Исследование подводных месторождений методами пробоотбора

Вероятно, наиболее простыми приборами для отбора проб с морского дна являются драга и грунтовая трубка. Первая используется для отбора поверхностных отложений па морском дне, таких, как конкреции и россыпи, или для откалывания образцов обнажающихся пород, а вторая — для получения разреза осадков морского дна.

Драгирование представляет собой волочение жесткой конструкции с широким передним отверстием и привязанной к ней сеткой или корзиной (рис. 68) по морскому дну вслед за медленно движущимся судном. Хотя это и дает обычно некоторое количество материала, представительность образцов остается спорной. Почти несомненным является то, что в большинстве случаев драга не дает истинно представительного по составу образца по всей длине морского дна, которое она прошла. Beроятно, она входит в контакт с дном только эпизодически, особенно на неровных его участках, и «парит» над дном на остальных участках выполняемого разреза. Полученный образен может, таким образом, представлять только то место, где драга впервые вошла в контакт с морским дном и заполнилась. Возможно также, что материал, собранный драгой, может частично или полностью вывалиться при последующих контактах ее с морским дном, и будет поднят новый материал. Поэтому очевидно, что драгирование может дать только отдельные образцы материала морского дна, но не обязательно в соответствии с его относительным содержанием на дне.

Для того чтобы частично разрешить некоторые из проблем, возникающих при драгировании, были разработаны различные типы дночерпателей (рис. 69). Преимущество дночерпателеи над драгами заключается в том, что они берут со дна одну пробу, и, таким образом, местоположение образцов можно определить более точно, чем при драгировании. Кроме того, известна площадь пробоотбора, которая является очень полезной характеристикой для статистических целей при расчетах содержаний минералов. Однако дночерпатели все же имеют свои недостатки, не самым малым из которых является непредставительность опробованной площади морского дна. Они иногда падают на бок и закрываются, вообще не захватив какого-либо материала, или же образцы зажимаются створками ковша, что позволяет тонкому материалу вымываться из дночерпателя. Неудача с опробованием месторождения при помощи дночерпателя не означает поэтому, что ничего не было на морском дне, которое опробовалось; если створки ковша дночерпателя при срабатывании не закрылись полностью, содержимое дночерпателя, если оно вообще есть, вероятно, не может представлять первоначально отобранного материала.

Как уже было сказано, драги и дночерпатели отбирают только самую верхнюю часть отложений морского дна. Если необходимо проникновение под поверхность осадка, следует использовать один из нескольких типов грунтовых трубок. Наиболее простои и чаще используемой является гравитационная трубка, но часто применяются и другие трубки разной сложности.

Гравитационная трубка представляет собой простую стальную трубу с обычно помещаемой внутрь ее и способной выниматься пластиковой трубой, называемой вкладышем, которая врезается и морское дно под действием тяжелого груза (рис. 70). Иногда, особенно на мелководных участках, работают с корабельной лебедкой, пущенной на свободный ход, что позволяет трубке идти ко дну под действием собственного веса. Однако в обычных случаях трубка опускается на морское дно с намного меньшей скоростью, что значительно уменьшает глубину ее проникновения в осадки. Простым решением последней проблемы может быть использование устройства, которое освобождает трубку приблизительно в 15—20 м от морского дна при помощи ослабления троса на эту длину, что позволяет трубке свободно падать на дно. Гравитационные трубки дают достаточно представительные пробы самой верхней части осадков морского дна, но редко проникают глубже чем на 3 м, и разрез осадков нередко сжат и отчасти нарушен.

Более усовершенствованным прибором для получения колонок осадков является поршневая трубка (рис. 71), которая предназначается для того, чтобы избежать проблемы сжатия осадков и получить более длинные колонки по сравнению с колонками, получаемыми гравитационной трубкой. Эта трубка имеет поршень в своем основании, который находится в свободном состоянии, когда трубка входит в осадки. Трубка движется внутри осадков, а поршень остается на поверхности, создавая таким образом эффект всасывания внутри трубки, что увеличивает глубину проникновения ее в осадки. Однако, если трубка не заполнена, полученные осадки могут быть нарушены избыточным всасыванием, когда трубку вытаскивают из осадков. Использование поршня, отпускаемого при выдергивании трубки, может частично разрешить эту проблему.

Для того чтобы получить ненарушенные образцы самого верхнего метра морских осадков, разработаны различные боксовые пробоотборники. Они работают по принципу широкого бокса, мягко входящего в осадки под силой собственного веса, в отличие от узкой трубы, втыкающейся в морское дно на высокой скорости, как в случае пробоотбора гравитационной или поршневой трубкой. Обычно используется боксовый пробоотборник Рейнека (рис. 72), который имеет максимальное проникновение в осадки около полуметра. После погружения в осадки бокс закрывается вращающейся заслонкой.

При пробоотборе в мелководных осадках различного литологического состава возникают серьезные проблемы, так как трубка часто останавливается при первом же изменении в составе осадков, особенно если она встречает слой крупнозернистого материала. Для того чтобы частично разрешить эту трудность, а главным образом получить длинные колонки осадков на участках континентального шельфа, были разработаны различные типы вибрационных трубок (рис. 73). Механика их действия различна, но все они работают на принципе вхождения трубки в осадки под влиянием вибрационных движений, а не только под действием силы тяжести. Вибротрубки широко используются при поисках россыпных месторождений, например при определении касситеритовых россыпей в районе Корнуолла, и для исследования вертикального распространения прибрежных песчаных и гравийных отложений. Глубина их проникновения почти всегда намного выше таковой обычных пробоотборников, но представительность образцов, которые получают с их помощью, при некоторых обстоятельствах остается спорной. Например, там, где осадки состоят из песка с комплексом тонкозернистых тяжелых минералов, воздействие вибрации трубки может привести к частичному разделению этих двух компонентов осадков и, таким образом, к получению непредставительного образца.

Другим примером оборудования для отбора проб является бур (рис. 74). Это обыкновенный вращающийся бур, который работает внутри рамы на морском дне и приводится в движение при помощи источника энергии на борту судна. Он получил сравнительно широкое применение при исследованиях в районах континентального шельфа; был также разработан вариант для его использования в глубоководных районах.

Когда пробоотбор проводится в районах распространения металлоносных осадков, особенно если эти районы вулканически активны, то во многих случаях получить образцы придонной воды так же полезно, как и колонки осадков. Обычный способ получения проб морской воды заключается в опускании на тросе серии батометров, а закрытие их осуществляется с поверхности при помощи посыльного грузика. Однако применение этого метода полностью исключается, если требуются образцы из очень близко расположенных от дна зон, особенно в районах с неровным рельефом, так как трудно точно определить положение батометров над морским дном, если они не коснутся его. Один метод, который был разработай для решения этой проблемы, заключается в специальном оснащении батометра для «срабатывания у дна» (рис. 75). Другими словами, вместо срабатывания закрывающего устройства батометра при помощи посыльного грузика с поверхности он закрывается при касании дна. Конечно, сам батометр не должен касаться морского дна, так как осадки, взмученные при ударе, могут сделать образец воды непригодным для химического анализа. Практически механизмом срабатывания может быть тяжелый дночерпатель, подвешенный под батометром, сохраняющий последний в открытом состоянии под собственным весом. Как только дночерпатель касается морского дна, его вес перестает действовать на батометр, который немедленно закрывается, отбирая образец придонной воды на расстоянии от морского дна, равном длине троса между батометром и дночерпателем. При таком способе можно получить пробу придонной воды, не загрязненную взмучиванием осадков, и в то же время взять образец донных осадков. Был также разработан вариант свободноныряющего пробоотборника для придонной воды.

Одним из наиболее значительных достижений в развитии приборов для пробоотбора па морском дне является разработка свободноныряющих пробоотборников. Сами пробоотборники, конечно, похожи на подвешиваемые па тросе приборы и являются либо дночерпателями (рис. 76), либо трубками (рис. 77) того или иного типа. Общим отличием между ними и пробоотборниками, подвешиваемыми к тросу, является то, что они могут опускаться на морское дно без прикрепления к какому-либо тросу и возвращаться на поверхность под действием собственной плавучести. Различные свободноныряющие пробоотборники в деталях отличаются по своему действию, но все они функционируют на основе оставляемого на морском дне груза, потеря которого дает возможность пробоотборнику подниматься на поверхность под действием поплавков. У большинства дночерпателей груз отделяется, когда дночерпатель врезается в морское дно и закрывается. В случае свободноныряющих трубок внешняя труба и грузы остаются на морском дне, тогда как вкладыш, соединенный с плавучими сферами, возвращается на поверхность. Использование свободноныряющего оборудования для пробоотбора значительно увеличивает количество материала, который может быть получен за данный период времени, и намного сокращает потери рабочего времени. К тому же использование таких приборов предусматривает достаточно точное определение местоположения образцов относительно друг друга, так как вся серия свободноныряющих пробоотборников может быть сброшена по предварительно составленной схеме опробования. Однако применение свободноныряющих трубок имеет ограничение, состоящее в том, что они могут проникать в осадки приблизительно только до 2 м.

С увеличением важности разведки подводных месторождений системы для изысканий и пробоотбора объединяются. Кауфман и Сиапно сообщили о драге, используемой вместе с подводной телевизионной системой, подвешенной к носителю последней. Принцип действия таков, что, когда телевизионная конструкция опускается, драга волочится по морскому дну. Этим способом образцы могут быть получены в процессе телевизионного обследования дна. Таким образом, отпадает необходимость отдельных спусков драги и появляется уверенность в том, что отбор проб произведен именно с изучаемой площади дна.

Несмотря на сложность некоторых более современных приборов для пробоотбора, усовершенствования их все еще желательны и возможны. Представляется, что дальнейшее развитие оборудования было бы наиболее полезным в области серийного опробования при дистанционном контроле. В идеале прибор для серийного опробования мог бы брать образцы из предварительно намеченных точек с точным определением местоположения каждого, а в дальнейшем брать образцы по команде. Некая форма визуального слежения за действием прибора, такая, как телевизионная, также была бы желательна. Для разных операций по отбору проб, например отбору конкреций или осадков, потребуются различные типы приборов, и поэтому было бы ценным иметь их в едином блоке. Логической модернизацией серийного пробоотбора явилась бы разработка системы анализа отложений in situ.