[发明专利]一种基于水下机器人平台的海底热流长期观测探针

说明书

技术领域

本发明涉及温度探测技术领域，具体涉及一种基于水下机器人平台的海底热流长期观测探针。

背景技术

海底热流是大地热流的重要组成部分，是研究海洋地球动力学、沉积盆地演化过程、油气水合物资源评价以及热液循环机制的重要基础数据。海底热流可以利用海底钻孔或海底热流探针测得，也可以利用反射地震剖面的似海底反射(BSR)计算出来。海底钻孔(ODP或DSDP的深海钻探、石油钻井等)获得的热流值虽然受地表浅层作用的影响较小、可靠性较高，但站位分布少，且成本较高，因而其应用受到制约；BSR热流，受BSR的不连续性、沉积物热导率估算误差及天然气水合物稳定带底界的不一致性等因素的影响，在某些海域其计算结果与实测热流值相比存在一定差异，其适用范围并不广；相对而言，船载探针式的海底热流测量，其作业灵活、成本较低，且测量范围可以覆盖部分深水区，因此在全球海域内得到了广泛应用。

由于热流探针插入沉积物的深度较浅(一般小于10米)，因此对海底浅部环境要求较高，需要较为恒定的环境温度。大部分深水区的海底温度都比较恒定，但在浅海和部分深水区，受季节、日变温度、流、浪、潮等因素影响，海底的底层水温往往波动较大(Bottom water temperature variation,简称BWTV)。例如我国东海深度大于50米的部分水域，冬季和夏季的BWTV月平均变化可相差5℃之多；日本Nankai海槽约2900m深的海域，一年中的底水温度也出现了0.8℃的波动(图1)；发明人所在课题组于2013年和2014年在南海北部西沙和东沙海域进行的底水温度波动监测，发现其中一个站位(水深900m左右)，在48小时内，其底水温度波动达到0.42℃。值得注意的是，这只是短时间(约2天)内观测到的波动情况，在更长时间尺度内，其波动幅度应该会更大。

BWTV对海底热流测量结果有什么影响呢？根据前人的研究，BWTV将通过热传导，从温度波动幅度和相位上影响表层沉积物的地温梯度。其幅度的衰减服从指数规律，衰减速率则与BWTV的周期有关。BWTV通常由不同周期的影响因素混合叠加而成。其中长周期的部分衰减较慢，影响较深；而短周期部分则衰减快。例如一个以天为周期的BWTV只能影响到约0.5米深度，而一个以季节为周期的BWTV则可影响到8～9米深的沉积物。一般的海底热流探针探测深度可达6～10米，去除表层地温梯度数据后，基本可以避免短周期的BWTV影响。但是对于长周期的BWTV，常规海底热流探针可能无法穿透其影响深度，导致测得的地温梯度无法真实反映该站位的热状态。这种情况下，常规的海底热流探针不是很适合用于在底水温度波动较大的海域获取地热参数。

如何避免BWTV对热流测量的影响？解决途径有二：一是想办法尽量增大测量深度，避开表层受底水温度的影响深度；二是想办法获取表层沉积物不同深度处温度的波动变化规律，然后通过对这些长时间序列的数据进行分析，从而消除底水温度波动的影响，获取可靠的背景地热信息。第一种解决途径中，热流探针长度一旦太长，其作业难度等各种问题将突显出来(比如对设备重量、科考船的实施能力、海底底质情况的限制等)，因而并不是一个很好的解决办法。随着科技的不断进步，在海底进行长时间(超过一年)的温度监测已经成为可能，故不少学者开始研制长期观测设备，并用于对底水温度波动较大的海域进行观测和研究。这个方案在目前来说是切实可行而且很有意义的。

下文选取了几种具有代表性的设备进行简要介绍。

(1)钻孔式海底热流长期观测系统