本发明涉及海洋工程勘探领域，尤其涉及一种海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器和方法。
背景技术：
在海底的能源类物质的成藏区，由于海底底下的地理环境中普遍存在压力、温度、浓度和组分上的差异，烃类物质将从深部动态运移至表层，使得浅表层沉积物、孔隙水和底层水等介质中的地球化学特征发生变化，形成地球化学异常。其中海水-沉积物界面的甲烷渗漏、ph值、氧化还原电位和各种化学组成变化是天然气水合物勘探和海洋环境变化的重要依据，但相关的保真取样、测试技术和地质环境系统演化研究相对薄弱。时下国际上对于海底原位孔隙水采集技术仍较缺乏，目前开展的原位取样技术深度和样品量以及高分辨率很难兼顾，大多数孔隙水取样也未涉及气密技术。缺乏实现无污染、分辨率高、气密的浅表层原位孔隙水的保真取样器。海底表层沉积物原位气密孔隙水的保真取样器研制，一方面可以防止孔隙水中的溶解气体逃逸，另一方面又可以保持孔隙水的原始成分和信息，海底表层孔隙水梯度的精密取样可为表层沉积物生物地球化学反应的灵敏变化研究提供重要手段。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一个海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其能解决传统的海底浅表层沉积物原位气密孔隙水的保真取样器存在高污染、分辨率底和气密性差问题。
本发明的目的之二在于提供一个海底表层沉积物原位孔隙水保真取样方法，其能解决传统的海底浅表层沉积物原位气密孔隙水的保真取样器存在高污染、分辨率底和气密性差问题。
为了达到上述目的之一，本发明所采用的技术方案如下：
一个海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，包括用于降低取样过程对沉积物产生扰动的隔离组件、用于维持取样组件稳定的支撑架和控制舱，所述隔离组件包括内部设置有容纳腔的壳体，所述容纳腔一侧开设有开口，所述开口上盖合有盖板，所述盖板一侧端面由下至上设置有若干组取样孔，每组所述取样孔的输出端连接有用于保真取样海底表层沉积物原位孔隙水的取样组件，所述取样组件包括孔隙毛细管、导管、取样筒和电磁阀，所述孔隙毛细管、电磁阀、导管和取样筒均设置在容纳腔中，所述孔隙毛细管的输入端与取样孔连接，所述孔隙毛细管的输出端通过导管与取样筒的输入端连接，所述取样筒的输出端通过电磁阀与壳体的输出端连接，所述支撑架包括支撑架体和若干用于调整取样筒内压力的蓄能模块，所述蓄能模块环绕固定于支撑架体，所述支撑架体的下端与壳体的上端连接，所述蓄能模块的输出端与取样筒连接，所述蓄能模块和电磁阀均与控制舱连接；所述盖板，用于驱使取样孔处于打开和闭合其中一种状态。
优选的，所述壳体的下端向下延伸形成延展部分，所述延展部分呈铲状结构。
优选的，所述取样组件还包括粗过滤层，所述取样孔通过粗过滤层与孔隙毛细管的输入端连接。
优选的，所述取样组件还包括单向阀，所述导管与单向阀的输入端连接，所述取样筒的输入端与单向阀的输出端连接。
优选的，所述取样筒包括内部设置有取样腔的筒体、活动连接在取样腔内的活塞和弹性元件，所述电磁阀与取样腔的输出端连接，所述活塞通过弹性元件与取样腔靠近输出端的一端连接，所述导管与取样腔的输入端连接，所述蓄能模块的输出端与取样腔连接。
优选的，所述取样孔呈矩阵分布在盖板的一侧端面上。
优选的，所述孔隙毛细管由多孔亲水性滤膜组成。
为了达到上述目的之二，本发明所采用的技术方案如下：
一种海底表层沉积物原位孔隙水保真取样方法，包括以下步骤：
s1：预先向取样筒中注入液体，以使得取样筒中的水压处于稳定值；
s2：将隔离组件插到取样地点，再判断外界土壤环境是否稳定，若是，则打开盖板，驱使取样孔处于打开状态，若否，则关闭盖板，驱使取样孔处于闭合状态；
s3：通过电磁阀释放取样筒中的液体，驱使取样筒内的水压低于外界水压，并将孔隙水吸入取样筒；
s4：判断取样筒当前水压是否处于预设范围，若是，则继续将孔隙水吸入取样筒，若否，则通过蓄能模块将取样筒当前水压调整至预设范围，再继续将孔隙水吸入取样筒。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过由下至上设置有若干组取样孔，并且在每组取样孔的输出端设置独立的取样组件，以使得海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器能够进行海底浅层多层位取样，可获得多个厘米级高分辨率孔隙水样本，从而构建成海底多层位、高分辨率孔隙水样本，同时在取样筒和取样孔之间设置有孔隙毛细管，有效阻挡海底表层沉积物进入取样筒，可以在原位取样时最小程度降低对海底表层沉积物的扰动，增加孔隙水样品精度。
附图说明
图1为本发明中所述的海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器的结构示意图。
图2为本发明中所述的隔离组件的结构示意图。
图3为本发明中所述的取样组件的结构示意图。
图中：1-隔离组件；2-支撑架；3-蓄能模块；4-壳体；5-取样组件；6-单向阀；7-活塞；8-弹性元件；9-取样筒；10-电磁阀；11-导管；12-盖板；13-粗过滤层；14-孔隙毛细管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
在本发明中，所述控制舱中设置有通信模块、定时模块和控制模块，所述通信模块和定时模块均与控制模块连接，所述控制模块可以为单片机等有数据处理能力的终端模块，所述控制模块与电磁阀10连接，用于控制电磁阀10处于开启和关闭其中一种状态以及控制电磁阀10开启的时间，所述蓄能模块3为活塞式蓄能模块3，所述电磁阀10为高压电磁阀10，适用于深海等高水压场景使用。
实施例一：
如图1-3所示，一个海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，包括用于降低取样过程对沉积物产生扰动的隔离组件1、用于维持取样组件5稳定的支撑架2和控制舱，所述隔离组件1包括内部设置有容纳腔的壳体4，优选的，所述壳体4采用耐压材料制成，避免壳体4进入深海环境后，发生变形，进一步的，所述壳体4的下端向下延伸形成延展部分，所述延展部分呈铲状结构，以便于隔离组件1插入取样地点，减小隔离组件1在插入过程中，对取样地点的土壤环境造成破环，以缩短取样地点及其周边环境恢复原样的时间；在本实施例中，所述容纳腔一侧开设有开口，所述开口上盖合有盖板12，所述盖板12一侧端面由下至上设置有若干组取样孔，优选的，所述取样孔呈矩阵分布在盖板12的一侧端面上，每组所述取样孔的输出端连接有用于保真取样海底表层沉积物原位孔隙水的取样组件5，具体的，每个取样组件5之间的上下间距为2cm，而且取样组件5的容量至少为10ml；在本实施例中，通过由下至上设置有若干组取样孔，并且在每组取样孔的输出端设置独立的取样组件5，以使得海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器能够进行海底浅层多层位取样，可获得多个厘米级高分辨率孔隙水样本，从而构建成海底多层位、高分辨率孔隙水样本。
具体的，所述取样组件5包括孔隙毛细管14、导管11、取样筒9和电磁阀10，所述孔隙毛细管14、电磁阀10、导管11和取样筒9均设置在容纳腔中，优选的，还包括粗过滤层13，所述粗过滤层13是孔径为1mm的过滤网，可以对海底沉积物孔隙水进行初步过滤，设置在取样孔和孔隙毛细管14之间，主要用于过滤掉粒径较大的土壤颗粒，避免堵塞导管11或者取样筒9，导致取样失败。进一步的，所述孔隙毛细管14为平均孔径为0.15μm的白色多孔亲水性滤膜，该类型滤膜可自动湿润并不产生吸附，对海底表层沉积物水力性质破坏最小，以使得海底表层沉积物很快恢复常态，降低对海底生态系统的破坏，同时，所述导管11采用u型导管，可以很大程度上减小取样插板的尺寸以及对取样地点的破坏，方便携带以及插入操作；另外，所述取样组件5还包括单向阀6，所述u型导管通过单向阀6与取样筒9连接，避免取样筒9中的液体倒流出来，导致取样筒9内水压异常或者样本泄露；在本实施例中，采用rov将盖板12打开，具体的，可以是通过将盖板12上下移动或者左右移动，使得驱使取样孔处于打开和闭合其中一种状态，驱使盖板12上的取样孔处于打开状态，孔隙水从取样孔进入，粗过滤层13将夹杂在孔隙水中的粒径较大的土壤颗粒和体积较小的海洋生物过滤掉，粗过滤后的孔隙水进入到孔隙毛细管14中，由于孔隙毛细管14是平均孔径为0.15μm的白色多孔亲水性滤膜，可自动湿润并不产生吸附，以使得取样筒9获得目标样本的同时，将取样作业对海底表层沉积物水力性质破坏最小，故海底表层沉积物很快恢复常态，过滤完成后的孔隙水，再依次经过导管11、单向阀6进入取样筒9中储存。
具体的，所述取样筒9包括内部设置有取样腔的筒体、活动连接在取样腔内的活塞7、弹性元件8和电磁阀10，所述电磁阀10与取样腔的输出端连接，所述活塞7通过弹性元件8与取样腔靠近输出端的一端连接，所述导管11与取样腔的输入端连接，所述蓄能模块3的输出端与取样腔连接，所述电磁阀10与控制舱连接；优选的，所述取样腔的容量至少为10ml，从获取足够的孔隙水样本，同时活塞7的侧壁与取样腔的侧壁形成密封连接，使得取样腔被划分成两个独立的部分(第一部分：用来储存样本且无弹簧的样本部分，第二部分：用来储存液体且有弹簧的弹簧部分)；取样前，取样腔中的弹簧部分充满液体，即弹簧部分的容积最大，此时弹簧处于拉伸状态，活塞7紧贴取样腔远离弹性元件8(其中，弹性元件8可以为弹簧)的一端，即样本部分的容积最小，取样时，电磁阀10开始向外界释放取样腔中的液体，那么弹簧部分的水压变小，然后弹簧发生恢复形变，驱使活塞7开始挤压弹簧部分，此时弹簧部分的容积开始变小，样本部分的容积开始变大，由于样本部分的压力是弹簧部分通过活塞7施加过来的，而此时活塞7在弹簧的作用下，压弹簧部分，即表示通过活塞7施加到样本部分的压力明显变小，即样本部分的压力从原来的平衡状态下降到负值，所以样本部分处于负压状态，在负压的作用下，孔隙水被吸入取样腔的样本部分，同时控制舱内的定时模块计算电磁阀10的导通时间，当服务器认为外界土壤环境处于稳定状态后，向控制舱的控制模块发送取样指令，电磁阀10开启，然后定时模块开始计时，当时间达到阈值，定时模块通过控制模块驱使电磁阀10关闭，停止向外界释放弹簧部分的液体；优选的，所述支撑架2包括支撑架体和若干用于调整取样筒9内压力的蓄能模块3，所述蓄能模块3环绕固定于支撑架体，所述支撑架体的下端与壳体4的上端连接，所述蓄能模块3的输出端与取样筒9连接，进一步的，所述取样筒9内设置有压力传感器，所述压力传感器与控制舱连接，在取样过程中，当外界环境导致取样筒9内发生压力发生明显变化时，则蓄能模块3可以分配受压流体使取样筒9的压力恢复稳定。
实施例二：
一种海底表层沉积物原位孔隙水保真取样方法，包括以下步骤：
s1：预先向取样筒9中注入液体，以使得取样筒9中的水压处于稳定值；
具体的，预先向取样筒9的取样腔注入足够多的液体，使得弹性元件8处于拉伸状态并且活塞7紧贴在取样腔的远离弹性元件8的一端(即等于实施例一中所提及的弹簧部分的容积最大，样本部分的容积最小，此时取样筒9中的水压处于稳定阈值。
s2：将隔离组件1插到取样地点，再判断外界土壤环境是否稳定，若是，则打开盖板12，驱使取样孔处于打开状态，若否，则关闭盖板12，驱使取样孔处于闭合状态；
具体的，通过rov将海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器运输至取样地点，再将隔离组件1插到取样地点，优选的，所述壳体4的下端向下延伸形成延展部分，所述延展部分呈铲状结构，以便于rov将隔离组件1直插入取样地点，减小隔离组件1在插入过程中，对取样地点的土壤环境造成破环，同时，所述导管11采用u型导管，可以很大程度上减小隔离组件1的尺寸，在海底造成的插口尽可能狭小，降低对取样地点的生态系统的破坏，以缩短取样地点及其周边环境恢复原样的时间，并方便rov对海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器的携带以及进行插入作业。
当rov将隔离组件1直插入取样地点到指定地点之后，可以通过rov的可视装置观察取样地点及其周边环境是否恢复原样，或者静待1个小时左右，待取样地点位周围海流及土壤自身环境稳定后开始取样，具体的，采用rov将盖板12打开，通过将盖板12上下移动或者左右移动，使得驱使取样孔处于打开和闭合其中一种状态，驱使盖板12上的取样孔处于打开状态，孔隙水从取样孔进入，粗过滤层13将夹杂在孔隙水中的粒径较大的土壤颗粒和体积较小的海洋生物过滤掉，粗过滤后的孔隙水进入到孔隙毛细管14中，由于孔隙毛细管14是平均孔径为0.15μm的白色多孔亲水性滤膜，可自动湿润并不产生吸附，以使得取样筒9获得目标样本的同时，将取样作业对海底表层沉积物水力性质破坏最小，故海底表层沉积物很快恢复常态，过滤完成后的孔隙水，再依次经过导管11、单向阀6进入取样筒9中储存
s3：释放取样筒9中的液体，驱使取样筒9内的水压低于外界水压，并将孔隙水吸入取样筒9；
具体的，通过电磁阀10开始向外界释放取样腔中的液体，那么弹簧部分的水压变小，然后弹簧发生恢复形变，驱使活塞7开始挤压弹簧部分，此时弹簧部分的容积开始变小，样本部分的容积开始变大，由于样本部分的压力是弹簧部分通过活塞7施加过来的，而此时活塞7在弹簧的作用下，压弹簧部分，即表示通过活塞7施加到样本部分的压力明显变小，即样本部分的压力从原来的平衡状态下降到负值，所以样本部分处于负压状态，在负压的作用下，孔隙水被吸入取样腔的样本部分，同时控制舱内的定时模块计算电磁阀10的导通时间，当服务器认为外界土壤环境处于稳定状态后，向控制舱的控制模块发送取样指令，电磁阀10开启，然后定时模块开始计时，当时间达到阈值，定时模块通过控制模块驱使电磁阀10关闭，停止向外界释放弹簧部分的液体；
s4：判断取样筒9当前水压是否处于预设范围，若是，则继续将孔隙水吸入取样筒9，若否，则通过蓄能模块3将取样筒9当前水压调整至预设范围，再继续将孔隙水吸入取样筒9。
具体的，所述支撑架2包括支撑架体和若干用于调整取样筒9内压力的蓄能模块3，所述蓄能模块3环绕固定于支撑架体，所述支撑架体的下端与壳体4的上端连接，所述蓄能模块3的输出端与取样筒9连接，进一步的，所述取样筒9内设置有压力传感器，所述压力传感器与控制舱连接，在取样过程中，当外界环境导致取样筒9内发生压力发生明显变化时，例如不可抗力或者大型海洋生物的活动影响取样筒9内正常水压，则控制舱驱使蓄能模块3分配受压流体进入或者离开取样筒9，以使的取样筒9的压力恢复到稳定的阈值，保证取样筒9能够获取到足够的样本数量。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
1.一种海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其特征在于：包括用于降低取样过程对沉积物产生扰动的隔离组件、用于维持取样组件稳定的支撑架和控制舱，所述隔离组件包括内部设置有容纳腔的壳体，所述容纳腔一侧开设有开口，所述开口上盖合有盖板，所述盖板一侧端面由下至上设置有若干组取样孔，每组所述取样孔的输出端连接有用于保真取样海底表层沉积物原位孔隙水的取样组件，所述取样组件包括孔隙毛细管、导管、取样筒和电磁阀，所述孔隙毛细管、电磁阀、导管和取样筒均设置在容纳腔中，所述孔隙毛细管的输入端与取样孔连接，所述孔隙毛细管的输出端通过导管与取样筒的输入端连接，所述取样筒的输出端通过电磁阀与壳体的输出端连接，所述支撑架包括支撑架体和若干用于调整取样筒内压力的蓄能模块，所述蓄能模块环绕固定于支撑架体，所述支撑架体的下端与壳体的上端连接，所述蓄能模块的输出端与取样筒连接，所述蓄能模块和电磁阀均与控制舱连接；所述盖板，用于驱使取样孔处于打开和闭合其中一种状态。
2.如权利要求1所述的海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其特征在于：所述壳体的下端向下延伸形成延展部分，所述延展部分呈铲状结构。
3.如权利要求1所述的海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其特征在于：所述取样组件还包括粗过滤层，所述取样孔通过粗过滤层与孔隙毛细管的输入端连接。
4.如权利要求1所述的海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其特征在于：所述取样组件还包括单向阀，所述导管与单向阀的输入端连接，所述取样筒的输入端与单向阀的输出端连接。
5.如权利要求1所述的海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其特征在于：所述取样筒包括内部设置有取样腔的筒体、活动连接在取样腔内的活塞和弹性元件，所述电磁阀与取样腔的输出端连接，所述活塞通过弹性元件与取样腔靠近输出端的一端连接，所述导管与取样腔的输入端连接，所述蓄能模块的输出端与取样腔连接。
6.如权利要求1所述的海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其特征在于：所述取样孔呈矩阵分布在盖板的一侧端面上。
7.如权利要求1所述的海底表层沉积物原位孔隙水保真取样器，其特征在于：所述孔隙毛细管由多孔亲水性滤膜组成。
8.一种海底表层沉积物原位孔隙水保真取样方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：预先向取样筒中注入液体，以使得取样筒中的水压处于稳定值；
s2：将隔离组件插到取样地点，再判断外界土壤环境是否稳定，若是，则打开盖板，驱使取样孔处于打开状态，若否，则关闭盖板，驱使取样孔处于闭合状态；
s3：通过电磁阀释放取样筒中的液体，驱使取样筒内的水压低于外界水压，并将孔隙水吸入取样筒；
s4：判断取样筒当前水压是否处于预设范围，若是，则继续将孔隙水吸入取样筒，若否，则通过蓄能模块将取样筒当前水压调整至预设范围，再继续将孔隙水吸入取样筒。
技术总结