深海地热探针的设计及应用

罗玉玺，郑国芝，孙牵宇

（国家海洋技术中心，天津300112）

深海地热探针的设计及应用

罗玉玺，郑国芝，孙牵宇

（国家海洋技术中心，天津300112）

主要介绍新型自容式高精度深海地热探针的外形结构和内部电路原理，这种探针不但可以测定海底沉积物的温度梯度，而且还可以现场测定热导率，从而实现地热的原位测量。

地热探针；原位测量；分段隔热技术；微型温度记录器

随着世界各国对海洋资源的重视日益增加，海洋地热研究引起了人们的广泛关注，其主要的研究区域集中在深海沉积物覆盖的山脊和山坡区。海洋地热研究对于了解海底深部热状态和热演化以及热液硫化物矿床和天然气水合物等新型海洋资源的形成和分布有重要意义。

为了测量海底地热流，探针式热流计在20世纪50年代后出现了三种主要的热流计类型，依次是Bullard型[1-4]、Ewing型[5]、Lister型[6-7]。本文所介绍的地热探针是在这三种类型的基础上，引入新的关键技术，并结合了我国海底热流探测的现状与要求自主设计的一种新型高精度自容式地热探针。本系统采用8个测温单元记录不同深度的温度值，计算温度梯度。利用瞬间热脉冲由无限长原拄形金属探针进入无限大介质的传导理论，记录探针温度衰竭的过程，最终导出热导率 k=P/4πT(t)t。

本系统由温度测量系统、脉冲加热控制系统、温深与倾斜校正系统、电源、中央控制系统等组成。

1 整体外形结构及特性分析

本文研究的地热探针采用了琴弓型结构，把12个独立工作的微型温度记录器装在一根共8节充满矿物油的不锈钢管探针里，这根长管像琴弦附着在较粗的实心不锈钢支撑杆上。在探针和支撑杆的顶部是导流和姿态平衡装置，其上承载着3个圆柱型的仪器仓。外形结构如图1所示：

图1 整体外形结构

探针包括三部分：导流姿态平衡装置、探针及支架。探针主要部件的尺寸如下，仪器仓：直径380 mm、高825 mm的圆柱形仓室，重量为341 kg；支架：直径90 mm、壁厚6 mm的不锈钢管，内充铅，支架重量为524 kg，长度8 130 mm；探针：直径30 mm、壁厚2.5 mm的不锈纲管，内充硅油，探针质量为20 kg，长度8 350 mm；支架卡扣每个0.8 kg，共5个；吊环1 kg；探针系统总重量890 kg。

整个探针外形结构的设计采用不倒翁原理设计，使探针不受水平分力的影响，在水中永远垂直于地心运动。

1.1 探针水中的运动特性

根据给定的海洋环境参数以及探针技术参数计算得到4 000 m水深中探针运动的轨迹，如图2、图3所示。

图2 0～4 000 m探针下落轨迹

探针从水面到海底的运动过程中，最大偏移7.4 m，发生在水深约为1 500 m的地方，之后逐渐回到原垂线位置继续下沉；在下落水深小于80 m时，波流载荷衰减，探针将不再摇摆；缆绳与铅垂方向的夹角在-3～5°范围内变化，摇摆角度不大。

图3 0～80 m探针下落轨迹

1.2 探针在沉积物中的运动特性

通过计算得到：在沉积物8.0 m深度范围内，侧向摩擦系数相同、摩擦阻力系数不同时插入沉积物需要的初始速度如表1所示。

由于不同地点的海底沉积物侧向摩擦系数不同，而且同一地点的沉积物不同层的摩擦系数也不尽相同，所以探针在离海底25 m处通过释放钩自动释放技术，可使自身具有足够的初始速度能够全部插入沉积物中，对探针插入海底开始做变减速运动过程进行分析，钢管所受压力小于其临界欧拉力，因此插入过程探针不会失稳。

1.3 分段隔热技术

本探针创新地采用了分段隔热技术，利用热传导率极低且耐压的合成纤维材质，在不影响探针刚度的前提下，将探针分成6个独立的测温单元，使纵向传递与横向传递的热能几乎相等，减小dT/dz及P/4πT(t)t的测量误差[1]。以往地热探针采用一根很长的不锈钢钢针，忽略了探针本身的热传导性能，由于不锈钢探针的导热系数达50 W/m·K左右，致使纵向传递的热能比横向传递的要快很多。本研究解决了这个问题，大大提高了温度梯度测量及热导率测量的精度。而且将探针分段后，可进行现场安装拆卸，方便运输和使用。

表1 不同侧向摩擦系数时探针插入8 m需要的条件

探针的每个独立单元中注满矿物油，既能有效降低探针壁厚，使其在深海环境下，内外压力平衡，以利于提高测量效果，又能使加热线圈散热均匀，快速均衡地加热探针。单元两端的数据线和线圈引出线与隔热连接件良好密封。各单元采用隔热材料分隔，可避免由整个探针高热传导所带来的测量误差，提高了原位测量的精度，更加贴近测量沉积层的特性。

图4 地热探针内部电路框图

2 探针内部电路组成

探针内部电路如图4所示。图4显示了探针顶部3个仪器仓、探针内部结构以及它们之间的关系。其中探针杆共分8段，上7段用于测量地温梯度[1]，每段装有1个微型温度记录器；最后一段用于测量热导率[6-7]，里面装有5个微型温度记录器和加热电阻丝。整个系统主要由温深仪基准系统、加热电阻丝系统、数据采集存储回放系统、倾斜测量系统和探针内的微型温度记录器5部分组成。下面对各部分进行介绍。

2.1 温深仪基准系统

温深仪采用加拿大RBR公司的TDR－2050型温深仪，它是一款自容式测量温度和深度的海洋仪器，该产品的钛合金外壳耐压6 000 m，温度精度达到0.002°，深度传感器精度为满量程的0.05%。它还具有8 MB固态存储器，总共可存储240万组数据，可通过RS232与PC机进行通讯。该系统主要用来测量探针在下放过程中的深度变化以及温度变化，由于它的高精度和高可靠性，也可作为探针系统测温单元的基准值。

2.2 加热电阻丝系统

该系统由16 V高能电源，加热脉冲控制系统和电阻丝组成。2号仓内装有一个电压为16 V可重复充电的蓄电池，容量为20 Ah。通过3号仓的加热控制电路，专给电阻丝供电。

加热脉冲控制系统主控芯片采用16位超低功耗单片机MSP430F149[8]，整个电路如图5所示。

电阻丝放热所需的电能由专用16 V恒压电源供给，以减小脉冲激发过程对其它功能模块的影响。主控单片机通过采集探针的加速度变化再配合时钟电路来确定加热电阻丝电路的开启时间和持续时间。工作过程就按图6所示的次序执行。当加速度计监测到探针插入沉积物的动作时，为了消除插入时对沉积物的扰动且测量地温梯度，MCU等待一段7.5 min的时间，在t＝0时刻，启动脉冲触发电路产生持续时间15 s、强度为15 A的电流脉冲，加到电阻丝上，向沉积物供给约250 W/m的能量。从t＝0起15 min内的温度变化全部记录在微型温度记录仪中，然后将探针拔出，加速度计从t＝0起的1 h内，忽略探针加速度变化，以免给电阻丝再次加电。

图6 探针测量时序

图5 加热电阻丝系统

在探针插入海底沉积物的22.5 min时间内的最后15 min，5个微型温度记录器时钟记录电阻丝的温度变化，从而得到沉积物的热导率[6-7]。

2.3 数据采集存储回放系统

本系统通过RS485总线技术按一定的时间间隔定时采集温度参数和倾斜参数，对这些数据进行备份，当地热探针在水下完成工作回收上船后，将采集记录的温度数据通过RS-232接口传送给计算机进行处理，绘制图表。

主控芯片同样采用超低功耗的MSP430系列单片机，存储器选用ATMEL公司生产的容量达512 kbit（64k×8）的AT24C512，通过IIC总线与单片机连接，由于IIC总线简单的硬件接口，可减小电路板的尺寸，以达到PCB板宽度不超过30 mm的仪器仓空间要求，但这是以复杂的时序及软件编程为代价的。

本系统与PC机通讯时作为从机，与微型温度记录器和倾斜测量系统通讯时作为主机。MSP430的波特率发生器使用一个分频计数器和一个调整器[8]，能够用低时钟频率实现高速通信，从而在系统低功耗的情况下实现高性能的串行通信。为了进行有效的数据通信,上位机与作为下位机的模块必须设置相同的通讯协议,发送数据时约定传输波特率为9 600 bit/s，8位数据位，1位停止位，无校验位。具体的命令格式篇幅有限不作介绍。

2.4 倾斜测量系统

为了测量地热探针插入沉积物的倾斜信息，采用倾斜感应器反映热流探针实际姿态，并将倾斜角度准确记录下来，此数据用于沉积物梯度和热导率的误差分析。如遇地热探针插入的倾斜角度大于30°时，所测量的地温梯度及热导率应为无效数据，地热探针应重新布放。

图7 倾斜测量系统

倾斜测量系统的测量范围是双轴±45°，精度是±0.5°，采样率4次/s，组成框图如图7所示，由双轴加速度传感器、前置放大电路和单片机系统组成。其中单片机系统包括A/D转换、时钟电路和存储电路。传感器采集加速度信息，经过内部转换后输出电压值，电压值分为两路，一个是测量X轴方向上的加速度；另一个是测量Y轴方向上的加速度。两路电压信号经过前置放大电路放大处理后输出电压给单片机自带的12位A/D转换模块，最后单片机对数据进行处理，转化为XY轴方向上的倾斜角并存储起来，等待RS485总线的命令。

2.5 微型温度记录器

传统地热探针的温度测量多是将热敏电阻直接放在5～9 m的探针里，模拟信号经过长距离的传输，在仪器仓内进行数字化处理，模拟信号在传输过程中产生互相干扰并且衰减，不可避免地造成了较大的温度测量误差。而且如果仪器仓内的主控采集系统出现问题，则所有温度数据的采集都会失败。

考虑到以上因素，本探针采用微型数据记录器技术。设计了一个能够独立工作，模块化的微型温度记录器，可以实时的完成温度的采集存储处理，并通过RS485总线随时可以将存储的数据传到仪器仓或PC机备份作后续处理。

图8 记录器剖面图

微型温度记录器坚固耐用，可靠性高，体积小，其记录时间和采样率可编程设置，最高采样时间间隔为0.5 s；测温范围-5～35℃，A/D转换器为24位，使测温精度达±0.01℃。数据保存在非易失存储器中，可存储100万次测量结果。微型温度记录器由一个长165 mm、外直径20 mm、内置电路的圆柱和一个长15 mm、外部直径3 mm、内置温度传感器的细尖头组成。这种温度传感器置于细尖头的设计满足了传感器快速响应的需要。压力仓由高强度耐腐蚀钛合金组成，可承受相当于4 000 m水深的压力。其详细的特征如图8所示。

记录器的参数设置和数据的下载均无需打开压力仓。通过RS485总线进行数据传输。因此，记录器只有更换电池才需要打开。整个电路由微型处理器、24位A/D转换器、实时时钟、RS485通讯和存储器组成。系统由一个标准3.6 V微型锂电池提供。我们将热敏电阻作为传感元件，它是桥式电路的一部分，它的偏置电压经数字化后被存储下来。除温度外，还存储了首次读数的时间、单个电池能够使用的总次数以及记录开始和结束时的电池电压。存储器可以保存100万次测量结果。当电源电压低于所需的3.3 V时，既不会产生错误读数，也不会影响测量的可靠性，但是在记录停止前产生一个误差常数。数据可以以内部二进制形式存储，也可以由头信息和数据本身组成的ASCⅡ数据文件输出。因此文件可以很容易下载到电子制表软件中进行后续处理。

从上面可以看出整个探针系统由5个可以独立工作的系统组成，探针各部分实现了模块化工作，这就大大提高了探针在水下恶劣环境中工作的可靠性。一旦某个模块工作出现异常也不会使这个站位的地热测量失败。

3 海上作业使用

实际海上作业时，对测量站位及其附近海底的地形、沉积物厚度和沉积物性质有所了解。选择了地势平坦、沉积物较软且厚的地方作为测量点。在布放探针之前，对其各个部分进行例行检测，确认各部分均正常。船到达指定站位后，操纵绞车下放探针。在离海底25 m处，采用自动释放技术，使探针靠姿态平衡装置的重力及导向装置，使其快速插入沉积物。插入海底沉积物7.5 min后，产生加热脉冲。再记录15min的数据，随即回收探针。若不测热导率，则只停留7.5 min。

2010年3月，搭载中国海洋大学“东方红2号科考船，在南海北部站位重复使用，获得了多组完整的原位测量有效数据。经过数据回放，得到的原始温度曲线既有布放时温度剖面，经过插入沉积物后的脉冲加热、热能衰竭，也有回收时的温度剖面，如图9所示。

图9 温度随时间的变化

通过处理计算：

梯度：0.064 45℃/m

热导率：0.163 4 Kcal/m2h℃

4 总结

地热探针是海底沉积物温度梯度及热导率原位测量的专用设备。通过这种测量能够得到该海区热流值和地热情况，是地质构造研究、石油资源的成熟度研究及物理环境评价等不可缺少的重要基础资料。

目前，国内对海底地热原位测量技术的研究与国外有较大的差距。虽然通过国际合作获得了多个测点宝贵的热流数据及海底热液多金属硫化物样品[9-11]，在地质构造研究、油气资源及环境评价中得到了广泛的应用。但所选用的设备皆为进口的Bullard型探针和Ewing型地热设备，前者进口费用昂贵，后者只能现场测量海底沉积物的地温梯度而无法测量原位的热导率，这就制约了国内在海底地热领域的研究与发展。而本课题组所承担的国家十一五863项目“深海沉积物地热探针”的研制成功，具有国内海底地热原位、快速测量装备的自主知识产权，具有十分重大的意义。

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Design and Application of the Deep Sea Sediment Geothermal Probe

LUO Yu-Xi,ZHENG Guo-Zhi,SUN Qian-Yu
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The construction and circuit principle of deep sea sediment geothermal probe were introduced.The probe was a new-style self-contained high precision instrument.It can measure not only thermal gradient of sea sediment,but also in-situ thermal conductivity.Therefore,the new geothermal probe realized in-situ measurement of marine geothermal heat flow.

geothermal probe;in-situ measurement;segmental technique heat insulation;minitype temperature recorder

P716+.7

B

1003-2029（2012）01-0062-05

2011-10-10

国家高技术研究发展计划（863）资助项目（2006AA09Z229）