在使用传统深海沉积物取样设备采集海底大然气水合物及其上覆沉积物时,由于其不能保压保温取样,沉积物样品中的甲烷以及其他气相溶解组份由于温度、压力等条件的变化而散失,造成沉积物的原始成分与状态难以得到准确反映的后果,这对于分析天然气水合物的成矿条件,寻找天然气水合物矿藏的特征标志,圈定大然气水合物资源的分布范围,并进行资源远景评价都将造成错误的判断;此外,对于海底热液口附近包含有人量嗜压型微生物和溢出性气体区域的沉积物取样也存在同样的问题。这些问题的提出就使得深海海底表层沉积物的保真取样技术研究非常有必要。 本文通过对海底沉积物保真(低扰动和保压)取样技术的理论分析研究,得出一整套用于海底沉积物保真取样器设计的准则,为此类设备的设计和研制打下坚实的理论基础。 全文共分八章。 第一章介绍了低扰动取样技术和设备,以及保真取样设备在国内、外的发展现状;并提出了本文的主要研究内容。 第二章首先对适用于海底沉积物取样的球形孔扩张理论进行了推导;在此基础上分析了重力取样器和活塞取样器的低扰动取样模型;根据已有的一些资料数据量化描述了接触取样中取样器对土体扰动的影响;最后,根据上述研究结果,得出了取样器刀头的设计准则。 第二章分析了耐压壳体、支撑环和保真筒连接螺纹等耐压部件的设计准则。 第四章分析了实现保压、补压的保真机构设计准则:样品转移准则、封口自紧准则和半主动保压准则。 在第二、三、四章理论分析的基础上,设计了三种深海沉积物保真取样设备,分别介绍如下。 第五章介绍了海底沉积物保真取样设备的原型机——机械手持式沉积物保真取样器,并对其进行了试验研究。 第六章比较了两种深海沉积物保真取样系统的保真触发原理,并分析了其结构。海试结果表明,基于支撑反力控制保真触发原理的深海沉积物保真取样系统更适于深海沉积物取样。 第七章分析了天然气水合物保温保压取样器的结构和工作原理。 第八章总结了全文的研究结果,并提出了进一步的研究方向。