導(dǎo)語(yǔ)：深海熱流探測(cè)技術(shù)研究論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

1海底熱流探測(cè)的理論基礎(chǔ)

海底熱流探測(cè),記錄的是來(lái)自地球內(nèi)部的熱能。當(dāng)兩種不同溫度介質(zhì)接觸時(shí),分子的動(dòng)能會(huì)在兩種介質(zhì)之間傳遞,直至達(dá)到熱平衡。熱流表示由溫差引起的能量傳遞。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,地?zé)崃鱭可以用下式描述[1]:

海底地溫梯度是一個(gè)向量,表示地球等溫面法線方向上溫度變化程度及變化方向,因此只要知道深度間距dZ和它們之間的溫差dT即可。

熱導(dǎo)率κ是一個(gè)表征沉積物導(dǎo)熱能力快慢的物理量,沉積物的組成類(lèi)別及水含量不同熱導(dǎo)率κ也不同。熱導(dǎo)率測(cè)量的理論基礎(chǔ)是從瞬間熱脈沖由無(wú)限長(zhǎng)圓拄形金屬探針進(jìn)入無(wú)限大介質(zhì)的傳導(dǎo)理論上發(fā)展起來(lái)的(Blackwell等,1954;Hyndman等,1979),該理論認(rèn)為[2,3]當(dāng)探針溫度、沉積物溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡時(shí),熱脈沖使探針溫度升高,高于環(huán)境溫度,在熱脈沖過(guò)后的一定時(shí)間內(nèi),地?zé)崽结槂?nèi)的熱敏電阻的溫度T(t)由下式給出:

2海底熱流原位探測(cè)技術(shù)

2.1海底溫度梯度原位測(cè)量

海底沉積物的溫度梯度測(cè)量自20世紀(jì)50年代至今一直沿用兩大方法,即Bullard(布拉德)型探針和Ewing(艾文)型探針。

溫度梯度測(cè)量開(kāi)始于1948年,首先由美學(xué)者Bullard(布拉德)設(shè)計(jì)了海底熱流計(jì),如圖1所示。它用來(lái)測(cè)量海底沉積物的地溫梯度,并利用取樣器將沉積物樣品取回,在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量它的熱導(dǎo)率。經(jīng)過(guò)十多年的完善,Bullard型熱流計(jì)也由靈敏度較差的熱電偶改為靈敏度較高的熱敏電阻,同時(shí)確立了海底溫度梯度原位測(cè)量的基本模式。

Bullard型海底熱流計(jì)探針的基本結(jié)構(gòu)尺寸:,長(zhǎng)3～6m,外經(jīng)Φ27mm,內(nèi)經(jīng)Φ11.2mm的鋼管。探針的上、下兩端各安裝一個(gè)熱敏元件,上部有一密封倉(cāng),內(nèi)置記錄系統(tǒng),下部裝一針尖,以便插入海底沉積物時(shí)減小阻力,設(shè)備*自重插入沉積物。上世紀(jì)70年代后期,加拿大實(shí)用微系統(tǒng)公司(AML)研制的TR-12S型Bullard式探針得到了進(jìn)一步改進(jìn),結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)3m,直徑Φ16mm,探管內(nèi)有8個(gè)YSI-44032熱敏電阻,從測(cè)量精度到外觀設(shè)計(jì)都有了極大提高。

隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,熱流計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是探針逐漸變細(xì)、變薄、熱敏電阻的數(shù)量也在增加,目的在于探針變細(xì)可進(jìn)一步減少插入沉積物時(shí)帶來(lái)得擾動(dòng),變薄可提高熱敏電阻對(duì)沉積物溫度變化的靈敏度,熱敏電阻數(shù)量的增加可以在梯度計(jì)算時(shí)相互驗(yàn)證,并確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

上世紀(jì)60年代初期,Ewing(艾文)完成了自己設(shè)計(jì)的海底溫度梯度測(cè)量計(jì)[4],即人們通常說(shuō)的Ewing型熱流計(jì),也稱(chēng)為拉蒙特型熱流計(jì),是從拉蒙特地質(zhì)觀察所普及開(kāi)的。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),圖2所示。在柱狀取樣器周?chē)?相隔一定距離不同方位安裝3～8個(gè)很細(xì)的探針,探針直徑3mm,長(zhǎng)20～24mm,避免了Bullard型熱流計(jì)在設(shè)備插入沉積物時(shí)帶來(lái)的攪動(dòng)和測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題,提高了海上測(cè)量的工作效率;但仍沒(méi)有解決海底測(cè)量熱導(dǎo)率的問(wèn)題。

以上兩大類(lèi)熱流計(jì)在早期的沉積物溫度梯度測(cè)量中,發(fā)揮了積極的作用。隨著社會(huì)的進(jìn)步,設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展,人們不僅對(duì)沉積物熱流原位測(cè)量中的溫度梯度感興趣,而且更加關(guān)注沉積物熱導(dǎo)率的原位測(cè)量問(wèn)題。

2.2海底沉積物熱導(dǎo)率測(cè)量

熱導(dǎo)率與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。海底沉積物熱導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,歷經(jīng)幾十年的探索,由原始的水分法、細(xì)針探測(cè)法,逐漸發(fā)展到了原位測(cè)量法。水分法是依據(jù)Ratcliffe(1960)關(guān)于海洋沉積物熱導(dǎo)率與水分的關(guān)系,通過(guò)測(cè)定沉積物的水分,不需要特殊的儀器,即可估算熱導(dǎo)率值。細(xì)針探測(cè)法(VonHerzenandMaxwell,1959)是通過(guò)均勻的電阻絲,給圓柱小探針連續(xù)加熱,溫升隨時(shí)間增加,逼近一條對(duì)數(shù)漸進(jìn)線,漸進(jìn)線的斜率正比于探針周?chē)牧系臒嶙杪省Ｆ溲芯孔C明,該方法需從海底取回沉積物樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量,同時(shí)把溫度和壓力修正到沉積物在海底的條件,勢(shì)必造成熱導(dǎo)率和溫度梯度不在同一站位測(cè)定的問(wèn)題。所以要尋找一種能在同一站位獲得熱導(dǎo)率和溫度梯度兩種參數(shù)的測(cè)量方法,而不必取樣,這正是我們研究的海底原位熱導(dǎo)率測(cè)量方法。

2.2.1連續(xù)加熱線源法

連續(xù)加熱線源法,由Sclater等人于1969年用于海底沉積物的熱導(dǎo)率測(cè)量[5],它把探針理想化為無(wú)限長(zhǎng)的完全導(dǎo)熱圓柱,通過(guò)恒定電流對(duì)其加熱,探針內(nèi)加熱電阻絲的溫度升高快慢程度與沉積物的熱導(dǎo)率有關(guān),沉積物的導(dǎo)熱性能差,溫度升高快;沉積物的導(dǎo)熱性能好,溫度升高慢。沉積物的熱導(dǎo)率k與探針內(nèi)加熱電阻絲表面的溫升關(guān)系,可以通過(guò)求解無(wú)限長(zhǎng)圓柱體的導(dǎo)熱微分方程來(lái)得到[6],當(dāng)時(shí)間t=0時(shí),探針的溫度為T(mén)0;時(shí)間t時(shí)的溫度T為:

其中T1是探針周?chē)练e物的平衡溫度。沿圓柱長(zhǎng)度加上一恒定的熱量Q,就可以測(cè)定熱導(dǎo)率κ,假設(shè)開(kāi)始時(shí)溫度為零,則有(Jaeger,1956[7)]:

(8)式中T1和T0是可求的,所以熱導(dǎo)率κ就可以用最小二乘法對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行擬合。

上世紀(jì)80年代初期,上述方法在美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)得到了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用,但其致命弱點(diǎn)是,海底沉積物含水量很大,持續(xù)供熱導(dǎo)致探針溫度不斷升高,很容易導(dǎo)致探針周?chē)目紫端l(fā)生對(duì)流,而使根據(jù)熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)的公式帶來(lái)很大的誤差;其次海上作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),船的漂移難以控制,機(jī)械擾動(dòng)嚴(yán)重以及持續(xù)供熱需要大量的電能等問(wèn)題,故這種技術(shù)沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

2.2.2脈沖加熱法

1979年,Liste(r李斯特)在Bullard型熱流計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了大膽、徹底的革新,首先將Bullard型熱流計(jì)點(diǎn)熱敏元件保留在兩端不動(dòng),在中間插入熱敏元件組。點(diǎn)熱敏元件仍然完成地溫梯度的測(cè)量,熱敏元件組測(cè)量熱脈沖后的平均溫度,用于計(jì)算沉積物的熱導(dǎo)率。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,Liste(r李斯特)在記錄方式上采用了數(shù)字化格式,使其測(cè)量精度得到提升。這樣Liste(r李斯特)在Bullard型熱流計(jì)的基礎(chǔ)上利用“熱線源法”的理論,完成了海底沉積物地溫梯度和沉積物熱導(dǎo)率原位測(cè)量的技術(shù)革新,即海底沉積物熱導(dǎo)率原位測(cè)量技術(shù)[8]。

探針插入海底沉積物,加上熱脈沖后,可以把探針看作是處于沉積物溫度之上的、恒定的初始溫度T0的條件下,假設(shè)沒(méi)有接觸電阻(對(duì)于海洋沉積物,這假設(shè)大多正確),那么在時(shí)間t,探針的溫度Tτ為:

式中:k是沉積物的擴(kuò)散系數(shù);a是探針的半徑;c是沉積物的比熱;ρ是沉積物的密度;S是探針單位長(zhǎng)度的熱容;τ定義為探針的熱時(shí)間常數(shù);α是沉積物熱容與探針材料熱容之比的兩倍,J(nX)和Y(nX)分別為是n階貝塞爾函數(shù)的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)。

當(dāng)探針的熱時(shí)間常數(shù)τ>1時(shí),Bullard函數(shù)為:

脈沖加熱法是在探針內(nèi)不僅裝有一組熱敏元件,同時(shí)還包括一根加熱電阻絲,當(dāng)儀器倉(cāng)控制電路給電阻絲瞬間加熱后,電阻絲會(huì)使探針溫度突然升高,然后隨時(shí)間緩慢衰減,熱敏元件組記錄溫度隨時(shí)間的變化,最終依據(jù)計(jì)算出熱導(dǎo)率。

通過(guò)對(duì)連續(xù)加熱線源法與脈沖加熱法兩種技術(shù)進(jìn)行比較,脈沖加熱法應(yīng)用較為廣泛。

3海底熱流原位測(cè)量技術(shù)需要解決的幾個(gè)問(wèn)題

3.1提高探針自行插入的能力

一般熱流原位測(cè)量設(shè)備在海上使用的成本較高,由于波浪、海流及風(fēng)的作用,海洋的工作環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,要求測(cè)量設(shè)備必須插得住,同時(shí)需要在沉積物中保持10～20min才能達(dá)到溫度平衡,此時(shí)船舶可漂移400～500m。表1是三個(gè)航次探針插入沉積物的實(shí)際情況[9,10]。

通過(guò)對(duì)三個(gè)航次的測(cè)量結(jié)果分析,地?zé)崽结樀慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在保證剛度的前提下,對(duì)探針?biāo)械倪\(yùn)動(dòng)特性和插入沉積物瞬間的力學(xué)特性進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和演算,用于確定最佳配重和外形設(shè)計(jì)的依據(jù),這樣就會(huì)減少由于測(cè)量設(shè)備帶來(lái)的拖倒、拉斷及丟失。

3.2提高海上測(cè)量的準(zhǔn)確度

目前對(duì)同一調(diào)查站位,采用在冬季和夏季進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,根據(jù)觀測(cè)資料來(lái)確定海水溫度變化對(duì)地殼熱流的影響程度,判定水溫變化隨海底地殼深度衰減的情況。研究發(fā)現(xiàn),直到海底之下6～7m二者方趨于一致,這說(shuō)明6～7m之下,水溫變化的影響已大幅度減弱。而目前地?zé)崽结橀L(zhǎng)度一般為3.0～4.5m,這樣增加了海上重復(fù)探測(cè)的工作量,為了減少重復(fù),加長(zhǎng)地?zé)崽结?使下插深度增大,以盡可能采用下部熱敏元件的記錄來(lái)進(jìn)行資料處理。

3.3常年觀測(cè)系統(tǒng)

研究業(yè)已證明海洋底層水溫變化大,大氣溫度的日變化可影響到海底以下5m左右,氣溫的年變化可影響到海底以下50m。而對(duì)于水體則影響更深,再加上海流、波浪、潮汐的混合作用,氣溫變化的影響可波及到1500～2000m深的水體。而水溫的變化又直接作用于海底沉積物。通過(guò)大量的實(shí)測(cè)溫度分析可以看出,溫度隨深度呈非線性變化,特別是海底之下0～5m范圍內(nèi),溫度變化更加復(fù)雜,由此可見(jiàn),地表因素的影響非常大。但如何從地?zé)豳Y料中消除這些淺層影響,而得出真正來(lái)自地下深處的熱信息也是一個(gè)未解的難題。如果在海上作業(yè)中,首先在預(yù)定站位投放一長(zhǎng)期溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備,自動(dòng)記錄沉積物和底層海水的溫度變化?？梢酝ㄟ^(guò)聲通訊設(shè)備定時(shí)發(fā)送到岸站,可獲得常年的溫度變化記錄,從而設(shè)計(jì)計(jì)算程序,消除淺層因素的影響;同時(shí),也為防災(zāi)減災(zāi)提供原始的連續(xù)資料。

4結(jié)束語(yǔ)

本文分析了海底沉積物熱流探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與理論的建立,鑒于我國(guó)目前在該技術(shù)領(lǐng)域的工作開(kāi)展還比較薄弱,極大的限制了我國(guó)海洋熱流探測(cè)和應(yīng)用。因此,在充分認(rèn)識(shí)和了解海洋熱流探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀的情況下,開(kāi)發(fā)我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋熱流原位探測(cè)技術(shù)刻不容緩。

參考文獻(xiàn):

[1]DLTurcotte,GSchubert,Geodynamics.Applicationsofcontinuumphysicstogeologicalproblems[M].JohnWiley&Son(slstedition),1982,134-137.

[2]BullardEC.TheflowofheatthroughtheflooroftheAtlanticocean[J].ProcRSocLondonSerA,1954,222:408-429.

[3]BullardEC,DayA.TheflowofheatthroughtheflooroftheAtlanticocean[J].GeophysJRastronSoc,1961,4:282-292.

[4]GerardR,LangsethMG,EwingM.ThermalgradientmeasurementsinthewaterandbottomsedimentofwesternAtlantic[J].JGeophysRes,1962,67:785-803.

[5]SclaterJG,CorryCE.In-situmeasurementofthethermalconductivityofocean-floorsediments[J].JGeophysRes,1969,74:1070-1081.

[6]陳忠榮.海洋地?zé)嵫芯恐谐练e物熱導(dǎo)率原位測(cè)定[J].海洋技術(shù),1988,7(1):24-33.

[7]JaegerJC.Conductionofheatinaninfiniteregionboundedinternallybyacircularcylinderofaperfectconductor[J].AustralianJPhysics,1956,9:167-179.

[8]ListerCRB.Measurementofin-situconductivitybymeansofaBullard-typeprobe[J].GeophysJ,1970,19:521-533.

[9]李乃勝.沖繩海槽地?zé)醄M].青島:青島出版社,1995,7-67.

[10]李乃勝.中國(guó)東部海域及周邊地殼熱流初探[J].海洋科學(xué),1992,2:48-51.

摘要:熱流探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)研究海洋地殼活動(dòng)規(guī)律、防災(zāi)減災(zāi)與天然氣水合物新能源探測(cè)具有重要意義。論文對(duì)海底熱流原位探測(cè)技術(shù)作了全面的介紹,分析了溫度梯度與熱導(dǎo)率原位、快速測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀,指出了我國(guó)未來(lái)發(fā)展海底熱流探測(cè)技術(shù)急待解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:熱流探測(cè);原位測(cè)量;溫度梯度;熱導(dǎo)率引言