海底觀測裝置—CORK:安裝在深海鉆孔內(nèi)的“眼睛”

朱榮偉 張伙帶 杜文波 唐江浪

自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東廣州 511458

過去50多年國際大洋鉆探計劃的實(shí)施,為人類了解海底世界、研究地球變化、勘探礦產(chǎn)和生物等各種資源開辟了一條新途徑。通過大洋鉆探,人們驗(yàn)證了地球構(gòu)造運(yùn)動的板塊理論,證實(shí)了氣候演變的軌道周期學(xué)說,發(fā)現(xiàn)了海底深部生物圈和天然氣水合物,揭示了大洋巖石圈的成礦機(jī)制,使人類對地球和生命科學(xué)的認(rèn)知取得了顯著進(jìn)步。在大洋鉆探最初的20多年,大多數(shù)鉆孔在取完樣后均被遺棄,這無疑對科學(xué)界是一場重大資源浪費(fèi)和損失。為了更大程度地發(fā)揮這些已取完樣鉆孔的科學(xué)研究價值,科學(xué)家們研發(fā)了一套海底井控觀測裝置(Circulation Obviation Retrofit Kit,簡稱CORK),并在1991年ODP 139航次的857D和858G鉆孔取完樣后完成首次布放。該裝置就如同一雙安裝在深海鉆孔內(nèi)的“眼睛”,可實(shí)現(xiàn)對地球內(nèi)溫度、壓力、流體通量及微生物群落等物理化學(xué)、生物和生命過程的長期原位觀測,已廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)學(xué)、微生物學(xué)及生物地球化學(xué)等方面的長期研究中,為人類認(rèn)識地球和生命科學(xué)增加了新途徑。由于CORK是大洋鉆探技術(shù)進(jìn)步衍生的產(chǎn)品,因此,也有人將其稱之為“深海鉆探計劃之子”[8]。

1 CORK的基本概念

CORK的概念最早由Carson,Becker和Davis于1989年提出[1,3],并將其腦中的裝置示意圖在一張餐巾紙上繪出(圖1)。“CO”是“封閉”鉆孔的意思,意即對鉆孔進(jìn)行控制,阻止洋殼地層與海底海水間發(fā)生流體交換;如果鉆入洋殼水文地質(zhì)條件活躍地層的鉆孔沒有封閉,這種交換的發(fā)生是可以預(yù)期的。“RK”是“(重新)進(jìn)入”的意思,指不論是近期的新鉆孔還是20年前的老鉆孔,通過再入圓錐筒均可再入鉆孔并安裝儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測。

圖1 Carson B等人于1989年在餐巾紙上繪制的最早CORK裝置概念示意圖(據(jù)Becker and Davis,2005)

2 CORK裝置的基本結(jié)構(gòu)

CORK裝置的基本結(jié)構(gòu)組成主要包括:(1)再入圓錐筒與套管系統(tǒng)(永久性海底裝置,起著支撐海底松散沉積物,使觀測設(shè)備到達(dá)深部地層的作用,為提高鉆孔長期觀測、采樣及數(shù)據(jù)收集的質(zhì)量,可反復(fù)進(jìn)行鉆孔加深及觀測設(shè)備的布放);(2)用于封閉鉆孔頂部的套管;(3)長期數(shù)據(jù)記錄儀與傳感器鏈(可搭載壓力、溫度、地震/地層應(yīng)變量等感應(yīng)裝置)。與此同時,隨著CORK技術(shù)發(fā)展和滿足不同科學(xué)需求的需要,已經(jīng)在初始版CORK的基礎(chǔ)上發(fā)展衍生出諸如ACORK(圖2)、CORK Ⅱ、有纜CORK和L-CORK等不同類型的CORK[1,6,7]。新研發(fā)的CORK主要在以下四個方面進(jìn)行改進(jìn):(1)增強(qiáng)密封性,減少污染和擾動;(2)增加獨(dú)立隔層,拓展單孔多層位的立體觀測;(3)增加傳感器類型,獲取綜合觀測數(shù)據(jù);(4)優(yōu)化布放和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),減少布放難度,提高數(shù)據(jù)傳輸效率。另外,為研究地殼中含水層在液體(水、氣)、熱能、溶解質(zhì)、生物能量及微生物搬運(yùn)中的作用,目前國外已開始采用多站位、多層次CORK觀測站來構(gòu)成一個立體的三維觀測網(wǎng),在每一個觀測站(同一站孔的不同深度)裝備取樣器,用于物理學(xué)(溫度、壓力)、地球化學(xué)和微生物學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)。最新的CORK技術(shù)包括一些可用于進(jìn)行微生物—巖石相互作用和微生物在巖石表面生長實(shí)驗(yàn)的裝置,以及進(jìn)行地殼含水層取樣和微生物分析的微生物取樣器。

(a)初始CORK;(b)改進(jìn)型CORK;(c)CORK Ⅱ;(d)有纜型CORK;(e)L-CORK

3 CORK的主要應(yīng)用

在國外,CORK的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛。截至目前,已經(jīng)有數(shù)十個CORK被布放于不同海域的海底。比如,布放于哥斯達(dá)黎加俯沖邊界上的兩套CORK Ⅱ裝置用于監(jiān)測地層應(yīng)變量以及地震活動(ODP 205航次);在胡安·德富卡(Juan de Fuca)洋脊東側(cè)進(jìn)行的單(鉆)孔和多孔連接水文學(xué)和地球化學(xué)、微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)(IODP 327航次)以及安裝在地震頻發(fā)的日本南海海槽的多套CORK裝置(ODP 196航次、IODP319和332航次)等。這些分布在不同海域、時間上可進(jìn)行長期連續(xù)觀測的CORK為科學(xué)研究帶來十分重要的應(yīng)用價值,比如,(1)通過測定地層對潮汐和海底地震載荷的響應(yīng),取得地層彈性與水文特性資料;(2)通過大范圍、長期連續(xù)觀測,獲取如地震、滑塌、深部海底紊流等瞬時事件記錄,并通過數(shù)據(jù)來分析該類事件發(fā)生前的環(huán)境變化;(3)找到與幕式流體流動或地震前兆有關(guān)的溫度異常;(4)獲取流體化學(xué)成分及地層滲透率實(shí)時變化數(shù)據(jù);(5)通過直接注入特定化學(xué)成分的流體或采集深部流體,對海底地層中微生物群落及其生命過程進(jìn)行研究等一些寶貴的科研數(shù)據(jù)[2-5]。

然而,我國目前在這方面研究和應(yīng)用相對落后。盡管目前已在南海執(zhí)行了4+1個國際大洋鉆探航次,共完成18個站位46口鉆孔的鉆探取心工作。遺憾的是,這些鉆孔在取完樣后均遭“閑置”,未得到科學(xué)利用。隨著今后我國科學(xué)家參與國際大洋鉆探工作的深入,下一步很有必要以南海為試點(diǎn),依托南海已有的深海科學(xué)鉆孔或已開采完油氣的工業(yè)鉆孔裝上一雙“眼睛”,即建立南海CORK觀測站,實(shí)現(xiàn)“透明南海”;將這些井下觀測站作為觀測節(jié)點(diǎn)納入南海海底觀測網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)對南海長期實(shí)時的原位觀測。這項(xiàng)工作不僅對研究南海水文地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造動力學(xué)體系、微深部生物圈以及在海底資源的形成和分布有重要意義,還對華南沿海,尤其是我國經(jīng)濟(jì)重要陣地粵港灣大灣區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害評估及監(jiān)測方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。另外,利用我國自己的資源和人才構(gòu)建海底CORK觀測系統(tǒng),還將為我國海洋科學(xué)飛速發(fā)展、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng),以及盡快躋身世界海洋強(qiáng)國行列奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。