一種海底原位熱導率的解算方法及其探測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于海底原位熱流探測技術領域，特別涉及一種海底原位熱導率的解算方 法及其探測裝置。
【背景技術】
[0002] 地熱學作為地球物理學科的一個重要分支，是一門基礎性和應用性都很強的學 科，而大地熱流測量是獲取地球熱狀態(tài)參數(shù)的最基本手段，也是地熱學研宄中最關鍵的環(huán) 節(jié)。海底熱流參數(shù)的主要來源是鉆孔測溫數(shù)據(jù)（如石油和大洋鉆探鉆孔）和海底熱流探 針測量。20世紀80年代初至今，不少學者利用天然氣水合物勘探中揭示的似海底反射面 (BSR)來估算海底熱流。由于石油鉆孔主要位于淺水區(qū)（如我國南海石油鉆孔主要位于水 深不超過200m的大陸架上），大洋鉆探鉆孔雖然處于深水區(qū)域，但是站位數(shù)量很少，且由 BSR估算的海底熱流數(shù)據(jù)存在較多的不確定性因素。由此可知，探針式海底熱流探測成為深 水區(qū)和洋盆區(qū)海底熱流調查的主要手段，且探針式探測技術也將是海底熱流探測技術的發(fā) 展方向。
[0003] 早在20世紀50年代，研宄學者利用設計的Bullard型地熱探針在北大西洋海域 成功地進行了地熱探測，開辟了海底熱流調查的時代。隨著熱工測量理論的完善及其技術 方法的進步，以及計算機技術和大規(guī)模集成電路技術與存儲技術的進步和普及應用，經(jīng)過 近半個多世紀的發(fā)展，海底熱流探針探測技術也得到迅速發(fā)展。當今國際上較成熟且被廣 泛使用的海底熱流探針可分為Ewing型（如圖1所示）和Lister型（如圖2所示）兩類。 如圖1所示，傳統(tǒng)的Ewing型探針把裝有感溫元件1的測量單元2等間距螺旋式外掛在取 樣管3的不同位置，只能實現(xiàn)海底沉積物的原位地溫梯度測量，熱導率需要在室內對采集 的沉積物樣品進行單獨測量獲得；由于采集沉積物樣品時，樣品原有結構和含水量不可避 免地會有所破壞以及環(huán)境溫度、壓力條件的變化而導致所測熱導率誤差較大，因此，實驗室 測得的沉積物熱導率一般都需要進行溫度、壓力及含水量校正。由此可知，傳統(tǒng)的Ewing型 探針雖然具有測量時間較短（約8分鐘）的優(yōu)點，但是不能直接獲得原位熱導率，實質上只 是一種地溫梯度探針。Lister型探針采用熱脈沖技術，基于瞬間加熱無限長柱熱源（IICS) 簡化理論模型，處理摩擦生熱和熱脈沖加熱兩階段的溫度-時間數(shù)據(jù)來求解地溫梯度和原 位熱導率，實現(xiàn)了脈沖式原位熱流的測量。如圖2所示，該類型的探針也被稱為"琴弓"型 探針，其細管4中安裝加熱絲5,同時等間距的排列多個（或組）感溫元件1，間隔一定距離 固定在粗牢的鋼矛6上，但是Lister型探針較粗（半徑一般達5. 0_)，為盡量滿足IICS簡 化理論模型，要求脈沖加熱后，探針在沉積物中需要靜止停留25分鐘甚至更長，以便測量 足夠長的溫度衰減數(shù)據(jù)用于解算出可靠的原位地溫梯度和原位熱導率，從而獲得準確的原 位熱流數(shù)據(jù)。因此，與Ewing型探針相比，Lister型熱流探針的海底探測效率相對較低，且 對作業(yè)船只的動力定位能力和作業(yè)時的海況要求特別苛刻，一旦作業(yè)船只偏離探針插入沉 積物的位置較遠，探針起拔時很容易被拔彎，導致探針受損，這就在很大程度上增大了海上 作業(yè)風險。
[0004] 綜上所述，目前國際上使用的各類探針在實際海底熱流測量過程中都存在著不足 之處。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是從海底熱流探測的特殊性、海上實際作業(yè) 的安全性、高效性及便捷性考慮，提供一種海底原位熱導率的解算方法及其探測裝置，克服 Ewing型探針不能直接測量原位熱導率及Lister型探針測量時間較長不利于海上操作的 不足，便于海上作業(yè)，同時還可以在較短時間內精確和安全探測海底原位熱導率。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種海底原位熱導率的解算方法，包 括以下步驟：
[0007] (1)通過姿態(tài)檢測模塊檢測探針在海底的姿態(tài)和運動情況，當判斷探針插入并靜 止于海底沉積物中，主控模塊控制熱脈沖控制模塊激發(fā)熱脈沖對測量單元前端探頭的加熱 絲進行電加熱；
[0008] (2)通過主控模塊控制與探針電連接的溫度采集模塊進行海底沉積物溫度數(shù)據(jù)采 集；
[0009] (3)主控模塊對溫度數(shù)據(jù)進行自容處理；
[0010](4)自容的數(shù)據(jù)通過測量單元與參數(shù)設置與數(shù)據(jù)讀取器之間的通訊連接而輸出到PC機；
[0011] (5)通過PC機建立有限元TC_FE數(shù)值模型，采用網(wǎng)格加密搜索法進行參數(shù)反演，步 驟如下：
[0012] 1)設海底沉積物視熱導率A21 (A21為海底沉積物熱導率A與測量單元前端探頭 體積熱容Q比值，即A/CJ和海底沉積物視體積熱容C21 ((：21為海底沉積物體積熱容C與 測量單元前端探頭體積熱容Q比值，即C/C^，對求解區(qū)域
[0013]
【主權項】
1. 一種海底原位熱導率的解算方法，其特征是：包括以下步驟： (1) 通過姿態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測探針在海底的姿態(tài)和運動情況，當判斷探針插入并靜止于 海底沉積物中7-10分鐘后，主控模塊控制熱脈沖控制模塊激發(fā)熱脈沖對測量單元前端探 頭中的加熱絲進行電加熱； (2) 通過主控模塊控制與測量單元連接的溫度采集模塊進行海底沉積物溫度數(shù)據(jù)采 集； (3) 主控模塊對溫度數(shù)據(jù)進行自容處理； (4) 自容的數(shù)據(jù)通過測量單元與參數(shù)設置與數(shù)據(jù)讀取器之間的通訊連接而輸出到PC 機； (5) 通過PC機建立的有限元TC_FE數(shù)值模型，采用網(wǎng)格加密搜索法進行參數(shù)反演，步驟 如下： 1) 設海底沉積物視熱導率A21和海底沉積物視體積熱容C21，其中A21為海底沉積物熱 導率A與測量單元前端探頭體積熱容C1比值，即A/Cp(：21為海底沉積物體積熱容C與 測量單元前端探頭體積熱容C1比值，即CZt1，對求解區(qū)域
(m+1)X(m+1)個網(wǎng)格節(jié)點，其中i,j= 1，2,A,m; 2) 取入n=LOXKT4m2 ?s-1，利用TC_FE模型計算(221,C21) = (<,C^)時，測量單元 前端探頭頂端處的T-t溫度數(shù)據(jù)，其中T為溫度，t為時間，記為(t；i，4)。其中A11為測 量單元前端探頭等效熱導率Ai與其等效體積熱容C:的比值，
An的變化對反演結果影響非常小，可忽略不計，因此可依據(jù)測量單元前端探頭加工材料的 經(jīng)驗熱導率、體積比熱容和熱擴散率變化范圍值，取值A11=LOXKT4m2 ?s、 3) 通過PC機進行有限元模擬獲得的(r:d,U和探針在海底沉積物中實測的T-t溫度 數(shù)據(jù)（記為（T_s，tn))進行歸一化處理，獲得歸一化std.T-t數(shù)據(jù)：
4) 利用最小二乘法，對stdJ；匕(〇與std.Tmeas(tn)進行線性擬合得出：
求解該擬合直線斜率尤;"和相關系數(shù)Ri^其中相關系數(shù)計算表達式如下
5) 定義目標函數(shù)為F(A'2I,= 并求解各網(wǎng)格點處的目標函數(shù)值 F(Xn,Cii)5i,j= 1, 2,A,m； 6) 找出目標函數(shù)值最小的網(wǎng)格點，丨，如果 6 為判斷是否滿足求解要求而設定的閾值），則接受（2=,C=)為所需要 求解的海底沉積物視熱物性參數(shù)（X21,C21)，否則，將以為中心的鄰域為求解區(qū) 域，將網(wǎng)格加密，返回到步驟2)，直到滿足Cg) 為此，從而解算得到海底沉積物視 熱物性參數(shù)(Al，C21) = (4，G); 7) 再次利用最小二乘法，對：C/°(U與T_s(tn)進行線性擬合： =IpA=T(0 + 7；，根據(jù)溫度采集模塊測得海底沉積物環(huán)境溫度Ttl，求解其擬 合直線斜率和TO(巧，0 )，其中
根據(jù)步驟（1)測得的脈沖加熱電流計算得到測量單元前端探頭體積生熱率Atlnreas，根據(jù)TC_FE模型得出探頭的視體積生熱率HtlMd=A^^dZt1，由此可求解得到探頭的體積熱容
又根據(jù)A=A21 ? (^可求解出海底沉積物熱導率。
2. -種實施權利要求1的海底原位熱導率的探測裝置，包括前端探頭，探頭內置感溫 元件和加熱絲，其特征是：還包括主控模塊、溫度采集模塊、姿態(tài)檢測模塊和熱脈沖控制模 塊，主控模塊由微處理器、USB接口電路、實時時鐘、存儲器和直流恒壓電源構成，USB接口 電路、實時時鐘、存儲器、直流恒壓電源分別與微處理器對應電連接，USB接口電路通過USB 插口與PC機通訊連接；溫度采集模塊由恒流源電路、溫度信號調理電路和測溫電阻橋構 成，恒流源電路、溫度信號調理電路、熱敏電阻分別與測溫電阻橋對應電連接，溫度信號調 理電路與微處理器對應電連接；姿態(tài)檢測模塊由姿態(tài)信號調理電路和姿態(tài)傳感器構成，姿 態(tài)傳感器與姿態(tài)信號調理電路電連接，姿態(tài)信號調理電路與微處理器對應電連接；熱脈沖 控制模塊由直流恒流電源和脈沖觸發(fā)電路構成，直流恒流電源、加熱絲分別與脈沖觸發(fā)電 路電連接，直流恒流電源與微處理器對應電連接。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種海底原位熱導率的解算方法及其探測裝置，屬于海底原位熱流探測技術領域，通過姿態(tài)檢測模塊檢測探針在海底的姿態(tài)和運動情況，再通過主控模塊控制熱脈沖控制模塊激發(fā)熱脈沖對測量單元前端探頭的加熱絲進行電加熱；同時主控模塊控制溫度采集模塊進行海底沉積物溫度數(shù)據(jù)采集后輸出到PC機；通過PC機建立有限元TC_FE數(shù)值模型，采用網(wǎng)格加密搜索法進行參數(shù)反演。本發(fā)明可通過姿態(tài)檢測模塊來判斷到底情況并進行自動熱脈沖控制，同時獲取海底沉積物原位環(huán)境溫度和原位熱導率，而且可大大提高海上作業(yè)的安全性和海底探測效率；通過建立原位熱導率數(shù)值反演方法，從而擺脫原位熱導率求解所依賴的簡化模型解析解的局限性。
【IPC分類】G01N25-20, G06F19-00
【公開號】CN104713904
【申請?zhí)枴緾N201510145122
【發(fā)明人】楊小秋, 施小斌, 孫兆華, 許鶴華, 曾信
【申請人】中國科學院南海海洋研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月30日