海底热液羽状流空间范围的声学探测：热液流体与悬浮颗粒物的声散射贡献

The spatial range of hydrothermal plume is the basis for estimating the flux between active hydrothermal matter and energy. At present, only discrete parameters of plume can be obtained by using physical and chemical sensors, but the spatial range of plume can not be obtained completely. Therefore, it is necessary to study an effective technique to detect the spatial range of hydrothermal plume. Acoustic detection has the advantage of full coverage. According to the plume hydroacoustic data of the southwestern Indian Ocean Ridge, the acoustic scattering simulation calculation of hydrothermal fluids and suspended particulate matter and pool test are carried out in this project. The acoustic scattering response of hydrothermal fluids temperature and concentration, density and particle size parameters of suspended particles is studied. The acoustic scattering contribution model of plume flow is established to clarify the acoustic scattering contribution of hydrothermal fluids and suspended particulates. Interpretation of the spatial range of plume flow in the hydrothermal region. It is proposed that the application of acoustic to detect the spatial range of hydrothermal plume flow and to discuss the contribution of acoustic scattering of hydrothermal fluid and suspended particulate matter is the innovation of the project. The research results will reveal the main controlling factors of the acoustic scattering contribution of hydrothermal plume, provide a theoretical basis for acoustic detection of hydrothermal plume, promote the detection of the spatial range of hydrothermal plume, and promote the study of the flux of mass and energy in hydrothermal plume.

热液羽状流的空间范围是表征热液活动物质与能量通量的基础。目前使用物理化学传感器采用测点或测线的探测方式，只能获得羽状流的离散参数，不能全面获得羽状流的空间范围。因此，需要研究有效的热液羽状流空间范围探测技术。声学探测具有全覆盖优势，本项目针对西南印度洋脊龙旂热液区的羽状流声学探测数据，通过热液流体与悬浮颗粒物的声散射仿真计算与水池实验，研究热液流体的温度与悬浮颗粒物的浓度、密度及粒度参数的声散射响应，构建羽状流声散射贡献模型，阐明热液流体与悬浮颗粒物的声散射贡献，解译龙旂热液区羽状流的空间范围。提出应用声学探测热液羽状流的空间范围，探讨热液流体与悬浮颗粒物的声散射贡献，是项目的创新之处。研究成果将揭示热液羽状流声散射贡献的主要控制因素，为热液羽状流的声学探测提供理论基础，促进热液羽状流空间范围的探测，推动热液活动物质与能量通量的研究。

现代海底热液系统是一种全球性的地质现象，也是当前国际地球科学和生命科学研究的热点和前言课题之一。高温的热液流体从海底喷出，与海水混合后形成羽状流。热液羽状流的空间范围是表征热液活动物质与能量通量的基础。目前使用物理化学传感器采用测点或测线的探测方式，只能获得羽状流的离散参数，不能全面获得羽状流的空间范围。因此，需要研究有效的热液羽状流空间范围探测技术。声学探测具有全覆盖优势，本项目针对西南印度洋脊龙旂热液区的羽状流声学探测数据，通过热液流体与悬浮颗粒物的声散射仿真计算与水池实验，研究热液流体的温度与悬浮颗粒物的浓度、密度及粒度参数的声散射响应，构建羽状流声散射贡献模型，阐明热液流体与悬浮颗粒物的声散射贡献，解译龙旂热液区羽状流的空间范围。设计搭建的热液羽状流声学探测平台由热液模拟喷流装置、轨道与连接装置、升沉探测装置、数据采集处理单元四个模块组成，可以模拟热液羽状流声学探测的各种工况。实验结果表明，对于1 MHz频率的入射声波，控制混合颗粒物模拟热液流体颗粒物浓度为0.024mg/ml，颗粒物粒径为150μm，模拟热液流体的声散射贡献源存在一个温度分界线，当模拟流体温度大于40℃之后，其声学散射由高温流体主导；当模拟流体温度小于40℃时，悬浮颗粒物对模拟热液柱散射强度的影响更大。结合西南印度洋龙旂热液区热液实测数据，对羽状流流体动力过程数值模拟的边界条件进行了约束。数值模拟结果表明，在热液羽状流最初上升的8m内，温度引起的波动是声散射的主要贡献源，而在8m以上的高度，主导声散射强度的则是混合其中的悬浮颗粒物。在热液羽状流上升初始阶段，高温流体引起的波动，是热液羽状流声散射主要的反向散射机制；而悬浮颗粒物对声学反向散射的相对贡献，会随着热液羽状流高度的增加而增加。这对应用声学方法探测热液羽流的空间范围、圈定高温流体与悬浮颗粒物的扩散范围有重要意义，可为海底热液活动的物质通量与能量通量研究提供技术手段。