海底原位地球化学传感器的研制与应用

摘要

国际海底区域蕴藏着丰富的战略金属、能源和生物资源,是人类生命维系和社会持续发展的重要支持系统。海底热液体系不仅具有潜在的巨大经济价值而且对研究地球深部物质运动过程、构造活动、板块运动及生命起源也有积极意义,因此对它的勘查研究是当代海洋科学、地质学及生物学等众多学科共同面临的使命。在国家“863”项目的大力支持下,本论文研制一套具有自主知识产权、适用于海底原位探测的多参数地球化学传感器,它集成了参比电极、pH电极、硫化氢电极以及溶解氧电极,能直接获取热液体系的原位探测数据,它不仅对从地学、化学、生物学、深部地球物质等方面广泛研究热液体系具有重要意义,此外还将极大地促进海洋资源的探测、海洋环境的监测和保护、海洋科学的研究。通过分析国内外现有的原位地球化学传感器技术及各电极的制作方法,本文采用贵金属丝作为电极的基材,实现探测电极的固体化和微型化;采用熔融法制作Ag/AgCl参比电极,提高其使用寿命;采用以含超细银粉环氧树脂为中间层的方法制作Ag/Ag2S电极,提高其检测下限;采用熔融过氧化钠法以及外覆质子半透膜技术制作Ir/IrO2电极,提高其抗干扰能力;以及采用在金丝表面镀DePeX膜提高溶解氧电极的使用寿命及探测能力。在实验过程中,通过不断的标定及反复测试,根据反馈结果进一步完善电极性能。浙江大学有关课题组和美国明尼苏达大学合作研制的原位地球化学传感器成功应用于对东太平洋海隆Tica热液区生物栖息地为期12天的连续测试,在该地区首次实现了化学量原位长期观测。探测数据显示Tica热液区海水温度变化范围介于10℃至20.5℃,总溶解H2S的浓度介于7.4～27.3μmol/L。原位探测数据分析结果表明,潮汐作用引起扩散流温度和化学成分的周期变化。海底原位地球化学传感器是一个可扩展的、通用性较强的技术平台,具有广泛的应用前途,尤其在天然气水合物探测以及海底长期观测系统等方面都具有巨大的潜在应用前景。本文研究成果可缩短我国与世界发达国家在深海海底资源调查技术上的差距。为今后我国深海矿产资源调查、勘探和开采打下良好基础。

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 国际海底资源

1.1.1 概述

1.1.2 勘查开发现状

1.1.3 勘查开发战略

1.2 海洋原位地球化学探测技术

1.2.1 概述

1.2.2 发展意义

1.3 课题研究内容

1.3.1 研究目的和意义

1.3.2 主要研究内容

1.4 本文组织结构

第2章 海底原位地球化学传感器设计理论及关键技术

2.1 引言

2.2 海底原位地球化学传感器设计理论

2.2.1 离子选择电极

2.2.2 参比电极

2.2.3 研究现状

2.3 三个电极的设计

2.3.1 pH电极

2.3.2 总溶解硫化氢电极

2.3.3 溶解氧(DO)电极

2.4 关键技术

2.4.1 电极配置

2.4.2 电极固体化和微型化

2.4.3 参比电极

第3章 海底原位地球化学传感器的制备及性能表征

3.1 镀 Nafion膜铱/氧化铱电极

3.1.1 改进的依据

3.1.2 实验部分

3.1.3 结果与讨论

3.1.4 结论

3.2 改进型银/硫化银电极

3.2.1 实验部分

3.2.2 结果与讨论

3.2.3 结论

3.3 溶解氧探头

3.3.1 实验

3.3.2 结果与讨论

3.3.3 溶解氧探头在热液硫化物快速分析系统中的集成

3.3.4 结论

第4章 海底热液体系原位探测实例分析

4.1 海底热液体系

4.1.1 研究历史

4.1.2 资源潜力

4.1.3 成矿机理

4.1.4 研究意义

4.2 海底热液体系原位探测器

4.2.1 概述

4.2.2 国外原位地球化学传感器

4.2.3 本文的原位地球化学传感器

4.3 探测实例

4.3.1 概述

4.3.2 原位观测数据处理

4.3.3 数据的小波分析

4.3.4 海底热液温度和硫化氢浓度周期性变化的初步解释

第5章 海底原位地球化学传感器应用前景及展望

5.1 在天然气水合物探测中的应用

5.1.1 引言

5.1.2 天然气水合物勘探开发

5.1.3 原位地球化学传感器的应用设想

5.1.4 应用意义

5.2 在海底观测系统中的应用

5.2.1 引言

5.2.2 海底观测计划

5.2.3 原位地球化学传感器的应用设想

5.2.4 应用意义

结论

致谢

参考文献

个人简历