深海热液及冷泉区作业环境分析

张琳丹

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082)

目前深海矿产及生物资源的利用备受关注，其中富含矿产资源的热液区与蕴藏大量天然气及生物资源的冷泉区是相关研究与开发的热点。深海研究与作业必须依托相应的深海装备，而深海装备及作业系统的设计与运行离不开海洋环境分析。

1) 高温。热液喷口的高温对潜器本体及其探测与作业设备都有直接影响。高温会造成设备过热、金属框架变形、元器件损坏，从而导致设备无法使用，作业任务无法完成。因而需要预先对作业海域的高温环境进行分析。

2) 气泡。冷泉区水合物在海底分解产生的气泡，不仅会对水下声光探测设备的精度造成一定的影响，还会改变区域水体的密度，进而可能影响深海运载设备的稳定和安全。因而预先分析作业海域的冷泉羽状流及气泡情况至关重要。

3) 底质。海底的地貌直接影响深海作业深度、作业工具的选择等。海底地形地貌直接影响深海潜器近底航行的安全和作业任务的规划。对深海运载及作业装备来说，其坐底碰撞力、离底吸附力、取样作业能力与海底底质有关。

1 热液区环境

1.1 热液的形成与分类

海底热液活动普遍发育于大洋中活动板块边界及板内火山活动中心，其突出表象是高温热液从海底流出。海水先通过海底洋壳的缝隙渗入地球深处，继而被洋壳深部的化学转化放出的热量加热，之后重新从缝隙向外溢出或如烟囱般喷涌而出。

海水可以渗透洋壳2～3km的深处，被加热后的海水温度可以高达600 ℃，喷口处的热液温度在400 ℃左右。热液喷口按呈现的热液颜色可以分为“黑烟囱”和“白烟囱”[1]6-7。“黑烟囱”为高温型，温度普遍高于300 ℃，热液以金属硫化物为主，能形成品位极高且易于冶炼的多金属硫化物矿床。“白烟囱”为中低温型，温度低于300 ℃，其矿藏价值相对较低。受热液口高温影响的扩散流的温度为10～30 ℃，高于海水2～8 ℃的平均温度。

针对热液区的深海潜器设计，若只考虑在一般的水体温度环境和常见的较平坦地形下作业，则无法应对热液区科学考察、矿产勘探等作业任务。

1.2 热液区作业环境分析

1.2.1 热液喷口

热液喷口主要位于大洋中脊断裂带、海盆扩张区等洋壳板块接缝处，热液流体喷出后，在快速上升的同时会与周围海水混合并稀释浓度[1]6-7。热液流体在热浮力的作用下，可向上升高至数百米，侧向可扩散达数千公里。在海底底层的海流影响下，喷出的热液流体会向背景海水的流动方向稍稍偏移。

热液喷口扩散流的温度为10～30 ℃，对深海装备的影响较小。喷口的烟囱高度变化大，从几十厘米到几百米，因此深海潜器在热液区作业航行时所受影响主要在垂向范围。

喷口流体刚喷出时的流速为1 m·s-1[1]6-7。深海的底流流速通常很慢(0.011 m·s-1左右)，热液喷口附近的海水相对流速较快，因此喷口流体的温度变化幅度为3～464 ℃[2]。这对热液作业设备的耐热性及其探测仪器的温度量程提出了较高的要求。

1.2.2 热液柱

热液流体的相对温度高，相对流速快，热液活动喷出的热液流体不是很快就能与海水混合并达到平衡，而是可能以热液柱的形式在海水中存在并随流漂移一段时间。由已有的深海热液活动环境建模分析[3]可知热液柱中轴速度与热液流体上升高度的关系，详见图1。热液柱流动速率约为1 m/s，平均垂直流速在10 cm/s左右；热液柱上升时，存在旋转运动，速度在10 cm/s的量度。

针对热液柱进行原位探测的深海潜器应注意在流体速度及运动方向变化时的姿态调整，缆控型潜器还应注意避免发生脐带缆缠绕等危险状况。

图1 热液柱中轴速度与热液流体上升高度的关系

热液柱与周围海水存在温度上的不同，具体表现为温度的异常，其温差大多小于0.05 ℃，但有的可达0.4 ℃[4]。热液柱通常表现出正的温度异常，但也可能表现出负的温度异常。

此外，热液柱的浊度变化范围较大，空间上亦可表现出分层性，其浊度变化在0.001～0.01 FTU的量级[1]6-7，可作为深海潜器观测系统和高精度探测系统的设计参考。

1.3 热液区地质

目前作为研究热点的热液区多分布于西南印度洋中脊和冲绳海槽。其中，洋中脊隆起于洋底中部，通常高出两侧的洋盆底部1 000～3 000 m，脊顶处水深多为2 000～3 000 m[5]5-6，垂直轴线方向存在一系列断裂带，并发育有沟槽、海脊和崖壁。冲绳海槽北部水深小于1 350 m，中部水深1 850～2 050 m，南部水深大于2 050 m，最大水深2 719 m[5]32；北部地形崎岖，多海底火山，南部槽底平坦，有个别的孤立山峰，东西两侧的槽坡大致呈阶梯状[5]54。

图2[6]为1993年美国伍兹霍尔海洋研究所的阿尔文号载人潜器在大西洋下潜时拍摄的热液喷口黑烟囱，该喷口位于大西洋的洋中脊，呈现较为典型的热液喷口地质特征。热液活动区的基底为火山喷发产生的岩石，不同区域的岩石组成成分稍有不同，但多为玄武岩。表面覆盖有热液产物所形成的不同形状的堆积体，如烟囱体、丘状体、块状硫化物等，有些区域混有生物碎屑和陆源物质。

热液区高低不平的地势和岩石状的基底对热液区探测及作业装备的操纵运动性能、安全可靠性能提出了特殊要求。

图2 阿尔文号拍摄的热液喷口

2 冷泉区环境

2.1 冷泉区的形成与分类

冷泉是由低温流体自海底沉积界面之下以喷涌或渗漏的方式注入深海盆地，并产生一系列物化反应及生物作用所形成的系统[7]。冷泉在大陆边缘海底约4 000 m以内均有发现，主要发育在大陆边缘斜坡。冷泉渗漏流体成分以水、碳氢化合物、硫化氢、细粒沉积物为主。碳氢化合物包括甲烷和石油重烃类化合物[8]，是日前备受关注的油气资源。

冷泉流体温度与海水相近，根据流体流入盆地的速度，可分为快速冷泉和慢速冷泉[7]。快速冷泉通常产自泥火山附近，其流体为富甲烷流体，携带大量细粒沉积物；慢速冷泉的流体则富含油或气。冷泉在海底沿构造带和高渗透的地层呈线性群的形式，有的冷泉围绕泥火山集中分布，多为近圆形的冷泉群，而在地形狭窄凹陷处也有呈孤立形式的冷泉。

2.2 冷泉羽状流

冷泉区的环境相对友好，但在深海作业中不能忽视伴随冷泉产生的气泡及可燃性气体的释放。

海底的碳酸盐岩结壳破裂时会产生大量的流体渗漏，并伴随周期性的甲烷气体喷溢，在气源充足的情况下，冷泉上方海水中会产生气泡羽状流[9]。不过，有冷泉发育的地区不一定必然出现羽状流。

羽状流中常见气泡的直径为0.5～5 mm，中等气泡直径为2.5 mm，大多数气泡直径在1.5 mm左右[7,9]。如图3所示[10]，海底水温升高时，气泡释放速度会相应提高。羽状气泡有时会携带水合物喷溢出海底，形成海底“火焰”，“焰高”几十毫米至几十米不等，特殊地形可达千米[9]。甲烷羽状流多为直立或微倾圆锥体，多数羽状流能从喷口上升至海平面之下200～300 m，而每个羽状流的分布直径由上至下逐渐增大，到海底处可达300～500 m[7]。

图3 NOAA拍摄的冷泉区底质及甲烷气泡

根据具体作业设备的精度要求，可进一步分析羽状流气泡与周边海水密度、流动的关系。

2.3 冷泉区地质

冷泉分布较广，在深海扩张中心、汇聚板块边界、大陆边缘、弧前盆地、断层和泥火山发育的海域都有发现。冷泉区表层沉积物通常为泥质，周围分布有冷泉特征产物：碳酸盐丘、生物礁、泥海岭、泥火山、结晶状天然气水合物和天然气泄漏的气柱[8]。

3 结束语

设计与研制深海作业设备时有必要研究相应的环境状况，针对深海载人潜器探测与科学研究、深海资源开发与利用、海洋综合防卫的不同需求，进行作业任务的合理规划。设计人员应从载人潜器的安全、探测设备的运行、深海作业工况的特殊要求等方面分析深海潜器的设计与运营，针对作业海域的极端温度、气泡流环境等采取必要的措施。