https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2025.06.001

*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为学术交流。

以下是对这项成果的简要介绍：

深海海底蕴藏着丰富的油气、矿物、生物及沉积物等资源，获取高质量的深海沉积物样品对于开展深海地质及环境科学研究具有重要意义。然而，深海海底结构复杂，不同岩性沉积物的物理力学性质和抗扰动能力差异较大，传统取样器在取样过程中往往会扰动沉积物，影响样品质量。因此，开发一种能够在深海极端环境下获取低扰动、高保压沉积物样品的取样器具有重要的科学和应用价值。

本研究设计了一种新型全海深沉积物保压取样器，其主要由取样装置、压力补偿装置和清洗装置组成。取样器采用自密封结构，能够在回收过程中保持样品压力，确保压力损失不超过20%。取样器的基本参数包括尺寸815×475×756 mm，重量160 kg，工作水深11000 m，单次取样体积230 mL，取样深度160 mm。

基于球形孔扩张理论，建立了沉积物取芯径向扰动模型，分析了取样器在取样过程中沉积物的应力与应变场分布。模型中将弹塑性理论与孔隙水渗流因子相结合，以球孔周发生塑性变形的沉积物半径作为评价沉积物径向扰动的指标。

搭建了沉积物扰动实验平台，模拟沉积物取芯过程。实验中使用了GDS应力路径三轴仪，通过布置在沉积物内部的传感器监测取芯过程中沉积物的径向应力场和孔隙水压力变化，验证了扰动理论模型的正确性。

取样器搭载“奋斗者号”潜水器，在千叶-勘察加海沟9298.4 m和9142.8 m的深度进行了现场测试。测试结果表明，取回的沉积物样品保压率分别为94.21%和92.02%，远高于目前深海沉积物保压率为80%的技术标准，且沉积物层理特性明显，扰动小。

（1）模型验证
室内实验结果表明，建立的基于球形孔扩张理论的沉积物取芯径向扰动模型能够准确描述取样过程中沉积物的应力与应变场分布，验证了模型的正确性。

（2）取样器性能
现场海试结果表明，新型全海深沉积物保压取样器能够在万米级深海极端环境下获取高质量保压沉积物样品，保压率远高于现有技术标准，且样品扰动小，层理特性明显。

（3）扰动影响因素分析
研究发现，沉积物的内摩擦角和泊松比对扰动的影响较小，而沉积物的黏聚力和弹性模量是影响扰动的主要因素。此外，减小取样管壁厚和增加取样管内径可以有效降低沉积物样品的扰动，提高样品质量。

（4）科学意义
本研究开发的新型取样器及其低扰动取芯技术为深海资源开发和海底科学研究提供了重要的技术支持，推动了我国深海技术的发展，为深海资源的开发与利用奠定了基础。

Fig. 11. Triaxial test setup.

*图表版权归论文原作者和出版方所有，本文仅为学术交流。

*图片介绍转载自：万步炎教授团队｜万米级深海底沉积物低扰动、高保压取样机理及其室内实验和现场海试研究

全海深沉积物取样器工作原理图

径向应力和环向应力随球孔扩张中心半径的变化规律

深海沉积物三轴(CU)试验

深海沉积物模拟取样试验平台

全海深沉积物取样器搭载在“奋斗者号”潜水器上进行海底取样试验

GDS三轴试验系统(GDSTTS) 是一款完全自动化的设计用于进行应力路径试验的三轴试验系统。GDSTTS主要基于经典的Bishop & Wesley应力路径三轴压力室，直接控制施加于试样上的应力。系统可以配置商业型、标准型或高级压力体积控制器(取决于要求的精度/ 最大压力)。

适用直径38/50mm试样的压力室可施加的最大轴向荷载为7kN，适用直径70/100mm试样的压力室的轴向荷载最大可达25kN。 该系统可用于教学和科研实验室。

系统特点及优势：