CN111551390B - 具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有原位取样装置的高压海底模拟系统，包括高压模拟舱，和环境条件控制单元，在高压模拟舱上安装有压力平衡舱，压力平衡舱中设置有压力控制器、开关阀门和移动导轨；在移动导轨上设置有取样器；开关阀门设置在压力平衡舱两端；压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器的控制端均与环境条件控制单元电性连接。本发明还提供该系统的控制方法，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境及其演化条件；再通过在压力平衡舱中设置压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器有效避免了投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验的难题，取出的样品可以直接用于研究，不会发生显著性状改变，确保研究结果的合理有效性。

Description

具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，更具体的，涉及一种具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法。

背景技术

深海是海洋系统的重要组成部分，深海高压、黑暗、寡营养等极端环境塑造了特殊的生命过程。深海孕育了热液、冷泉、海山、深海平原等特殊生态系统，深海资源潜力巨大，同时深海还对上层海洋系统热量耗散和碳循环中扮演重要角色，是调节全球气候变化的重要环节。不仅如此，深海还蕴藏着丰富的油气藏资源和锰结核等矿产资源。深海进入、深海探测、深海开发的科技实力决定了国家海洋科技水平的空间与高度。但是迄今为止，人类对深海的认识还知之甚少，各海洋强国谁先启动，谁先进入，谁先掌握关键技术，将在蓝色圈地运动中掌握主动权。对深海资源、环境、生态系统和极端生命的认知是当今地球科学、能源科学和生命科学的前沿和热点。

常规的实验模拟深海生态系统以及资源开采过程等不能反演其高压、低温/高温等极端环境，深海现场取样研究投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验，将样品带回现场实验面临样品脱离原位环境后物理、化学、生物性状发生显著改变等问题。

发明内容

本发明为克服现有的深海现场取样存在投资巨大、操作困难且将样品带回现场实验面临样品脱离原位环境后物理、化学、生物性状发生显著改变不利于研究的技术缺陷，提供一种具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

具有原位取样装置的高压海底模拟系统，包括高压模拟舱，在所述高压模拟舱中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元、海底界面模拟单元、海底下伏沉积物模拟单元；还包括环境条件控制单元，用于装置内部环境条件的控制；其中：

在所述高压模拟舱上安装有压力平衡舱，所述压力平衡舱中设置有压力控制器、开关阀门和移动导轨；在所述移动导轨上设置有取样器；

所述开关阀门设置在所述压力平衡舱两端；

所述压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器的控制端均与所述环境条件控制单元电性连接。

上述方案中，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境，真实模拟海底界面、海底下伏沉积物和海底上覆水环境，在保证深海原位物理、化学、地质环境条件的基础上，通过环境条件控制单元内置的部件和参数模拟不同形态和不同形式的深海情况；通过在压力平衡舱中设置压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器有效避免了投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验的难题，取出的样品可以直接用于研究，不会发生显著改变，确保研究结果的有效性。

上述方案中，高压模拟舱主要为模拟海底系统提供空间环境，材质为耐压材料；其中压力平衡舱和取样器是本发明的核心部件。压力平衡舱主要为进入高压模拟舱进行装样和取样提供压力平衡转换条件，将待取样品和取样器从高压海底模拟系统进入实验状态条件提供压力转换条件，或者将待投放至高压海底模拟系统的样品和取样器从实验状态条件进入高压模拟系统提供压力转换条件。压力平衡舱具有个可开启通道，一边连接高压海底模拟系统，一边连接实验状态环境系统。压力平衡舱除了保证压力平衡的功能外，还提供将取样器和样品送入/送出高压模拟舱提供空间条件。

其中，所述压力平衡舱设置在所述海底界面模拟单元上，由所述取样器对海底界面模拟单元进行样品的投放或采集。

上述方案中，所述取样器可以是移动导轨控制取样器或遥控机器人等实现方式。

其中，所述取样器包括连接底座、旋转台、夹持机构和控制电路；其中：

所述取样器通过所述连接底座设置在所述移动导轨上；

所述旋转台安装在所述连接底座上；

所述夹持机构安装在所述旋转台上；

所述连接底座、旋转台、夹持机构控制端均与所述控制电路电性连接；

所述控制电路与所述环境条件控制单元电性连接。

上述方案中，在取样器动作过程中，控制电路驱动连接底座在移动导轨上滑动，实现取样器的水平移动；控制电路驱动旋转台，旋转台带动夹持机构作360°旋转，实现取样器的多角度取样；控制电路驱动夹持机构做夹持或送开动作，实现取样取对样本的夹取或投放。

上述方案中，取样器可在压力平衡舱与高压海底模拟系统内自由收放移动，且在高压海底模拟系统内可以自由移动，具有对海底模拟系统内的样品具有360度自由取样功能，同时，取样器上可搭载照明设备，为取样器进入高压海底模拟系统内取样提供光源，为取样器进行精准取样操作提供条件。

其中，所述移动导轨包括导轨主体、链条推动装置和驱动电机；其中：

所述连接底座安装在所述导轨主体上；

所述导轨主体底部设置在链条推动装置上；

所述链条推动装置通过所述驱动电机进行驱动；

所述驱动电机控制端与所述环境条件控制单元电性连接。

上述方案中，通过驱动电机驱动链条推动装置进行转动，铰接在链条推动装置的导轨主体将被推出或回缩，正常情况下移动导轨可以完全容纳在压力平衡舱内；当需要投放或采集样品时，可以将移动导轨推出至高压模拟舱中，确保取样器可以到达同一水平线上的所有位置，方便样品的投放或采集。

其中，在所述海底上覆海水环境模拟单元，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。

其中，所述海底下伏沉积物模拟单元用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带和次氧氧化带，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。

其中，所述环境条件控制单元包括温度控制装置、压力检测装置、水气循环装置、液体注入装置和处理终端；

所述水气循环装置、液体注入装置均与所述处理终端电性连接；

所述水气循环装置一端通口设置在所述高压模拟舱顶部，另一端设置在高压模拟舱上，实现高压模拟舱内气液流体的循环；

所述温度控制装置包括若干个温度传感器和环壁温度控制器，所述温度传感器均匀地设置在高压模拟舱内各地质分层环境中，温度传感器信号输出端与所述处理终端输入端电性连接；所述环壁温度控制器包裹在所述高压模拟舱外壁，其控制端与所述处理终端输出端电性连接；

所述压力检测装置包括若干个压力传感器，所述压力传感器均匀地设置在高压模拟舱内各地质分层中；所述压力传感器信号输出端与所述处理终端输入端电性连接；

所述液体注入装置与所述高压模拟舱底部连接；

所述处理终端与所述控制电路、驱动电机电性连接。

上述方案中，通过温度控制装置和水气循环装置对海底水体系统内的气液流体进行循环和温度控制，保证高压模拟舱的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态。水气循环装置主要包括多台循环泵、换热机组、流速控制元件等。同时在模拟舱外部包覆水循环夹套，并且在不同层位均匀布设温度传感器，实时监测系统内的温度变化。

上述方案中，压力检测装置主要是提供海底系统模拟的深海压力环境条件。主要包括气液注入增压系统和压力监测控制系统，保持模拟舱内的压力环境与海底原位条件相近的状态，并且在不同层位均匀布设压力传感器，实时监测系统内的压力变化。

其中，所述处理终端包括数据采集器、中央处理器、存储器和显示器；其中：

所述数据采集器输入端与温度控制装置、压力检测装置输出端电性连接；所述数据采集器输出端与所述中央处理器输入端电性连接；

所述中央处理器与所述存储器电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器输出端与所述显示器输入端电性连接，用于采集信息的显示。

具有原位取样装置的高压海底模拟系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟舱内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别均匀注入硫酸盐溶液或者含铁、锰盐溶液，保证不同化学分带的氧化还原条件；

S3：向高压模拟舱内注入需要量的海水，构建海底上覆海水环境模拟单元；同时控制环境条件控制单元保证高压模拟舱内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉生态系统形成演化的环境条件；

S4：当所有海底环境模拟条件准备到位后，通过操作压力平衡舱中的压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器实现对样品的投放或采集；

S5：根据投放的样品进行培养或采集的样品在实验环境中进行研究。

其中，所述步骤S4具体包括以下步骤:

投放样品时：

确保压力平衡舱两个开关阀门均已关闭，随后打开与实验环境连通的开关阀门，将需要培养的样品放至取样器上，随后关闭与实验环境连通的开关阀门；

通过压力控制器进行增压，待压力平衡后，打开与高压模拟舱连通的开关阀门，让海水进入压力平衡舱中，控制移动导轨将取样器进入高压模拟舱中，将样品投放至指定位置；

最后将取样器收回压力平衡舱中，关闭与高压模拟舱连通的开关阀门，完成样品的投放；

采集样本时：

确保压力平衡舱两个开关阀门均已关闭，随后打开与高压模拟舱连通的开关阀门，让海水进入压力平衡舱中，待压力平衡后，控制移动导轨将取样器进入高压模拟舱中，对需要取回的样品进行抓取；

随后将取样器收回压力平衡舱中，关闭与高压模拟舱连通的开关阀门；

通过压力控制器进行降压，待压力平衡后，打开与实验环境连通的开关阀门，将样品取出至实验环境中。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的具有原位取样装置的高压海底模拟系统及控制方法，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境，真实模拟海底界面、海底下伏沉积物和海底上覆水环境，在保证深海原位物理、化学、地质环境条件的基础上，通过环境条件控制单元内置的部件和参数模拟不同形态和不同形式的深海情况；通过在压力平衡舱中设置压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器有效避免了投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验的难题，取出的样品可以直接用于研究，不会发生显著改变，确保研究结果的有效性。

附图说明

图1为具有原位取样装置的高压海底模拟系统结构示意图；

图2为高压海底模拟系统模块连接示意图；

图3为具有原位取样装置的高压海底模拟系统控制方法流程图；

其中：1、高压模拟舱；2、海底上覆海水环境模拟单元；3、海底界面模拟单元；4、海底下伏沉积物模拟单元；41、厌氧氧化带；42、次氧氧化带；5、环境条件控制单元；51、温度控制装置；511、温度传感器；52、压力检测装置；521、压力传感器；53、水气循环装置；54、液体注入装置；55、处理终端；551、数据采集器；552、中央处理器；553、存储器；554、显示器；6、压力平衡舱；61、压力控制器；62、开关阀门；63、移动导轨；7、取样器。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1、图2所示，具有原位取样装置的高压海底模拟系统，包括高压模拟舱1，在所述高压模拟舱1中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元2、海底界面模拟单元3、海底下伏沉积物模拟单元4；还包括环境条件控制单元5，用于装置内部环境条件的控制；其中：

在所述高压模拟舱1上安装有压力平衡舱6，所述压力平衡舱6中设置有压力控制器61、开关阀门62和移动导轨63；在所述移动导轨63上设置有取样器7；

所述开关阀门62设置在所述压力平衡舱6两端；

所述压力控制器61、开关阀门62、移动导轨63和取样器7的控制端均与所述环境条件控制单元5电性连接。

在具体实施过程中，通过在高压模拟舱1内模拟深海原位环境，真实模拟海底界面、海底下伏沉积物和海底上覆水环境，在保证深海原位物理、化学、地质环境条件的基础上，通过环境条件控制单元5内置的部件和参数模拟不同形态和不同形式的深海情况；通过在压力平衡舱6中设置压力控制器61、开关阀门62、移动导轨63和取样器64有效避免了投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验的难题，取出的样品可以直接用于研究，不会发生显著改变，确保研究结果的有效性。

在具体实施过程中，高压模拟舱1主要为模拟海底系统提供空间环境，材质为耐压材料；其中压力平衡舱6和取样器7是本发明的核心部件。压力平衡舱6主要为进入高压模拟舱1进行装样和取样提供压力平衡转换条件，将待取样品和取样器7从高压海底模拟系统进入实验状态条件提供压力转换条件，或者将待投放至高压海底模拟系统的样品和取样器7从实验状态条件进入高压模拟系统提供压力转换条件。压力平衡舱6具有个可开启通道，一边连接高压海底模拟系统，一边连接实验状态环境系统。压力平衡舱6除了保证压力平衡的功能外，还提供将取样器7和样品送入/送出高压模拟舱1提供空间条件。

更具体的，所述压力平衡舱6设置在所述海底界面模拟单元3上，由所述取样器7对海底界面模拟单元3进行样品的投放或采集。

更具体的，所述取样器7包括连接底座、旋转台、夹持机构和控制电路；其中：

所述取样器7通过所述连接底座设置在所述移动导轨63上；

所述旋转台安装在所述连接底座上；

所述夹持机构安装在所述旋转台上；

所述连接底座、旋转台、夹持机构控制端均与所述控制电路电性连接；

所述控制电路与所述环境条件控制单元5电性连接。

在具体实施过程中，在取样器7动作过程中，控制电路驱动连接底座在移动导轨63上滑动，实现取样器7的水平移动；控制电路驱动旋转台，旋转台带动夹持机构作360°旋转，实现取样器7的多角度取样；控制电路驱动夹持机构做夹持或送开动作，实现取样器7对样本的夹取或投放。

在具体实施过程中，取样器7可在压力平衡舱1与高压海底模拟系统内自由收放移动，且在高压海底模拟系统内可以自由移动，具有对海底模拟系统内的样品具有360度自由取样功能，同时，取样器7上可搭载照明设备，为取样器7进入高压海底模拟系统内取样提供光源，为取样器7进行精准取样操作提供条件。

更具体的，所述移动导轨63包括导轨主体、链条推动装置和驱动电机；其中：

所述连接底座安装在所述导轨主体上；

所述导轨主体底部设置在链条推动装置上；

所述链条推动装置通过所述驱动电机进行驱动；

所述驱动电机控制端与所述环境条件控制单元5电性连接。

在具体实施过程中，通过驱动电机驱动链条推动装置进行转动，铰接在链条推动装置的导轨主体将被推出或回缩，正常情况下移动导轨63可以完全容纳在压力平衡舱1内；当需要投放或采集样品时，可以将移动导轨63推出至高压模拟舱1中，确保取样器7可以到达同一水平线上的所有位置，方便样品的投放或采集。

更具体的，在所述海底上覆海水环境模拟单元2，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。

更具体的，所述海底下伏沉积物模拟单元4用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带41和次氧氧化带42，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。

更具体的，所述环境条件控制单元5包括温度控制装置51、压力检测装置52、水气循环装置53、液体注入装置54和处理终端55；

所述水气循环装置53、液体注入装置54均与所述处理终端55电性连接；

所述水气循环装置53一端通口设置在所述高压模拟舱1顶部，另一端设置在高压模拟舱1上，实现高压模拟舱1内气液流体的循环；

所述温度控制装置51包括若干个温度传感器和环壁温度控制器，所述温度传感器511均匀地设置在高压模拟舱1内各地质分层中，温度传感器511信号输出端与所述处理终端55输入端电性连接；所述环壁温度控制器包裹在所述高压模拟舱1外壁，其控制端与所述处理终端55输出端电性连接；

所述压力检测装置52包括若干个压力传感器521，所述压力传感器521均匀地设置在高压模拟舱1内各地质分层中；所述压力传感器521信号输出端与所述处理终端55输入端电性连接；

所述液体注入装置54与所述高压模拟舱1底部连接；

所述处理终端55与所述控制电路、驱动电机电性连接。

在具体实施过程中，通过温度控制装置51和水气循环装置53对海底水体系统内的气液流体进行循环和温度控制，保证高压模拟舱1的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态。水气循环装置53主要包括多台循环泵、换热机组、流速控制元件等。同时在模拟舱外部包覆的环壁温度控制器，即水循环夹套，并且在不同层位均匀布设温度传感器511，实时监测控制系统内的温度变化。

在具体实施过程中，由于高压模拟舱1中海水量大，海水温度无法仅靠水循环夹套换热实现控制，此时利用水气循环装置53上安装的循环泵将高压模拟舱1内温度高的海水抽离高压模拟舱1，在换热机组中实现换热降温后流回高压模拟舱1中，实现对高压模拟舱1中海水的降温。如此循环，实现快速地将高压模拟舱1中的海水进行均匀地降温，降至设定预期设定值时，可通过水气循环装置53的流速控制元件控制海水流动的速度或关闭水气循环装置53流动管道。

在具体实施过程中，在高压模拟舱1的水循环夹套表面设置有保温层，两层结构将高压模拟舱1包裹在中间，使其与外界的温度交换减缓，水循环夹套能够实现流体的流动，其通过循环泵将里边的水抽出，之后采用制冷机组进行降温，降温之后泵回到水循环夹套中，相当于水循环夹套与高压模拟舱1的外壁实现热交换，当高压模拟舱1中各个原件工况状态下产生的热量能被水循环夹套带出，从而保持整个高压模拟舱1内一直处于稳定的低温环境，更好的模拟深海海水环境。

在具体实施过程中，通过设置在不同层位的温度传感器对高压模拟舱1内的温度实现实时的监控，根据检测结果控制水气循环装置53及水循环夹套内流体的流速，从而达到对高压模拟舱1内温度的稳定控制。

更具体的，在水气循环装置53上还安装有海水制冷机组。

在具体实施过程中，高压模拟舱1温度控制的过程具体为：包括降温阶段、增压阶段和保温阶段；其中：

降温阶段包括：

1)向高压模拟舱1内注入海水；

2)启动海水制冷机组并调节流速控制元件，通过循环泵将高压模拟舱1内温度高的海水抽离高压模拟舱1；

3)在换热机组实现换热降温后流回高压模拟舱1中，实现对高压模拟舱1中海水的降温，直至高压模拟舱1内海水温度降至设定值，完成降温阶段；

增压阶段：

当温度传感器监测到高压模拟舱1内海水温度达到设定值时，向高压模拟舱1内注入气体和液体，实现高压模拟舱1内的增压；

直至高压模拟舱1内压力达到设定值，完成增压阶段；

保温阶段：

当压力检测装置52监测到高压模拟舱1内压力达到设定值时，在水循环夹套表面敷设保温层；

启动制冷机组，水循环夹套内部流体在循环泵的作用下循环流动，通过水循环夹套的盘管和管路系统的换热器不断地将高压模拟舱1内各原件工况状态时产生的热量换走，保证了高压模拟舱1内在工作期内一直处于预设的温度环境，且整个模拟舱内温度分布均匀。

在具体实施过程中，压力检测装置52主要是提供海底系统模拟的深海压力环境条件。主要包括气液注入增压系统和压力监测控制系统，保持模拟舱内的压力环境与海底原位条件相近的状态，并且在不同层位均匀布设压力传感器521，实时监测系统内的压力变化。

更具体的，所述处理终端55包括数据采集器551、中央处理器552、存储器553和显示器554；其中：

所述数据采集器551输入端与温度控制装置51、压力检测装置52输出端电性连接；所述数据采集器551输出端与所述中央处理器552输入端电性连接；

所述中央处理器552与所述存储器553电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器552输出端与所述显示器554输入端电性连接，用于采集信息的显示。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，如图3所示，本发明提供一种具有原位取样装置的高压海底模拟系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟舱1内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别均匀注入硫酸盐溶液或者含铁、锰盐溶液，保证不同化学分带的氧化还原条件；

S3：向高压模拟舱1内注入需要量的海水，构建海底上覆海水环境模拟单元2；同时控制环境条件控制单元5保证高压模拟舱1内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉生态系统形成演化的环境条件；

S4：当所有海底环境模拟条件准备到位后，通过操作压力平衡舱6中的压力控制器61、开关阀门62、移动导轨63和取样器64实现对样品的投放或采集；

S5：根据投放的样品进行培养或采集的样品在实验环境中进行研究。

更具体的，所述步骤S4具体包括以下步骤:

投放样品时：

确保压力平衡舱6两个开关阀门62均已关闭，随后打开与实验环境连通的开关阀门62，将需要培养的样品放至取样器7上，随后关闭与实验环境连通的开关阀门62；

通过压力控制器61进行增压，待压力平衡后，打开与高压模拟舱1连通的开关阀门62，让海水进入压力平衡舱6中，控制移动导轨63将取样器7进入高压模拟舱1中，将样品投放至指定位置；

最后将取样器7收回压力平衡舱6中，关闭与高压模拟舱1连通的开关阀门62，完成样品的投放；

采集样本时：

确保压力平衡舱6两个开关阀门均已关闭，随后打开与高压模拟舱1连通的开关阀门62，让海水进入压力平衡舱6中，待压力平衡后，控制移动导轨63将取样器7进入高压模拟舱1中，对需要取回的样品进行抓取；

随后将取样器7收回压力平衡舱6中，关闭与高压模拟舱1连通的开关阀门62；

通过压力控制器61进行降压，待压力平衡后，打开与实验环境连通的开关阀门62，将样品取出至实验环境中。

在具体实施过程中，本发明可真是模拟重塑深海高压极端环境，并且具有原位取样装置方便科学及及时对样品进行分析研究，克服实验模拟研究深海科学问题不能满足深海物理、化学、地质参数等困难，同时弥补深海原位探测取样不能满足人员快速对样品进行分析实验，以及将样品待会实验室面临样品原位环境形状发生显著改变等缺点。

实施例3

在具体实施过程中，如图1所示，本发明的高压模拟舱1为球柱结构，柱状部分直径3米，高度10米，球状部分直径5米。高压模拟舱1主要为模拟海底系统提供空间环境，材质为耐压锻件，内部堆焊防腐涂层，可模拟3000米水深压力环境。根据地质分层构建，高压模拟舱1划分为海底上覆海水环境模拟单元2、海底界面模拟单元3和海底下伏沉积物模拟单元4，其中海底界面模拟单元3是本高压模拟舱1的核心部分。压力平衡舱6和取样器7是本发明的核心部件。压力平衡舱6主要为进入高压海底模拟系统进行装样和取样提供压力平衡转换条件，将待取样品和取样器7从高压海底模拟系统进入实验状态条件提供压力转换条件，或者将待投放至高压海底模拟系统的样品和取样器从实验状态条件进入高压模拟系统提供压力转换条件。压力平衡舱6具有个可开启通道，一边连接高压海底模拟系统，一边连接实验状态环境系统。压力平衡舱6除了保证压力平衡的功能外，还提供将取样器7和样品送入/送出高压模拟舱1提供空间条件。如图1所示，取样器7上设置有移动导轨63，可在压力平衡舱6与高压海底模拟系统内自由收放移动，并且在高压海底模拟系统内可以360自由移动翻转，具有对海底模拟系统内的样品具有360度自由取样功能，同时，取样器7上可搭载照明设备，为取样器7进入高压海底模拟系统内取样提供光源，为取样器进行精准取样操作提供条件。取样器7可以对高压海底模拟系统内的菌席、可燃冰、管状蠕虫、贻贝、潜锴虾以及海底沉积物进行原位精准取样。

在具体实施过程中，本发明首先通过系统调度运行，提供高压海底系统的原位深海环境条件。在模拟系统内分层填充准备海底界面模拟单元3、海底下伏沉积物模拟单元4和海底上覆海水环境模拟单元2。先根据实际情况在高压模拟舱1内充填海底沉积物，保证沉积物的厚度、分布、孔隙状态参数等与海底真实条件一致或者相近。同时在沉积物不同分层的位置分别均匀注入硫酸盐溶液、或者含铁锰盐溶液等保证不同化学分带的氧化还原条件。然后向高压模拟舱1内注入需要量的海水模拟海底界面的上覆海洋水体环境，并且通过温度控制装置51和压力检测系统52等辅助单元保证高压模拟舱1内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉生态系统形成演化的环境条件。

在具体实施过程中，当所有海底环境模拟条件准备到位后，通过操作压力平衡舱6中的压力控制器61、开关阀门62、移动导轨63和取样器64实现对样品的投放或采集；

投放样品时：

确保压力平衡舱6两个开关阀门62均已关闭，随后打开与实验环境连通的开关阀门62，将需要培养的样品放至取样器7上，随后关闭与实验环境连通的开关阀门62；

通过压力控制器61进行增压，待压力平衡后，打开与高压模拟舱1连通的开关阀门62，让海水进入压力平衡舱6中，控制移动导轨63将取样器7进入高压模拟舱1中，将样品投放至指定位置；

最后将取样器7收回压力平衡舱6中，关闭与高压模拟舱1连通的开关阀门62，完成样品的投放；

采集样本时：

确保压力平衡舱6两个开关阀门均已关闭，随后打开与高压模拟舱1连通的开关阀门62，让海水进入压力平衡舱6中，待压力平衡后，控制移动导轨63将取样器7进入高压模拟舱1中，对需要取回的样品进行抓取；

随后将取样器7收回压力平衡舱6中，关闭与高压模拟舱1连通的开关阀门62；

通过压力控制器61进行降压，待压力平衡后，打开与实验环境连通的开关阀门62，将样品取出至实验环境中。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：包括高压模拟舱(1)，在所述高压模拟舱(1)中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元(2)、海底界面模拟单元(3)、海底下伏沉积物模拟单元(4)；还包括环境条件控制单元(5)，用于装置内部环境条件的控制；其中：

在所述高压模拟舱(1)上安装有压力平衡舱(6)，所述压力平衡舱(6)中设置有压力控制器(61)、开关阀门(62)和移动导轨(63)；在所述移动导轨(63)上设置有取样器(7)；

所述开关阀门(62)设置在所述压力平衡舱(6)两端；

所述压力控制器(61)、开关阀门(62)、移动导轨(63)和取样器(7)的控制端均与所述环境条件控制单元(5)电性连接；

所述压力平衡舱(6)设置在所述海底界面模拟单元(3)上，由所述取样器(7)对海底界面模拟单元(3)进行样品的投放或采集；

所述取样器(7)包括连接底座、旋转台、夹持机构和控制电路；其中：

所述取样器(7)通过所述连接底座设置在所述移动导轨(63)上；

所述旋转台安装在所述连接底座上；

所述夹持机构安装在所述旋转台上；

所述连接底座、旋转台、夹持机构控制端均与所述控制电路电性连接；

所述控制电路与所述环境条件控制单元(5)电性连接；所述移动导轨(63)包括导轨主体、链条推动装置和驱动电机；其中：

所述连接底座安装在所述导轨主体上；

所述导轨主体底部设置在链条推动装置上；

所述链条推动装置通过所述驱动电机进行驱动；

所述驱动电机控制端与所述环境条件控制单元(5)电性连接。

2.根据权利要求1所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：在所述海底上覆海水环境模拟单元(2)，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。

3.根据权利要求2所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述海底下伏沉积物模拟单元(4)用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带(41)和次氧氧化带(42)，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。

4.根据权利要求1～3任一项所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述环境条件控制单元(5)包括温度控制装置(51)、压力检测装置(52)、水气循环装置(53)、液体注入装置(54)和处理终端(55)；

所述水气循环装置(53)、液体注入装置(54)均与所述处理终端(55)电性连接；

所述水气循环装置(53)一端通口设置在所述高压模拟舱(1)顶部，另一端设置在高压模拟舱(1)上，实现高压模拟舱(1)内气液流体的循环；

所述温度控制装置(51)包括若干个温度传感器和环壁温度控制器，所述温度传感器(511)均匀地设置在高压模拟舱(1)内各地质分层中，温度传感器(511)信号输出端与所述处理终端(55)输入端电性连接；所述环壁温度控制器包裹在所述高压模拟舱(1)外壁，其控制端与所述处理终端(55)输出端电性连接；

所述压力检测装置(52)包括若干个压力传感器(521)，所述压力传感器(521)均匀地设置在高压模拟舱(1)内各地质分层中；所述压力传感器(521)信号输出端与所述处理终端(55)输入端电性连接；

所述液体注入装置(54)与所述高压模拟舱(1)底部连接；

所述处理终端(55)与所述控制电路、驱动电机电性连接。

5.根据权利要求4所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述处理终端(55)包括数据采集器(551)、中央处理器(552)、存储器(553)和显示器(554)；其中：

所述数据采集器(551)输入端与温度控制装置(51)、压力检测装置(52)输出端电性连接；所述数据采集器(551)输出端与所述中央处理器(552)输入端电性连接；

所述中央处理器(552)与所述存储器(553)电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器(552)输出端与所述显示器(554)输入端通过电性连接，用于采集信息的显示。

6.具有原位取样装置的高压海底模拟系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟舱(1)内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别均匀注入硫酸盐溶液或者含铁、锰盐溶液，保证不同化学分带的氧化还原条件；

S3：向高压模拟舱(1)内注入需要量的海水，构建海底上覆海水环境模拟单元(2)；同时控制环境条件控制单元(5)保证高压模拟舱(1)内的物理、化学环境参数符合真实海底的冷泉生态系统形成演化的环境条件；

S4：当所有海底环境模拟条件准备到位后，通过操作压力平衡舱(6)中的压力控制器(61)、开关阀门(62)、移动导轨(63)和取样器(7)实现对样品的投放或采集；

S5：根据投放的样品进行培养或采集的样品在实验环境中进行研究。

7.根据权利要求6所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤:

投放样品时：

确保压力平衡舱(6)两个开关阀门(62)均已关闭，随后打开与实验环境连通的开关阀门(62)，将需要培养的样品放至取样器(7)上，随后关闭与实验环境连通的开关阀门(62)；

通过压力控制器(61)进行增压，待压力平衡后，打开与高压模拟舱(1)连通的开关阀门(62)，让海水进入压力平衡舱(6)中，控制移动导轨(63)将取样器(7)进入高压模拟舱(1)中，将样品投放至指定位置；

最后将取样器收回压力平衡舱(6)中，关闭与高压模拟舱(1)连通的开关阀门(62)，完成样品的投放；

采集样本时：

确保压力平衡舱(6)两个开关阀门(62)均已关闭，随后打开与高压模拟舱(1)连通的开关阀门(62)，让海水进入压力平衡舱(6)中，待压力平衡后，控制移动导轨(63)将取样器(7)进入高压模拟舱(1)中，对需要取回的样品进行抓取；

随后将取样器收回压力平衡舱(6)中，关闭与高压模拟舱(1)连通的开关阀门(62)；

通过压力控制器(61)进行降压，待压力平衡后，打开与实验环境连通的开关阀门(62)，将样品取出至实验环境中。

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