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⒈測量原理

⒉技術(shù)發(fā)展

最早的Bullard型熱流探針實際上是一個溫度梯度計，于1949年由Bullar等在美國斯克利普斯（Scripps）海洋研究研發(fā)成功。Bullard型熱流探針只是對海底沉積物的溫度梯度進行原位測量，沉積物的熱導系數(shù)通過采取沉積物樣品回實驗室測定。
為了獲取準確的熱流測量值，通常需要溫度梯度測量和沉積物取樣在同一地點同步進行。因此，很多研究機構(gòu)從不同方面對Bullard 型熱流探針進行了技術(shù)改進]。例如，為了保證熱導系數(shù)和溫度梯度在同一站位獲得，使計算出的熱流值能更準確地反映測點的熱狀態(tài)，哥倫比亞大學拉蒙特研究所的Ewing等于1957年設(shè)計完成了第一個Ewing型熱流探針，將探針和記錄系統(tǒng)固定在活塞取樣器上。這樣可以在進行溫度梯度測量的同時，采集海底沉積物樣品，回到船上的實驗室進行樣品的熱導系數(shù)測量。Ewing型熱流探針解決了溫度梯度測量和沉積物取樣的同步問題，然而并未實現(xiàn)沉積物熱導系數(shù)的原位測量。1976年，Lister基于針式探針法測量熱導率的原理，設(shè)計了一個小型的探針安裝在傳統(tǒng)熱流探針上，這樣可以在原位測量溫度梯度的同時測量沉積物的熱導系數(shù)。Lister型熱流探針是第一個可原位同時測量溫度梯度和沉積物熱導系數(shù)的熱流探針，由于其形狀酷似小提琴的琴弓所以又被稱為“琴原弓”（violin-bow）型熱流探針。1976年“奮進者”（Endeavor）號調(diào)查船在加拿大西海岸調(diào)查時首次應用了Lister型熱流探針。之后，Hyndman等在東太平洋的探索者（Explorer）海脊，Davis等在胡安·德富卡（Juan de Fuca）海脊，Davis]等在西北大西洋的Blake Bahama海脊都使用該類型探針進行了熱流測量。后來，Clark、Pfender 和Villinger等分別對其外部框架和記錄系統(tǒng)等進行了改進，使之在測量熱流的同時，可以取得水溫、下落速度、壓力以及電導率等參數(shù)。
在熱流探針原位探測技術(shù)發(fā)展過程中，其中最為關(guān)鍵的就是沉積物的熱導系數(shù)的原位測量技術(shù)。最初沉積物樣品熱導率在實驗室用穩(wěn)態(tài)熱板法(SSHP)測量。SSHP法在沉積物樣品的一端持續(xù)加熱，另一端持續(xù)制冷，當內(nèi)部溫度達到平衡狀態(tài)后，由兩端的溫度差得到溫度梯度，再根據(jù)熱量輸入和樣品面積獲得熱流，最后熱流除以溫度梯度即得熱導率。由于樣品達到平衡狀態(tài)需要較長時間，而且測量時對于樣品形狀有較高要求，因此SSHP法的工作效率很低，并不適合用于熱導率的原位測量。
實現(xiàn)熱導率原位測量，最先采用的是CHLS法（constantly-heated line-source method）。CHLS法又稱針式探針（needle probe）法，基于持續(xù)供熱條件下的線狀體熱傳導原理，測量時用細長針狀不銹鋼探針，內(nèi)部有加熱線圈和熱敏元件，把探針插入到沉積物中，對探針持續(xù)加熱，同時記錄探針溫變化（見式（2））。
T＝(Q/4πk)×lnt＋C      ⑵
CHLS法較穩(wěn)態(tài)方法效率有了很大提高，測量只需要幾分鐘，因此有學者建議用于原位熱導率測量]。但是式⑵成立的前提是探針為無限長線狀體，而實際上探針長度有限，因此加熱一段時間后式⑵不再成立。另外，海底沉積物含大量水分，在持續(xù)加熱時溫度逐漸升高，這時探針周圍沉積物中的孔隙水發(fā)生對流，使得由熱傳導方程推導出的式⑵不再適用。此外，CHLS法持續(xù)供熱需要大量的電能，這也限制了其在原位測量中的應用。
Lister型熱流探針采用了基于無限長圓柱體對于瞬時加熱的溫度響應原理的PLS法，PLS法測量時間短、能耗低，適合海洋原位沉積物熱導率得原位測量探測]。
目前進行海底熱流測量使用較多的是Ewing型熱流探針和Lister型熱流探針。例如我國臺灣大學和加拿大研制的Lister型熱流探針和德國Fielax公司生產(chǎn)的Ewing型熱流探針。Bullard型熱流探針只能實現(xiàn)溫度梯度原位測量，技術(shù)含量低已很少使用。Ewing 型熱流計制造簡單、成本低、數(shù)據(jù)處理簡單，但不能完成熱導率原位測量，取樣過程復雜。
Lister型熱流探針技術(shù)復雜、成本高、數(shù)據(jù)處理過程煩瑣，但真正實現(xiàn)了熱流原位測量。表1列舉了3種探針的相關(guān)性能。
表1 熱流探針性能比較

⒊熱流探針技術(shù)存在的問題

熱流探針原位測量技術(shù)實現(xiàn)了海底熱流的原位探測，到目前為止，大部分的海底熱流數(shù)據(jù)通過熱流探針獲得。但是熱流探針對于海底沉積物熱導率原位測量存在測量準確度問題、布放回收任務繁重問題、探針插入沉積物中產(chǎn)生的摩擦熱對測量結(jié)果的影響問題，以及作業(yè)船只對探針的拉彎問題（圖1）。很多學者針對以上問題進行了大量有效地改進。例如楊小秋等]試圖將用于土壤的熱屬性的雙探針熱脈沖法(DPHP)應用于海洋沉積物熱導率原位測量研究。DPHP法最大溫度出現(xiàn)得快，溫度數(shù)據(jù)的處理比較簡單，可以提高測量精度，縮短作業(yè)時間。馮志濤等研制了體型小巧、便于機載或艦載投棄式布放的自返式微型地熱探針，力圖大幅度降低海上作業(yè)強度。
 

 圖1 熱流探針工作入水及插入沉積物的過程
熱流探針存在的兩個最大問題是：⑴由于其插入式的工作原理導致熱流探針不能用于基巖等硬質(zhì)海底調(diào)查；⑵盡管有多次插底技術(shù)的采用，但是只能定點測量的特點決定了其很難滿足大面積調(diào)查的需求。

二、熱毯式海底熱流原位探測技術(shù)

⒈熱毯熱流測量原理

熱毯熱流測量技術(shù)用于測量地球內(nèi)部向海水垂直方向上的傳導熱流，在本質(zhì)上與熱流探針測量的原理相同。欲獲得熱流值Q，需知溫度梯度▽T/△Z以及傳導介質(zhì)的熱導系數(shù)k。熱毯熱流測量技術(shù)采用熱導系數(shù)k已知的非傳統(tǒng)絕熱保溫材料制成一定厚度的隔熱毯，用以模擬覆蓋在巖石洋殼上的沉積物。隔熱毯頂部和底部分別設(shè)置溫度傳感器以獲得熱毯底部和頂部的溫度梯度△T。由于熱毯厚度可知且等于△Z，這樣垂直于熱毯方向的溫度梯度便可獲得。熱流值Q可通過公式Q＝-k▽T/△Z計算得到（見圖2）。


圖2 熱毯熱流測量原理示意圖

⒉熱毯式熱流測量技術(shù)發(fā)展

⑴熱毯原型系統(tǒng)
1995年9月，華盛頓大學的Johnson和Michael Hutnak開發(fā)了熱毯原型系統(tǒng)（見圖3），并利用“阿爾文”（ALVON）號深潛器將其布放于胡安·德富卡的CoAxial段5。


  圖3 熱毯原型系統(tǒng)示意圖
該熱毯原型系統(tǒng)采用寬1m，長3m，厚5cm的開泡聚氨酯保溫板。保溫板的兩側(cè)設(shè)置兩組對稱的熱敏電阻串，每一組熱敏電阻串包括10個熱敏電阻傳感器，用來直接測量保溫板兩側(cè)的溫度。這些熱敏電阻通過熱源已知的實驗室水槽標定。熱毯頂部設(shè)置4組不成對的熱敏電阻，測量海底水溫變化。為了保證結(jié)構(gòu)上完整性，整個泡沫板采用聚氨酯防護布包裹。實驗室測試表明，聚氨酯防護布對于聚氨酯保溫板的熱導率的影響可以忽略不計。熱毯周邊設(shè)置了一圈充滿大密度、低熱導率液體的液體填充袋。液體填充袋可以很好地與海底耦合，保證最大程度地減少熱在水平方向上與海水的交換。
熱毯的材料開泡聚氨酯泡沫并不是傳統(tǒng)的絕緣材料，因此其熱導率須通過試驗確定。在一個2.4m×2.4m，深1.2m進行了嚴格隔熱處理的水槽中測定浸水聚氨酯泡沫的電導率，水槽底部設(shè)置熱流值已知的熱源。實驗表明，熱導系數(shù)與熱流值呈非線性的關(guān)系，這表明聚氨酯泡內(nèi)有小尺度的對流現(xiàn)象發(fā)生。并且在小熱流值情況下，熱導系數(shù)與非對流水的熱傳導系數(shù)0.6Wm-1℃-1非常接近。熱流值和熱毯熱導系數(shù)之間的關(guān)系可以用以下的經(jīng)驗公式描述：
K＝A×Qb               ⑶
式中：K為熱導率，m-1℃-1；Q為熱流值，Wm-2。
通過試驗，A和b最適合的實驗值分別為0.889和0.2178。

⑵熱毯熱流測量系統(tǒng)改進
在熱毯熱流測量原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，Johnson及其團隊對熱毯系統(tǒng)進行了多次技術(shù)改進，并堅持將其應用于海底熱流探測實踐。這些改進包括：為了使熱毯更適合機器人布放進行的物理形狀及尺寸的更新設(shè)計；為了提高測量的準確度進行的結(jié)構(gòu)、記錄系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的改進；為了提高分辨率進行的傳感器的改進等。
首先，為了便于用水下機器人布放（圖4～圖5），將原型系統(tǒng)由原來1m×3m的長方形改為直徑為0.5m×0.5m的正方形，之后根據(jù)實際應情況又將熱毯設(shè)計為更便于布放的圓形，熱毯的直徑也設(shè)計為1m，0.8m，0.5m三種不同的規(guī)格。其次，為了提高測量的準確度，在聚氨酯泡沫的材料選擇上采用單位面積開泡數(shù)量多的泡沫板（85個/inch2），以最大限度地減少泡內(nèi)海水對流現(xiàn)象的發(fā)生，從而保證熱毯底部到頂部的熱傳遞方式為熱傳導，提高了熱流測量的準確性。熱毯測量的實際上是垂直方向的傳導熱通量，為此須防止或盡量減少水平方向上的熱傳遞發(fā)生。一個充滿CaCl2飽和溶液的橡膠胎圈作為熱毯與海底接觸的耦合圈，除了能夠保證熱毯與海底有很好的貼合，橡膠胎圈外圍周邊的聚氨酯防護布邊裙也會提高了其與海低的耦合度，隔絕了熱毯與海水在水平方向的熱交換。電子電路方面采用了16位的A/D采集系統(tǒng)，并采用了精度為依0.001K的Antares熱敏電阻溫度傳感器。

圖4  JasonⅡ于胡安·德富卡布放熱毯


圖 5  JasonⅡ于 Baby Bare 海山布放熱毯
為了更好地確定缺少沉積物覆蓋的海底區(qū)域的熱流，Jonhson改進了描述的數(shù)據(jù)處理方式。熱毯的硬件配置沒有改變，改進主要包括通過采用general有限差分建模（Finite Difference Model）修正海底水溫變化。

⒊熱毯熱流原位測量技術(shù)應用

從1995年第一個熱毯熱流測量原型系統(tǒng)的布放到目前，經(jīng)過近20 a的改進，熱毯熱流測量系統(tǒng)已經(jīng)在海底熱流原位探測實踐中得到越來越多的應用，獲取了大量有效熱流數(shù)據(jù)。Johnson及其團隊利用獲取的數(shù)據(jù)，對洋中脊、俯沖帶、海底盆地等不同地質(zhì)構(gòu)造熱狀態(tài)和熱循環(huán)機制進行了深入的討論。熱毯海底熱流觀測技術(shù)應用時間表如表2所示。
表2 熱毯海底熱流觀測技術(shù)應用

⒋熱毯熱流測量技術(shù)存在的問題

三、鉆孔熱流原位探測技術(shù)

鉆孔原位熱流探測技術(shù)的原理與熱流探針和熱毯系統(tǒng)基本一致，也是通過測量溫度梯度和傳熱介質(zhì)的熱導系數(shù)，然后利用公式求得熱流值。只是鉆井過程中溫度梯度的測量會有不同的干擾因素，其發(fā)展伴隨著不同的鉆井工具的技術(shù)改進。而其沉積物熱導系數(shù)的測量通常會有采樣在船上實驗室測得和原位測得兩種不同方式]。
在深海鉆探項目（DSDP）之前，在科學鉆探過程中就對海洋沉積物進行了現(xiàn)場溫度測量。地球物理學家們采用間隔一定距離的兩個溫度傳感器測量單個井眼的井周溫度，可以計算出井眼的溫度梯度。在DSDP計劃實施早期，Erickson 和Von Herzen開發(fā)了一種鉆孔熱流探針，用于鉆孔內(nèi)部熱流的測量，并成功應用于Glomar Challenger的多個調(diào)查航次。后來探針出現(xiàn)了機械故障，開發(fā)了沒有機械移動部分并采用了集成電路技術(shù)的Tokyo T-prob探針使得其工作更可靠。在DSDP期間和在海洋鉆探計劃（ODP）期間，開發(fā)和修改了新的工具。其中，最具創(chuàng)新性的是利用活塞取心裝置進行溫度測量。該工具允許在未受干擾的地層中，在鉆頭之前測定現(xiàn)場溫度，在許多地質(zhì)環(huán)境中用以評估海底下沉積物和裸眼井的熱條件。最初的活塞取心系統(tǒng)被稱為HPC，之后研制了先進的（APC）活塞取心裝置。與其一起運行的溫度工具被稱為APCT工具。
APCT在新項目的早期廣泛使用，后來由于丟失或損壞的原因，1991年完成第二代APCT工具開發(fā)。不同于第一代APCT在每次部署后都必須從取心筒中取出以回收數(shù)據(jù)的特點，第二代APCT不需要從取芯鞋中取出工具，數(shù)據(jù)可以直接下載。在德國科學基金會和美國國家科學基金會的支持下，于2003年開始第三代APC工具（APC-3）的開發(fā)。因為第二代工具已被證明是健壯和易于操作的，所以APC-3盡可能保留第二代工具的形式和功能。
APC-3系統(tǒng)由3部分組成：取芯硬件、電子和操作軟件。其中電子設(shè)備進行了較大改進，可以同時使用兩套電子設(shè)備來確定正確的現(xiàn)場溫度，并在一次取芯中確定溫度梯度。但是，如遇到硬質(zhì)沉積物，APCT必須中斷取芯才能測量溫度。為此，開發(fā)了戴維斯-維林格溫度探頭（DVTP）用于測量半固態(tài)沉積物的熱通量。DVTP懸掛在鉆頭下方作為井眼溫度測井工具，探頭延伸至鉆頭下方1.4m處，可以對未受干擾的沉積物進行溫度梯度測量]。APC-3與DVTP的工作和結(jié)構(gòu)示意圖參見圖6～圖7。


 圖6  APC-3工作和結(jié)構(gòu)示意圖


圖7  DVTP工作和結(jié)構(gòu)示意圖

四、海底熱流原位探測需求及技術(shù)發(fā)展趨勢

⒈海底熱流原位探測需求

⒉技術(shù)發(fā)展趨勢

五、結(jié)論