[实用新型]深海沉积物中水合物地球化学参数原位探测模拟系统

说明书

技术领域

本实用新型属于海洋天然气水合物地球化学参数原位测量技术及应用领域，尤其涉及一种模拟深海环境，探测沉积物中天然气水合物生成、分解过程中地球化学参数变化的模拟系统。

背景技术

海底水合物在形成或分解过程中释放的流体和渗漏烃类会改变其上覆的沉积物以及孔隙水以及底层海水的一些化学性质，这些异常的地球化学响应可用于指示天然气水合物的存在。

目前对海底天然气水合物地球化学参数的研究，一般局限在深海沉积物地质取样，然后进行实验室分析。但是，由于受到天然气水合物稳定所需的温度、压力条件限制，即使采用保真采样方式，也很难确保取样过程中天然气水合物的理化性质不发生变化，导致传统采样方式存在较大的探测误差。

近年来，激光拉曼光谱分析已成功地应用于海底沉积物的原位观测，通过水下机器人将拉曼光纤聚焦在海底的目标物上，可以获取相关的化学参数信息，但这种方法昂贵，不具有普适性。

因此，急需开发可用于深海环境的沉积物中天然气水合物地球化学参数原位探测的测试系统，一方面可对深海沉积物中的天然气水合物形成和分解过程进行实验模拟，另一方面，可对过程中形成的沉积物孔隙水离子浓度变化进行原位监测，为天然气水合物资源勘探提供重要参数。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种天然气水合物生成过程中沉积物内流体离子参数原位检测装置，其技术效果能够实现对高压低温反应釜内不同层位沉积物中水合物生成/分解过程的化学成分与离子的响应情况进行实时定量监测。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：其包括激光拉曼光谱探测系统、深海环境模拟系统、液压系统和参数实时监控处理系统，深海环境模拟系统分别与激光拉曼光谱探测系统、参数实时监控处理系统电气连接，液压系统设置在深海环境模拟系统内。

本项实用新型研制了深海环境模拟系统，将激光拉曼原位探测技术应用于实验室内深海环境模拟系统中，通过实验模拟技术研究水合物赋存地层的地球化学微环境，实现了对高压低温反应釜内不同层位沉积物中水合物生成/分解过程的化学成分与离子的响应情况进行实时定量监测，可检测沉积物孔隙水中溶解CH₄、H₂S/HS^-及SO₄^2-的等化学参数的变化，具有实时性和精确性，系统整体设计满足深海模拟工作环境要求，尤其是天然气水合物形成模拟环境的低温、高压要求。

拉曼光谱探测系统包括激光拉曼光谱仪、光纤、光学探头和探测仓，激光拉曼光谱仪通过光纤连接光学探头，光学探头与探测仓连接，光学探头设置在高压反应釜顶端的盖体上，探测仓设置在高压反应釜内。激光拉曼光谱仪激光发射波长：532nm；激光发射功率：100mW；光谱覆盖范围：100-4000cm^-1；光谱分辨率：4cm^-1；CCD传感器：增强型CCD，像素2048*512，光学探头采用蓝宝石窗口，可耐受3000PSI压力，各部件之间采用光纤连接方式，从而既保证了系统的工作稳定性和环境耐受性，又使探测装置高度集成，体积小，以光谱探针的形式在反应釜内完成各样品的原位分析。光路稳定性高，抗干扰能力强，在复杂实验室环境下工作性能稳定。

深海环境模拟系统包括压力控制系统、温控系统和高压反应釜，高压反应釜设置在温控系统内并与压力控制系统连接，压力控制系统控制并监测高压反应釜内的气体压力，温控系统用于控制和调节高压反应釜的温度。

压力控制系统包括气瓶、增压设备和压力传感器，气瓶依次通过压力传感器、增压设备后与高压反应釜内连通。压力控制系统控制并监测高压反应釜内的气体压力。

温控系统包括夹套和水浴槽，夹套设有内外两层，水浴槽设置在内外两层夹套之间，水浴槽外接恒温循环装置，高压反应釜设置在内层的夹套内。温控系统用于控制和调节高压反应釜的温度，温度控制精确（误差<0.1℃）、稳定；

高压反应釜内设有温度探针Ⅰ和温度探针Ⅱ，温度探针Ⅰ、温度探针Ⅱ分别设置在高压反应釜的上下两端，温度探针Ⅰ、温度探针Ⅱ分别与参数实时监控处理系统连接。高压反应釜：整体为快开结构，容积50L，承受压力20MPa，釜体外部配有水浴夹套，可准确控制釜内实验温度。釜内主要装有沉积物样品、海水（或人工海水）、温度探针（布设：上覆水中1个，沉积物中5个），可在其内进行水合物生成和分解实验，具有耐高压、密闭性强、安全可靠的特点。