5 1 选题背景及研究内容 为进一步研究探讨台湾东北部海底热液系统与海底岩石、海水、海洋生态环境以及大气 之间的物质、能量交换机制，探究浅海热液系统的活动规律及理化特性，由浙江大学海洋科学 与工程学系陈鹰教授与国际知名海洋学家、台湾中山大学陈镇东教授联合发起“台湾龟山岛 热液区海试计划”，双方联合考察龟山岛海底热液，本文作者参加了这项海试计划的第二次赴 台湾海试工作。此次海试工作于2 0 11 年5 月2 5 日至5 月3 0 日在台湾龟山岛海域展开，进行了多项 取样及探测工作。海试过程中由浙江大学及杭州电子科技大学自主研制的热液传感器由潜水 员下潜安放在水深约1 6 米的白色热泉口，探测数据按照4 秒时间间隔采集，取得数十万组数据。 本文只对热液序列传感器获取的热液喷口温度及水压进行分析研究，得到温度与压力在时间 尺度下不同的变化周期。结果显示：压强在时间尺度为1 3 d x 时的变化周期方差强度高，反映 出当地潮汐以半日潮为主；而在时间尺度为3 0 d x 时的变化周期，小波方差亦有一定强度，说 明当地潮汐兼有全日潮的性质。温度的变化周期与压强的变化周期不尽一致：温度变化的主 周期是1 0 5 小时，而压强( 潮汐) 主周期是1 3 d x 时，存在2 5 d , 时的尺度差。导致这一结果的 原因可能是因为热液喷发强度和海水涨落有着一致的内因，即月球和太阳对地球的引力，但 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 地内流体( 热液) 和地表流体( 海水) 对外引力的响应却不尽相同的结果。 1 5 2 分析方法 本文的主要工作在于获取原位观测数据的周期性，分析其周期的实际物理意义。由于作 者参加了此次海试工作，深知在海试的前期准备、出海作业、设备回收、后期数据处理等等 过程，加上海底环境多变及未知因素等，所获取的原位观测数据的不易及数据的珍贵。而由 于海上作业的特殊性，导致原位观测数据噪声大，时间跨度小，所以在综合比较了方差分析、 谱分析等分析方法后，决定采用小波分析来作为本文原位观测数据的分析方法，采用 m a t l a b 作为分析工具软件。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章龟山岛海域热液 2 1 引言 海底热液活动生成的地质体很多，一般为硫化物、铁锰氧化物、碳酸盐、硅酸盐等。目 前对海底热液硫化物的研究较为重视，但铁锰氧化物及碳酸盐、硅酸盐的潜在价值也不容忽 视。与国外相比，我国在结核、结壳、热液硫化物、气水化合物等方面的研究起步均较晚， 在海底热液活动产物研究方面，尤其不能仅限于海底热液硫化物，而要拓宽范围，对海底热 液活动形成的其它潜在资源也加以综合研究。 目前对热液的研究主要包括： 1 ) 热液硫化物及其他同位素研究。海底热液活动形成的矿物多为硫化物、硫酸盐等， 这些为研究硫同位素提供了很好的资源；进而深入探讨包括海水中硫酸盐对烟囱体形成的贡 献，以及烟囱体的形成机制等问题；其他如热液中钙锰元素及成矿作用的研究也有涉及【1 6 一引。 2 ) 热液沉积物研究：岩心沉积物很好地记录了热液活动的发展演化，袁春伟、曾志刚 等对东太平洋海隆热液活动区沉积物岩心进行了碳酸盐、常量和微量元素测定【1 9 】；翟世奎等 对采自冲绳海槽中部现代海底热液活动区的h 9 岩心沉积物进行了常量、微量元素分析【2 0 l ；曾 志刚、翟世奎等认为：海底扩张中心的扩张速率，与热液沉积物的铅同位素组成，二者之间 存在一定的对应关系，但对于热液沉积物铅同位素组成来讲，并不是唯一的控制因素【2 1 1 。 3 ) 热液成矿作用的研究：不同构造环境的热液矿床具有不同的地质和地球化学特点， 主要包括热液矿床产出的构造背景、围岩类型、矿区的矿物及矿物组合特点，以及不同热液 区矿床的元素组成、稀土和硫同位素特点等，不同热液区热液矿床地质和地球化学特点差异 的根本原因在于所处构造环境的不同和扩张速率的差异【2 2 1 。 4 ) 热液喷口生物微生物研究：通过调查发现，除温度外，环境化学参数、地理位置、 喷口类型、热液活动周期、生物可利用率等因素都对深海热液喷口生物群落分布产生影响。 由于受探测技术等因素影响，我国对海底热液生物研究较晚。在2 0 0 5 年我国首次大洋环球科 学考察中，于东太平洋洋隆、大西洋中脊、印度洋中脊开展了热液生物的调查，并在印度洋 首次采集到深海藤壶、海葵和虾等热液生物【2 3 】。 在研究方法上，由于海底的高温高压以及异常的热液环境等极端因素，使得传统的深海 调查研究方法，早已经远远不能满足现代热液活动研究的需要，深潜器技术、保真采样技术、 直视采样技术、定点监测技术，以及模拟实验技术等，正成为近年来国内外致力发展的，与 热液活动密切相关的主要调查研究技术手段，但在技术开发中存在一些不足。翟世奎等在分 析了国内外近年来用于海底热液活动的技术手段，在此基础上，提出了我国在在海底热液研 究领域技术方面发展的迫切性，以及应优先发展的技术及研究领域，包括：异常环境探测传 感器技术；直视采样技术；保真采样技术；室内模拟实验技术；加强相关技术开发领域的国 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 际间合作 2 4 - 2 5 1 。 对热液活动的研究大多集中在水深2 k m 的深海热液系统【2 6 1 。浅海热液在热液流体温度、 流体酸碱度、形成矿物、单质等方面都与深海热液有所不同。刘长华等认为浅海型热液活动 与火山活动紧密相关，而现代浅海型热液活动往往出现于近海岸处，距离人类生活较深海热 液活动更加接近，所以浅海热液活动对周围环境影响的深度及广度应该成为下一步研究重点 2 7 1 。浅海型热液活动出现的地形介于陆上热泉和深海热液活动地形之间，一般水深在2 0 0m 内，对于浅海热液系统的研究近几年才开始重视【2 8 。2 9 】。 2 2 龟山岛海域热液研究现状 龟山岛( 又名龟山屿) ，地处台湾东北部宜兰海湾，距离宜兰头城海岸约1 5 公里，是一 处孤悬于海中的火山岛，因其形状似一只浮于海中的乌龟而得名。龟山岛位于台湾板块碰撞 断层延伸处，也是冲绳海槽张裂系统的最南端，其地理坐标为1 2 1 。5 5 7 e ，2 4 。5 1 7 n 。在 岛的东边海底分布3 0 几处海底热泉，水深在1 0 2 0 米【3 0 1 ，其喷口流体的温度最高可高达1 1 6 。 c ，p h 值最低可达1 5 2 【3 ，是世界上己知p h 最低的海底热液，也是中国海域目前唯一己知 的海底热泉密集分布区。 在大地构造背景上。龟山岛和大屯火山群处于冲绳海槽弧后扩张带与西太平洋板块俯冲 带的接合部位，该区复杂的构造背景，以及地壳深处存在的活动性地下岩浆房1 3 2 1 1 3 引，说明台 湾东北部火山群仍处于较活跃状态。对海底热液活动的原位探测与综合研究，将有助于认识 西太平洋构造岩浆活动规律，并对区内火山、地震及其引发的次生灾害的预测和预警有一定 意义。 海底热液系统是地下岩浆房与海水进行物质与能量交换的窗口。在龟山岛附近海域，海 底热液喷口的水深仅数米至数十米不等，海底热液流体带来的组分，尤其是生物毒性元素和 限制性营养元素，直接进入了海洋表层的生物圈，并有可能通过食物链进入人体。从这一意 义上说，浅海热液活动所引起的物质成交换对人类生存环境有直接影响。 图2 1台湾龟山岛国际海底火山研究热点地区 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 龟山岛及附近海域的调查和研究主要涉及的内容包括： 台湾大学陈于高等人( 1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 在龟山岛火山碎屑岩中砂岩捕虏体的热释光年龄， 其热释光年代为距今7 0 0 0 8 0 0 年，因此在地质定义上将龟山岛视为活火山【3 4 】【3 5 1 ； 台湾中山大学陈镇东等人( c h e r tc t a ，z e n gz gk u oe w ，c ta 1 ，2 0 0 5 ) 研究了龟山岛海 底热液的流体成分、气体成分、硫磺烟囱的s 同位素组成，以及这些海底热液对环境生态的 影响，并通过海底喷口热液、矿物、气体、周围沉积物等采样分析，以及对热泉口进行温度 记录等等，对龟山岛海底热液活动进行了初步调查，进而了解龟山岛海域热液活动及喷发过 程【3 6 1 ； 台湾大学杨灿尧等人【3 刀报道了龟山岛海底热液的气相组成，以及h e 、n e 同位素特征； 中国科学院海洋研究所刘长华、曾志刚等人( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ，2 0 0 9 ) 研究了龟山岛热液硫 磺烟囱的特征，及其硫同位素和铅同位素组成【3 & 4 0 1 ；曾志i 习1 ( z e n gz g ，e t a 1 ，2 0 1 1 ) 等人从微 量元素和稀土元素角度讨论了龟山岛海底热液周围硫磺球的形成机理【4 1 l ； h s u 等人( 2 0 0 3 ) 根据锚系捕获的沉积物颗粒及其元素含量特征，推断了冲绳海槽西南 端的海底热液分布，其中有四处在龟山岛邻近海域f 4 2 1 ； 硒等人( 2 0 0 9 ) 研究了生活在龟山岛热液区喷口附近螃蟹( x e n o g r a p s u st e s t u d i n a t u s ) 的基因，发现这种螃蟹的t r n a s 基因变异与热液有关【4 3 】。 2 3 研究意义 通过对龟山岛及其海域的热液研究的开展，为进一步综合研究台湾东北部海底热液系统 与海底岩石、海水、海域周边生态环境，以及海气之间的物质与能量交换等广泛的研究领域 打下了基础。从研究方法的角度，前人工作主要使用了传统的采样分析技术，一些挥发性组 分在采样过程难免会受到大气污染，p h 值、e h 值等参数从热液喷口到实验室会发生较大变 化。此外，采样技术本身对样品的代表性也有较大影响。v i l l a n u e v a 等人( 2 0 0 6 ) 对比了用不 同的采样方法采集浅海热液的效果，发现不同方法的效果有明显差别；他们还指出，受化学 再平衡影响较大的组分( 如碳酸氢根) 最好使用原位分析技术1 4 4 j 。日本学者( s h i t a s h i m ae t a l 2 0 0 8 ) 的研究发现，在冲绳海槽的海底热液中，c 0 2 是重要的溶解组分，他们较多使用了p h 和p c 0 2 传感器【4 5 1 。在海洋碳循环和深海热液研究领域，使用在线分析技术和化学传感器已 逐渐成为趋势 4 6 - 4 r l 。 国内的研究致力于深海探测与采样技术研究，原位化学传感器和保真采样器取得了长足 进展，并已进入实用化阶段h 9 1 。以这些装备作为支撑条件和技术基础，对台湾东北部海底 热液系统进行综合观测与研究，不仅有助于加深对相关基础理论问题的认识，也将有助于提 升两岸在海洋研究领域的综合能力与技术水平。 2 4 本章小结 由于浅海热液往往距离人们生活活动区域较近，人类的生产生活等环境因素直接或间接 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 的影响到浅海水域，而浅海热液系统喷发的物理化学特性、离子组分等更由于近海岸而影响 人们的生活环境。本章主要对龟山岛海域热液的研究现状、研究意义等方面进行了概述， 由 此希望进而探究浅海热液系统的活动规律，及其对周围环境影响的广度及深度，使之更好地 服务人类生活。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 1 龟山岛海试 第3 章数据采集 3 1 1 引言 目前已知的海底热液活动区域大部分存在于深海中，人们对深海热液的研究起步早，研 究探讨也较为透彻及深入。然而浅海区热液喷发由于其在地理位置上距离人们生活区域较近， 因而多数浅海热液喷发区域受人文活动等周围环境影响较大，其热液喷发组分的理化性质与 深海热液有很大不同( s e d w i c ke ta l ，1 9 9 2 ；m c m u r t r ye ta l ，1 9 9 3 ) ，尤其是浅海热液温度与潮汐周 期变化的相关性所作研究并不是很多，而越浅的热液喷口受潮汐引起的压力影响则较深海更 加明显，所以潮汐变化对喷口水温变化的影响，在浅海区则较为重要( 郭富文：硕士论文： 龟山岛海底热液活动初步调查) 。龟山岛( k u e i s h a n t a o i s l e t ) 位于台湾东北部，东经1 2 1 。5 5 ， 北纬2 4 。5 l ，地理位置如图3 1 所示( 图片来源：台湾中山大学陈镇东等) 。其邻近海域 有大量海底热泉活动，仅在龟山岛附近约0 5k m 2 范围就有2 0 0 多处热液喷口，喷口流体的 温度最高可高达1 1 6 0 c ，p h 值最低可达1 5 2 1 3 1 3 6 ，是世界上已知p h 最低的海底热液。在大 地构造背景上，龟山岛和大屯火山群处于冲绳海槽弧后扩张带与西太平洋板块俯冲带的接合 部位，该区复杂的构造背景，以及地壳深处存在的活动性地下岩浆房 3 2 , 3 3 1 ，说明台湾东北部 火山群仍处于较活跃状态。 图3 1 台湾龟山岛( k u e i s h a n t a oi s l e t ) 地理位置图 “台湾龟山岛热液区海试计划”，由浙江大学海洋科学与工程学系陈鹰教授与国际知名海 洋学家、台湾中山大学陈镇东教授联合发起，于2 0 1 0 年5 月在龟山岛进行了第一次海试工作， 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 双方联合考察考察了龟山岛海底热液，其中多参数物理一化学传感器和系列化取样器获得初 步成功。 2 0 1 1 年5 月2 3 日至6 月1 日进行了龟山岛第二次海试工作。海试工作在台湾宜兰县的 龟山岛海底火山地区完成。海试小组由海洋系叶瑛教授带队，团组成员包括海洋系、机械系等 共六名师生。在龟山岛热液区进行了热液采样、化学探测、热液环境建模等科学研究工作。 此次海试工作所使用的海洋技术装备均由浙江大学与杭州电子科技大学共同研制，水下试验 由台湾探海公司协助完成，海试共取得数十几万组探测数据，试验取得了良好的效果。 3 1 2 台北一宜兰5 月气象 气象因素对海试工作影响极大，有时甚至决定船只能否出海，海上工作能否开展。2 0 11 年5 月北太平洋西部海域共有艾利和桑达2 个台风生成，多于气候平均值0 9 个，这两个台 风均由菲律宾东方海面北上经过台湾东部海面，仅外围环流影响台湾北部及东半部，此外由 于受3 波滞留锋面和台风外围环流影响，平均气温正常偏低；雨量方面，除受锋面影响期间 全台有雨，台风外围环流影响期间北部及东半部地区有雨外，其它时间降雨以午后短暂阵雨 为主；2 5 日至2 6 日锋面远离，天气逐渐趋于稳定；午后因对流云系发展，西半部除云林以 北平地外均有短暂阵雨，局部地区并有大雨发生，东半部则有间歇性降雨；2 7 日至2 9 日受 桑达台风外围环流影响，降雨集中于北部及东半部，东北部并有大暴雨发生，3 0 日天气回复 稳定，白天气温偏高( 台湾交通部中央气象局：气候监测报告，2 0 1 1 年5 月第2 7 期) 。因 此此前大家极为关注的台风桑达并未直接影响本次海试的出海作业，海试工作在2 0 11 年5 月 2 5 日至3 0 日顺利完成。 乌石港潮汐预报表如表3 1 所示，序列采样器时间设置将依据潮汐预报完成。 3 1 3 台风桑达 海试工作涉及船只出海，所以台风讯息直接关系到既定的海试日程能否按时执行。 2 0 11 年第2 号超强台风“桑达”5 月2 2 日凌晨在西北太平洋洋面上生成，5 月2 3 日凌晨加 强为强热带风暴，2 4 日下午加强为台风，2 5 日0 8 时其中心位于菲律宾马尼拉东偏南方大约 8 4 0 公里的西北太平洋洋面上，就是北纬1 2 2 度、东经1 2 8 4 度，中心附近最大风力有1 3 级 ( 3 8 米秒) ，中心最低气压为9 6 5 百帕。“桑达”的中心5 月2 6 日0 5 时位于菲律宾马尼拉东 偏南方大约6 5 0 公里的西北太平洋洋面上，就是北纬1 4 2 度、东经1 2 7 0 度，中心附近最大 风力有1 5 级( 4 8 米秒) ，中心最低气压为9 4 3 百帕。此后“桑达”逐渐转向北偏东方向移动。 5 月2 7 日0 6 时、5 月2 8 日0 6 时继续发布海上大风橙色预警，至5 月2 9 日强度缓慢减弱。 2 9 日0 5 时，强热带风暴“桑达”进入日本以南洋面，2 9 日1 4 时减弱为热带风暴，之后变性 为温带气旋，中央气象台于5 月2 9 日1 0 时解除海上大风预警，2 9 日1 7 时对其停止编号， 对我国近海无影响( 中国天气网讯、中央气象台) 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 台风桑达路线图如图。由桑达路线图可以直观的看到台风桑达并未直接冲击台湾岛，与 龟山岛附近海域也是擦肩而过，因而并未影响船只出海，使海试工作得以顺利进行。然而， 台风经过仍间接影响到原位观测数据采集及对数据周期性有所扰动，我们将在后面的章节予 以讨论。 表3 1 乌石港潮汐预报表( 台湾中央气象局海象测报中心) 溷睹潮猫潮畴麓硒潮琦潮扁潮畴期籀鞠畴麓隔潞 溉衔 - r i , w 琢哺t mh 1 越h 日出t 越日诎 h b 出mh d 担 站l * h1 。怒盏鬻： ”i t 4 | ；墨：1 麓盖露： 1 器璺嚣： b 器矗爱：1 _ 抽l 0 住”啊刀l t 瑚刀1 5 1h 协鹫h插蔓l h 1 8 ：3 0 曩1 舒h1 哪t 潍h 耐也心l撞轴lz 啪甜l艄罐如l日日h 0 s ：$ 8 量i 鲐h 7 篙嚣翟： 2 黑嚣驾：1 7 嚣墨譬： ，md 辑l 7 器叠嚣： 删5 臼l 3 囊鲐般书奢l l t 鼙避i , i i删璐啪h德暂孽，瑚ho 舭霸糟” 躺锄懈h ，咖毋al俯怒秀罱： 3 器宅嚣： 1 1 1 黑爱盏：童慧墓嚣：l m 嬲善鬻： 。mho1 2 4 崭丑t 1 2 ：4 2 蕊坤o1 1 ：1 7 啊协l城柏弘t 1 4 r - 蔼冀l ：器鸳茹。l1 口譬瑚h t 1 4 剪格i 抖硎4 1 啦! 4删* l 甓h2 m 糟昭i , i 慧：盘。i -1 - 黜甾叠：4 怒霉盏：1 勰嚣盏。t3 ； ；：嚣。lt - 黑毒嚣： i 铆棚l钌 2 s l l lt 1 e 1 5 静为l 位嬲磅l 惕柚冀l 引 学舒t t 拍蔓l 冀h姗一糟h蝴骛瑚h艄村i h2 t 埘廿盼h 2 金酊蛳h 生口仲5 龟忍l勰3 ；| 嚣玺l ： ： o 烈挣访l麓絮罄：i 咖4 啪l 器0 慧：。删辱l ，7h。麟努蚴h，0 8 1 1 0 口粥h t 矧m 静l 器驾盏： 娜越岛l伽蕾釜l傩笛冀l跏甜 l t 蛸蕾i 柏h锄嚣埘h 纠童誓挝ha