沉积物取样方法

沉积物取样技术

人类对深海沉积物与古海洋历史的认识，是随着适当船舶的使用和相应取样设备的研制而发展起来的。深海钻探和库伦堡活塞取样管的研制就说明了这个问题。

19世纪60年代，对深海沉积物的性质实际上并不了解。“Challenger”号的考察(1872～1876)标志着对深海沉积物系统研究的开始。沉积物制图主要由John Murray(Murray和Renard，1891)承担。尽管Murray及其同事们的工作为后来所有海洋地质研究打下了基础，但由于当时缺乏取芯设备而无法研究深海沉积物的地质记录。在以后半个世纪中，这项研究仍然无法进行。

最早的取芯和对深海沉积物记录的研究，是20世纪20年代后期和30年代由荷兰“Sne-lius”号和德国“Meteor”号船的考察开始的。是Schott (1935)第一个证明了浮游有孔虫组合的变化记录了第四纪的冰川相。这些成就，后来又被瑞典深海考察队队员大大向前推进了一步。Kullenhery (1947)发明的活塞取样管提供了更长的第四纪层序，从而开辟了第四纪古气候学、沉积学和火山史的研究。采用活塞取芯器的更广泛的调查是随着调查人员的不断增加从20世纪50年代开始的。例如，在拉蒙特，M·Ewing、B·Heezen、D·Ericson和G·Wollin 对晚第四纪的古气候和沉积记录进行了重要的研究；与此同时，C·Emiliani(迈阿密大学)开创了应用氧同位素于第四纪古气候史的研究。这些工作为70年代第四纪沉积记录的更全面的研究打下了坚实的基础。后者主要基于几个研究所在60和70年代所收集的大量活塞岩芯资料，其中包括“Eltanin”号船环南极考察采集的岩芯。这些调查主要限于第四纪记录的研究，原因是取芯器的穿透深度很少超过20 m。因此只有通过钻探才能获取据信存在于深海盆的长的地球史记录。莫霍钻探计划的试验性钻探是获取这种记录的初次尝试，虽然以彻底失败而告终，但却第一次在下加利福尼亚外海获得了一个有用的钻孔剖面。“Submarex”号考察在加勒比海也获得了一个钻孔层序。虽然从今天的标准来看，这些考察得到的材料是很少的，但是，对证明深海钻探的可能性和常规石油工业技术的应用是很重要的，也为后来深海钻探的发展奠定了基础。

1968年7月28日，当新建的“Glomar Challenger”号钻探船驶离得克萨斯奥兰治港进行首次深海钻探考察时，这种可能性已成为现实。这项计划开创了海洋地质的新时代，提高了我们对地球及其生物群演化的认识。它的出现适逢60年代中期海底扩张和板块构造学说的发现，这两个学说为地球的定量研究和预测研究提供了科学的依据。除少数顽固派以外，深海钻探计划本身的早期钻探成果(Peterson等人，1970；Maxwe11等人，1970)确实说服了所有的人接受了大洋扩张和大陆漂移与碰撞的思想。莫霍钻探计划的失败，为制定以国家和国际性合作为基础的计划创造了有利的环境。这种合作确实是成功的。深海钻探计划最初八年的经费完全由美国国家科学基金会提供，但后来则由国际海洋钻探计划(IODP)所属的、包括美国在内的一个六国国际组织提供。斯克里普斯海洋研究所在几个国际顾问委员会(地球深层取样联合海洋机构)的指导下一直负责该项计划的实施。计划的最初几个阶段主要是勘察性的，钻探的目的主要是各种海底地形的大范围年代测定，后来又转向回答各种海洋学问题。已建立的几个主要咨询委员会可以反映出所要回答的问题。它们是：洋壳委员会，被动边缘委员会，主动边缘委员会和古环境委员会等。IODP使我们对大徉历史的认识发生了根本性的变化。该计划所得到的大部分资料已在深海钻探计划初步报告中，发表(华盛顿特区，

美国政府出版局)。每次考察的简报刊登于《地质时代》(Geotime)杂志。

活塞取芯

库伦堡活塞取样管，在岩芯管内有一个密合的活塞。当进行取芯作业时，活塞保持在沉积物水界面处或其附近(图)，产生的吸力使沉积柱固定在取样管内适当的位置。这种吸力减少了取样管内壁的摩擦作用，从而增加了获取物质的长度(一般长7～20 m)。这是活塞取芯优于简单的重力取芯(一般不到5 m)的主要优点。穿透能量是靠固定于取样管顶部重3000-5000磅的配重物来增加的(图)。该系统需要一个触发动作，以使其在海底上方数米处自由下落。触发装置(一般是一个短的重力取样管)悬挂于触发(释放)臂之下，距活塞取样管下端数米处，一旦受到碰撞，就会使活塞取样管自由下落(图)。钢丝绳的长度是通过计算得出的，以保证活塞在即将靠近沉积物时即开始沿岩芯管向上移动。每种活塞取芯器的局部结构可有所不同。获取岩芯的长度取决于沉积物样品的性质，大部分岩芯长20 m，有孔虫软泥一般不超过10 m，陆源砂大于8 m，硅质软泥约15 m，深海粘土15～25 m。

深海钻探

使用石油工业开发的技术，可在水深达5500 m的海洋钻取很长的剖面(达1500 m)。1968年8月至I980年12月间，“Glomar Challenger”号共作业84个航次，每个航次持续约两个月，总航程250 000海里。除北冰洋外，在其余各大洋共钻探约500个孔位。该船一长约121 m，宽20 m，吃水6m，是装备全动力定位的第一艘船，海上自给能力为90天。该船是在大于6000 m的深海中钻探的第一艘船。船上可堆放长6860 m的钻杆。在最大水深6000 m时能钻进海底762 m。动力定位是通过调整船与放置在海底的声呐信标的相对位置人工或自动地(全计算机处理)进行的，由主螺杆和装于船首和船尾的作横向移动的侧向推进器来完成。该船最瞩目的部分是高43 m的钻塔。钻杆自动排放架可存放和处理7620 m钻杆。钻探作业时整个钻杆处于转动状态。钻杆下部配有一个块状的井底，其重量确保钻杆不断地向下钻进。但是，钻杆在作业过程中并不处于拉紧状态，因为船的运动可在井底内通过伸缩式缓冲节得到补偿。岩芯使用取芯装置回收。取芯装置通过由一个独立的绞车控制的钢丝绳在钻杆内作垂直移动。取芯时(沉积物最长9.5 m)取芯器固定在紧靠钻头的地方，当钻杆不断向下钻进时，沉积物就充满取芯管。重返同一孔位，现在已是相当普通的方法。但是，如果考虑到深海钻探中各物体之间的比例，那么这种方法仍不失为一种奇迹。重返是借助于海底上的一个钟形物，它能发射定向声波，自动导航，使之复位“Challenger”号的每一航次，都有一个由地球物理学家、沉积学家和古生物学家组成的小组。船上有精良的实验设备，许多科研项日都能在海上进行。研究方法包括各种物理特性的测量、岩芯劈开、岩性描述、涂片分析、摄影，以及古生物学研究等。经过一系列船上处理后，还要进行1～2年更为详细的分析。

液压活塞取样管

采用常规旋转钻探技术从深海获取沉积岩芯的主要缺点之一是沉积物被严重扰动。而采用液压活寒取样管就不存在这个问题，因为它是在不发生任何转动的情况下被迅速打入沉积物的(图)。用这种方法甚至能获取很细的纹层层序而无明显的扰动。这种活塞取心器用吊在钻探船上的钻杆柱投放和回收。因此，通过在同一孔位反复作业，即可在尚未成岩的柱段以大约4.5 m的增加量采集高质量的岩芯。取样管的快速打入，是通过增大特别管室内的液压来完成的，此压力超过了剪力销的强度。穿透过程仅为l-2秒钟。用这种方法至少可取200 m层序的岩芯。