海底沉积物地温梯度测量系统设计

彭 登，徐 行，罗贤虎

（广州海洋地质调查局 广东 广州 510760）

地热学作为地球物理学科的一个重要分支，是一门基础性和应用性都很强的学科，而大地热流测量是为了了解地球热状态最基础的数据，因此也是地热学研究中关键的环节之一。海底热流主要数据来源于钻孔测温数据（包括石油和大洋钻探钻孔）和海底热流探针测量。近几十年的研究表明，海底热流和海底浅层钻孔温度数据对地球动力学、油气、水合物资源预测评价、海底浅层水热活动、古环境气候等方面研究都是非常重要的基础数据[1]。

随着石油和天然气水合物调查的开展，目前出现利用天然气水合物勘探中揭示的似海底反射面（BSR）来推导海底热流。但是，天然气水合物的稳定带受海底温度、沉积层地温梯度、压力、沉积物气体成分和流体盐度等影响，因此，BSR热流数据存在不确定性。并且由于石油钻孔主要位于浅水区，如南海石油钻孔主要位于水深不超过200 m的大陆架上，大洋钻探钻孔虽然处于深水区域，但是数量很少，因此利用海底热流探针来获得地温梯度值显得尤为重要，并且测量的地温梯度值结合地震勘探得到的速度资料换算成沉积物的热导率值，可以提高评估的准确性[2]，因此，研究海底沉积物地温梯度测量系统具有很重要的意义。

1 系统工作原理

海底热流测量，是记录来自地球内部的热能。热流是由温差引起的能量传递，其传递方式分为热传导、热对流和热辐射3种方式。根据傅立叶定理，海底热流密度等于表层沉积物的地温梯度与相应热导率的乘积。海底沉积物热流以热传导为主，在一维稳态纯传导的条件下，热流密度q可以用下式描述：

热流密度q的单位是mW/m2，热导率k是一个表征沉积物导热能力快慢的物理量，它与沉积物的组成类别及水含量有关系，它的单位是Wm-1K-1，海底地温梯度表示地球等温面法线方向上温度变化程度及变化方向，它的单位是℃km-1。因此，只要知道深度间距d Z和它们之间的温差d T即可求出海底地温梯度值[3]，热导率值在论文“南海北部海底地热测量的数据处理方法”、“室内海底沉积物热导率测量的原理与方法—以TK04热导率测量系统为例”已做研究，本文将重点研究海底地温梯度的测量。

2 海底沉积物地温梯度测量系统整体设计

2.1 硬件电路设计

海底沉积物地温梯度测量系统由温度采集模块、姿态判断模块、主控电路模块、上位机处理模块四部分组成，是一个集高准确度的温度测量电路、姿态测量监控电路、数据存储和传输于一体的电子单元。其选用16位高性能、多通道、低能耗的MSP430F123芯片作为主处理器，高精度的NTC型热敏电阻YSI55032为传感器，通过直流不平衡电桥的测量方式，来检测热敏电阻随温度变化的电阻值，然后通过前置放大电路上，使用多路开关、信号放大滤波技术进行信号调理；最后通过24位高分辨率A/D转换器将阻值温度信息转化为数字量信息并记录到系统的FLASH存储单元[4]。

系统内部的时钟模块电路，具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，可以为系统提供万年历和时分秒定时等功能。采用USB接口技术，PC机可通过密封电子舱的水密插头，对测量系统工作参数的设置和数据传输。海底沉积物地温梯度测量系统框图如图1所示。

图1 海底沉积物地温梯度测量系统框图Fig.1 Structure diagram of marine sediment geothermal gradient measurement system

2.2 算法处理

海底沉积物地温梯度测量系统在采集温度数据的过程中存在不同的干扰信号，虽然系统在硬件方面采用使用多路开关、信号放大滤波技术进行信号调理，但是还必须使用数字滤波技术对采集到的电阻数据进行处理。

上位机软件部分采用的是图形化LabVIEW虚拟仪器平台，利用FIR滤波器对高频带干扰信号进行滤波，直接使用labview自带的Parks-McClellan滤波器函数和Convolution函数，Parks-McClellan滤波器函数将加权后的纹波均匀分配到通带和阻带中去，并且频率响应拥有陡峭的过渡带，Convolution函数则是将输出系数与信号进行卷积计算。

此系统共有3次验证电阻或温度是否超出适宜范围，这是因为测量的电阻和温度都是在一定范围内的，如果超出这一范围，热敏电阻的精度将无法保证，测量也就失去了意义。在进行电阻数据采集的时候，由于电磁干扰或零点漂移会引起电压的上下浮动，从而采集的温度值不断跳动，这将导致测量数据精度的下降，所以此课题采用了在0.5 s时间内采集1 000个电阻值，然后求其算术平均值，将其平均值作为采样结果，代入后续计算。这样就可以有效的抑制温度值的跳动，同时测量结果的精度也得到了更好的保证。

论文“南海北部海底地热测量的数据处理方法”中提到利用Bullard方法外推获得平衡温度。Bullard把探针理想化为半径为r并具纯传导型的无限长柱体，并给出初始温度为T0的探针在平衡温度为Ta的沉积物中的热衰减公式，理论温度与实测温度的拟合可获得平衡温度。当记录时间足够长时，温度 T（t）（单位℃）与时间 t（单位 s）的倒数为线性关系：

其中:k为斜率；t为从有效插入时刻开始计时的时间。依据这一关系，Pfender和Villinger[6]建议利用拔出前100 s的温度数据进行T（t）-1/t线性回归，t为无穷大时对应的温度即为所求的平衡温度。

对于海底地温梯度测量系统，采用STEINHART&HART方程来进行R-T转换，即：

式中T为温度读数，单位为K，R为热敏电阻阻值，单位为 Ω，a、b、c为系数，分别用 3个 T 和 R，采用公式（3）求出系数a、b和c，然后再用这些系数算出其他的温度数据。由于STEINHART&HART方程系数由实验室环境校准数据拟合而来，故海底沉积物地温梯度测量系统在海洋全浸环境下其测试条件已经发生变化，需要对其进行零点漂移和温度漂移的修正[6]。

1）零点漂移修正

式中ΔT零点为FY-1型测温仪探针零点的修正值，TCTD为CTD的温度，T飞鱼为FY-1型测温仪探针的温度。采用下式对FY-1型测温仪探针进行逐点修正：

2）温度漂移修正

对上述温漂修正公式进行线性回归，求解其系数α和β。

3）和温漂联合修正公式

3 实验结果和数据分析

海底沉积物地温梯度测量系统与广州海洋地质调查局引进的MTL地温梯度测量设备工作方法类似，都是在甲板仪器房先对海底地温梯度测量系统进行设定，主要包括GPS时间的写入、采样时间和采样参数的设定等，并且野外收放的操作规程也一样。需要注意的是：1）海底地温梯度测量系统在离海底在距海底约50 m时，设备停留约3 min，用来校正或稳定各MTL之间的测量温度，并确保设备垂直状态插入到沉积物中；2）在设备触底和离地的时候进行piger的监控[8]。

本系统于2012年7月在南海某个地热流测量站位进行水下实验，时间－温度曲线如图2所示，横坐标为采样点数，纵坐标为温度，单位为℃。

图2 某个地热流测量站位时间－温度曲线Fig.2 Time-temperature curve of one heat flow measurement positioning

整个测试过程如下：在设备下放阶段，温度随设备下放而下降；在稳定时段，设备停止下放，这时温度也趋于稳定；随后设备下放，设备测量的温度也下降，直到探针插入到沉积物中，在摩擦力于沉积物本身温度的双重作用下，温度快速上升，直到摩擦热渐渐减小，海底地温梯度测量系统感应沉积物的温度因而也趋于稳定；在设备从沉积物中起拔时，海底地温梯度测量系统感应到摩擦热而温度上升，而由于海底水温更低，故海底地温梯度测量系统温度快速下降，而后随设备的上升温度随之上升，直到海底地温梯度测量系统停止工作。一元线性回归曲线如图3所示，图中，＊为测量数据，－为测量数据的一元线性回归曲线，横坐标为深度，单位为m，纵坐标为温度，单位为℃。

图3 某个地热流测量站位测量数据一元线性回归分析结果Fig.3 Measurement data one-dimensional linear regression analysis results of one heat flow measurement positioning

通过测量数据一元线性回归分析，R2=0.996，回归方程对样本数据的拟合程度很好。

4 结束语

通过多次测试数据分析，海底沉积物地温梯度测量系统的分辨率可达1 mK，精度可达±3 mK（0~25℃），表明海底沉积物地温梯度测量系统精度和可靠性都很高；对地热流测量的数据进行一元线性回归分析，拟合程度都很好，表明这种集成方式的海底热流调查系统取得的调查数据稳定可靠，一致性好；并且该系统具有可靠性高、功耗小、体积小、操作方便等特点，具有很高的实用价值，可用于需要精密测温的系统中，也可以为石油和天然气水合物勘探提供宝贵的热流原始资料。

[1]徐行，陆敬安，罗贤虎，等.南海北部海底热流测量及分析[J].地球物理学进展，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]张毅，何丽娟，徐行，等.南海北部神狐海域甲烷水合物BHSZ与BSR的比较研究， 地球物理学进展，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，罗贤虎，肖波.海洋地热流测量技术及其方法研究[J].海洋技术，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]张彭朋，何娜.基于MSP430和CC2500的USB无线数据采集系统[J].电子设计工程，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，罗贤虎，等.南海北部海底地热测量的数据处理方法[J].现代地质，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，吴来杰，等.Agilent34401A在沉积物热导率测量仪中的应用[J].仪表技术与传感器，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.