深海地热探针的设计及应用.pdf

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1、第31卷第1期2012年3月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．31，No．1Mar，2012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)摘要：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。关键词：地热探针；原位测量；分段隔热技术；微型温度记录器中图分类号：P716+．7文献标志码：B文章编号：1003—2029(2012)01—0062—05《随着世界各国对海洋资源的重视日益增加，

2、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㈣、Ew—ing型圄、Lister型M。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

3、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_j}=P／41TT(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l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

4、针收稿日期：2011-10—10基金项目：国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2006AA092229)主要部件的尺寸如下，仪器仓：直径380mm、高825mm的圆柱形仓室，重量为341kg；支架：直径90mm、壁厚6mm的不锈钢管，内充铅，支架重量为524kg，长度8130mm；探针：直径30mm、壁厚2．5mm的不锈纲管，内充硅油，探针质量为20kg，长度8350mm；支架卡扣每个0．8kg，共5个；吊环1kg；探针系统总重量890kg。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

5、。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4000m水深中探针运动的轨迹，如图2、图3所示。图20-4000m探针下落轨迹探针从水面到海底的运动过程中，最大偏移7．4ITI，发生在水深约为1500m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80m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一3～5。范围内变化，摇摆角度不大。第1期罗玉玺，等：深海地热探针的设计及应用63图30～80Ill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8．0m深度范围内，侧向摩擦系数相同

6、、摩擦阻力系数不同时插入沉积物需要的初始速度如表l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25m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／4

7、盯T(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表1不同侧向摩擦系数时探针插入8nl需要的条件性能，由于不锈钢探针的导热系数达50w／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。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

8、。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。号仓2号仓3号仓陌习I温深仪l微图4地热探针内部电路框图2探针内部电路组成探