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。
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。
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
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
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。
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。
[1]徐行,陸敬安,羅賢虎,等.南海北部海底熱流測量及分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)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]張毅,何麗娟,徐行,等.南海北部神狐海域甲烷水合物BHSZ與BSR的比較研究, 地球物理學(xué)進(jìn)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,羅賢虎,肖波.海洋地?zé)崃鳒y量技術(shù)及其方法研究[J].海洋技術(shù),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]張彭朋,何娜.基于MSP430和CC2500的USB無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)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,羅賢虎,等.南海北部海底地?zé)釡y量的數(shù)據(jù)處理方法[J].現(xiàn)代地質(zhì),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,吳來杰,等.Agilent34401A在沉積物熱導(dǎo)率測量儀中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,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.