Группа технических средств, обеспечивающих отбор проб в глубоководных зонах, сравнительно проста в своем конструктивном решении и весьма обширна. Подробное описание существующих средств пробоотбора в глубоководной зоне сделано в некоторых специальных работах.
В число основных видов данных пробоотборных средств входит:
а) дночерпатели, конусы, драги и грейферы;
б) колонковые пробоотборники в виде трубок различных модификаций в зависимости от принципа внедрения в донную породу (ударные, поршневые, вибрационные и др.).
Поскольку дночерпатели и другие подобные устройства для отбора проб донных отложений обеспечивают их отбор только из поверхностного слоя с нарушением структуры, применение их при поисках твердых полезных ископаемых россыпного типа возможно на первом этапе рекогносцировки для предварительной оценки площадного распространения донных образований и составления грунтовых карт. В связи с этим применение их в общем комплексе морских геологоразведочных работ довольно ограничено.
Среди этого типа пробоотборников представляет интерес оригинальная конструкция, предложенная В. Томасом и другими, состоящая из трубчатой рамы, в нижней части которой расположен двухлопастной черпак (грейфер). В момент соприкосновения черпака с поверхностью дна включается лампа-вспышка фотокамеры, обеспечивающей съемку дна в момент пробоотбора. Затем с помощью специальных поплавков пробоотборник всплывает на поверхность моря, после чего автоматически срабатывает устройство, зажигающее дымный факел, чем облегчается поиск прибора. Этот пробоотборник дает возможность отбирать различные по составу донные породы в большом объеме.
Рис. 1. Основные конструкции дночерпателей:
1, 2—«Океан»; 3 — Фоерста; 4—«Апельсин»; 5 — Ван-Виина; 6 — Снаппера
Наибольшее распространение и применение в океанографических, океанологических и морских геологических исследованиях в глубоководных зонах имеют различного рода колонковые пробоотборники, обеспечивающие тем или иным способом (свободное падение, вдавливание, вибрация, всасывание, взрыв и т. п.) отбор проб донного осадка в трубки. Длина отбора образца зависит от очень многих факторов и обычно колеблется в широких пределах от 1 до 30 м.
Среди многочисленных модификаций колонковых пробоотборников в настоящее время для исследований в глубоководных зонах морей и океанов используют трубки конструкции Куди-нова, Сысоева в СССР, Кулленбурга, Эмери, Шепарда за рубежом. На рис. 1 показаны наиболее распространенные конструкции дночерпателей, а на рис. 2 — некоторые конструкции пробоотборных трубок.
Рис. 2. Основные конструкции пробоотборных трубок:
1 — ударная; 2 — забивная; 3 — стреляющая; 4 — реактивная; 5 —поршневая; 6 — гидростатическая; 7 —насосная; 8 — вибрирующая
Рис. 3. Характер деформаций осадков в зависимости от способа отбора образцов трубками:
1 — ударные, забивные, стреляющие, реактивные; 2 — вибрирующие; 3 — поршневые, насосные, гидростатические
Несмотря на то что средства отбора проб донных осадков в трубку применяют давно, они во многом еще не удовлетворяют необходимым требованиям.
Е. И. Кудинов полагал, что идеальная пробоотборная трубка безусловно должна удовлетворять двум основным требованиям:
а) приносить максимально длинные колонки;
б) отбирать колонки проб с минимальным нарушением естественной структуры.
Основным препятствием к получению максимальной длины колонок является сопротивление по боковой поверхности и изгиб самой трубки вследствие того, что усилие, за счет которого все конструкции колонковых пробоотборников погружаются в осадок, прилагается преимущественно к верхней части трубки и направлено вдоль оси последней. Разрабатываемые и применяемые в последнее время за рубежом различные типы трубок отличаются разнообразием их типов и видов по источникам прилагаемой энергии, способам ее приложения и методам работы с трубкой. Однако ни одна из этих конструкций не может рассчитывать на надежный отбор необходимой колонки пробы, так как во всех этих вариантах заглубляющее усилие обычно прилагается к верхней части.
В последние годы под руководством Е. И. Кудинова разрабатывалась модификация вибропоршневой пробоотборной трубки, вибратор которой располагается в нижней части трубки.
Структура донного осадка при отборе пробы нарушается по-разному, в зависимости от характера прилагаемых к трубке усилий. На рис. 3 приведено схематическое изображение характера нарушения структуры морских осадков в зависимости от прилагаемых к пробоотборным трубкам усилий. Из этой схемы видно, что наибольшая деформация осадков отмечается в ударных, забиваемых, стреляющих и реактивных трубках, которые в определенный момент работают как свая, забиваемая в дно. Несколько лучше происходит отбор в вибрирующих трубках, однако, как и в предыдущем случае, в результате нарастания колонки в процессе погружения трубки в грунт увеличивается и давление колонки на стенки последней. Кроме того, вибрация приводит к более плотной упаковке частиц, их перераспределению, нарушению внутренней структуры осадка (но не к существенному нарушению стратификации), в результате чего проба в трубке несколько оседает, длина же колонки получается меньше глубины погружения самой пробоотборной трубки.
Чтобы длина колонки была равна глубине погружения рабочей части пробоотборника, наиболее целесообразно применять поршень, располагаемый внизу трубки и удерживаемый неподвижно на уровне дна в течение всего времени погружения трубки в грунт. Однако применение поршня, строго говоря, также не приводит к отбору «идеальной» колонки, так как происходит некоторое уплотнение ее внизу и разжижение сверху, в результате чего отмечается некоторое оседание взятого грунта.
Пробы рыхлых донных отложений в глубоководных зонах морей и океанов отбирают с помощью прямоточной ударной грунтовой трубки типа ГГГТ конструкции Сысоева и Кудинова (проба длиной до 8 м, диаметром 60 мм).
За рубежом распространены пробоотборные трубки Куллен-берга (проба длиной 2 м, диаметром 50 мм), Ричардса (проба длиной 3 м, диаметром 80 мм) и «Бумеранг» (проба длиной 1,25 м, диаметром 65 мм). Последняя трубка дает возможность отбирать пробу морского осадка на ходу судна, поскольку она срабатывает автоматически и всплывает на поверхность моря после отбора пробы.
В течение многих лет океанологи и морские геологи успешно применяют поршневые трубки различных систем, основы для разработки которых были заложены в 1947 г. Кулленбергом, впервые опубликовавшим описание поршневой колонковой трубы.
В СССР широкое распространение получила известная вибропоршневая трубка Е. И. Кудинова, предназначенная для отбора рыхлых отложений как в глубоководных, так и в прибрежных зонах. Эта трубка типа ВПТ-54 и ВПТГ-56) может быть использована при работе с судна, а также при работе в пляжевой зоне и на суше. Длина отбора колонки этой трубки до 5 м, масса ее 80 кг, виброусилия создаются вибратором МВГ-3, внутренний диаметр трубки 60 мм.