季福武，周懷陽，楊群慧

（同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092）

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海底井下觀測技術的發(fā)展與應用

季福武，周懷陽，楊群慧

（同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092）

摘要:海底地下流體廣泛存在，且對于發(fā)生在海底之下的地球化學和生物地球化學過程、以及海底之下與海洋之間的物質和能量的輸運具有重要意義，因此備受相關研究者的關注。在海底打鉆為觀測和研究海底地下流體提供了機會。本文對鉆孔中原位觀測地下流體的相關技術和裝置的發(fā)展進行了回顧，包括用于鉆孔中不同層位封隔的封隔器，以及用于沉積物鉆孔中的輕便有纜海底地下原位觀測系統(tǒng)，并著重介紹了用于密封鉆孔口進行原位流體觀測的海底井塞裝置。本文也對這些技術和裝置的應用和所取得的認識成果作了簡要介紹。

關鍵詞:海底地下；流體；原位觀測；海底井塞裝置

1　引言

海底是“漏”的［1］。從洋中脊到俯沖帶、從大陸邊緣到深海盆地的廣闊范圍的海底均存在地下流體，它們在地形、構造、熱等因素的驅動下在海底沉積物和巖石中運動，并在海底表面與海水發(fā)生交換。海底地下流體作為熱量傳遞和元素活化遷移的載體，其在海底下的運動以及與巖石或沉積物的相互作用，對海洋熱通量、元素遷移成礦、海水化學平衡、生物地球化學過程、洋殼巖石的熱結構及物理力學性質等方面具有重要影響［2-8］。因此，對海底地下流體進行研究，認識海底地下流體的特征和狀況，揭示海底地下發(fā)生的各種過程及其原因，成為熱液系統(tǒng)研究、海底成礦機理研究、海底生物地球化學過程研究等領域關注的焦點之一。

采集沉積物柱狀樣，利用離心、壓榨等方法取得沉積物間隙水是獲取地下流體的方法之一。但柱狀樣的長度有限，且此法只能獲得沉積物中的流體。而在海底打鉆，不僅為獲取深部沉積物甚至基巖中的流體提供了條件，也為在鉆井中對地下流體進行長期觀測和取樣提供了機會。因此，隨著深海鉆探計劃（DSDP）、大洋鉆探計劃（ODP）和綜合大洋鉆探計劃（IODP）的實施，一些用于開展海底井下觀測的技術和裝置相繼發(fā)展起來，例如，用于鉆孔中不同層位封隔的封隔器、用于密封鉆孔口進行原位流體觀測的海底井塞裝置等。本文對這些技術和裝置的發(fā)展及其應用進行了回顧。

2　鉆孔中的封隔技術和封隔器

介質的滲透性是影響海底地下流體運動的重要參數(shù)［9，10］。海底地下巖石的滲透性可由多種方法獲得，例如在實驗室對巖心樣品進行分析測試然后估算巖石的滲透性，或者在鉆孔內進行原位觀測［9］。其中，原位測試海底地下某一層位巖石滲透性的方法是：在鉆孔中將待測層位上下密封，然后向該層位快速泵入流體使壓力升高并監(jiān)測壓力隨時間的變化（壓力脈沖測試法），或以恒定的速度持續(xù)泵入流體同時監(jiān)測壓力隨時間的變化（恒流注射測試法），最后通過壓力隨時間的變化來推算該層位巖石的滲透性。

在鉆孔中將待測層位與上下層位密封隔開，同時又不影響將流體泵入該層位，是進行滲透性原位觀測的基礎。一種被稱為“封隔器（packer）”的橡膠密封裝置應運而生，其充入海水后可以膨脹，被用于鉆管（drill string）和套管之間、或鉆管與鉆孔壁之間環(huán)形區(qū)域的密封，起到將孔內流體分隔開的作用［10，11］。

封隔器主要由封隔膨脹元件（packer inflation element）和輔助器件組成（圖1）［12］。應用封隔器時，首先用鉆桿將封隔器布放到海底鉆孔中的待封隔部位，然后通過特定裝置連接封隔器，向封隔器泵入海水充壓，使封隔膨脹元件膨脹；待使用完成后，使封隔器消脹，將封隔器移動到新的待封隔部位進行封隔或直接回收。

圖1　封隔器示意圖注：A. 封隔器膨脹前或消脹后；B. 封隔器膨脹圖片來源: 文獻［12］。

封隔器根據(jù)密封裝置是否可旋轉可分為旋轉式和非旋轉式兩類。其中，旋轉式封隔器用于鉆孔上部，可以通過旋轉對返回圓錐安裝口進行鉸孔和去毛刺。封隔器可以單個使用，也可由兩個封隔器組成跨裝封隔器（straddle packer）使用，以實現(xiàn)對某一段的封隔或加強封隔的效果［13］。

利用封隔器進行的原位滲透率測試表明，洋殼滲透性觀測結果具有一致性，即在洋殼上層約300m范圍，不論洋殼上覆蓋有厚層沉積物（如504B站位）還是直接裸露海底（如735B站位，輝長巖出露），其滲透系數(shù)通常介于10-15～10-12m2范圍［10］。這些不同地點不同構造環(huán)境的洋殼基底上層滲透性觀測結果的一致性，表明全球洋殼上層的滲透性可能是一致的，孔隙率可能是控制上層洋殼滲透性的主要因素。對同一站位，洋殼上層滲透系數(shù)變化不大，但從上層向下，其滲透系數(shù)迅速降低2～3個數(shù)量級，這表明，隨著深度的增加，洋殼滲透率的降低幅度要遠遠大于早期的已應用于熱液系統(tǒng)模型時的認識。洋殼滲透性的突然轉換可能與洋殼2A層向2B層的過渡一致，因此，滲透性好、熱液活動活躍的“熱液基底”的厚度可以洋殼2A層的厚度為參考［10］。

3　鉆孔口的密封技術與海底井塞裝置

在海底打鉆為在鉆孔中對地下流體進行長期觀測和取樣提供了機會。然而，由于鉆孔時破壞了地下原位流體，且鉆孔內流體與海水可通過孔口交換，因此，需要對鉆孔口進行密封，阻止孔內流體與海水的交換，并使鉆孔中的流體恢復至原位狀態(tài)。

采用非立管方式（Riserless Drilling）鉆孔時，需要安裝返回圓錐，以方便鉆桿的再入。返回圓錐由倒圓錐體返回漏斗（reentry funnel）、支撐平臺（support plate）和轉換連接管（transition pipe）組成，其中支撐平臺平置于鉆孔口海底表面，與沉積物緊密接觸，起到了密封的作用。因此只要將返回圓錐轉換連接管密封，就能實現(xiàn)對鉆孔口的密封。通常，轉換連接管內部可安放套管用于保護鉆孔，套管上部邊緣配有彈性材料，安裝后可形成環(huán)形密封［13］。此時，將安裝有環(huán)形密封材料的塞子塞入返回圓錐轉換連接管或最內側的套管中并與之接觸密封，則可實現(xiàn)對孔口的密封。這一密封裝置的構想最早于1989年的一個研討會上被提出（圖2），當時被稱為“鉆孔封口裝置（instrument borehole seal）”［14］；并于1991年夏天在Middle Valley被成功實施（ODP 139航次）［15］。在前往Middle Valley的途中，ODP執(zhí)行主管Glen Foss為其取名為“Circulation Obviation Retrofit Kit”，取其首字母縮寫為“CORK”，其中，“CO”表示防止海底地下原位流體與海底海水交換，“RK”表示不論是早期的鉆孔還是近期的鉆孔，只要有返回圓錐就可以用來布放海底井塞裝置（CORK）?；贑ORK的結構，將CORK名稱譯為“海底井塞裝置”，將CORK body（插入返回圓錐提供密封功能的“塞子”）譯為“井塞”。

目前，“海底井塞裝置”已被用于密封鉆孔及對鉆孔內流體進行長期觀測的裝置的統(tǒng)稱，對于不同的海底井塞裝置則冠以不同的型號，如初級海底井塞裝置（Original CORK）、改進型海底井塞裝置（Advanced CORK）、有纜型海底井塞裝置（Wireline CORK）、Ⅱ型海底井塞裝置（CORKⅡ）和L型海底井塞裝置（L-CORK）。海底井塞裝置主要的觀測項目包括溫度、壓力和取樣，也可布放VLF地震測試儀，擴大和強化對海底地下的觀測能力［15］。

圖2　海底井塞裝置（CORK）的概念模型示意圖圖片來源: 文獻［14］。

3.1初級海底井塞裝置

初級海底井塞裝置（Original CORK）的基本組成包括：井塞（CORK body）、長期觀測傳感器鏈和數(shù)據(jù)記錄儀（圖3）［14，16］。通常，返回圓錐的轉換連接管內可依次安裝4根套管，其直徑分別為20英寸、16英寸、13-3/8英寸和10-3/4英寸（早期為11-3/4英寸）。井塞部分插入最內側套管中，通過密封件對井塞與套管的連接部位進行密封。觀測傳感器鏈通過井塞中心孔進入鉆孔，其上部末端封裝有數(shù)據(jù)記錄儀的倉體搭在井塞中心孔邊緣的肩部（landing shoulder）。

受鉆管和井塞中心孔內徑的限制，傳感器鏈的外徑應小于3-3/4英寸。觀測傳感器鏈包括溫度和壓力傳感器，觀測數(shù)據(jù)輸入到位于井塞內的數(shù)據(jù)記錄儀中存儲。數(shù)據(jù)記錄儀可由載人潛水器或水下無人遙控機器人通過“水下插拔式連接器（Underwater-Mateable Connector，簡稱UMC）”進行數(shù)據(jù)下載和維護。除了在鉆孔內安裝壓力傳感器外，井塞頭部也裝配有壓力傳感器，檢測鉆孔外海底壓力，便于對鉆孔內外的壓力進行比較。此外，井塞上還留有流體采集口，通過管道通入鉆孔內，用于采集鉆孔內的流體。

初級海底井塞裝置實現(xiàn)了對鉆孔的密封，阻止了鉆孔內外流體的交換，是ODP一項重要的技術革新。1991年第一次布放之后約10年的時間里，ODP共在海底的12個鉆孔布放了14套初級海底井塞裝置并取得了有價值的觀測成果［14，17］。然而，初級海底井塞裝置也存在明顯不足［17］：（1）僅在孔口處密封，不能在同一鉆孔中進行不同層位水力學的觀測；（2）布放和回收等主要維護工作需要鉆探船來完成；（3）觀測鏈的外徑受到限制，制約了觀測傳感器的選用。

圖3　初級海底井塞裝置設計示意圖圖片來源: 文獻［14］。

3.2改進型海底井塞裝置

針對初級海底井塞裝置不能在同一鉆孔中分層觀測的不足，一種引入封隔器技術對鉆孔內流體進行分層觀測的海底井塞裝置構想被提出（圖4）［17］，并于2001年的ODP196航次被成功實施，布放于Nankai Trough的1173B和808I孔［18］。該裝置被稱為“改進型海底井塞裝置（Advanced CORK，或ACORK）”，與初級海底井塞裝置的主要區(qū)別在于ACORK利用套管和多個封隔器將孔內的流體分隔成了互不連通的密封層位，分別對這些層位的流體開展長期觀測［17，18］。

圖4　ACORK組成和結構示意圖圖片來源: 文獻［14］。

改進型海底井塞裝置的實施過程與初級海底井塞裝置不同。以ODP196航次為例［18］，在布放返回圓錐和第一根套管（外徑為20英寸）后，立即進行LWD（logging while drilling）操作，邊鉆孔邊觀測孔內流體的溫度和壓力。LWD鉆孔直徑起初為9-7/8英寸，然后被擴大至17-1/2英寸，用于布放ACORK。綜合了LWD等觀測資料，了解了地層信息，確定ACORK觀測的目標層位、封隔位置和可達到的總深度后，據(jù)此組裝ACORK，將封隔器、觀測窗口、傳感器等安裝于外徑10-3/4英寸的套管上的相應位置，套管最底部密封，套管上端連接井塞，各封隔器、觀測窗口和傳感器等通過管線連接至井塞相應的閥門或數(shù)據(jù)記錄儀。ACORK集成安裝完成后，利用鉆桿將其通過返回圓錐布放入鉆孔中，待封隔器和觀測窗口均到達計劃位置后，操作封隔器膨脹，然后作業(yè)工具撤離，ROV作業(yè)平臺安裝就位，鉆桿回收，ACORK安裝完成。

與初級海底井塞裝置僅在鉆孔口處密封、將觀測傳感器鏈布入10-3/4英寸套管內觀測不同，改進型海底井塞裝置將套管和觀測窗口安裝于10-3/4英寸套管上，利用封隔器和套管將各觀測窗口隔離，從而實現(xiàn)了對不同層位的觀測。由于在安裝上存在一定的技術困難，到目前為止，改進型海底井塞裝置僅在ODP196航次布放了兩套［18］。

3.3 Ⅱ型海底井塞裝置

對改進型海底井塞裝置進一步的改進發(fā)展出了Ⅱ型海底井塞裝置（CORKⅡ）（圖5），其主要的改進包括［14，19］：（1）封隔器安裝在直徑為4-1/2英寸的套管上，既可吸附于鉆孔內壁，也可吸附于直徑為10-3/4英寸套管內壁；（2）對直徑為10-3/4英寸套管的底部通過粘合劑密封，隔離海水和鉆孔的連通；（3）利用滲透流體連續(xù)采集器（OsmoSampler）［20］連續(xù)采集流體樣品，并且采集器配備有溫度傳感器，流體采集和溫度測量同時進行；（4）連接管線等進一步優(yōu)化。

圖5　Ⅱ型海底井塞裝置結構示意圖圖片來源: 文獻［14］。

與前兩種海底井塞裝置相比，Ⅱ型海底井塞裝置的功能更加完善，設計更加合理，能夠實現(xiàn)對鉆孔中流體的分層觀測和連續(xù)取樣，并且回收數(shù)據(jù)和樣品時對鉆孔原位流體的影響小。Ⅱ型海底井塞裝置最先于ODP205航次布放于1253A孔和1255A孔［21］。

3.4L型海底井塞裝置

目前最新型的是L型海底井塞裝置（L-CORK），它是在Ⅱ型海底井塞裝置基礎上發(fā)展而來的，主要進行了如下的改進［22］：（1）增加一個直徑10.2厘米的球閥，該球閥與井塞柱頭上連通鉆孔內部的管道連接，在球閥上可安裝流量計，也可通過球閥接觸孔內傳感器和采集樣品；（2）增加了一個頂部閥門；（3）增加使用遇水膨脹的封隔器，強化對鉆孔的密封；（4）布放的流體采樣器由帶孔的鉆鋌保護，避免因暴露在外而被埋沒的風險；（5）增設一個新的閥門系統(tǒng)，通過臍帶管采集孔內流體。L型海底井塞裝置于IODP327航次布放于1362A和1362B孔［23］。

3.5有纜型海底井塞裝置

在提出改進型海底井塞裝置構想的同時，一種不依賴于鉆探船而通過一個由纜線連接至船上，并受船上控制的專用運載工具進行布放的海底井塞裝置構想被提了出來，被稱為有纜型海底井塞裝置（Wireline CORK）［14，17］。

有纜型海底井塞裝置的基本組成包括支持艙（support package）、封隔器和觀測鏈，其中支持艙內部裝有流體動力單元、數(shù)據(jù)記錄儀、動力源和遙測裝置等。封隔器安裝位置和觀測傳感器位置根據(jù)觀測目標來確定，最上面的封隔器與支持艙相連接。

布放有纜型海底井塞裝置只需要鉆孔穩(wěn)定并已安裝返回圓錐，若鉆孔不穩(wěn)定則需要安裝套管。布放時，運載工具與支持艙軟連接，通過控制運載工具將該海底井塞裝置的封隔器和觀測鏈通過返回圓錐進入海底鉆孔，布放就位后操作封隔器膨脹，運載工具和支持艙脫開，布放完成。2001年，利用斯克利普斯（Scripps）海洋研究所海洋物理實驗室（Marine Physical Laboratory）的運載工具Control Vehicle對504B孔和896A孔進行了有纜型海底井塞裝置的布放［24］。

有纜型海底井塞裝置布放不依賴于鉆探船，因此實施靈活、經(jīng)濟。不過，受到纜線載荷的限制，通常最多只能封隔三個層位［17］。

4　全孔密封技術與輕便有纜海底地下原位觀測系統(tǒng)（SCIMPI）

如前所述，海底井塞裝置通過密封鉆孔口和鉆孔中不同層位而開展觀測，需要安裝返回圓錐等永久性部件，系統(tǒng)安裝較復雜，施工周期較長，成本也較高。一種利用沉積物或泥漿對全孔進行密封、可用于海底沉積物的長期觀測系統(tǒng)被開發(fā)出來，它簡單實用、價格低廉，被稱為輕便有纜海底地下原位觀測系統(tǒng)（Simple Cabled Instrument for Measuring Properties in situ），簡稱SCIMPI［25，26］。

與CORK相比，SCIMPI最顯著的特點是利用沉積物或泥漿密封鉆孔（圖6）。當鉆孔完成并將觀測傳感器鏈布放進入鉆孔后，將鉆管拔出時，鉆孔壁沉積物可能會塌陷，封閉鉆孔以及分層封隔不同層位的傳感器；如果沉積物不塌陷，鉆探泥漿也會起到相似的密封鉆孔的作用。沉積物或泥漿充填鉆孔的密封效果較好，并且有利于鉆孔原位流體的恢復。由于不需要安裝返回圓錐、套管、封隔器等部件，因此不僅節(jié)約了設備成本，更是節(jié)省了布放船時。

圖6　SCIMPI布放簡要過程示意圖圖片來源: 文獻［25］。

SCIMPI在組成上采用模塊化設計，主要由傳感器模塊、控制模塊和電纜組成。其中，傳感器模塊可包括溫度傳感器、電導率傳感器、壓力傳感器等，同時也可集成微型地震儀等其他傳感器。通過具有一定硬度的浮力電纜將多個傳感器模塊連接起來組成觀測傳感器鏈。傳感器模塊之間的距離根據(jù)觀測要求而定。用于流體采樣的管道可沿著浮力電纜布置。

當傳感器鏈布放入鉆孔且鉆管離開后，利用水下遙控機器人（ROV）或載人潛水器（HOV）安裝托盤，通過水下插拔式連接器將傳感器鏈與控制模塊連接?？刂颇K的功能是給傳感器模塊供電、存儲觀測數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)管理。控制模塊可更換，也可與海底觀測網(wǎng)絡連接。模塊化的結構使SCIMPI結構簡單、組成靈活、易于安裝，能適應多種工作環(huán)境。2013年，IODP341S航次在U1416A孔布放了一套SCIMPI［27］。

5　海底井下觀測技術的應用

海底井下觀測技術發(fā)展的主要目標是觀測海底地下原位流體的溫度、壓力和成分等信息，研究海底地下水文地質學特征［14］，該技術及相關裝置的應用已幫助人們取得了很多有價值的認識。例如，根據(jù)孔口密封前后觀測的溫度和壓力資料，可估算巖石的滲透性以及鉆孔中流體運動的方向和流速［28，29］；根據(jù)長期連續(xù)采集的流體的化學資料，可推斷地下流體的運動和演化［30］。海底擴張等事件也可在長期觀測中被記錄下來［31］。

揭示地下流體活動最直觀的方法是進行人工示蹤試驗，例如，布放海底井塞裝置，在單個鉆孔中的某處以恒定速率添加示蹤劑，然后在鉆孔中的其他位置連續(xù)采集流體，通過采集的流體中示蹤劑濃度的變化來估算孔內流體的流向和流速，進而推斷地下流體的運動狀況［32，33］。

除了在單個鉆孔內進行人工示蹤試驗外，還可在區(qū)域范圍進行多孔示蹤試驗。例如，1996年執(zhí)行的ODP168航次在胡安·德富卡洋脊東段的4個鉆孔（1024C、1025C、1026B和1027C）布放了海底井塞裝置；2004年的IODP301航次又在1026B孔的西南鉆孔布放了兩套裝置（1301A和1301B），其目的就是為后期開展區(qū)域三維水文地質學示蹤試驗作準備。2010年執(zhí)行的IODP327航次在1026B孔和1301孔之間的兩個鉆孔（1362A和1362B）布放了海底井塞裝置，此時，在幾公里的范圍內有6個鉆孔布放了海底井塞裝置（1026B、1027C、1301A、1301B、1362A 和1362B）。通過在1362B孔注射示蹤劑，在其他鉆孔中進行流體采樣，可以根據(jù)各鉆孔示蹤劑到達的時間和峰形來推斷該區(qū)域地下流體的運動（圖7）［23，34-38］。2011年AT18-07航次利用ROV對部分海底井塞裝置進行了維護，包括數(shù)據(jù)下載、采集流體樣品、井塞外部流體采樣器回收和更換，但真正有意義的示蹤劑流體樣品要幾年后才能回收［39］。

圖7　IODP327航次流體示蹤試驗示意圖圖片來源: 文獻［36］。

海底井下觀測技術及相關裝置（包括海底井塞裝置（CORK）和輕便有纜海底地下原位觀測系統(tǒng)（SCIMPI）），不僅為觀測和研究海底水文地質學提供了條件，也為開展其他井下觀測和實驗提供了機會。例如，可將地震儀布放于鉆孔中以取得更好的觀測效果，也可將礦物片等布放于鉆孔中開展微生物定殖實驗等［40］。

6　結語

隨著海洋鉆探的發(fā)展，在認識海底地下流體需求的驅動下，海底井下觀測技術及相關裝置被發(fā)展起來并得以應用，取得了一些有價值的認識成果。但是，目前對于海底水力學系統(tǒng)的基本特征仍然知之甚少，例如流體運移路徑的三維分布、流體運移的速率及其隨流向和地域的變化等［41］。因此，繼綜合大洋鉆探計劃（IODP，2003-2013）將海底地下流體作為主要研究內容之后［42］，大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP，2013-2023）將繼續(xù)發(fā)展鉆孔、流體取樣和傳感器技術，開展海底地下流體的采集、觀測和試驗等工作［41］。

目前，海底井下觀測是各鉆孔獨立進行，并且需要定期的維護。隨著傳感器技術以及海底觀測網(wǎng)絡技術的發(fā)展，我國科技工作者已提出將海底井下觀測作為觀測節(jié)點納入海底觀測網(wǎng)絡的設想，這將大大提高對海底井下的觀測能力，并且有望在不久的將來得以實現(xiàn)。

參考文獻

［1］ 汪品先. 穿鑿地球系統(tǒng)的時間隧道［J］. 中國科學（D輯:地球科學） ， 2009， 39：1313-1338.

［2］ COSOD II. Report of the second conference on scientific ocean drilling， Strasbourg， 6～8 July， 1987.

［3］ Edmond J M， Measure C， McDuff R E et al. Ridge crest hydrothermal activity and the balances of the major and minor elements in the ocean: the Galapagos data［J］. Earth Planet. Sci. Lett.， 1979， 46: 1-18.

［4］ Stein C A， Stein S. Constraints on hydrothermal heat flux through the oceanic lithosphere from global heat flow［J］. Journal of Geophysical Research， 1994， 99（B2）: 3081-3095.

［5］ Elderfield H， Schultz A. Mid-ocean ridge hydrothermal fluxes and the chemical composition of the ocean［J］. Annual Review of Earth and Planetary Sciences， 1996， 24: 191-224.

［6］ Hofmeister A M， Criss RE. Earth’s heat flux revised and linked to chemistry［J］. Tectonophysics ， 2005， 395: 159 177.

［7］ Fisher A T， Tsuji T， gamage K. Juan de Fuca ridge-flank hydrogeology: the hydrogeologic architecture of basaltic oceanic crust: compartmentalization， anisotropy， microbiology， and crustal-scale properties on the earstern flank of Juan de Fuca Ridge， earstern Pacific Ocean［R］. IODP Sci. Prosp.， 327.

［8］ Fischer A T， Wheat C G， Becker K， et al. Scientific and technical design and deployment of long-term subseafloor observation for hydrogeologic and related experiments，IODP Expedition 301， eastern flank of Juan de Fuca Ridge［C］. // Fisher A T， Urabe T， Klaus A， and the Expedition 301 Scientists， Proceedings of the Integrated Ocean Drilling Program， 2005， Volume 301.

［9］ Fisher A T. Permeability within basaltic oceanic crust［J］. Reviews of Geophysics， 1998， 36: 143-182.

［10］ Becker K， Davis E E. In situ determination of the permeability of the igneous oceanic crust［M］. // Davis E E，Elderfield H.（eds）， Hydrogeology of the Oceanic Lithosphere， Cambridge University Press， 2004， 189-224.

［11］ Becker K. A guide to formation testing using ODP drill-string packers. College Station， TX （Ocean Drilling Program）， Technical Note No.14， 1990.

［12］ Fisher A T， Becker K. A guide to ODP tools for downhole measurements. ODP Technical Note No.10， 1993.

［13］ Graber， K K， Pollard E， Jonasson B， and Schulte E （Eds.）. Overview of Ocean Drilling Program engineering tools and hardware. ODP Tech. Note， 31.

［14］ Becker K， and Davis E E. A review of CORK designs and operations during the Ocean Drilling Program［R］. // Fisher A T， Urabe T， Klaus A， and the Expedition 301 Scientists，Proc. IODP， 301: College Station TX （Integrated Ocean Drilling Program Management International， Inc.）.

［15］ Davis E E， Mottl M J， Fisher A T， et al. CORK: a hydrologic seal and downhole observatory for deep-ocean boreholes. Proceedings of the Ocean Drilling Program［R］. Initial Reports， 1992， Vol. 139.

［16］ Stephen R A， Pettigrew T， Petitt R. SeisCORK engineering design study［J］. Woods Hole Oceanographic Institution， 2006.

［17］ Becker K， Davis E.E. Advanced CORKs for the 21stcentury［R］. Report of a workshop sponsored by JOI/USSSP， 1998.

［18］ Shipboard Scientific Party. Explanatory Notes. In Mikada H.， Becker K.， Moore J.C. et al. Proceedings of the Ocean Drilling Program， Initial Reports， Volume 196. 2002.

［19］ Jannasch H.W.， Davis E.E.， Kastner M.， et al. CORK Ⅱ:Long-term monitoring of fluid chemistry， fluxes， and hydrology in instrumented boreholes at the Costa Rica Subduction Zone［C］. // Morris J.D.， VIllinger H.W.，Klaus A.， et al. Proceedings of the Ocean Drilling Program， Initial Reports， Volume 205. 2003.

［20］ Jannasch H W， Wheat C G， Plant J N， et al. Continuous chemical monitoring with osmotically pumped water samplers: OsmoSampler design and applications［J］. Limnol. Oceanogr.: Methods 2， 2004， 102 113.

［21］ Shipboard Scientific Party. Leg 205 Summary. In Morris J.D.， VIllinger H.W.，Klaus A.， et al. Proceedings of the Ocean Drilling Program， Initial Reports， Volume 205. 2003.

［22］ Wheat， C.G.， Jannasch， H.W.， Kastner， M.， et al. Fluid sampling from oceanic borehole observatories: design and methods for CORK activities （1990-2010）［R］. // Fisher，A.T.， Tsuji， T.， Petronotis， K.， and the Expedition 327 Scientists， Proc. IODP， 327: Tokyo （Integrated Ocean Drilling Program Management International， Inc.）， 2011.

［23］ Fisher， A.T.， Wheat， C.G.， Becker， K.，et al. Design， deployment， and status of borehole observatory systems used for single-hole and cross-hole experiments， IODP Expedition 327， eastern flank of Juan de Fuca Ridge［R］. // Fisher，A.T.， Tsuji， T.， Petronotis， K.， and the Expedition 327 Scientists， Proc. IODP， 327: Tokyo （Integrated Ocean Drilling Program Management International， Inc.）， 2011.

［24］ Becker K.， Davis E.E.， Spiess F.N.， et al. Temperature and video logs from the upper oceanic crust， Holes 504B and 896A: implications for the permeability of upper oceanic crust［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2004， 222: 881-896.

［25］ Moran K.， Farrington S.， Massion E.， et al. SCIMPI: a new seafloor observatory system［J］. Oceans， 2006.

［26］ Lado-Insua T.， Moran K.， Kulin I.， et al. SCIMPI: a new borehole observatory［J］. Sci. Dril.， 2013， 16: 57-61.

［27］ Expedition 341S Scientists and Engineers， 2013. Simple Cabled Instrument for Measuring Parameters In Situ （SCIMPI） and Hole 858G CORK replacement［R］. IODP Prel. Rept.， 341S.

［28］ Davis E E， Becker K. Observations of natural-state fluid pressures and temperatures in young oceanic crust and inferences regarding hydrothermal circulation［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2002， 204: 231-248.

［29］ Becker K， Davis E E. New evidence for age variation and scale effects of permeabilities of young oceanic crust from borehole thermal and pressure measurements［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2003， 210: 499-508.

［30］ Wheat C G， jannasch H W， Kastner M， et al. Seawater transport and reaction in upper oceanic basaltic basement: chemical data from continuous monitoring of sealed boreholes in a ridge flank environment［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2003， 216: 549-564.

［31］ Davis E.E.， Becker K.， Dziak R.， et al. Hydrological response to a seafloor spreading episode on the Juan de Fuca Ridge［J］. Nature， 2004， 430: 335-338.

［32］ Solomon E.A.， Kastner M.， Wheat C.G. et al. Long-term hydrogeochemical records in the oceanic basement and forearc prism at the Costa Rica subduction zone［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2009， 282: 240-251.

［33］ Wheat C.G.， jannasch H.W.， Fisher A.T.， et al. Subseafloor seawater basalt microbe reactions: Continuous sampling of borehole fluids in a ridge flank environment［J］. Geochemistry， Geophysics， Geosystems， 2010.

［34］ Shipboard Scientific Party. Introduction and summary: hydrothermal circulation in the oceanic crust and its consequences on the eastern flank of the Juan de Fuca ridge［R］. // Davis E E， Fisher A T， Firth J V， et al.， 1997. Proc. ODP， Init. Repts， 168: College Station， TX （Ocean Drilling Program），7-21.

［35］ Shipboard Scientific Party. Juan de Fuca hydrogeology: The hydrogeologic architecture of basaltic oceanic crust: compartmentalization， anisotropy， microbiology， and crustal-scale properties on the eastern flank of Juan de Fuca Ridge， eastern Pacific Ocean. IODP Prel. Rept.， 301，2004.

［36］ Fisher， A.T. Expedition 301 synthesis: hydrogeologic studies［R］. // Fisher， A.T.， Urabe， T.， Klaus， A.， and the Expedition 301 Scientists， Proc. IODP， 301: College Station， TX （Integrated Ocean Drilling Program Management International， Inc.）， 2009.

［37］ Expedition 321T Scientists. Juan de Fuca hydrogeology: cementing operations at the Hole U1301A and Hole U1301B borehole observatories （CORKS）［R］. IODP Prel. Rept.， 321T， 2009.

［38］ Fisher， A.T.， Cowen， J.， Wheat， C.G.， et al. Preparation and injection of fluid tracers during IODP Expedition 327，eastern flank of Juan de Fuca Ridge［R］. // Fisher， A.T.，Tsuji， T.， Petronotis， K.， and the Expedition 327 Scientists，Proc. IODP， 327: Tokyo （Integrated Ocean Drilling Program Management International， Inc.）. 2011.

［39］ Fisher A.T.， Tsuji T.， Petronotis K.， et al. IODP Expedition 327 and Atlantis Expedition AT 18-07: Observatories and Experiments on the Eastern Flank of the Juan de Fuca Ridge［J］. Scientific Drilling， 2012， No. 13.

［40］ Orcutt B.N.， Bach W.， Becker K.， et al. Colonization of subsurface microbial observatories deployed in young ocean crust［J］. The ISME Journal， 2011， 5: 692-703.

［41］ Illuminating Earth’s Past， Present， and Future. The International Ocean Discovery Program， Exploring The Earth Under The Sea， Science Plan for 2013-2023.

［42］ Earth， Oceans， and Life. Integrated Ocean Drilling Program Initial Science Plan 2003-2013.

Development and Application of Techniques for Borehole Observation of Fluids under the Seafloor

Ji Fuwu， Zhou Huaiyang， Yang Qunhui
（State Key laboratory of Marine Geology， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract:Fluid is ubiquitous under the seafloor， which is important to the geochemical and biogeochemical interactions and the processes such as the transportation of matter and energy across the seafloor. Sub-seafloor fluid is paid attention to by many studies， and drilling the seafloor provides good opportunities to observe it. Techniques and instruments for in-situ observation of sub-seafloor fluid will be reviewed in this paper， including Packer， Simple Cabled Instrument for Measuring Properties in situ （SCIMPI）， and especially Circulation Obviation Retrofit Kit （CORK）， and their implication and scientific results related will also be introduced briefly.

Keywords:sub-seafloor； fluid； in-situ observation； CORK

中圖分類號:P7

文獻標識碼:A

文章編號：1674-4969（2016）02-0162-10

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00162

收稿日期：2016-12-15； 修回日期： 2016-02-16

基金項目：國家自然科學基金重點項目“南海深海海底鐵錳結核/結殼的成因和歷史記錄”（批準號：91428207）

作者簡介：季福武（1979-），男，博士，講師，研究方向為海洋地球化學。E-mail: jfuwu@#edu.cn