【海气|科普】在胶州湾认识海洋——戴为 - 海底地质样本分析方法步骤

在胶州湾认识海洋

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终于迎来了到胶州湾出海实习的日子。9月7号，带着对“东方红2号”的无限遐想，坐车到了奥帆中心的码头，隔着车窗就看到了“东方红2号”。头一回上船，满是新奇。狭小的走廊、“险峻”的楼梯、微晃的船体、三层后甲板的微腥海风、四层船头黑色巨锚深插海底、六层驾驶层柴油机出烟口的油气味、最高处时而站立时而盘旋鸣叫的白海鸥们……甲板不是想象中的整洁而是堆放了吊车、缆绳和吊箱等，可以想象出之前承担了很多科考任务。最激动人心的莫过于水文、地质、化学、生物、气象等的实操课。

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水文指导教师将海洋调查方法方式、各观测要素和相应的观测仪器等信息逐一讲解给我们，使我们领略现场调查与课本学习的差异，快速掌握海上水文调查的技巧，达到独立自主和协作完成后续海上作业的目标。众多气象探测仪器及观测方法令人印象深刻，在自主作业时起到了关键作用。化学，要求实验操作严谨，数据准确精当。生物，要求掌握生物拖网的使用，制作玻片，依照生物图册学会辨认。地质，教会了我们两类简易采泥器的使用方法，初步掌握了泥样分析手段。

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箱式采泥器

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利用底部蚌式抓斗所受重力完成海底的沉积物采集。抓斗的开合由顶部一根不均匀杠杆（图中红色圆球为较重一端）控制，悬空时因受重力杠杆锁住活动结构，杠杆触底后采泥器所受支持力发生变化，杠杆松动并向较重一端旋转，抓斗开合不受限制。

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先后学习使用了直读式机械海流计、颠倒测温仪、声波式便携测深仪、水色透明度盘、小型生物拖网、盐度计、PH计、活性氧含量的测量、轻便三杯风速风向仪、云图册、干湿泡温度计和盒式气压计等的操作，加上一些知识的系统性学习，我们这群“新手”快速上路，干得有模有样。

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水色计                      

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通过目测来判定海洋水色的参比仪器。含有21个色级水色标准液的透明玻璃管（从深蓝色到褐色）。使用时，用肉眼观测海水透明度值一半水层的海水颜色，找出与之最接近的色级，记录色级号码。

一丝不苟的化学实操包含海水盐度、PH值和溶解氧含量的测定。将标准海水注入冲洗过的电导池，输入电导比进行定标，再次注入标准海水进行盐度检验，结果在误差范围内才能进行实际的测量。本以为PH计的使用很简单，利用电导率与PH的关系推理就行，但是这种理解太粗糙了。要得到精确的结果必须用标准试剂进行斜率标定。每次更换试剂都要润洗一遍玻璃电极。溶解氧的测定依照规定步骤进行不是特别困难，但是使用时分光计要注意比色杯外壁的洁净。每项测定完成后不能忘记仪器归位，保持实验室整洁。除了实操的原料是海水，化学实验与陆地无异，但是这份严谨需要时刻铭记。

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PH计

利用电极间电动势与溶液氢离子浓度的换算关系，氢离子浓度的负对数即为溶液PH值。为保证测量结果的精确性，测量样品海水前需要进行温度补偿，并用中性和碱性标准液进行定标。

地质和生物涉及到不多见的样本采集，趣味颇丰。惊叹于地质采集器的设计巧妙，利用铰接点处的不均匀杠杆保证碰底采泥，一个小杠杆就控制了抓斗的开合。此前一直认为样品的采集控制都是电动的，没想到，机械式的也有自己的风韵。箱式采泥器由质量不均的转动杠杆控制抓斗开合，为的是触及海底后所受支持力的变化引起杠杆转动，所以放缆绳的过程中要密切留意速度，谨防下放过快触碰海面的冲击力使杠杆提前转动，致使采样失败。站点处的泥样含有不少沙石，无意采集到的小螃蟹带来不小的惊喜。抓斗内壁附着扭动的“章鱼触须”，老师说是海蛇尾，原来是派大星的表亲。小型生物拖网也同样需要慢速升降，为了样品的完整性，还需要在拖网外壁冲洗三次取样三次。采集到一整瓶的生物样本，在显微镜下的世界里，发光藻、根管藻、哲水蚤等争奇斗艳。偶尔采集到的皮皮虾和小水母引起我们一阵惊叹。

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底质取样分析

地质采集样品的现场描述与处理包含颜色、气味、稠度、粘性以及编号后实验室后续处理等等。此次地质实操站点位于近海，泥样包含较多沙砾和海蛇尾（如图）等生物体。

我们用的SLC型机械式直读海流计，测速桨叶和尾翼采用轻型聚合材料制作，转子轴承旋转精度也足够高，但是测量微弱海流效果不佳。带着仪器使用中的疑问，我们晚上找了找海流计的发展历程。没想到机械式海流计的出现不是很早。1905年瑞典物理海洋学家V.K.Ekman发明了它。Ekman使用一个带屏蔽壳体的螺旋桨和记录转盘测量平均流速，通过向盒中抛金属球测流向。二十年代S.J.Savonius发明的萨涡纽斯转子在六十年代开始应用于海流计上，仪器精度得到巨大的提升。此后机械式海流计经过多次迭代升级发展，最终达到了流速精度±1cm/s，流向精度±5°的发展水平[1]。

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机械式海流计的优势是便捷，但起接触测量的原理，存在测量扰流、低流速情况下转子或旋桨停转、机械转子惯性大等问题，导致其测流精度不高[1]，且无法测量低速流和快速变化的湍流。在实操过程中，因为海域垃圾较多，转子和尾翼被缠上了垃圾，不得不拉出海面进行清理，数据也被清零。此外机械海流计的运动部件在海水中容易发生锈蚀、卡死等故障。我们用的机械式海流计由于长期使用，锈迹较为明显。 

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在胶州湾站点  （36°02’585”N，120° 18’ 953”E）测得的海面风风向为东偏南5°，风速为5m/s，表层海流平均流速为18cm/s,中层约16.7cm/s，底层为16cm/s，流向由浅及深，从76°变化到131.6°到148°，可以看出海流有一个减速转向的趋势。依据埃克曼漂流理论，北半球表层海流流向偏向于风向右45°，随深度增加流速不断减小，偏移角度不断增大直至与风向相反，此时流速约为表面流速的4%。本次测得数据相对符合埃克曼漂流理论，但是表层海流受船舶吃水影响，流速与流向受到扰动。另外实测站点水深为23米，而埃克曼漂流理论假设在无限深的海洋中，实际深度无法支持埃克曼漂流的最终形成。

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海面风与表层海流的流速差距较大，说明表层海流不是成长充分的风海流。胶州湾近乎封闭，南北最大距离为33公里，东西为28公里，此外还有近三分之一的沿岸滩涂，有效风区较小，无法支撑风海流的发育，且胶州湾整体上三面环山，非夏季季风时，北风受山地阻隔，吹拂作用较弱，而夏季季风时，湾口吹进的风受三面阻隔，也无法有效促进海流发育。此外，胶州湾入海口处仅3公里宽，且胶州湾的海底呈簸箕形向南倾斜，在湾口区又转而向东倾斜，最深处位于湾口，湾内近乎一半海区为0-5米浅水区，20米以上水深的航道仅占5%左右，在内部无法形成大规模的水体输送的情况下，湾区外的海域也无法克服湾区内浅滩的作用，实现大规模水体交换[2]。依据多年平均测潮站数据，湾口处潮汐流速最大为150cm/s，湾口以外为80cm/s,湾内中部海域潮汐流速不超过50cm/s,地形地貌因素影响下，近乎封闭的胶州湾与外海水体交换偏少[3]。

再进一步考虑淡水与泥沙注入的影响，入湾河流多从西侧进入, 且为源近流短的小河，受地形倾斜影响，泥沙应该不断运动到南部深水区，影响整体的海水运动。但是河流带来的泥沙在河口处因流速降低而堆积形成河口沙坝，而且附近河流径流量季节性波动明显，无法对阻碍海水运动形成持续有效的影响[4]。

那么胶州湾内海流较弱的原因就可能为有效风区不足、陆地山体阻隔风、湾区地形阻碍水体交换。以上是根据胶州湾内测得的一组风与海流数据进行的个人猜想，缺乏足够的数据佐证。

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 实习结束，离船上岸后，仍不自主地脚步轻快虚浮、手掌虚按以备撑墙。看见远处那海天线依然心生向往。对蔚蓝海洋的热爱，促使我今后还要不断认知她，永不停下前行的脚步。

参考文献：

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[1]宋大雷,周相建,陈朝晖,周丽芹,郑金明.海流计发展现状与发展趋势展望[J].船海工程,2017,46(01):93-100

[2]中国海湾志编纂委员会.中国海湾志第四分册[M].北京：海洋出版社，1993

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[3]陈斌,张勇,刘健,孔祥淮.胶州湾海域潮流动力特征及其与含沙量的关系[J].海洋科学进展,2012,30(01):24-35.

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[4]董贺平,李绍全,李广雪,李春,陈正新,赵铁虎.青岛近海潮流沉积体系[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2006(01):31-36.

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图文：戴为

指导老师：盛立芳

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编辑：王栩哲

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审核一：王业 张海婷

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审核二：海气新闻中心

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