海底是“漏”的（汪品先，2009）。在从洋中脊到俯冲带、从大陆边缘到深海盆地的广阔范围的海底均存在地下流体，它们在地形、构造、热等因素的驱动下在海底沉积物和岩石中运动并在海底表面与海水发生交换。海底地下流体作为热量传递和元素活化迁移的载体，其在海底下的运动以及与岩石或沉积物的相互作用，对海洋热通量、元素迁移成矿、海水化学平衡、生物地球化学过程、洋壳岩石的热结构及物理力学性质等方面具有重要影响（Edmond， 1979；COSODII，1987；Stein，1994；Elderfield，Schultz，1996；Hofmeister，2005；Fisher， 2005，2010）。因此，对海底地下流体进行研究，认识海底地下流体的特征和状况，揭示海底地下发生的各种过程及其原因，成为热液系统研究、海底成矿机理研究、海底生物地球化学过程研究等关注的焦点之一。
采集沉积物柱状样是获取地下流体的方法之一，但柱状样的长度有限，且只能获得沉积物中的流体。而在海底打钻，不仅为获取深部沉积物甚至基岩中的流体提供了条件，也为在钻井中对地下流体进行长期观测和取样提供了机会，一些海底井下观测装置相继发展起来并得以应用。
11.1.1 海底地下流体的原位取样和观测技术
1.原位间隙水取样器
原位间隙水取样器（in-situ pore water sampler）是一种可布放于钻孔内原位采集沉积物间隙水的装置（图11-1），它主要由过滤元件、导管、样品管、阀门、马达等部件集成封装组成，其工作原理是利用原位流体的静压力驱动间隙水透过过滤元件进入样品管中（Barnes， 1979）。
如图11-1所示，不锈钢过滤元件（1）安装于探头上，探头位于钻头的下部，先于钻头插入沉积物中。过滤元件连接导管（3）、样品管（11）和圆柱仓体（13），其中圆柱仓体（13）内为气体，用于与外界产生压差驱动流体运动以及存储多余的流体。当马达（10）驱动取样控制阀门（8）打开，沉积物间隙水在静压力的作用下通过导管（3）向样品管（11）和圆柱仓体（13）运动，待5～10分钟后，马达（10）驱动阀门（8）关闭，取样结束。样品管（11）和圆柱仓体（13）之间安装有溢流阀（12），维持样品管相对圆柱仓体处于较高的压力条件（一般高于4MPa），并避免间隙水样品中气液分离。马达打开或关闭阀门（8）的运动由时间控制器（16）控制，时间控制器由电池（14）供电。用马达限位和转换开关（SW#3）防止阀门（8）的开合程度过大、阀针过紧。不用时间控制器，也可利用安装于马达上的手动马达开关（SW#2）控制马达的运动。当圆柱体内的压力超过预设值时，安全阀门（SW#1）触动马达运动关闭取样阀门。压力调节器（7）可调节取样管的压力，避免内压过大。缓冲器（5）的作用是减小作业时内部受到的冲击。原位间隙水取样器主体部分封装于承压仓（6）中，两头用两道“O”形圈进行密封。带过滤元件的取样探头（1）从仓内伸出。
图11-1 原位间隙水取样器（Barnes，1979）
通常原位间隙水取样器的样品管为内径为4.76mm的金属管，长6.1m，容积50cm3。过滤元件为精细编制的不锈钢网，过滤孔径1mm。取样探头长约1m。布放时，先将原位间隙水取样器固定，随钻杆一起伸入钻孔中，将取样探头插入钻孔底部沉积物中，直至钻头承受大约5000至15000磅的压力。取样完成后，正常回收原位间隙水取样器。取样器的金属样品管两头用管钳夹紧密封、取下。
2.原位流体采集和监测装置
以原位间隙水取样器（in-situ pore water sampler）为基础，通过将温度探头封装于该取样器的取样探头中，将温度数据采集和存储单元封装于承压仓中，使之同时具有沉积物间隙水采集和温度监测的功能，并成功应用于DSDP60航次（Uyeda，Horai，1982）。Von Huene等（1985）进一步将压力测量装置安装在取样器上（图11-2），使间隙水取样器同时具备测试温度和压力的功能。
如图11-2所示，取样器安装在钻头上部，探头向下伸出，先于钻头插入沉积物中。探头直径1.5英寸（3.81cm），安装过滤采水装置，探头内安装温度和压力探头。钻头直径9.88英寸（25.08cm），钻环直径8.25英寸（20.95cm），钻环周围13/16英寸（2.06cm）的环形空间供钻探泥浆循环。该装置工作时，首先停留于钻孔底部之上，停止向钻孔内泵钻探泥浆，测量静水压力；将探头插入沉积物中，停留10分钟，测量压力和温度，再打开取样阀门进行间隙水取样。间隙水取样完成后，将探头从沉积物中拔出，在钻孔底部停留10分钟测量温度。
图11-2 原位间隙水采集和监测装置示意图（von Huene，1985）
前述装置具有以下缺点：采水量小，一般小于75m L；不能承受大的静压力，需要安装特定的压力调节器，使装置的复杂性增加，可靠性降低；一些部件的材料易生锈。Barnes（1988）克服了这些缺点，改进了原有装置，制成了原位间隙水采集和温度压力监测装置（in-situ Water-Sampler-Tempera-ture-Pressure tool，WSTP）。改进的项目包括：①用聚酯材料代替不锈钢制作过滤元件；②加强装置强度，取消缓冲器；③取消压力安全开关和压力调节器；④将样品管置于圆柱仓中，且系统耐压69MPa；⑤使用新的溢流阀，能维持样品管压力在0.4MPa至40MPa之间可调；⑥热电偶安装在直径1.27cm、长7.6cm的小探头中，该小探头安装在取样探头的头部；⑦两根导管引入承压仓中，可用于检测压力，且其中一根用于采集间隙水样品；⑧温度和压力传感器集成安装。新WSTP组成示意图如图11-3所示。在ODP110航次中，多次使用该WSTP进行沉积物间隙水的原位取样和监测（Barnes，1988）。
3.流体采集和温度探测装置
由于多种原因，包括WSTP作业时影响和改变了原位流体状况，以及作业时对沉积物额外施加的压力，使获取的压力数据存在缺陷。可能由于这些原因，DSDP84航次和ODP110和112航次获得的WSTP压力数据并没有得到很好的解释（Fischer，Becker， 1993）。后来的WSTP装置放弃了压力监测的功能，并对装置系统安装进行了优化，称为流体采集和温度探测装置（water-sampling temperature probe，WSTP；图11-4）。
该装置主要由不锈钢材料制成，如过滤元件和阀门等部分零件由钛材料等制成。取样探头由钛、不锈钢或聚酯制成，与温度探头集成安装（图11-5）。其中，过滤元件包围1/16英寸钛管，其外面是有1/4英寸孔的钛保护罩。
WSTP既可用于采集间隙水，也可用于采集钻孔中的流体。然而，采集间隙水时，沉积物不能太硬，否则会损坏探头（Uyeda，Horai，1982；Fischer，Becker，1993）。另外，用WSTP采集钻孔内流体，存在采样流体可能受采样器污染以及不能反映原位状况的问题，因此，后来发展了Kuster采水器以及用于长期连续采集流体的渗透泵流体采集器。
图11-3 WSTP组成示意图（Barnes，1988）
图11-4 流体采集和温度探测装置组成示意图（Fischer，Becker， 1993）
图11-5 WSTP探头组成示意图（Fischer， Becker，1993）
11.1.2 钻孔中的封隔技术和封隔器
介质的渗透性是影响海底地下流体运动的最重要参数（Fisher，1998；Becker，Davis， 2004）。海底地下岩石的渗透性可由多种方法获得，如在实验室对岩心样品进行分析测试然后估算岩石的渗透性，或在钻孔内进行原位观测（Fisher，1998）。在钻孔中将待测层位与上下层位密封隔开，同时又不影响将流体泵入该层位，是进行渗透性原位观测的基础。一种充入海水后可膨胀的橡胶密封装置应运而生，它被称为“封隔器”（packer），用于钻管（drill string）和套管之间，或钻管与钻孔壁之间环形区域的密封，从而将孔内流体分隔开（Becker， 1990；Fisher，Becker，1993；Becker，Davis，2004）。
图11-6 封隔器示意图
（a）封隔器膨胀前或消胀后；（b）封隔器膨胀（Fisher，Becker，1993）
1.封隔器的基本组成
封隔器的基本结构如图11-6所示。封隔器由封隔膨胀元件（packer inflation element）及辅助器件组成（Fisher，Becker，1993）。应用封隔器时，首先用钻杆将封隔器布放到海底钻孔中的待封隔部位，然后通过特定装置连接封隔器，向封隔器泵入海水充压，使封隔膨胀元件膨胀；使用完成后，使封隔器消胀，将封隔器移动到新的待封隔部位进行封隔或回收。封隔膨胀元件主要由可膨胀的内层橡胶囊、外径（OD）8.25～8.5英寸的外层橡胶囊和内部的钢结构单元组成（Graber， 2002）。
封隔器的充压由Go-Devil装置控制。Go-Devil装置是一种有缆可回收装置，其上装配有闭锁开关和用套管封装的两个GRC压力传感器。将Go-Devil装置自由投放到封隔器内充卸压控制机构中心孔座内，使其封闭差压平衡孔和环流孔，只留有充压口。高压海水通过充压口进入封隔器使其膨胀，这是充压模式；充压结束后，通过重型补偿器将专用套筒向下压下20cm左右，使Go-Devil装置向下运动到底，封闭充压口，接头环流孔，使海水进入环流模式（图11-7）。此后，可通过钢缆将Go-Devil装置收回。如果使封隔器卸压，可通过重型补偿器将专用套筒向上拔出，打开卸压口进行卸压。卸压需要30min左右。封隔器在完好的条件下可反复使用2～3次。
图11-7 封隔器的充压模式和环流模式工作示意图 （Graber， 2002）
2.封隔器的种类和应用
根据密封装置是否可旋转，封隔器分旋转式封隔器和非旋转式封隔器两类。旋转式封隔器用于钻孔上部，通过旋转可对返回圆锥安装口进行铰孔和去毛刺。封隔器可单个使用，将封隔器以下至钻孔底的流体与上层流体分隔，进行观测；或由两个封隔器组成跨装封隔器（straddle packer），用于封隔钻孔中两个封隔器之间的流体以及下部封隔器和钻孔底部之间的流体（图11-8）。如TAMInternation-al公司制作的单封隔器和跨装封隔器。其中，跨装封隔器的两个橡胶密封装置通过1～9m长的带小型接头的定距管连接，形成两个上下不同的密封隔离区域；采用3/8英寸的不锈钢管对密封装置充压，不锈钢管被固定在定距管上；正常工作时，两个橡胶密封装置同时充压膨胀；出现泄漏时，两个橡胶密封装置都不能充压膨胀；在第二个密封装置之下可安装检测密封效果的压力测量仪。
图11-8 封隔器使用示意图（Becker，1990）
（a）单个封隔器；（b）跨装封隔器
跨装封隔器使用上下两个橡胶密封装置对钻孔进行隔离密封，形成两个隔离密封区，即两个密封装置之间的区域和第二个密封装置之下钻孔底部区域，且跨装封隔器中的两个橡胶密封装置的距离可上下移动进行调整，满足不同测试的需要。跨装封隔器可作为普通封隔器使用，加强对观测区域的密封封隔。封隔器的布放位置及其观测范围如图11-9所示。
封隔器的一个重要的用途是封隔钻孔内的流体以开展试验，通过观测钻孔内被封隔部分流体压力随时间的变化来推断所对应的岩石的总体渗透性（Fisher，1988）。利用封隔器原位测试岩石的总体渗透性通常有两种测试方法：向钻孔内被封隔的部分快速泵入流体升压，然后监测压力随时间的变化，该方法被称为压力脉冲测试法（pressure pulse test或“slug”test）；用泵向被封隔的部分以恒定的速度持续泵入流体，同时监测压力随时间的变化，该方法被称为恒流注射测试法（constant-rate injection test）。用泵持续注入流体20～30min之后，关闭泵，继续监测压力随时间的变化（Becker，Davis，2004）。
图11-9 跨装封隔器和普通封隔器工作示意图（Graber，2002）
11.1.3 海底井塞装置
大洋钻探为观测海底地下流体提供了机会。钻探通常会引起海底海水和地下流体通过钻孔交换，显著影响原位流体的物理化学状态。钻孔中的流体在经过长时间的恢复后，可反应原位海底地下流体的状况（Davis，Becker，2002）。钻孔内流体的恢复可能需要几个星期甚至几个月。因此，需要对钻孔口进行密封，待孔内流体恢复平衡后进行温度、压力等参数的观测，以揭示其原位状况。
图11-10 返回圆锥和套管系统示意图（Graber，2002）
采用非立管方式（Riser-less Drilling）钻孔时，需要安装返回圆锥，以方便钻杆的再入。返回圆锥和套管（Reentry Cone and Casing， RECC）系统是大洋钻探中常用的装置，其在海底布放后不再回收。如图11-10所示，返回圆锥由形状像漏斗的倒圆锥体返回漏斗（reentry cone）、支撑平台（support plate）和转换连接管（transi-tionpipe）组成，其中支撑平台平置于钻孔口海底表面，它与沉积物紧密接触，起到了密封的作用。那么，只要将返回圆锥转换连接管密封，也就实现了对钻孔口的密封。通常，转换连接管内部可安放套管用于保护钻孔，套管上部边缘有弹性材料，安装后可形成环形密封（Grabe，2002）。此时，用安装有环形密封材料的塞子塞入返回圆锥转换连接管或最内侧的套管中并与之接触密封，则可实现对孔口的密封。
该装置于1991年夏天在Middle Valley成功实施（ODP139航次；Davis，1992）。在前往Middle Valley的途中，ODP执行主管Glen Foss为其取名为“Circulation Obviation Retrofit Kit”（CORK）。目前，海底井塞装置的型号有初级海底井塞装置（Original CORK）、改进型海底井塞装置（Advanced CORK或ACORK）、有缆型海底井塞装置（Wireline CORK）、Ⅱ型海底井塞装置（CORKⅡ）和L型海底井塞装置（L-CORK）等。CORK主要观测温度、压力和取样（图11-11），也可布放VLF地震测试仪（Stephen，2006）。
图11-11 海底井塞装置的基本组成和科学目标（Becker，Davis， 2005）
1.初级海底井塞装置
初级海底井塞装置（Original CORK）的基本组成包括：井塞（CORKbody）、传感器链和数据记录仪（Davis，1992；Becker，Davis，2005；图11-12）。通常，返回圆锥的转换连接管内可依次安装4根套管，其直径分别为20英寸、16英寸、13.375英寸和10.75英寸（早期的是11.75英寸）。井塞部分插入最内侧套管中，通过密封件对井塞与套管的连接部位进行密封。传感器链通过井塞中心孔进入钻孔，其上部末端封装有数据记录仪的仓体搭在井塞中心孔边缘的肩部（landing shoulder）并将孔密封。
图11-12 初级海底井塞装置设计示意图（Becker，Davis，2005）
井塞的主要作用是插入返回圆锥口中并与套管接触密封，阻止海水和孔内的流体通过孔口交换，以及为传感器探头和数据采集器的安装提供载体。通常，传感器数据采集等部分集成安装于井塞上部（仪器柱），而用于观测的温度、压力传感器探头（传感器链）挂于井塞下部。井塞部分插入套管中，通过四层密封件对井塞与套管的连接部位进行密封（图11-13）。井塞插入套管后，仪器柱高出返回圆锥平台约1.5m。密封件的材料是合成橡胶，上面两层密封件和下面两层密封件的装配方向正好相反，保证在正、负压力下都具有良好的密封性能。
图11-13 CORK井塞及其密封件
井塞下部悬挂有包含温度和压力传感器等的仪器链，压力和温度信号传输到位于井塞上部仪器柱的数据记录仪存储。受钻管和井塞内径的制约，传感器链的外径应小于3.75英寸。除了在钻孔内安装压力传感器外，井塞头部也装配有压力传感器，检测钻孔外海底压力，便于对钻孔内外的压力进行比较。钻孔内的压力传感器检测钻孔内部压力的平均测量值，而不是钻孔内部不同层位或特定区域的压力值。数据记录仪通过水下湿插拔连接器连接，通过ROV或HOV更换的周期一般为两年。流体采样口也位于井塞头部，通过管道通入钻孔内，对海底地下流体进行采样。输送流体进行采样和检测的管道直径为0.5英寸规格的不锈钢或钛合金钢管。流体采样口处安装有一个控制阀，由ROV或HOV控制开启和闭合。从1994年起海底地下流体的采集主要通过渗透泵（Osmotic pump）实现。
初级CORK实现了对钻孔的密封，阻止了钻孔内外流体的交换，是ODP一项重要的技术革新。从1991年第一次布放之后约10年的时间里，共在海底12个钻孔布放了14套初级CORK并取得了有价值的认识成果（Becker，Davis，2005）。然而，初级CORK也存在明显的不足（Becker，Davis，1998）：仅在孔口处密封，采集的流体样品和观测的孔内压力代表全孔的平均，因此不能在同一钻孔中进行不同层位水力学的观测；布放和回收等主要维护工作需要钻探船来完成；观测链的外径受到限制，制约了观测传感器的选用。
2.改进型海底井塞装置
针对初级CORK不能在同一钻孔中分层观测的不足，提出了一种通过封隔器对钻孔内流体进行分层的CORK（图11-14；Becker，Davis，1998），并于2001年的ODP196航次成功实施，布放于Nankai Trough的1173B和808I孔（Shipboard Scientific Party，2002）。该装置被称为“改进型海底井塞装置”，特点是利用套管和多个封隔器将孔内的流体分隔成互不连通的密封层位，可分别对这些层位的流体开展长期观测（Becker，Davis，1998；Shipboard Scientific Party，2002；Becker，Davis，2005）。ACORK中使用的封隔器由TAM国际公司生产。
ACORK在实施上与初级CORK不同。以ODP196航次为例（Shipboard Scientific Party，2002），在返回圆锥和第一根套管（外径为20英寸）布放后，立即进行LWD（logging whiledrilling）操作，边钻孔边观测孔内流体的温度和压力，LWD钻孔直径9.875英寸，然后被扩大为17.5英寸，该孔用于布放ACORK；综合LWD等观测资料，了解地层信息，确定ACORK观测的目标层位、封隔位置和可达到的总深度，然后据此组装ACORK，将封隔器、观测窗口、传感器等安装于外径10.75英寸的套管上的相应位置，套管最底部密封，套管上端连接井塞，各封隔器、观测窗口和传感器等通过管线连接至井塞相应的阀门或数据记录仪；ACORK集成安装完成后，利用钻杆将其通过返回圆锥布放入钻孔中，待封隔器和观测窗口均到达计划位置，操作封隔器膨胀，然后作业工具撤离，ROV作业平台安装就位，钻杆回收， ACORK安装完成。ACORK将套管和观测窗口安装于10.75英寸套管上，利用封隔器和套管将各观测窗口隔离，从而实现对不同层位的观测。
ACORK安装过程有两个技术难题。一是泥浆泵驱动的扩孔器使用效果不理想。扩孔器的目的是简化套管安装过程，即套管不需旋转而可直接由上向下装配就位，但在水下实际操作时较难实现。二是套管（直径10.75英寸）末端的密封件——桥塞的安装非常困难。因此，到目前为止ACORK仅在ODP196航次布放了两套（Shipboard Scientific Party，2002）。
图11-14 ACORK组成和结构示意图（Bec-ker，Davis，2005）
3.Ⅱ型海底井塞装置
对ACORK的改进发展出Ⅱ型海底井塞装置（CORKⅡ），其组成示意图见图11-15。CORKⅡ经过多次改进，功能更加完善，设计更加合理（Becker，Davis，2005；Jannasch， 2003）。与ACORK相比，CORK-Ⅱ做了如下改进：封隔器安装在直径为4.5英寸的套管上，即可吸附于钻孔内壁，也可吸附于直径为10.75英寸套管的10.75英寸内壁；对直径为10.75英寸套管的底部通过黏合剂密封，隔离海水和钻孔的连通；利用渗透流体采集器（Osmo Sampler；Jannasch，2004）连续采集流体样品，并且采集器配备有温度传感器，流体采集和温度测量同时进行；对连接管线等进行了优化。CORKⅡ能实现对钻孔中流体进行分层观测和连续取样，并且回收数据和样品时对钻孔原位流体影响小。Ⅱ型海底井塞装置最先于ODP205航次布放于1253A孔和1255A孔（Shipboard Scientific Party，2003）。
4.L形海底井塞装置
目前最新型的是L形海底井塞装置（L-CORK；图11-16），是在CORKⅡ基础上发展而来，主要改进有（Wheat，2011）：增加一个直径10.2cm的球阀，该球阀与井塞柱头上连通钻孔内部的管道连接，在球阀上可安装流量计，也可通过球阀接触孔内传感器和采集样品；增加了一个顶部阀门；增加使用遇水膨胀的封隔器，强化对钻孔的密封；布放的流体采样器由带孔的钻铤保护，避免其暴露在外而被埋没；增设一个新的阀门系统通过脐带管采集孔内流体。L-CORK于IODP327航次布放于1362A和1362B孔（Fisher，2011）。
图11-15 Ⅱ型海底井塞装置结构示意图（Becker，Davis，2005）
图11-16 LCORK组成和结构示意图（Wheat，2011）
图11-17 有缆型海底井塞装置组成示意图（Becker，Davis，2005）
5.有缆型海底井塞装置
在提出ACORK的同时，提出了有缆型海底井塞装置（Wireline CORK；Becker，Davis，1998， 2005）。有缆型CORK的基本组成包括支持舱（support package）、封隔器和观测链，其中支持舱内部装有流体动力单元、数据记录仪、动力源和遥测装置等（图11-17）。封隔器安装位置和传感器位置根据观测目标确定，最上面的封隔器与支持舱连接。
布放有缆型CORK只需要钻孔稳定并已安装返回圆锥，若钻孔不稳定则需要安装套管。布放时，运载工具与支持舱软连接，通过控制运载工具将该CORK的封隔器和观测链通过返回圆锥进入海底钻孔，布放就位后操作封隔器膨胀，运载工具和支持舱脱开，布放完成。2001年，利用斯克利普斯（Scripps）海洋研究所海洋物理实验室（Marine Physical Laboratory）的运载工具Control Vehicle对504B孔和896A孔进行了有缆型CORK的布放（Becker，2004）。
有缆型CORK布放不依赖钻探船，因此实施灵活、经济。不过，受到缆线载荷的限制，通常最多能封隔三个层位（Becker，Davis，1998）。
11.1.4 轻便有缆海底地下原位观测系统（SCIMPI）
如前所述，海底井塞装置是一种海底地下原位观测系统，为实现对钻孔口以及钻孔内的密封分隔，需要安装返回圆锥、套管、封隔器等部件，并且安装复杂、施工周期长，成本高。为此，一种新颖、简单实用、价格低廉的轻便有缆海底地下原位观测系统被提出，简称SCIMPI （Simple Cabled Instruments for Measuring Parameters In-situ；Moran，2006；Lado-Insua， 2013）。
SCIMPI与CORK相比最显著的特点是应用于沉积物中，利用沉积物或泥浆密封钻孔（图11-18）。当钻孔完成并将观测传感器链布放进入钻孔后，将钻管拔出，钻孔壁沉积物可能塌陷而封闭钻孔以及分层封隔不同层位的传感器；如果沉积物不塌陷，钻探泥浆也起到相似的密封钻孔的作用。钻孔充填沉积物或泥浆密封效果较好，且有利于钻孔原位流体恢复。另外，由于无需安装返回圆锥、套管、封隔器等部件，不仅节约了设备成本，更节省了布放船时。
图11-18 SCIMPI原理示意图 （Moran， 2006）
1.SCIMPI的基本组成
SCIMPI采用模块化设计，主要由传感器模块、控制模块和电缆组成（图11-19；Moran， 2006；Lado-Insua，2013）。其中，控制模块用于给传感器模块供电、存储和管理数据，它可更换，也可与海底观测网连接。通常，利用不同长度的电缆将传感器模块连接起来组成传感器链，先布放进入钻孔，待钻管拔出后，再利用ROV或HOV安装托盘以及通过水下湿插拔连接器将控制模块与传感器链连接，完成SCIMPI布放（图11-19）。在电缆上分布有浮力材料，在链的底端连接有压载，以此来保持传感器链在布放时保持绷紧。模块化的结构使SCIMPI结构简单、组成灵活、易于安装，能适应多种工作环境。
图11-19 SCIMPI系统组成示意图（Lado-Insua，2013）
图11-20 SCIMPI传感器模块组成示意图（Lado-Insua，2013）
2.传感器模块
SCIMPI的传感器模块主要包括温度、电导率和压力传感器等，同时也可集成微型地震仪等传感器（Moran，2006）。目前安装在SCIMPI中的是SBE38温度传感器和Paro-scientific Digiquartz 系 列4000m压力传感器，以及电阻率智能传感器（ERSS；Lado-Insua，2013）。传感器模块可通过外部电源供电，也可自带电池供电。根据不同的配置，传感器模块可分为P-T-R（压力温度 电阻率）、T-R-B（温度 电阻率电池）和P-T-R-B （压力 温度 电阻率 电池）（图11-20），在集成之前需经过厂家标定。另外，满足5～15VDC供电/RS485通信的传感器也可直接加入传感器模块而不需要进行软件和电路调整。
每个测量模块都包括一个基于MSP430的处理器，每个传感器的供电隔离且单独控制（Lado-Insua，2013），控制模块的一个低压信号可激活所有的测试模块，使它们与外部电源总线接通，启动和等待命令。传感器模块通过总线供电，因此电池组可分布于SCIMPI的任何位置（Lado-Insua，2013）。所有传感器模块通过RS485总线连接（Lado-Insua，2013），基于RTU协议封装了每个传感器的命令设置，因此在支持新传感器时无需更改软件。
3.控制模块
控制模块用于给传感器模块供电、存储和管理数据，包含电压变换器、海水隔离电路和可编程数据记录仪，还可扩展额外的电池组（Lado-Insua，2013）。数据存储装置是一块基于ARM9处理器的单板机，以ASCⅡ的形式将数据和UTC时间记录存储在SD卡上。当SCIMPI通过观测网或脐带缆（母船或ROV）上电时，自动进入有线模式，获取连续的测量值，除了将数据存储在内部SD卡，还通过RS485总线发送数据。当断电时，SCIMPI进入超低功耗睡眠模式，控制模块以用户自定义的间隔中断睡眠并获取和记录测量值。
4.SCIMPI的应用
第一套全尺寸的SCIMPI样机在2013年5月执行的IODP341S航次中布放于U1416A孔（Expedition 341S Scientists and Engineers，2013），它也是迄今为止布放的唯一一套SCIMPI。U1416A孔位于卡斯卡底（Cascadia）大陆边缘，是活动的水合物区。根据观测目标和观测底层的特点，所布放的SCIMPI配置了9个传感器模块（图11-21）。传感器依靠自带的电池供电，预计可工作两年。由于U1416A孔距离NEPTUNECanada观测网很近，因此当时计划后期将该SCIMPI连接至观测网。2014年5月回收了SCIMPI的观测数据（Lado-Insuaetal.，2014），但可能还需要一些时间才能获得有价值的观测结果。
图11-21 底层剖面和SCIMPI组成示意图（Expedition 341S Sci-entists and Engineers， 2013）（传感器模块尺寸未按比例尺）
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