海底沉積物地溫梯度測量系統設計

彭 登，徐 行，羅賢虎

（廣州海洋地質調查局 廣東 廣州 510760）

地熱學作為地球物理學科的一個重要分支，是一門基礎性和應用性都很強的學科，而大地熱流測量是為了了解地球熱狀態最基礎的數據，因此也是地熱學研究中關鍵的環節之一。海底熱流主要數據來源于鉆孔測溫數據（包括石油和大洋鉆探鉆孔）和海底熱流探針測量。近幾十年的研究表明，海底熱流和海底淺層鉆孔溫度數據對地球動力學、油氣、水合物資源預測評價、海底淺層水熱活動、古環境氣候等方面研究都是非常重要的基礎數據[1]。

隨著石油和天然氣水合物調查的開展，目前出現利用天然氣水合物勘探中揭示的似海底反射面（BSR）來推導海底熱流。但是，天然氣水合物的穩定帶受海底溫度、沉積層地溫梯度、壓力、沉積物氣體成分和流體鹽度等影響，因此，BSR熱流數據存在不確定性。并且由于石油鉆孔主要位于淺水區，如南海石油鉆孔主要位于水深不超過200 m的大陸架上，大洋鉆探鉆孔雖然處于深水區域，但是數量很少，因此利用海底熱流探針來獲得地溫梯度值顯得尤為重要，并且測量的地溫梯度值結合地震勘探得到的速度資料換算成沉積物的熱導率值，可以提高評估的準確性[2]，因此，研究海底沉積物地溫梯度測量系統具有很重要的意義。

1 系統工作原理

海底熱流測量，是記錄來自地球內部的熱能。熱流是由溫差引起的能量傳遞，其傳遞方式分為熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式。根據傅立葉定理，海底熱流密度等于表層沉積物的地溫梯度與相應熱導率的乘積。海底沉積物熱流以熱傳導為主，在一維穩態純傳導的條件下，熱流密度q可以用下式描述：

熱流密度q的單位是mW/m2，熱導率k是一個表征沉積物導熱能力快慢的物理量，它與沉積物的組成類別及水含量有關系，它的單位是Wm-1K-1，海底地溫梯度表示地球等溫面法線方向上溫度變化程度及變化方向，它的單位是℃km-1。因此，只要知道深度間距d Z和它們之間的溫差d T即可求出海底地溫梯度值[3]，熱導率值在論文“南海北部海底地熱測量的數據處理方法”、“室內海底沉積物熱導率測量的原理與方法—以TK04熱導率測量系統為例”已做研究，本文將重點研究海底地溫梯度的測量。

2 海底沉積物地溫梯度測量系統整體設計

2.1 硬件電路設計

海底沉積物地溫梯度測量系統由溫度采集模塊、姿態判斷模塊、主控電路模塊、上位機處理模塊四部分組成，是一個集高準確度的溫度測量電路、姿態測量監控電路、數據存儲和傳輸于一體的電子單元。其選用16位高性能、多通道、低能耗的MSP430F123芯片作為主處理器，高精度的NTC型熱敏電阻YSI55032為傳感器，通過直流不平衡電橋的測量方式，來檢測熱敏電阻隨溫度變化的電阻值，然后通過前置放大電路上，使用多路開關、信號放大濾波技術進行信號調理；最后通過24位高分辨率A/D轉換器將阻值溫度信息轉化為數字量信息并記錄到系統的FLASH存儲單元[4]。

系統內部的時鐘模塊電路，具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片，可以為系統提供萬年歷和時分秒定時等功能。采用USB接口技術，PC機可通過密封電子艙的水密插頭，對測量系統工作參數的設置和數據傳輸。海底沉積物地溫梯度測量系統框圖如圖1所示。

圖1 海底沉積物地溫梯度測量系統框圖Fig.1 Structure diagram of marine sediment geothermal gradient measurement system

2.2 算法處理

海底沉積物地溫梯度測量系統在采集溫度數據的過程中存在不同的干擾信號，雖然系統在硬件方面采用使用多路開關、信號放大濾波技術進行信號調理，但是還必須使用數字濾波技術對采集到的電阻數據進行處理。

上位機軟件部分采用的是圖形化LabVIEW虛擬儀器平臺，利用FIR濾波器對高頻帶干擾信號進行濾波，直接使用labview自帶的Parks-McClellan濾波器函數和Convolution函數，Parks-McClellan濾波器函數將加權后的紋波均勻分配到通帶和阻帶中去，并且頻率響應擁有陡峭的過渡帶，Convolution函數則是將輸出系數與信號進行卷積計算。

此系統共有3次驗證電阻或溫度是否超出適宜范圍，這是因為測量的電阻和溫度都是在一定范圍內的，如果超出這一范圍，熱敏電阻的精度將無法保證，測量也就失去了意義。在進行電阻數據采集的時候，由于電磁干擾或零點漂移會引起電壓的上下浮動，從而采集的溫度值不斷跳動，這將導致測量數據精度的下降，所以此課題采用了在0.5 s時間內采集1 000個電阻值，然后求其算術平均值，將其平均值作為采樣結果，代入后續計算。這樣就可以有效的抑制溫度值的跳動，同時測量結果的精度也得到了更好的保證。

論文“南海北部海底地熱測量的數據處理方法”中提到利用Bullard方法外推獲得平衡溫度。Bullard把探針理想化為半徑為r并具純傳導型的無限長柱體，并給出初始溫度為T0的探針在平衡溫度為Ta的沉積物中的熱衰減公式，理論溫度與實測溫度的擬合可獲得平衡溫度。當記錄時間足夠長時，溫度 T（t）（單位℃）與時間 t（單位 s）的倒數為線性關系：

其中:k為斜率；t為從有效插入時刻開始計時的時間。依據這一關系，Pfender和Villinger[6]建議利用拔出前100 s的溫度數據進行T（t）-1/t線性回歸，t為無窮大時對應的溫度即為所求的平衡溫度。

對于海底地溫梯度測量系統，采用STEINHART&HART方程來進行R-T轉換，即：

式中T為溫度讀數，單位為K，R為熱敏電阻阻值，單位為 Ω，a、b、c為系數，分別用 3個 T 和 R，采用公式（3）求出系數a、b和c，然后再用這些系數算出其他的溫度數據。由于STEINHART&HART方程系數由實驗室環境校準數據擬合而來，故海底沉積物地溫梯度測量系統在海洋全浸環境下其測試條件已經發生變化，需要對其進行零點漂移和溫度漂移的修正[6]。

1）零點漂移修正

式中ΔT零點為FY-1型測溫儀探針零點的修正值，TCTD為CTD的溫度，T飛魚為FY-1型測溫儀探針的溫度。采用下式對FY-1型測溫儀探針進行逐點修正：

2）溫度漂移修正

對上述溫漂修正公式進行線性回歸，求解其系數α和β。

3）和溫漂聯合修正公式

3 實驗結果和數據分析

海底沉積物地溫梯度測量系統與廣州海洋地質調查局引進的MTL地溫梯度測量設備工作方法類似，都是在甲板儀器房先對海底地溫梯度測量系統進行設定，主要包括GPS時間的寫入、采樣時間和采樣參數的設定等，并且野外收放的操作規程也一樣。需要注意的是：1）海底地溫梯度測量系統在離海底在距海底約50 m時，設備停留約3 min，用來校正或穩定各MTL之間的測量溫度，并確保設備垂直狀態插入到沉積物中；2）在設備觸底和離地的時候進行piger的監控[8]。

本系統于2012年7月在南海某個地熱流測量站位進行水下實驗，時間－溫度曲線如圖2所示，橫坐標為采樣點數，縱坐標為溫度，單位為℃。

圖2 某個地熱流測量站位時間－溫度曲線Fig.2 Time-temperature curve of one heat flow measurement positioning

整個測試過程如下：在設備下放階段，溫度隨設備下放而下降；在穩定時段，設備停止下放，這時溫度也趨于穩定；隨后設備下放，設備測量的溫度也下降，直到探針插入到沉積物中，在摩擦力于沉積物本身溫度的雙重作用下，溫度快速上升，直到摩擦熱漸漸減小，海底地溫梯度測量系統感應沉積物的溫度因而也趨于穩定；在設備從沉積物中起拔時，海底地溫梯度測量系統感應到摩擦熱而溫度上升，而由于海底水溫更低，故海底地溫梯度測量系統溫度快速下降，而后隨設備的上升溫度隨之上升，直到海底地溫梯度測量系統停止工作。一元線性回歸曲線如圖3所示，圖中，＊為測量數據，－為測量數據的一元線性回歸曲線，橫坐標為深度，單位為m，縱坐標為溫度，單位為℃。

圖3 某個地熱流測量站位測量數據一元線性回歸分析結果Fig.3 Measurement data one-dimensional linear regression analysis results of one heat flow measurement positioning

通過測量數據一元線性回歸分析，R2=0.996，回歸方程對樣本數據的擬合程度很好。

4 結束語

通過多次測試數據分析，海底沉積物地溫梯度測量系統的分辨率可達1 mK，精度可達±3 mK（0~25℃），表明海底沉積物地溫梯度測量系統精度和可靠性都很高；對地熱流測量的數據進行一元線性回歸分析，擬合程度都很好，表明這種集成方式的海底熱流調查系統取得的調查數據穩定可靠，一致性好；并且該系統具有可靠性高、功耗小、體積小、操作方便等特點，具有很高的實用價值，可用于需要精密測溫的系統中，也可以為石油和天然氣水合物勘探提供寶貴的熱流原始資料。

[1]徐行，陸敬安，羅賢虎，等.南海北部海底熱流測量及分析[J].地球物理學進展，2005，20（2）:562-565.XU Xing，LU Jing-an，LUO Xian-hu，et al.The marine heat flow survey and the result discussion in the northern part of South China Sea[J].Progress In Geophysics，2005，20 （2）:562-565.

[2]張毅，何麗娟，徐行，等.南海北部神狐海域甲烷水合物BHSZ與BSR的比較研究， 地球物理學進展，2009，24（1）:183-194.ZHANG Yi，HE Li-juan，XU Xing，et al.The disagreement between BSRs and the base of methane hydrate stability zones in the Shenhu Area north of the South China Sea[J].Progress In Geophysics，2009，24（1）:183-194.

[3]徐行，羅賢虎，肖波.海洋地熱流測量技術及其方法研究[J].海洋技術，2005，24（1）:77-81.XU Xing，LUO Xian-hu，XIAO Bo.Research on the methods&technique of marine heat flow measurement[J].Ocean Technology，2005，24（1）:77-81.

[4]張彭朋，何娜.基于MSP430和CC2500的USB無線數據采集系統[J].電子設計工程，2010，18（2）:12-14.ZHANG Peng-peng，HE Na.USB interfaces wireless data acquisition system based on MSP430 and CC2500[J].Electronic Design Engineering，2010，18（2）:12-14.

[5]徐行，施小斌，羅賢虎，等.南海北部海底地熱測量的數據處理方法[J].現代地質，2006，20（3）:457-464.XU Xing，SHI Xiao-bin，LUO Xian-hu，et al.Data processing methods of marine geothermal measurement on the northern margin of the south China sea[J].Geoscience，2006，20（3）:457-464.

[6]高厚秀，李波，吳來杰，等.Agilent34401A在沉積物熱導率測量儀中的應用[J].儀表技術與傳感器，2010（1）:18-19.GAO Hou-xiu，LI Bo，WU Lai-jie，et al.Application of agilent 34401A in sediment thermal conductivity measuring instrument[J].Instrument Technique and Sensor，2010 （1）:18-19.