海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 登，徐 行，羅賢虎

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州 510760）

地?zé)釋W(xué)作為地球物理學(xué)科的一個(gè)重要分支，是一門基礎(chǔ)性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的學(xué)科，而大地?zé)崃鳒y量是為了了解地球熱狀態(tài)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，因此也是地?zé)釋W(xué)研究中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。海底熱流主要數(shù)據(jù)來源于鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)（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(shù)據(jù)對地球動力學(xué)、油氣、水合物資源預(yù)測評價(jià)、海底淺層水熱活動、古環(huán)境氣候等方面研究都是非常重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

隨著石油和天然氣水合物調(diào)查的開展，目前出現(xiàn)利用天然氣水合物勘探中揭示的似海底反射面（BSR）來推導(dǎo)海底熱流。但是，天然氣水合物的穩(wěn)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(shù)據(jù)存在不確定性。并且由于石油鉆孔主要位于淺水區(qū)，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(qū)域，但是數(shù)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(jié)合地震勘探得到的速度資料換算成沉積物的熱導(dǎo)率值，可以提高評估的準(zhǔn)確性[2]，因此，研究海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)具有很重要的意義。

1 系統(tǒng)工作原理

海底熱流測量，是記錄來自地球內(nèi)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(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式。根據(jù)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(yīng)熱導(dǎo)率的乘積。海底沉積物熱流以熱傳導(dǎo)為主，在一維穩(wěn)態(tài)純傳導(dǎo)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(dǎo)率k是一個(gè)表征沉積物導(dǎo)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(guān)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(dǎo)率值在論文“南海北部海底地?zé)釡y量的數(shù)據(jù)處理方法”、“室內(nèi)海底沉積物熱導(dǎo)率測量的原理與方法—以TK04熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)為例”已做研究，本文將重點(diǎn)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(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)由溫度采集模塊、姿態(tài)判斷模塊、主控電路模塊、上位機(jī)處理模塊四部分組成，是一個(gè)集高準(zhǔn)確度的溫度測量電路、姿態(tài)測量監(jiān)控電路、數(shù)據(jù)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(guān)、信號放大濾波技術(shù)進(jìn)行信號調(diào)理；最后通過24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器將阻值溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信息并記錄到系統(tǒng)的FLASH存儲單元[4]。

系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)鐘模塊電路，具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片，可以為系統(tǒng)提供萬年歷和時(shí)分秒定時(shí)等功能。采用USB接口技術(shù)，PC機(jī)可通過密封電子艙的水密插頭，對測量系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸。海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)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(tǒng)在采集溫度數(shù)據(jù)的過程中存在不同的干擾信號，雖然系統(tǒng)在硬件方面采用使用多路開關(guān)、信號放大濾波技術(shù)進(jìn)行信號調(diào)理，但是還必須使用數(shù)字濾波技術(shù)對采集到的電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

上位機(jī)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(jìn)行濾波，直接使用labview自帶的Parks-McClellan濾波器函數(shù)和Convolution函數(shù)，Parks-McClellan濾波器函數(shù)將加權(quán)后的紋波均勻分配到通帶和阻帶中去，并且頻率響應(yīng)擁有陡峭的過渡帶，Convolution函數(shù)則是將輸出系數(shù)與信號進(jìn)行卷積計(jì)算。

此系統(tǒng)共有3次驗(yàn)證電阻或溫度是否超出適宜范圍，這是因?yàn)闇y量的電阻和溫度都是在一定范圍內(nèi)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(jìn)行電阻數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，由于電磁干擾或零點(diǎn)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(dǎo)致測量數(shù)據(jù)精度的下降，所以此課題采用了在0.5 s時(shí)間內(nèi)采集1 000個(gè)電阻值，然后求其算術(shù)平均值，將其平均值作為采樣結(jié)果，代入后續(xù)計(jì)算。這樣就可以有效的抑制溫度值的跳動，同時(shí)測量結(jié)果的精度也得到了更好的保證。

論文“南海北部海底地?zé)釡y量的數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shí)測溫度的擬合可獲得平衡溫度。當(dāng)記錄時(shí)間足夠長時(shí)，溫度 T（t）（單位℃）與時(shí)間 t（單位 s）的倒數(shù)為線性關(guān)系：

其中:k為斜率；t為從有效插入時(shí)刻開始計(jì)時(shí)的時(shí)間。依據(jù)這一關(guān)系，Pfender和Villinger[6]建議利用拔出前100 s的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行T（t）-1/t線性回歸，t為無窮大時(shí)對應(yīng)的溫度即為所求的平衡溫度。

對于海底地溫梯度測量系統(tǒng)，采用STEINHART&HART方程來進(jìn)行R-T轉(zhuǎn)換，即：

式中T為溫度讀數(shù)，單位為K，R為熱敏電阻阻值，單位為 Ω，a、b、c為系數(shù)，分別用 3個(gè) T 和 R，采用公式（3）求出系數(shù)a、b和c，然后再用這些系數(shù)算出其他的溫度數(shù)據(jù)。由于STEINHART&HART方程系數(shù)由實(shí)驗(yàn)室環(huán)境校準(zhǔn)數(shù)據(jù)擬合而來，故海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)在海洋全浸環(huán)境下其測試條件已經(jīng)發(fā)生變化，需要對其進(jìn)行零點(diǎn)漂移和溫度漂移的修正[6]。

1）零點(diǎn)漂移修正

式中ΔT零點(diǎn)為FY-1型測溫儀探針零點(diǎn)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(jìn)行逐點(diǎn)修正：

2）溫度漂移修正

對上述溫漂修正公式進(jìn)行線性回歸，求解其系數(shù)α和β。

3）和溫漂聯(lián)合修正公式

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)與廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局引進(jìn)的MTL地溫梯度測量設(shè)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(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，主要包括GPS時(shí)間的寫入、采樣時(shí)間和采樣參數(shù)的設(shè)定等，并且野外收放的操作規(guī)程也一樣。需要注意的是：1）海底地溫梯度測量系統(tǒng)在離海底在距海底約50 m時(shí)，設(shè)備停留約3 min，用來校正或穩(wěn)定各MTL之間的測量溫度，并確保設(shè)備垂直狀態(tài)插入到沉積物中；2）在設(shè)備觸底和離地的時(shí)候進(jìn)行piger的監(jiān)控[8]。

本系統(tǒng)于2012年7月在南海某個(gè)地?zé)崃鳒y量站位進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)，時(shí)間－溫度曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為溫度，單位為℃。

圖2 某個(gè)地?zé)崃鳒y量站位時(shí)間－溫度曲線Fig.2 Time-temperature curve of one heat flow measurement positioning

整個(gè)測試過程如下：在設(shè)備下放階段，溫度隨設(shè)備下放而下降；在穩(wěn)定時(shí)段，設(shè)備停止下放，這時(shí)溫度也趨于穩(wěn)定；隨后設(shè)備下放，設(shè)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(tǒng)感應(yīng)沉積物的溫度因而也趨于穩(wěn)定；在設(shè)備從沉積物中起拔時(shí)，海底地溫梯度測量系統(tǒng)感應(yīng)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(tǒng)溫度快速下降，而后隨設(shè)備的上升溫度隨之上升，直到海底地溫梯度測量系統(tǒng)停止工作。一元線性回歸曲線如圖3所示，圖中，＊為測量數(shù)據(jù)，－為測量數(shù)據(jù)的一元線性回歸曲線，橫坐標(biāo)為深度，單位為m，縱坐標(biāo)為溫度，單位為℃。

圖3 某個(gè)地?zé)崃鳒y量站位測量數(shù)據(jù)一元線性回歸分析結(jié)果Fig.3 Measurement data one-dimensional linear regression analysis results of one heat flow measurement positioning

通過測量數(shù)據(jù)一元線性回歸分析，R2=0.996，回歸方程對樣本數(shù)據(jù)的擬合程度很好。

4 結(jié)束語

通過多次測試數(shù)據(jù)分析，海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)的分辨率可達(dá)1 mK，精度可達(dá)±3 mK（0~25℃），表明海底沉積物地溫梯度測量系統(tǒng)精度和可靠性都很高；對地?zé)崃鳒y量的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diào)查系統(tǒng)取得的調(diào)查數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，一致性好；并且該系統(tǒng)具有可靠性高、功耗小、體積小、操作方便等特點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值，可用于需要精密測溫的系統(tǒng)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。

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