宋永東，張建興，欒振東，閻 軍

(中國科學(xué)院海洋研究所，海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，山東青島 266071)

0 引言

海底熱流測量是一項重要的地球物理調(diào)查手段，對于研究地球內(nèi)部熱狀態(tài)、熱結(jié)構(gòu)以及板塊運動、巖漿作用等外部熱過程有重要意義。隨著現(xiàn)代資源勘探與開發(fā)的深入開展，海底熱流測量在油氣資源、海底熱液礦物以及天然氣水合物等資源的勘探過程中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。因此，熱流探測無論在地熱學(xué)研究，還是在地球動力學(xué)研究中都具有非常重要的意義。

隨著國家海洋探測研究的深入和我國綜合科技實力的提升，海洋調(diào)查設(shè)備國產(chǎn)化需求與日俱增。目前，中國科學(xué)院海洋研究所自行研制了一套Lister型熱流探針HFP-6000，該設(shè)備長約6.78 m，重約660 kg，屬于大型船載設(shè)備。為了檢驗該套熱流探針的技術(shù)性能，在中國科學(xué)院海洋科技先導(dǎo)專項2019年南海冷泉航次期間，利用“科學(xué)”號考察船對該設(shè)備進行海上應(yīng)用試驗。在全面總結(jié)和積累海上原位熱流測量成功經(jīng)驗的同時，豐富和補充我國熱流測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

1 國內(nèi)熱流測量現(xiàn)狀

為了得到海底熱流值，通常需要分別測量海底沉積物的熱導(dǎo)率和溫度梯度。目前，海底熱流值主要通過以下3種方法獲得：一是大洋鉆探計劃(Ocean Drilling Program，ODP)或者深海鉆探計劃(Deep Sea Drilling Program，DSDP)的鉆孔熱流測量[2-3]；二是石油鉆井熱流測量[1,4-5]；三是使用熱流探針測量海底沉積物的熱流[6-8]。其中，使用探針式熱流計直接測量海底熱流是目前最先進的熱流數(shù)據(jù)獲取手段。1950年，由Bullard、Revelle和Maxwell設(shè)計的Bullard型熱流計在太平洋成功地進行了首次海底熱流測量[9-10]。由于技術(shù)的原因，當時熱流值測量時分兩步完成：第一步測量海底沉積物的地溫梯度，第二步根據(jù)同一位置的重力取樣，取得樣品在實驗室里測得沉積物熱導(dǎo)率。從20世紀中期以來，在Bullard型的基礎(chǔ)上，先后出現(xiàn)了Ewing型和Lister型[11-12]熱流計。目前使用的探針式熱流計大多是在這3種類型的基礎(chǔ)上設(shè)計的。

雖然海底熱流測量對海洋地質(zhì)科學(xué)研究意義重大，但長期以來，受熱流探測設(shè)備的限制，國內(nèi)開展海底熱流測量工作相對落后。海底熱流原位測量國產(chǎn)設(shè)備匱乏，主要依賴進口設(shè)備，使用成本高、維護難，這種情況對我國海洋地熱研究的開展非常不利。中國科學(xué)院海洋研究所作為國內(nèi)較早開展熱流測量的單位，近年來購置相關(guān)熱流探測設(shè)備陸續(xù)開展了一些熱流測量工作，獲取了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]。此外，由于擁有海底熱流探測儀器(Ewing型MTL)[1]，中國海洋大學(xué)、自然資源部第一海洋研究所和廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局等少數(shù)海洋研究機構(gòu)，也相繼開展了一定量的熱流測量工作，且熱流探測主要集中在東海的沖繩海槽和我國南海，深水區(qū)(>1 500 m)開展的熱流站位相對較少。隨著國家科技實力的提升，我國海洋熱流探測中“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)問題得以解決，HFP-6000熱流探針的成功研制極大地提升了大型海洋調(diào)查設(shè)備國產(chǎn)化率，為海洋科學(xué)研究提供有力的技術(shù)支撐。

2 HFP-6000熱流探針工作原理

HFP-6000熱流探針由中國科學(xué)院海洋研究所自行設(shè)計完成，屬于Lister型熱流探針(圖1)，該探針結(jié)構(gòu)為經(jīng)典弓形設(shè)計，主體自重660 kg，總長6.78 m，設(shè)計配重最多1 000 kg。探針主體由溫度傳感器列陣、數(shù)據(jù)采集單元和探針支架3部分組成。其中，溫度傳感器為長5 m、直徑14 mm的特殊材料制成，內(nèi)部以約0.25 m的等間距分布20個熱敏溫度傳感器，可以在6 000 m水深的海底，原位測量海底沉積物中深達5 m的熱流值。探針測溫范圍為-2-60℃，測量絕對精度為±0.001℃，采樣頻率為1 Hz，加熱功率為0-496 W，存儲容量為64 M(可擴展)，具有數(shù)據(jù)在線實時采集和自容式采集兩種模式可選。

圖1 HFP-6000熱流探針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of HFP-6000 heat flow probe

根據(jù)熱流值計算原理[10]，海底熱流值是海底沉積物的溫度梯度和沉積物熱導(dǎo)率的乘積。深海底層水的溫度不隨季節(jié)變化，表層沉積物溫度基本穩(wěn)定，所以在洋底測定熱流值，探針插入海底沉積物數(shù)米即可，而且海底沉積物的熱傳導(dǎo)率(k)可以看成是各向同性的[11]。在熱流測量時，熱流探針插入沉積物后需要穩(wěn)定7-10 min，以檢測探針傾角、插入速度等條件是否滿足測量要求，期間溫度傳感器等距(25 cm)測量沉積物的溫度以便計算原位地溫梯度。當測量條件滿足后，供電單元激發(fā)一個高能量熱脈沖，通過探針傳感器陣列內(nèi)的電熱絲給沉積物瞬間加熱，最后測量沉積物加熱后溫度降低過程中的溫度變化值來得到沉積物原位熱導(dǎo)率，整個數(shù)據(jù)采集過程需要約30 min，采集數(shù)據(jù)以二進制格式記錄在存儲單元中。“科學(xué)”號考察船具備的高精度動力定位系統(tǒng)為本次試驗的準確測量提供了保障。

3 海上應(yīng)用測試

海上試驗站位選在南海瓊東南盆地北部陸坡區(qū)域，水深為100—1 300 m，熱流站位從盆地北部邊緣到盆地中心展布(圖2)。該區(qū)域地質(zhì)背景是一個大型的、發(fā)育于前古近系基底之上的新生代裂谷型大陸邊緣盆地，其形成與中生代以來歐亞板塊、印支板塊和太平洋板塊共同作用下南中國海的形成過程密切相關(guān)，沉積地層較厚，海底構(gòu)造活動強烈，熱流分布異常明顯，能較好地觀測熱流場值的變化，有利于檢驗HFP-6000探針的各項性能，獲取的試驗數(shù)據(jù)有助于分析南海被動大陸邊緣海底熱流異常。為了試驗不同深度和底質(zhì)的測量效果，本次測試預(yù)布設(shè)7個熱流站位，但是受實際作業(yè)海況的影響，共下放5次設(shè)備，只采集了3個站位的有效數(shù)據(jù)。

設(shè)計站位Number經(jīng)度Longitude (E)緯度Latitude (N)水深Depth (m)HF1109° 42' 32.89″ 17° 35' 11.23″-132HF2109° 51' 16.70″17° 17' 50.91″-331HF3110° 01' 47.53″16° 54' 22.10″-1 011HF4110° 13' 26.65″16° 30' 34.19″-1 255HF5110° 16' 34.63″16° 17' 14.87″-1 281HF6110° 01' 34.69″16° 27'07.21″-1 108HF7110° 29' 52.05″16° 33' 12.75″-1 283

3.1 采集參數(shù)設(shè)置

HFP-6000熱流探針在后甲板進行固件連接好后，根據(jù)自行設(shè)計的熱流探針數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)置工作參數(shù)(圖3)，主要有開始時間、結(jié)束時間、采樣間隔等參數(shù)，并實時監(jiān)控探針傾斜角度、加速度和穩(wěn)定時間(穩(wěn)定時間一般7-10 min)、數(shù)據(jù)采集量等一系列參數(shù)，當系統(tǒng)參數(shù)都滿足設(shè)置值時，探針開始加熱，加熱時長約20 s。探針可進行同一站位的多次測量，當完成一個站位的測量后，可回收探針或是移至下一站位開始新的測量。

圖3 HFP-6000熱流探針數(shù)據(jù)采集主界面Fig.3 Main interface of HFP-6000 heat flow probe data acquisition

3.2 探針布放與回收

本次應(yīng)用搭載“科學(xué)”號考察船進行定點作業(yè)，船載高精度動力定位系統(tǒng)、同軸鎧裝纜和萬米絞車為試驗提供有力的支撐，為使作業(yè)順利進行，本次使用后甲板立式收放平臺布放回收系統(tǒng)(圖4)。試驗作業(yè)主要由以下6個步驟完成: (1) 安裝連接熱流探針數(shù)據(jù)采集單元和固件結(jié)構(gòu)，設(shè)置激活設(shè)備；(2)根據(jù)淺剖判斷沉積物厚度，適當調(diào)整站位，然后停船，開動力定位，設(shè)備下放；(3)入水后以放纜速度1 m/s下放，離海底約100 m處停止下放，懸停10 min左右，根據(jù)同溫層測得的水溫對溫度傳感器進行標定，以校正因溫度漂移引起的誤差(Offset)，同時讓探針保持垂直靜止姿態(tài)；(4)此后高速下放(如1.2 m/s)并插入沉積物中，記錄插入時間和位置坐標，探針插入時因與沉積物間摩擦生熱，溫度記錄顯示有突然升高現(xiàn)象；(5)注意鋼纜張力變化，插入沉積物后可多放100—200 m鋼纜，需保持探針不受擾動，達到設(shè)定的穩(wěn)定時間后(一般為7—15 min)，探針開始加熱，約30 min完成熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集；(6)以緩慢的速度(如0.3 m/s)拔出探針，注意絞車的張力增大，大約20 s后，探針完全離開沉積物，然后以1 m/s的速度提升至甲板。

圖4 HFP-6000熱流探針試驗現(xiàn)場Fig.4 Working scene of HFP-6000 heat flow probe

4 試驗數(shù)據(jù)處理

熱流探針采集數(shù)據(jù)的后處理主要基于2個熱衰減過程[11]，如圖5所示，第一個過程為摩擦生熱衰減，當探針插入無擾動的沉積物時，因探針與沉積物摩擦生熱導(dǎo)致探針溫度升高，然后衰減達到平衡，此過程記錄溫度數(shù)據(jù)用于計算沉積物溫度梯度；第二個過程為加熱熱脈沖衰減，記錄探針被加熱到撥出時間段的溫度，用于計算沉積物熱導(dǎo)率。同一站位的沉積物溫度梯度和熱導(dǎo)率的乘積得到熱流值，計算過程借助于數(shù)據(jù)分析軟件Matlab 10.0 模塊實現(xiàn)，以HF3站位為例。

圖5 熱流計算中熱衰減實測圖Fig.5 Measured chart of thermal attenuation in the calculation of heat flow

4.1 計算方法

計算過程基于無限長圓柱體對于瞬時加熱的溫度響應(yīng)原理[10-12]。假定探針是一個半徑為a的無限長圓柱同質(zhì)材料，周圍沉積物的熱導(dǎo)率、熱擴散率、密度和比熱容分別為k，κ，ρ和c，當時間t=0時刻，圓柱體的溫度為T0，沉積物溫度為Ta，那么在任意時刻t圓柱體本身的溫度衰減曲線可表示為

T(τ)=T0-Ta[Fα,τ+Ta]。

(1)

進一步，

(2)

φ(u,α)=(uJ0(u)-αJ1(u))2+(uY0(u)-

αY1(u))2，

(3)

這里，τ= (κ/a2)t；α=2(ρc)s/(ρc)c為沉積物與圓柱體熱容量之比的2倍，s為圓柱體熱容量；J0、J1、Y0和Y1分別為零階、一階貝塞爾(Bessel)函數(shù)和諾伊曼(Neumann)函數(shù)。

故而，t=0時刻的溫度差ΔT表示為

(4)

式中，Q為施加在圓柱體單位長度上的熱量。當τ>10時，公式(1)可近似為

(5)

根據(jù)上述公式，利用2個熱衰減過程記錄的溫度，可計算出沉積物平均溫度梯度和平均熱導(dǎo)率，以及熱流值。

4.2 計算結(jié)果

計算出的熱流值及其相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果表明(表1)，南海瓊東南盆地平均地溫梯度為0.089 K·m-1，平均熱導(dǎo)率為1.014 W·m-1·K-1，平均熱流值為90.38 mW·m-2。其中，HF4站位由于熱流探針加熱模式未能正常啟動，沒有測出熱導(dǎo)率，只獲得了地溫梯度；HF5站位由于沉積物較薄，探針插入深度不夠而傾倒未能獲得有效數(shù)據(jù)。

表1 海試區(qū)熱流測量結(jié)果Table 1 Results of heat flow measurement in the sea trial area

5 結(jié)語

自主研制的HFP-6000熱流探針性能穩(wěn)定，熱流值計算誤差小，其結(jié)果具有真實可靠、精度高的特點，測量絕對精度為±0.001℃。通過本次試驗應(yīng)用對自主研制的熱流探針工作性能有了全面的掌握，熟悉了海上操作流程和數(shù)據(jù)處理計算過程，為進一步優(yōu)化HFP-6000熱流探針結(jié)構(gòu)和性能提供寶貴試驗資料，為開展高精度熱流測量奠定基礎(chǔ)。該設(shè)備不僅可以進行單點自容式熱流原位測量，還可以使用同軸電纜實現(xiàn)實時在線數(shù)據(jù)傳輸，完成連續(xù)的高密度斷面熱流原位測量，這對于目前正在廣泛開展的海底天然氣水合物等資源的調(diào)查具有十分重要的意義。本次試驗獲取的南海大陸邊緣的原始熱流數(shù)據(jù)，豐富和補充了我國熱流測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，對基礎(chǔ)地質(zhì)科學(xué)研究提供原位探測技術(shù)支撐。

但是，該探針型大體重，屬于大型儀器設(shè)備，操作和搬運較為費時費力，作業(yè)效率較低，對科考船也有較高的要求，需具備一定的作業(yè)條件。國產(chǎn)熱流探針設(shè)備的小型化和集成化、智能化的優(yōu)化改進將是下一步研究方向。