一种全地层沉积物取样器的制作方法

本发明涉及水下沉积物取样技术领域，尤其是涉及一种全地层沉积物取样器。

背景技术：

水下沉积物样品对于揭示气候演变、环境变化、水体微生物存在情况等具有重要意义。而对于气候、环境领域的研究，需要长时间尺度的深层沉积物样品，通常需要取样管达到数米至数十米的进尺深度，所使用取样器多为大型重力式、锤击式、活塞式、振动式取样器中的一种或复合类型的取样设备，取样管内部带有爪簧机构，在样品进入过程中通过样品自身强度撑开，在上提取样器过程中爪簧自动闭合并密封取样管底部，以免设备上提过程中沉积物样品因自重大于沉积物与取样管间摩擦力而脱出。水-沉积物交界层是水下环境中微生物存在最为富集的区域，通常是针对水-沉积物交界面以下10cm～30cm的沉积地层，该区域地层质地极为松软，取样管内部存在爪簧等闭合型机构将导致水-沉积物交界面被扰动破坏，无法进行后续研究，通常采用小型非爪簧型通管式或外部密封式取样管结构。例如，中国科学院地球化学研究所王春雨等提出的swb-1型便携式湖泊沉积物-界面水取样器，详见《地质地球化学》1998年，第1期，94-96页，共3页，在取样管外部设置限制绳和堵塞球，取样器下放过程中，取样管内部水道畅通，水-沉积物交界面可无损进入取样管内部；取样器上提过程中，限制绳牵引堵塞球将取样管底部封闭，以确保样品在上提过程中不至因其自重脱出，但该类型密封方式承载能力较小、限制绳长度不宜过长，无法用于深层沉积物样品取样。对于长时间尺度的深层沉积物样品的获取，需要在取样管底部设置爪簧等防样品脱出机构；而对于水-沉积物交界层取样，常规爪簧类防脱机构将导致松软的水-沉积物交界层样品被剧烈扰动。因此，深层沉积物与水-沉积物交界层在同一次取样操作中无法同时获得，这无疑增加了取样回次和设备成本。如何在单次取样中获取包含低扰动水-沉积物交界层及其下方深层沉积物的全地层样品，是目前沉积物取样领域存在的技术难题。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上技术问题，而提出了一种单次获取全地层沉积物样品的取样装置及取样方法，该装置结构简单、操作方便，能够在获取深层沉积物的前提下，保证水-沉积物交接层扰动较小。

本发明是通过以下技术方案实现的：全地层沉积物取样器，其特征在于，包括：吊环、上挡板、配重块、下挡板、转接件、管箍、取样管、爪簧、钻头和表层样品保护套，所述吊环、上挡板、配重块、下挡板和转接件自上而下依次装配形成一体件；所述转接件为侧壁开孔的中空筒体结构，转接件的上方开孔，转接件下端开口，转接件内部设置有单向阀，并且单向阀通过孔轴配合固定在转接件内；所述取样管同轴设置在转接件下方，取样管与转接件之间通过孔轴配合连接，并采用管箍锁紧；所述爪簧由弹簧片和基环构成，基环呈圆筒形结构，在基环的内壁面上沿周向均匀设置有弹簧片，弹簧片的一端固定在基环上，弹簧片的另一端为自由端，且弹簧片的自由端相互靠拢形成闭合状态，爪簧安装于钻头内部，爪簧与钻头同轴设置，爪簧与钻头之间为孔轴配合；所述钻头同轴设置在取样管下方，钻头通过螺栓与取样管相连；所述表层样品保护套安装于爪簧内部，爪簧正常状态下处于闭合状态，表层样品保护套安装后，弹簧片张开并压紧表层样品保护套外壁，以使所述弹簧片相互配合以夹紧表层样品保护套，表层样品保护套与爪簧通过二者间的摩擦力相连接。

进一步，所述吊环与上挡板通过螺纹连接，上挡板、配重块及下档板通过贯穿三者的螺栓连接成一体，下挡板与转接件通过螺纹连接。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、采用表层样品保护套，将水-沉积物交接层与取样管内壁间的摩擦转换为与表层样品保护套内壁间的摩擦，表层样品保护套贯入沉积物层到达一定深度后将不再随取样器进尺，保护水-沉积物交接层不受取样管贯入过程的影响，能够获取全地层的沉积物样品。

2、可通过增加配重块的质量来增加取样器在沉积物层的贯入深度，但表层样品保护套工作性能不受配重块质量变化影响，因此可在确保水-沉积物交接层低扰动的前提下，获取深层的沉积物样品。

3、取样器结构简单，携带、拆装、维护、替换较为方便，受外界环境及场地条件限制较小。

4、取样器实施方法与传统重力取样方法一致，操作简便且技术较为成熟。

附图说明

以下结合附图进一步解释本发明的原理和特征，构成本申请的一部分，所列举的具体实施方案只用于帮助理解本发明，并非用于限定本发明的范围，在附图中：

图1为本发明所述全地层沉积物取样器的结构示意图；

图2为本发明中爪簧、钻头和表层样品保护套相互配合的结构示意图；

图3为本发明中爪簧的结构示意图；

图4为本发明中爪簧与表层样品保护套安装示意图；

图5为采用本发明所述全地层沉积物取样器进行沉积物取样的过程示意图。

图中各标记如下：1-吊环；2-上挡板；3-配重块；4-下挡板；5-转接件；6-管箍；7-取样管；8-爪簧；9-钻头；10-表层样品保护套；801-弹簧片、802-基环。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程和元件并没有进行详尽的说明。

如图1、图2、图3和图4所示，全地层沉积物取样器包括吊环1、上挡板2、配重块3、下挡板4、转接件5、管箍6、取样管7、爪簧8、钻头9和表层样品保护套10。

所述吊环1、上挡板2、配重块3、下挡板4和转接件5自上而下依次装配形成一体件，其中吊环1与上挡板2通过螺纹连接，上挡板2、配重块3及下档板4通过贯穿三者的螺栓连接成一体，下挡板4与转接件5通过螺纹连接。

所述转接件5为侧壁开孔的中空筒体结构，转接件5的上方开孔，转接件5下端开口，该开口的作用是管箍6抱紧时，在转接件5下端开口，可传递力抱紧取样管7，转接件5内部设置有单向阀，单向阀为标准件通过孔轴配合固定在转接件5之内；水从转接件5下方流入时，单向阀自主开启，水从转接件5顶部或侧壁开孔流入时，单向阀自动闭合；转接件5与取样管7为孔轴配合，管箍6锁紧后，转接件5下端开口闭合，抱紧取样管7，使取样管7上提、下放过程中时刻与转接件5固定。吊环1的作用为提升、下放取样器的连接件，上挡板2的作用为配重块3与吊环1之间的连接件，配重块3的作用为增加取样器本体势能进而增加取样管进尺深度，下挡板4的作用为取样管7与配重块3之间的连接件。

所述取样管7同轴设置在转接件5下方，取样管7与转接件5为孔轴配合，并且取样管7与转接件5通过管箍6锁紧连接。

所述爪簧8由弹簧片801和基环802构成，基环802呈圆筒形结构，在基环802的内壁面上沿周向均匀设置有弹簧片801，弹簧片801的一端固定在基环802上，弹簧片801的另一端为自由端，且弹簧片801的自由端相互靠拢形成闭合状态；爪簧8安装于钻头9内部，爪簧8与钻头9同轴设置，爪簧8与钻头9之间为孔轴配合，钻头9与取样管7连接后，爪簧8被挤压在钻头9与取样管7之间。

所述钻头9同轴设置在取样管7下方，钻头9通过螺栓与取样管7相连；所述表层样品保护套10安装于爪簧8内部，爪簧8正常状态下处于闭合状态，表层样品保护套10安装后，弹簧片801张开并压紧表层样品保护套10外壁，以使所述弹簧片801相互配合以夹紧表层样品保护套10，表层样品保护套10与爪簧8通过二者间的摩擦力相连接。

本发明中表层样品保护套10选用的材料为聚氯乙烯pvc、聚乙烯pe或聚对苯二甲酸乙二醇酯pet，表层样品保护套10的材料特性需求为：可加工成表面光滑且具有较强回弹性的薄壁管体。

下面结合图5对本发明的工作原理进行详细阐述，图5为整个沉积物取样过程全地层沉积物取样器的工作流程结构示意图，a、b、c、d和e示出了全地层沉积物取样器取样的五种工作状态，按照图中箭头所指的方向进行取样动作：

在地表完成整个全地层沉积物取样器的组装后，将缆绳与吊环1固定；匀速将全地层沉积物取样器下放至水中，直至全地层沉积物取样器底部距离沉积物层上方一定距离，停止继续下放并悬停；地表释放缆绳使全地层沉积物取样器在水中呈自由落体状态，全地层沉积物取样器依靠自重贯入沉积物中一定深度；待地表缆绳完全松弛后，收紧缆绳并上提全地层沉积物取样器，将全地层沉积物取样器连同取样管7内沉积物样品一同提至地表，拆卸内部含有沉积物样品的取样管7并封装，以便后续运输及分析。

全地层沉积物取样器下放及贯入沉积物过程中，取样管7内部压力大于外部压力，转接件5内部单向阀处于开启状态；上提全地层沉积物取样器过程中，爪簧8在取样管7内部沉积物样品重力作用下闭合，取样管7内部形成负压，低于外部水压，转接件5内部单向阀自动关闭，保证沉积物样品在上提过程中不致从底部流失。

全地层沉积物取样器在贯入沉积物过程中，表层样品保护套10最先接触表层松软沉积物；贯入一定深度后，沉积物与表层样品保套10间的阻力大于表层样品保护套10与爪簧8间的摩擦力，此时表层样品保护套10与水-沉积物交接层相对静止；全地层沉积物取样器其余部分在势能作用下继续贯入深层沉积物，不会对水-沉积物交接层造成扰动。