多参数CTD测量在富钴结壳环境调查中的应用

郭斌斌，刘方兰，李 琦

(1.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075;2.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州510075)

0 引言

20世纪70年代起，富钴结壳的潜在经济利益为人们所认识，各发达国家纷纷投入相应的调查和研究。中国作为海洋大国，深知其间涉及的国家利益和商业利益，于20世纪90年代中期开始富钴结壳调查工作(何清华等，2005)。

目前，富钴结壳资源调查集中在中、西太平洋，这与太平洋海底的特殊地质条件及富钴结壳的成矿机制有关(张富元等，2001)。富钴结壳主要生长于碳酸盐补偿深度(CCD)以上、最低含氧层中或以下，并且最低含氧层也可能担任物源输送通道的作用(武光海等，2001;Martin et al，1985);Hein(1992)发现底流能量与结壳外形存在关系;南极底层流与微生物也是重要的环境因子。另外，随着大规模勘探开发活动的开展，国际社会也开始关注其可能引起的环境问题，环境调查开始成为富钴结壳资源调查中不可或缺的一环。综上，富钴结壳环境调查具有2层重要意义：开展自然环境变化基线调查研究，以评价深海采矿活动对环境的影响程度;研究最低含氧层、底层流等富钴结壳成矿因子(梁楚进等，2004)。

在富钴结壳环境调查中，温盐深测量及采水分析是最基本的手段，可以为其他环境研究工作提供背景参数。基于前人在CTD测量及传感器研制领域的相关研究成果，提出一种多参数 CTD测量模式。

1 国内技术现状

温盐深测量及采水，即使用CTD实时观测压力、温度、盐度参数，并对采集的非连续水样进行实验分析，得到叶绿素、pH值以及溶解氧等其他参数(图1)。SBE 9plus CTD(美国海鸟公司)常规搭载24瓶8 L采水瓶，是富钴结壳调查中使用的主流设备。对于以上技术，采水深度的选择一般通过预测目标参数的拐点深度或参考标准经验层位，存在不确定性。另外，水样现场化学测试方法费时费力，多专业需求让水样分配成难题;非原位气体测量易引入误差;非连续采水获得的样本有限，这决定了方法的低垂向分辨率，低采样频率也必然会忽略海洋中的小尺度时间和空间变化。

图1 传统温盐深测量及采水示意图Fig.1 Sketch showing traditional temperature，salinity and depth measurement and water sampling

与水样现场化学测试方法相比，传感器方法显得更加方便、经济、高效。全剖面采样的特点弥补了人为预测中存在的不确定性，避免错失海洋中的某些特殊现象。赵卫东等(2000)指出了化学传感器从污水应用转向海洋应用所存在的问题，并就20世纪60年代末以来海洋化学传感器的研制情况进行了总结。夏达英(1997)描述了我国发明的水中荧光剂，并在不同水质的海区进行试验，获得了大量实践经验。刘长华等(2008)则对浊度计在海底热液活动调查中的应用进行介绍，分析该技术的改进方向。戴民汉等(2001)对国际上的化学生物传感器及其海洋环境现场监测手段进行了详细介绍，为我国在该领域的发展提供借鉴。可见，20世纪60年代末以来，我国一直致力于多参数传感器的研制工作，并取得了相应进展。

目前，商用可集成的附加传感器种类繁多，可分别针对溶解氧、叶绿素、浊度、pH值及CDOM等参数进行测量(图2)。为推广附加传感器，主流CTD厂商一般捆绑销售合作方的传感器产品，但国内的调查人员并不会实际使用它们，依旧更愿意相信水样现场化学测试方法。究其原因，是因为附加传感器发展较晚，且大多容易漂移、需要维护。另外，海洋物理专业人员负责CTD设备，但对附加参数不一定关心;而海洋生物、化学专业人员一般对设备了解不多。

图2 附加参数传感器Fig.2 Additional parameter sensors

2 多参数CTD测量模式

SBE 9plus作为海鸟公司性能最好的旗舰CTD，拥有8个0～5 V信号输入、12位A/D转换的电压输入通道，可支持最多8个附加传感器的集成，且每个通道都有1个5.5 Hz低通滤波器。利用SBE 9plus CTD的高度可集成性，并在了解传感器性能的前提下做好日常维护与校准工作，将传感器方法与水样现场化学测试方法相结合，实现多参数CTD测量，最终克服传统温盐深测量及采水方法的缺点(图3)。

图3 多参数CTD测量模式图Fig.3 Multi-parameter CTD measurement model

至于漂移问题的发生，需要深入了解每种传感器的特性。以SBE 43溶解氧传感器为例，为了更加精确地测定海洋中的溶解氧，海鸟公司于2009年对SBE 43进行了设计改进，以期得到更快的响应速度、主要温度补偿以及更高的稳定性(Edwards et al，2010)。同时，与压力相关的SBE 43滞后现象也得到了有效修正。至此，SBE 43传感器获得了SBE 9plus CTD的标准配置。

SBE 43的测量对象是特氟龙膜表面的溶解氧，测量结果对膜的渗透性表现很敏感，而油浊和细菌附着会降低膜的渗透性。葛人峰等(2003)指出，溶解氧膜的有效使用期限为6～9个月，之后需要进行更换。而海鸟公司认为在SBE 43产生漂移后，进行传感器清洁可以恢复传感器性能，所以他们并不提供现场可更换的溶解氧膜。假设这一观点成立，关于溶解氧膜有效使用期限的结论很可能是在未进行定期清洁的情况下得出的。在野外环境下，坚持定期维护、清洁并不是一件易事。因此，这2种观点还有待长期验证，目前需保留看待。但不管如何，长期的操作经验说明：对SBE 43进行定期维护、清洁确实有助于减小漂移的发生。针对SBE 43漂移的原因，日常的清洁、维护需包括：使用Triton X－100短时间冲洗去除油浊，用稀释漂白液短时间冲洗防止生物生长，尽量将SBE 43储存于缺氧或接近无氧的条件下。

为了保证附加参数的精确测量，还需要对传感器进行正确校准(肖波等，2014)。国内调查机构的校准频率一般为1次/年，而海鸟公司的技术要求是至少1次/航次。在这一点上，国际标准值得借鉴。Bryden(2003)曾在RRS Charles Darwin 139航次报告中详细说明，在航次过程中如何利用测站水样现场化学测试数据校准附加传感器，实时修正数据。葛人峰等(2003)也简述了溶解氧传感器的漂移特性，并对现场校准溶解氧传感器方法进行了研究。

3 在富钴结壳环境调查中的实际应用

3.1 基础资料及衍生参数应用

温盐深测量是多参数CTD的最核心功能。在海洋内部，位温、盐度拥有极端微弱的来源，一直是环境调查中应用最广泛的守恒示踪物。影响这些参数的过程均发生在海表面，如蒸发、降水以及热传导过程;而海面以下，除去海水混合，不存在其他能使位温、盐度发生变化的显著过程。这意味着借助扩散后水团的温、盐值可以追踪到它们位于海面的源头(Talley et al，2011)，这对富钴结壳调查区内的水团研究意义重大。另外，温度、盐度、压力也将作为海洋生物化学研究的背景参数。

从CTD获得的基础参数中，也可以衍生出质量浓度、声速等其他参数服务于富钴结壳资源调查(图4)。

(1)多波束测深可以为富钴结壳调查提供基础地形资料，同时，随着多波束技术的发展，水体成像信息已经能应用于研究水团分布、跃层变化以及内波等物理海洋学问题(Hughes Clarke，2006)，海底背散射技术也在富钴结壳地质识别及选区方面有所应用。而CTD能为多波束提供高精度的声速全剖面数据，省去额外的SVP观测，也可与SVP观测数据对比，确保声速数据的可信度。

(2)近年来，AUV、ROV以及载人潜水器以功能多、综合作业能力强、精细测量等优势先后运用于大洋调查，而CTD可为此类载体的配重提供密度数据。

图4 麦哲伦海山群M海山CTD基础资料及衍生参数调查Fig.4 Basic data and derived parameters of CTD for the M seamount in the Magellan Seamounts

(3)CTD近底时，利用实时压力数据和高度计数据，可计算出海底深度。这提供了另一种单点原位测深方法，也可用于从另一方面验证多波束数据的精确性。

3.2 最低含氧层调查

最低含氧层是富钴结壳的生长因子，同时溶解氧也是研究海水年龄的重要指标。多参数CTD测量模式使用少量水样现场化学测试数据校准传感器，在低工作量情况下获取高采样率、高分辨率的溶解氧数据。以麦哲伦海山群M海山调查为例，在M14、M13测站选取合适的水样对传感器数据进行修正后，将多参数CTD模式与水样现场化学测试模式的结果绘于图中进行对比(图5)，可得出以下结论。

(1)调查区内溶解氧浓度呈现明显层化分布，高值出现在125 m以浅的上层，在真光层的50～125 m深度区间达到最大值;溶解氧最小值出现在600 m附近，最低含氧层较为发育。

图5 麦哲伦海山群M海山溶解氧调查模式对比Fig.5 Correlation of models of dissolved oxygen in the M seamount of the Magellan Seamounts(a)Station M14;(b)Station M13

(2)2种模式获得的结果拟合较好，尤其是溶解氧高值区。在溶解氧低值区域，2种模式的结果在趋势上表现一致，但数值吻合度不如高值区域，这与获取的低溶解氧浓度水样质量有关。一般对于溶解氧测试来说，获取高质量的水样并非易事，尤其是当溶解氧低于2～3 mL/L时，处于欠饱和状态的水样会在CTD回收及水样转移过程中溶解外来气体。另外，溶解氧传感器的漂移模式为斜率漂移。所以可以推断与水样现场化学测试模式相比，若校准所用水样质量足够高，多参数CTD模式得出的结果显得更加可信。

(3)M14站位，水样现场化学测试模式获得的最低含氧层位于600 m深度附近，这与多参数CTD模式的结果相一致。但对于M13站位，若采用水样现场化学测试模式，最低含氧层将被定位于800 m以深，而真实的最低含氧层却位于600 m深度附近。由此看来，高分辨率的多参数CTD模式更有助于进行分析。

4 其他可进行的环境参数调查

进行上层叶绿素观测，计算浮游植物分布浓度，有助于研究调查海区生产力酸碱度属于非守恒示踪物，属于海洋碳系统的重要一环。而浊度是基本的海洋光学参数，可表征水体中悬浮颗粒物的浓度，以作为水团的独立示踪物，与海洋生物活动有密切联系。海洋环境具有复杂性，往往需要同时对多种环境参数进行实时、现场观测。所以，目前海洋环境观测设备基本配置了一些相关传感器，但此类设备存在共同缺点：仪器主体可兼容性差，表现为同时可兼容传感器数量少，支持类型单一;仪器主体处于运动时观测表现较差，不适合进行高精度的剖面观测。

得益于SBE 9plus CTD优良的可集成性，多参数CTD可参照溶解氧调查模式，同时进行包括叶绿素、酸碱度、浊度等8种环境参数调查;此外，激光现场粒度仪等具备自记录能力的自容式仪器也可与多参数CTD框架捆绑搭载使用。试验表明，SBE 9plus CTD在常规温盐深剖面测量中可搭载多种环境参数传感器，能快速、高效和实时提供同步多环境参数剖面，满足海洋环境立体观测的需求，具有良好的应用前景。

5 结论

将水样现场化学测试与传感器方法相结合，建立多参数CTD测量模式，用于富钴结壳环境调查，取得了较好的结果。

(1)利用SBE 9plus CTD的高度可集成性，多参数CTD测量模式能对富钴结壳区进行除温度、压力和盐度外多达8种环境参数进行同步观测，更符合富钴结壳环境调查的需求。

(2)以麦哲伦海山群M海山调查为例，将多参数CTD测量模式与传统方式对比，发现多参数CTD测量在富钴结壳环境调查中显得更加高效、准确、精细。

但值得注意的是，附加传感器的稳定性以及校准误差控制，仍是今后需要努力解决的问题。也许部分研究人员更加信赖传统水样现场化学测试，但容易推想，更高效便捷的传感器方法必然是技术发展的大方向。此时，不妨让2种模式并存，互相验证、互补不足。

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