一种海底热流长期观测探针及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海底探测设备，具体涉及一种用于海底热流长期测量的探针，及其使用方法。
【背景技术】
[0002]大地热流是地球内部热过程在海底的直接显示，不仅是了解地球热散失速率的关键参数，而且是开展地球动力学研宄与重建沉积盆地演化、油气与水合物资源潜力评价的基础数据。因此研发设备开展海底热流测量具有国家战略意义。
[0003]海底热流可以通过钻孔测温和海底热流探针进行测量。由于石油钻孔和大洋钻探钻孔分布区域有限，而海底热流探针便于船载，作业相对灵活，费用较低，且可根据实际科学问题和感兴趣海域进行精细量，因此海底热流探针是获取海洋热流数据的重要手段。在20世纪50年代，研宄学者利用设计的地热探针在北大西洋海域成功地进行了地热探测，开辟了海底热流调查的时代。随着热工测量理论的完善及其技术方法的进步，以及计算机技术和大规模集成电路技术与存储技术的进步和普及应用，经过近半个多世纪的发展，海底热流探针探测技术也得到迅速发展。当今国际上较成熟且被广泛使用的海底热流探针可分为Ewing型和Lister型两类。传统的Ewing型探针把装有热敏电阻的小型探针外挂在取样管或钢矛外壁的不同位置，只能实现海底沉积物的原位地温梯度测量，热导率需要在室内对采集的沉积物样品进行单独测量获得。由于采集沉积物样品时，样品原有结构和含水量不可避免地会有所破坏以及环境温度、压力条件的变化而导致所测热导率误差较大，因此，实验室测得的沉积物热导率一般都需要进行温度、压力及含水量校正。Lister型探针采用热脉冲技术，基于瞬间加热无限长柱热源(IICS)简化理论模型，处理摩擦生热和热脉冲加热两阶段的温度-时间数据来求解地温梯度和原位热导率，实现了脉冲式原位热流的测量。该类型的探针也被称为“琴弓”型探针，其细管中安装加热丝，同时等间距的排列多个(或组)热敏电阻，间隔一定距离固定在粗牢的加强管上。但是该类型的探针较细长(半径一般达5.0mm，长达6.0m)，为尽量满足IICS简化理论模型，要求脉冲加热后，探针在沉积物中需要静止停留25分钟甚至更长。
[0004]以上两种现有的探针可用于获取底水温度长期稳定或波动较小海域的海底热流参数，而且是非常常用且重要的探测设备。但有些海域，其底水温度往往出现较大的周期性波动，导致海底表层沉积物温度也受到周期性影响，使得同一站位不同时间测量的地温梯度出现明显变化，无法真正反映该站位的热状态，因此利用常规的海底热流探针(Ewing型和Lister型探针)在底水温度波动较大的海域很难获取可靠的海底热流。因此有必要研发一种新的海底热流探针，进行长期观测，以便获得更准确、更可靠的海底热流数据，以满足国家有关开展基础研宄和资源调查的战略需求。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的之一在于提供一种适用于海底热流数据长期测量的海底热流探针，以便获得更准确、更可靠的海底热流长期观测数据。
[0006]本发明的另一个目的在于提供所述的海底热流长期观测探针的使用方法，其通过在探针长杆中注入导热油，可进一步提高海底热流长期观测探针测试外部温度的准确性，同时，可增强探针仓体的抗压性能。
[0007]本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]首先，提供一种海底热流长期观测探针，其包括探针长杆和探针仓体；其中，所述的探针长杆为中空结构，该探针长杆的一端与所述的探针仓体通过螺纹连接，其另一端由可拆卸的圆锥状探针头封闭；所述的探针仓体内部设有测温电路板，其外部设有电缆接头出口和导热油灌油口 ；所述的海底热流长期观测探针内部设有至少三个温度传感器，该至少三个温度传感器一端的温度探头在所述的探针长杆内部空间沿探针长杆轴向等间距分布，其另一端深入所述的探针仓体内固定并通过导线与测温电路板相连；在所述的探针长杆内，每两个所述的温度探头之间设置至少一个沿探针长杆径向分布的热对流屏蔽片，所述的测温电路板输出的信号通过电缆经由电缆接头出口与外部主控系统相连；所述的导热油灌油口通过灌油导管通向所述的探针长杆内部。
[0009]本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的温度传感器可以是热敏电阻或铂电阻；进一步优选Pt100铂电阻，更适用于温度长期测量场合。
[0010]本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的热对流屏蔽片是以放射状形式构成的圆片型毛刷结构，其材料可以是聚丙烯纤维、聚酰胺纤维或或猪鬃中的任意一种。
[0011]本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的海底热流长期观测探针进一步包括一固定杆，所述的固定杆包括杆体和中空螺栓，所述的杆体位于探针长杆内部，所述的中空螺栓与探针仓体和探针长杆的连接处螺纹连接，所述的杆体一端与探针头螺纹连接，其另一端固定于中空螺栓的内部，在该中空螺栓的头部围绕所述杆体开设有与温度传感器数量相等的通孔，所述温度传感器的另一端穿过相应的通孔延伸至探针仓体中，所述的热对流屏蔽片和温度探头均固定在所述杆体上。
[0012]本发明进一步优选的海底热流长期观测探针结构中，所述杆体的外直径与所述的探针长杆的内直径之间的比值小于1:2。
[0013]本发明进一步优选的海底热流长期观测探针结构中，所述温度探头使用扎带固定在所述的杆体上；所述的热对流屏蔽片使用螺丝固定在所述的杆体上。
[0014]本发明优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的探针长杆的长度与外直径比为30?40:1 ;进一步优选30?37.5:1。
[0015]本发明进一步优选的海底热流长期观测探针结构中，所述的探针长杆的长度150?200cm，外直径4?5cm，内直径2?3cm，其内部沿轴向等间距分布5?6个温度探头，每两个相邻温度探头之间的间距为20?30cm，同时在其内部沿轴向每隔1cm设置一个热对流屏蔽片。
[0016]本发明所述的海底热流长期观测探针结构中，所述的各螺纹连接处、电缆接头出口、导热油灌油口、以及探针长杆内部与探针仓体内部之间的各种接口处都进行水密处理。
[0017]其次，本发明还提供所述的海底热流长期观测探针的使用方法，在探测前，先将本发明所述的海底热流长期观测探针平放，从所述的导热油灌油口经由灌油导管向所述的探针长杆内部灌入导热油，同时打开所述的可拆卸的圆锥状探针头，待导热油从探针头处溢出后关闭探针头；继续灌入导热油至整个探针长杆内部空间充满导热油并从导热油灌油口溢出，封闭导热油灌油口，再将所述的海底热流长期观测探针安装在自浮式海底热流长期观测基站的抛弃部分，用于海底热流探测。
[0018]本发明所述的方法中，所述的导热油可以选自适合O?50°C温度范围内工作的矿物型或合成型液相导热油。
[0019]与现有技术中的海底热流长期观测探针相比，本发明提供了一种全新结构的海底热流长期观测探针及其使用方法，能够更加显著地提高热流数据测定的准确性，主要基于以下几方面的机构特征:
[0020]1.温度传感器的分布设计
[0021]本发明所述的海底热流长期观测探针内部沿轴向等间距分布有3个以上的温度传感器探头，这样使得探针能够同时测量不同深度沉积物的温度，方便科研人员找到不同深度海底沉积物的温度规律。
[0022]2.热对流屏蔽片的设置
[0023]在海底热流长期观测探测中，探针插入海底沉积物中后，沉积物的不同深度会存在温度差异，这样会导致导热油因温度差异而产生分子热运动，此时温度测量的准确性大大下降。为此，本发明所述的海底热流长期观测探针结构中特别设置了位于两个温度传感器探头之间的热对流屏蔽片，所述的热对流屏蔽片是由纤维物质以放射状形态形成的，具有细密的缝隙，既可以允许导热油等介质通过，又能够限制其两边的导热油等介质之间的分子间热运动，由此屏蔽了不同区域的导热油等介质之间的热对流，从而进一步提高了温度测量的准确性，特别是在探针长杆内部每隔1cm设置一个热对流屏蔽片时，能够最大程度地避免其两侧导热油之间的热对流，达到非常高的测量精确度，同时也达到了探针制造成本与测量准确性的最佳平衡状态。
[0024]3.导热油的应用
[0025]本发明的使用方法中，在事先安装有温度传感器的探针长杆内部进行灌导热油的处理，还能够进一步提高海底热流长期观测探针测试外部温度的准确性。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的海底热流长期观测探针整体结构示意图。
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