沉積物保真采樣的關鍵技術在保真采樣器插入沉積物采樣,到其被提升至船上進行后處理的整個過程中,每一個環(huán)節(jié)都涉及到沉積物樣品的保真問題,具體如下。
1)低擾動:采樣時,樣品筒以低擾動方式插入沉積物,獲得層次分明、物質(zhì)成分*的沉積物樣品。
2)保壓、補壓:采樣結束,樣品筒轉移至保壓筒內(nèi)后,保壓筒上、下端密封,實現(xiàn)樣品的保壓要求;保壓筒在從海底提升至船上的過程中,在不斷增大的內(nèi)外壓差作用下,保壓筒體由于彈性變形而產(chǎn)生體積膨脹,采樣器很難達到預期的保壓效果。為了達到設計的保壓要求,必須對采樣器進行壓力補償。
3)保溫:在采集包含天然氣水合物等對溫度敏感的沉積物時,必須保持原位溫度。
4)無污染:對于微生物等海洋科學研究而言,在整個采樣過程中,必須防止引入外界污染。
5)無壓降后處理:對于地球物理、地球化學等諸多海洋科學研究,在沉積物提升至船上后,需要對沉積物進行無壓降分析。
為了實現(xiàn)沉積物低擾動采樣,各類保真采樣器主要采取如下技術措施。
1、雙層或多層筒結構:在采集較硬樣品時,帶鉆頭的外層筒與樣品筒在直徑方向上保持一定距離,防止鉆頭鉆進時對內(nèi)層樣品進行擾動,如PCS、HRC、FPC即采用此措施。
2、光滑完整的樣品筒:選擇有機玻璃管作為樣品筒,其內(nèi)壁光滑完整以降低與沉積物樣品間的摩擦力,減少樣品擾動。
3、特殊刀頭設計:在采集較軟的粘性深海沉積物時,采用小面積比、小內(nèi)徑比、小外徑比、刀頭前加一段薄壁筒等特殊刀頭設計,來控制樣品塑性變形區(qū),減少樣品擾動。
4、爪簧撐開機構:采樣筒下端的爪簧會破壞樣品結構。在采樣時,爪簧撐開機構撐開爪簧,沉積物樣品無邊界擾動地順利進入樣品筒;采樣結束,爪簧脫離撐開機構并合攏,托起沉積物樣品,防止較軟沉積物坍塌,減少沉積物擾動。
5、活塞結構:對于無活塞結構的管狀采樣器而言,由于采樣器和沉積物間的摩擦力和沉積物樣品的自重作用,采樣時,往往造成樣品長度縮短或彎曲變形的擾動后果。為此,可在樣品筒內(nèi)部設置一個活塞結構,用來抵消樣品管壁和樣品間的摩擦力和樣品自重。
6、活塞式采樣器的框架結構:活塞式采樣器中的活塞結構消除了樣品被非均勻壓實的擾動,但由于海流和與活塞相連的下放鋼纜回彈作用,活塞很難穩(wěn)定地保持在沉積物和水的界面處,進而樣品土柱上方的負壓發(fā)生改變,導致樣品被吸入樣品筒或形成采樣器二次插入采樣,造成樣品層次擾動。為此,可采用框架式底座,與活塞連接的鋼纜固定在框架頂部,長度恒定,減少海流和下放鋼纜對樣品采集形成的擾動。但是這種結構不適合大長度活塞式采樣器。
7、活塞式采樣器的纜:現(xiàn)在,上的活塞采樣器常用芳香尼龍纖維來代替活塞連接鋼纜。該尼龍纖維是一種類似于凱夫拉的合成聚合物,與鋼纜相比,其具有較低的彈性伸長(楊氏彈性模量124GPa)和較小的重量(密度1450kg·m-3),其在海水中近乎無重的狀態(tài)限制了纜的彈性回彈振幅,減小了樣品被吸入樣品筒或形成采樣器二次采樣的可能。