使用RBR浊度传感器进行Monterey峡谷浊流研究

浊流(Turbidity Current)是一种富含悬浮固体颗粒高密度水流。它不仅能够将陆缘物质搬运至深海,重塑海底地貌;还会对海底基础设施造成威胁,甚至冲断海底光缆。据联合国报告称,全球95%以上的国际通讯均通过海底光缆承载。

自2015年10月至2017年3月,由Monterey湾水族馆研究所(MBARI)和美国地质调查局(USGS)牵头开展的峡谷实验项目(CCE)使用RBR浊度仪对Monterey峡谷沿岸的海底进行了连续18个月的监测。该实验的目的是进行一次空前全面的海底峡谷内沉积物输运监测,从而确定浊流产生的物理过程、还有其他哪些机制可能影响海底峡谷内的沉积物输运、以及沉积物的流动如何改变峡谷地形。研究人员利用RBR浊度传感器的观测数据,校准ADCP的后向散射数据、并得到该处强浊流的详细观测剖面。

据加州USGS太平洋海岸带海洋科学中心的海洋学家Dr. Rosenberger介绍,USGS在300m、520m和800m水深处布放了三套锚系设备;实验组的其他成员在1400m、1700m和1800-1900m水深处布放了锚系设备,并且在水深最深处的锚系设备布放处还配有一套底部平台,科学家认为该处的浊流能量已经基本完全消解。

锚系设备布放当年一月,强浊流就将USGS的300m浅水锚系带到峡谷下游7公里以外的海域,如果不是锚系设备被峡谷尖角地形损坏,该设备可能漂流更远。这并不是第一起被浊流损毁的观测设备。历史上最著名的一次浊流事件发生于1929年11月18日,该次浊流是由地震引起,且在初期沉积物坍塌过程中引发了海啸,造成纽芬兰南部沿岸26人死亡。此次浊流还毁坏了西北大西洋纽芬兰大浅滩(Grand Banks)的12条电报电缆。也是这一次,人们首次对浊流事件展开研究。通过分析28处电缆断裂的位置、时间、声纳数据以及沉积物岩芯,研究人员得以确定浊流流速(最高时速70公里)、悬浮沉积物含量和动力学特征,以及这种新形式的重力流的巨大能量和破坏力。

1970年代,研究人员发现海底电缆经常在某些河口三角洲近岸、以及某些海底峡谷处发生断裂:某些浊流发生的地点和频率可以预测。Rosenberger介绍说,1990年代,USGS以及其他研究机构曾在浊流路径上布放海洋观测仪器。然而,最初的成功率并不是很高,这是由于最初人们会把仪器布放在海洋底部,而仪器容易遭到浊流破坏。1994年,USGS的一个研究组将ADCP绑在线缆上,并将线缆悬于浊流路径的上方,从而保证仪器的相对安全。尽管锚系线缆可能会有所移动、浊流可能会使线缆下移,但是只要锚系线缆不断裂,一旦浊流流过,设备线缆就能恢复原状。2002年,USGS就用这种方式在Monterey海峡布放ADCP长达一年之久。这是首次观测到浊流中的流场剖面。受电池和内存限制,只能每小时测量一次,但观测到的最大流速可达2m/s。

布放沉积物捕获器与光学透射计 (用于测量透光率,可以用于表征沉积物浓度)
照片来源: Roberto Gwiazda © 2016 MBARI

2016年冬,Rosenberger成功回收锚系设备上的仪器,包括ADCP、沉积物捕获器以及配备有光学后向散射传感器和光学透射计的RBR记录仪。

‘That was really the first time someone had measured the profile of currents in a turbidity current. We were only measuring once an hour because at the time battery and memory were limiting, but we measured velocities up to 2 m/s.” ’Kurt Rosenberger

RBR记录仪用于观测悬浮沉积物,其观测结果可以用来校准ADCP后向散射的测量结果,从而得到悬浮沉积物的观测剖面。这次,采用了每30秒一次的高速采样,这样在浊流发生时,研究人员更容易捕捉到浊流的速度峰值——这次记录到的浊流流速峰值高达7-8m/s。

Rosenberger说:“虽然现有数据还不足以解决我们所提出的所有科研问题,但是我们拿到了想拿到的数据,之后我们会将数据对公众公开,并继续深入发掘这些数据。”

CCE(Coordinated Canyon Experiment)是Monterey湾水族馆研究所、美国地质调查局(USGS)、中国海洋大学(OUC)、英国南安普敦国家海洋学中心和英国赫尔大学的合作研究实验项目。

特别鸣谢贝德福德海洋学研究所(BIO)的Dr. David Piper提供的关于浊流研究历史的介绍。