[发明专利]一种海底热液羽状流声学成像模拟装置与方法

说明书

本发明公开了一种海底热液羽状流声学成像模拟装置与方法。该装置包括采用透声材料加工、呈圆柱形的反应仓；反应仓下端盖外侧具有至少三个与反应仓同轴且嵌套布置的模拟流体喷头，模拟流体喷头与下端盖接触面开有若干出水口；每个模拟流体喷头对应一个样品仓，通过导管连通，导管上设有水泵；样品仓盛放不同温度与颗粒物浓度的水，作为海底热液羽状流的模拟流体；反应仓的上方或者侧方放置图像声呐。该装置可用于模拟海底热液羽状流的声学图像，从而达到对海底热液羽状流声学探测方法与参数的调整。本发明适用于海底热液羽状流的声学探测方法研究，能够定量、直观地模拟海底热液羽状流的声学响应。本发明可在海底热液系统的科学研究中广泛适用。

技术领域

本发明属于海洋探测技术领域，涉及一种海底热液羽状流声学成像模拟装置与方法。

背景技术

海底热液活动是海底的一种自然现象，现代海底热液系统作为一种全球性的地质现象，是岩石圈与水圈在洋中脊扩张中心、岛弧、弧后扩张中心及板内活动中心发生物质和能量交换的产物，是连通地球深部与海洋的导管。热液和海水混合形成的热液羽状流，是地球深部物质输出的重要表现形式，对于地球岩石圈与海洋的物质循环具有重要意义。热液羽状流是海底热液系统的重要窗口，热液羽状流涉及到物理海洋、海洋地质以及海洋生物多个学科领域，是目前海底热液活动研究的直接对象，对热液羽状流属性的探测是认识海底热液活动的重要途径，因此，热液羽状流的探测技术是目前重要的研究内容。目前，针对热液羽状流的探测方式主要有两种，其一，利用传感器探测热液羽状流的温度、浊度、氧化还原电位以及甲烷等物理化学性质，由此获得热液羽状流的属性特征；其二，利用沉积物捕获器收集热液羽状流的颗粒物，由此推断热液羽状流的颗粒物属性特征。这两种方法都存在一个劣势，无法直观有效地观测热液羽状流的动态变化，不能直接有效的确定热液羽状流的三维结构，难以准确测算热液羽状流的规模，对海底热液活动的发育状态不能够准确描述。

目前，国内外海洋科学家用声学探测方法进行了热液羽状流的探测研究，但是仅仅是定性的描述，对定量探测的技术参数尚不明确，尚未对海底热液羽状流实施定量探测。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种海底热液羽状流声学成像模拟装置与方法，进行声学探测海底热液羽状流实验，获得海底热液羽状流的声学散射机制与声学定量探测方法。

本发明的原理，热液羽状流包含了悬浮颗粒物与高温流体，其声学阻抗特性与背景海水的声学阻抗特性不同。在正常情况下，声波在海水中传播，由于水体的阻抗基本一致，散射信号较弱，当声波遇到羽状流时，声阻抗明显变化，散射信号增强。热液羽状流的声学探测就是通过测量水体的散射信号的变化，再利用信息提取技术，获得热液羽状流的三维结构。通过实验装置，测试羽状流的三维结构与回波散射信号之间的相关性，特别是热液羽状流中的高温流体与颗粒物等不同属性的声学散射响应特性，建立关系模型。

本发明通过下述技术方案得以实现：

一种海底热液羽状流声学成像模拟装置，包括采用透声材料加工、呈圆柱形的反应仓；反应仓下端盖外侧具有至少三个与反应仓同轴且嵌套布置的模拟流体喷头，模拟流体喷头与下端盖接触面开有若干出水口；每个模拟流体喷头对应一个样品仓，通过液体导管连通，液体导管上设有水泵；样品仓盛放不同温度与颗粒物浓度的水，作为海底热液羽状流的模拟流体；反应仓的上方或者侧方放置图像声呐；模拟流体在水泵的驱动下，经过液体导管至模拟流体喷头，通过出水口向上喷发，模拟流体喷头组成的若干流道由内向外分别模拟上升热液羽状流的不同层位，中心的反应仓模拟上升热液羽状流的中心流体，中心轴处的流体温度、颗粒物浓度与扩散速度最高，外围的流体温度、颗粒物浓度与扩散速度逐渐降低，由此仿真海底热液羽状流的扩散状态。

进一步地，所述反应仓的侧壁设有进液阀和出液阀，进液阀连接进水管道，出液阀连接排水管道，通过进液阀向反应仓注入不同温度的水模拟热液羽状流周围的背景海水。