李佳偉，陳潔，徐行，潘飛儒，羅賢虎，俞欣沁，羅新恒

1.中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州 510760 2.珠海市泰德企業(yè)有限公司，珠海 519082

海底熱流是海盆及其陸緣熱狀態(tài)最直接的體現(xiàn)，是研究不同尺度地質構造熱演化，評價海域天然氣水合物和油氣資源的重要約束[1]。海洋地熱學中涉及的參數(shù)主要為兩類：一是海底溫度、地溫梯度和地熱流等海底原位測量信息；二是沉積物熱導率和生熱率等巖石熱物性測定信息[1-3]。

海底熱流探測亟需高精度的溫度測量技術。為解決海洋天然氣水合物勘探海底熱流探測中的關鍵技術問題，中國地質調查局廣州海洋地質調查局（簡稱廣海局）自2005年以來一直從事海底熱流探測技術的研發(fā)，并率先在國內獨立開展海底熱流探測工作[3-5]。在過去的15年間，廣海局采用自制的Ewing型海底熱流探針，完成了包括南極高寒環(huán)境在內的全球海域1200多個測站的海底熱流探測，其中溫度傳感器為自制的飛魚1型自容式微型溫度測量記錄儀（簡稱FY1探針）。隨著計算機技術飛速發(fā)展，F(xiàn)Y1探針與新型計算機之間的通訊接口存在著技術匹配問題，導致數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設置過程中的故障率較高，影響了野外資料采集的進度。為了解決以上問題，對FY1探針的技術缺陷進行了技術升級、改造，升級后的探針定名為飛魚2型自容式微型溫度測量記錄儀（簡稱FY2探針）。

本文先系統(tǒng)對比FY1和FY2的技術設計和適用性等，然后在國家海洋計量站廣州分站實驗室恒溫水槽和南海北部陸坡深水海域做的兩個實驗比測的基礎上，重點分析FY2的技術特點，為進一步推廣使用提供科學依據(jù)。

1 熱流探測技術

海底熱流探測始于20世紀50年代初。在北大西洋海域科考時，英國科學家用一根無縫鋼管和溫度傳感器制作了溫度探針，率先實現(xiàn)海底沉積物原位的地溫梯度探測[6]。根據(jù)Herzen和Maxwell提出的熱導率測量方法[7]，Sclater等發(fā)展了海底沉積物原位熱導率測量技術[8]，并采用熱脈沖技術對其進行改良，實現(xiàn)了真正意義上的海底熱流原位測量[9-10]，該類型探針被稱為Lister型探針。另一類型海底熱流探測設備是Ewing型探針，在重力柱狀取樣器的取樣管（或鋼矛）外壁的不同位置，外掛多個自容式微型溫度測量記錄儀，從而構建成地溫梯度探針系統(tǒng)。

Lister型和Ewing型兩類海底熱流探針是現(xiàn)今海底熱流探測的主流技術。用Lister型探針，每個測站定點測量時間需22～25 min，除采集海底溫度、海底沉積物地溫梯度，還可獲得原位沉積物熱導率測量信息。這對調查船舶具有較高的要求，適合于具有動力定位功能的調查船。而用Ewing型探針，每個測站定點測量時間僅需5～8 min，但只能采集海底溫度和地溫梯度，其相應站位的沉積物熱導率信息需通過在室內測量沉積物實物樣品后獲取。相比而言，Ewing型探針技術具有測量時間短、操作便捷和運維成本低等優(yōu)點[4,11-12]，因而更容易被推廣使用。

中國海底熱流探測工作始于20世紀80年代。在南海地學研究中，廣海局（原地質部南海地質調查指揮部）和美國哥倫比亞大學拉蒙特地質研究所曾二度合作，利用美國熱流探測設備開展測量工作，在南海陸緣及深海盆中獲取了一批寶貴的海底地熱流資料[13-18]。在國家863計劃海洋技術領域的項目資助下，中國地質調查局、國家海洋局和中國科學院以及高校涉海研究團隊的聯(lián)合攻關，在海底熱流探測技術研發(fā)中相繼獲得了一批國家專利授權和包括FY1探針在內的技術成果（圖1a、b），國內有十多家科研團隊使用該技術[19]。與全球同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)Y1探針的技術指標可媲美德國的MTL[11]和中國臺灣的“小型自容式溫度計”[12]，而且在運維方面更為便捷和低成本。

圖1 FY2型探針安裝說明圖a.飛魚探針照片，b.固定翼照片，c.飛魚探針安裝在重力柱狀取樣上器的示意圖。Fig.1 Installation instruction diagram for FY2 probea.photo of flying fish probe,b.photo of fixed wing,c.schematic diagram of flying fish probe installed on gravity cylinder sampler.

廣海局自主研發(fā)的Ewing型海底熱流探針（圖1c），由6支FY1探針和1支傾斜儀安裝在一個800 kg的重力柱狀取樣器的取樣管上構建而成?？傮w上，采用Ewing型探針的作業(yè)方法與海底沉積物柱狀取樣近似，但前者在取樣器貫入到海底沉積物之后，還需要在海底沉積物中停留一段時間進行溫度測量。海底熱流測量具體的步驟為：①利用調查船的地質絞車將海底熱流探針吊放到距離海底近100m高度，停頓片刻來穩(wěn)定設備在水體中的姿態(tài)；②快速啟動絞車，將探針貫入到海底沉積物之中；③探針在沉積物中停留5～8 min或更久一些，同時記錄FY1在沉積物中達到一個與外界溫度近似平衡的過程信息；④將探針整體拔出海底沉積物，離開海底；⑤啟動地質絞車將設備回收到調查船甲板上。最后，從FY1和傾斜儀中下載溫度測量和姿態(tài)測量數(shù)據(jù)，整理保存。在作業(yè)前的自容式微型溫度測量儀參數(shù)設置中，重要時段的溫度測量采樣率通常為1 s或2 s。

在海底熱流測量工作前后，需要在甲板上測量各個FY1探針之間的相對距離。當探針貫入到海底沉積物之后，安裝在不同位置上的FY1探針記錄相應位置的溫度隨時間變化信息，而傾斜儀主要是用于檢測貫入裝置的姿態(tài)，為原位測量提供傾斜改正信息。海底溫度是指最底部的溫度探針插入海底之前的溫度測量值；地溫梯度由不同位置的溫度測量值的斜率求算出來，直接計算出來的為“視地溫梯度”，經(jīng)過傾斜改正后獲得真實地溫梯度。

2 FY2的新特點

溫度測量技術是海底熱流探測中的核心技術。FY1型探針采用了16位低功耗單片機、16位A/D轉換器、非易失存儲器和實時時鐘[20]。在FY2探針的技術升級過程中，重點改造了數(shù)據(jù)采集部分；在總體設計方面，F(xiàn)Y2探針的設計繼承了原電路中傳感器和信號調理電路等的技術方案（圖2）。FY1探針和FY2探針的技術性能和指標對比見表1。

圖2 FY2型探針電子電路框圖和PCB板圖a.FY2型探針電子電路框圖，b.FY2型探針的PCB板圖片。Fig.2 Electronic circuit block diagram & PCB board picture for FY2 probea.FY2 probe electronic circuit block diagram,b.FY2 probe PCB board picture.

在技術改造中，F(xiàn)Y2探針用24位低功耗Σ-Δ型A/D轉換器替代了原來的16位低功耗A/D轉換器，使信號分辨率得以提高，將原來的以5 ℃為基準估算，信號分辨率40 μV，等效理論溫度分辨率1.33 mK等技術指標提高到以5 ℃為基準估算，信號分辨率0.3 μV，等效理論溫度分辨率0.01 mK，大幅度提高了信號處理水平。用32位低功耗ARM單片機取代了原來的16位低功耗DSP器件，增強了信號處理能力，降低了功耗。

除此之外，F(xiàn)Y2探針優(yōu)化了原數(shù)據(jù)存儲和通訊接口的設計，使改進后的自容式微型溫度測量記錄儀的存儲容量增大、傳輸速率提高、功耗降低。在整體設計方面，F(xiàn)Y2探針還做了其他方面改進。例如：①內置穩(wěn)壓電路，提高系統(tǒng)測量準確度及穩(wěn)定度；②內置硬件看門狗，提高了可靠性；③采用最新信號處理技術，提高測量信號的信噪比和抗干擾能力；④采用了人性化操作軟件（可升級），操作更為便捷。這些設計方案均使得FY2探針的各項技術性能和指標得到大幅優(yōu)化。

表1 升級前后探針技術性能對照表Table 1 Comparison table of Probe technical performance before and after upgrade

3 實驗測試

為了分析對比自容式微型溫度測量記錄儀在技術升級前后的性能差異，研究團隊對FY1探針和FY2探針分別做了實驗室恒溫水槽環(huán)境中的測溫對比和野外海底沉積物測溫對比的兩個實驗。

3.1 恒溫水槽內的測溫對比

為統(tǒng)一FY1探針和FY2探針的溫度測量參考點，同時對比測試同一標準溫度下兩套設備的技術性能差異。研究團隊在國家海洋計量站廣州分站對2支FY1探針和7支FY2探針進行了實驗室恒溫水槽內的測溫對比實驗。該恒溫水槽的主要技術指標：控溫波動性不大于0.002 ℃，均勻性不大于0.002 ℃；測溫電橋相對不確定度為0.3×10?6；一等標準鉑電阻溫度計的不確定度為0.001 ℃。

實驗過程：①同步FY1探針和FY2探針的時鐘，將所有探針采樣間隔設置為10 s。②將FY1探針和FY2探針捆綁在一起后置入實驗室恒溫水槽中，調整水槽溫度，使被測水體溫度分別保持在24.9953、20.0028、15.0038、10.0040、5.0028、0.0020 ℃標準溫度點至少5～8 min（圖3）。③取出探針，讀取FY1和FY2探針的測溫數(shù)據(jù)。④對FY1和FY2探針進行溫度校驗，具體過程為：讀取每只探針在各采樣時刻的熱敏電阻阻值，結合恒溫水槽標準溫度建立新的、更為準確的探針溫度—阻值關系。由于已記錄的熱敏電阻的數(shù)值是始終不變的，可依據(jù)新的溫度—電阻關系對測試探針的數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)處理，進而得到校驗后的測溫數(shù)據(jù)。⑤分析討論經(jīng)過校驗的FY1探針和FY2探針在同一標準溫度下的測溫性能差異。

圖3 實驗室各標準溫度點下FY1探針和FY2探針示值變化情況Fig.3 Changes of the indications for FY1 and FY2 probes at each standard temperature point in laboratories

其中，溫度校驗利用了STEINHART和HART方程（或R（所測量的熱敏電阻阻值）?T（計算出的溫度值）方程）[20]，即：

式中，T為從國家海洋計量站廣州分站恒溫槽內的標準鉑電阻中獲取的溫度值，單位為攝氏度（℃）；R是每支FY1或FY2探針求取出來的平均實測電阻值，單位為歐姆（Ω）；A、B、C為計算系數(shù)，該系數(shù)由給定的若干組R-T值代入公式解得。溫度校驗的實質是利用實驗室標準溫度T和探針在該溫度熱敏電阻阻值R求解系數(shù)，擬合出更貼近實際情況的STEINHART和HART方程，確保校驗后探針在一段時間內測溫的準確性。

通過對比校驗后的FY1探針和FY2探針對實驗室恒溫水槽標準溫度的實測數(shù)據(jù)（表2），可以進一步分析新、舊兩型探針在各方面技術性能上的差異。

表2 校準后FY1探針和FY2探針在各標準溫度點的測溫誤差Table 2 Temperature measurement errors for FY1 and FY2 probes at each standard temperature point after calibration

3.2 沉積物測溫對比

2020年5 月，搭載廣海局“海洋地質四號”調查船，在中國南海北部陸坡深水海域開展了FY1探針和FY2探針間的技術性能比測，實驗區(qū)概位見圖4。參試設備有：FY1探針4支、FY2探針4支、傾斜儀1支、作為貫入裝置的重力柱狀取樣器1套，水下定位系統(tǒng)信標1套。

圖4 試驗區(qū)的位置示意圖S為設備比測點。Fig.4 Schematic location map of the testing areaS shows the location of equipment comparison point.

實驗過程：調查船抵達位于南海北部陸坡區(qū)水深為1445 m的試驗點S（19.928°N、115.914°E），先將探針采樣間隔設為1 s，再將FY1探針和FY2探針各4支相間緊固在重力柱狀取樣器的取樣管上，再測量探針之間的相對距離，最后加掛水下定位信標。安裝有兩套不同版本的自容式微型溫度測量記錄儀的海底地熱流探測工作方式參見其他文獻[3-4]。設備回收后，下載數(shù)據(jù)，繪制測量數(shù)據(jù)（溫度和姿態(tài)）-時間變化曲線，見圖5所示。圖5中的綠色曲線代表傾斜儀測量記錄曲線，3次海底地熱流測量過程中的傾斜角均不足11°，說明本次實驗熱流探針3次貫入到海底沉積物中的設備姿態(tài)均近似于垂直。紅色曲線為4支FY1探針的記錄曲線，藍色曲線為4支FY2探針的記錄曲線。這些溫度曲線很好地記錄了探針在水體中停留、貫入海底、海底測量和從海底起拔等過程的溫度變化特征。

圖5 FY1探針與FY2探針3次插入海底沉積物過程中的溫度—時間變化曲線圖圖中紅色曲線為FY1探針采集的數(shù)據(jù)，藍色曲線為FY2探針采集的數(shù)據(jù)，綠色代表傾斜儀的采集數(shù)據(jù)。Fig.5 The temperature-time curve of the FY1 probe and FY2 probe inserted into the seabed sediment for three timesThe red curve in the figure is the data collected by the FY1 probe,the blue curve is that by the FY2 probe,and the green represents Inclinometer acquisition data.

在“恒溫水槽內的測溫對比”和“沉積物測溫對比”的兩個實驗中，F(xiàn)Y1探針和FY2探針均處在良好的工作狀態(tài)下，設備完好率達100%，數(shù)據(jù)有效率為100%，數(shù)據(jù)質量可靠。

4 實驗數(shù)據(jù)和技術性能的對比

本文以在“恒溫水槽內的測溫對比”和“沉積物測溫對比”兩個實驗結果為依據(jù)，重點對溫度測量的分辨率、精度和穩(wěn)定度等方面進行分析對比，系統(tǒng)討論了微型溫度測量記錄儀在技術升級改正前后的技術性能和特征。

4.1 測量分辨率的對比分析

測量分辨率通常指的是儀器能夠檢測和顯示的被測值的最小變化量。對于本文中的微型溫度記錄儀而言，測量分辨率即指記錄儀量值能夠檢測到溫度的最小變化量，等同于測量分辨率 (σ)是測量溫度（T）對記錄儀量值 (δ)的微分，即：

式中，溫度T（單位：℃）是測溫電阻R（單位：Ω）的函數(shù)，并遵循公式（1）。在公式（1）中，由于C遠遠小于B，在公式（2）中的第一項可簡化計算得到：

測溫電阻R與測量電壓U（單位：V）的關系決定于電路，其函數(shù)關系見以下公式：

因此，從公式2中的第二項可計算得到：

測量電壓U與記錄儀量值δ（單位：Ct）的關系是由記錄儀電路和內置高精度ADC器件性能決定的，呈線性關系，本文中的微型記錄儀采用高精度24位ADC，存在：

所以，從公式2中的第3項可計算得到：

最后，從公式3、5和7的聯(lián)立方程計算得到測量分辨率：

根據(jù)自推導的公式8，B≈ 1.8693×10?4。再設深海海底溫度0、2.5和5 ℃來進行估算，相應的等效測溫電阻分別為9.4453×104、8.3512×104和7.3966×104?，對應的等效測量電壓分別為0.3903、0.4664和0.5401 V，最終計算得到等效分辨率分別為9.0682×10?6、1.1969×10?5和1.5854×10?5℃/Ct。當FY2微型記錄儀的量值噪聲在1 Ct左右，可認為理論上其溫度測量分辨率可達到1.0×10?5℃。

在恒溫水槽內的測溫和深海海底沉積物測溫兩個對比實驗中，在10 s采樣間隔，或儀器允許的最小1 s采樣間隔下，不同位置處FY1探針和FY2探針的溫度示值表明（表3），F(xiàn)Y1探針溫度示值在百分位上保持穩(wěn)定，在千分位上以±0.001 ℃發(fā)生變化，表明其分辨率為0.001 ℃；而FY2探針溫度示值則在千分位上保持穩(wěn)定，在萬分位上以±0.0001 ℃發(fā)生變化，表明其分辨率優(yōu)于0.0001 ℃。在圖5中，相同1 s采樣間隔下，放大后FY2探針曲線比FY1探針對比顯得連續(xù)和光滑，而FY1探針出現(xiàn)了一些不規(guī)則臺階，再次表明FY2探針具有更高的測量分辨率。

4.2 測量準確度的對比分析

測量準確度反映了測量結果與真值接近程度的量。它與誤差的大小相對應，因此，可用誤差大小來表示精度的高低，誤差小則精度高，誤差大則精度低。本文中的微型溫度記錄儀精度的高低可用溫度示值與溫度真值之間的誤差大小來描述。從表2可知，F(xiàn)Y1探針在各標準溫度點下的測量誤差均小于等于±0.003 ℃，與早期的結果一致[19]；而FY2探針的測量誤差在±0.0015 ℃范圍之內，說明F Y2探針具有更高的測量準確度。

表3 實驗中FY1與FY2探針溫度示值變化對比Table 3 Comparison of temperature indication changes of FY1 and FY2 probes in the experiment

4.3 測量穩(wěn)定性的對比分析

測量穩(wěn)定性是指測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力。在實驗中，自容式微型溫度測量記錄儀的測量穩(wěn)定性，實質為在一定時間內經(jīng)校準后的探針在相同溫度環(huán)境下其測量溫度示值的穩(wěn)定性。在恒溫水槽內測溫對比實驗中，在各標準溫度點恒溫水槽環(huán)境下的5～8 min穩(wěn)定時段里，F(xiàn)Y1探針的溫度示值在百分位保持穩(wěn)定，在千分位以±0.001 ℃變化，而FY2探針則在千分位保持穩(wěn)定，在萬分位上以±0.0001 ℃變化（表3），說明了FY2探針具有更好的穩(wěn)定性。在沉積物測溫對比實驗中（圖6），F(xiàn)Y2探針組的溫度—深度間距關系的擬合公式R2值為0.9995，而FY1探針組的為0.9983；表4所列的3次插入結果也佐證了兩者對比中的FY2探針組具有更好的穩(wěn)定性。本文中的3次地溫梯度測量結果存在稍微差異，地溫梯度值分別為88.8、92.7和89.5 ℃/km，其測量值離散的原因是這些測試站位受海底流體活躍影響所致。這種在一個很小范圍內海底地熱流數(shù)據(jù)比較離散的現(xiàn)象，在南海北部陸坡的水合物勘探區(qū)比較普遍。該站位的平均地溫梯度為90.3±2.1 ℃/km，相鄰海域的沉積物熱導率為0.86 W/（m·k）[4]，海底地熱流值為78 mW/ m2。

表4 3次插入過程中，海底地溫梯度的線性擬合對比Table 4 The formula and data table for calculating the temperature gradient by linear fitting temperature-distance when inserting for three times

圖6 第1次插入海底并計算地溫梯度過程中，F(xiàn)Y1探針和FY2探針各自測得溫度點，溫度—探針間距線性擬合關系圖Fig.6 In the process of inserting into the seabed for the first time and calculating the geothermal gradient,the temperature points measured by the FY1 probe and the FY2 probe respectively,and the linear fitting relationship between temperature and probe distance

4.4 接口技術

接口技術主要是指計算機和溫度測量設備之間的數(shù)據(jù)傳輸技術。這涉及參數(shù)設置命令和數(shù)據(jù)讀取的準確性和速度。數(shù)據(jù)讀取試驗結果顯示，當兩組探針均以1 s采樣間隔采集5000個溫度數(shù)據(jù)時，F(xiàn)Y1探針組讀取數(shù)據(jù)平均用時104.59 s，而FY2探針組讀取相同數(shù)量的平均用時僅為7.92 s，后者的讀取速度比前者有顯著的提升。

基于深海儀器可靠性設計考慮，F(xiàn)Y1、FY2的通訊均采用無接頭單線異步半雙工通訊技術。這種設計的優(yōu)勢在FY1多年來海上工作和FY2試驗中均得到了充分證明。然而，在FY1探針研發(fā)和使用初期，探針主要是通過計算機的串口與設備單端接地的非標RS485接口實現(xiàn)單線通訊，在野外數(shù)據(jù)讀取時，非標接口降低了讀寫速度，還可能增加誤碼率。而技術升級后的FY2探針采用了標準單線串口傳輸技術，隨著計算機的更新?lián)Q代，主流計算機基本采用較高速的USB虛擬串口，F(xiàn)Y1探針的非標設計造成通訊不穩(wěn)定性越來越明顯，而FY2明顯通訊穩(wěn)定可靠，與計算機之間的通訊更為順暢。

“恒溫水槽測溫對比”和“沉積物測溫對比”兩個實驗結果表明，改進后的FY2探針較FY1探針在溫度測量分辨率、測量準確度和穩(wěn)定性等技術性能上都有了顯著的提升接口技術的改進，使得FY2探針數(shù)據(jù)讀取速度更快，誤碼率降低。

5 結論

基于前期自主研發(fā)的FY1探針的技術開發(fā)積累，對相關技術進行了升級改造，研發(fā)出了新型的FY2探針。在實驗室恒溫水槽和南海北部陸坡深水海域，分別對FY1和FY2兩組探針做了“恒溫水槽測溫對比”和“沉積物測溫對比”兩個實驗。實驗結果顯示，①與FY1探針相比，F(xiàn)Y2探針在溫度測量分辨率、精度、工作效率等技術指標更具優(yōu)勢，采集系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定；②FY2探針的通訊接口方面與現(xiàn)今主流計算機技術融合度更佳，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣雀?，準確度更高；③FY2探針技術性能全面超越技術升級改造前的FY1探針；④FY2的測量分辨率優(yōu)于0.0001 ℃，測量準 確度優(yōu)于±0.0015 ℃，比測點S（19.928°N、115.914°E）的海底熱流值為78 mW/ m2。實驗結果表明新設備具有高分辨率、高精度以及高效的測量能力的特點，將為未來的海底熱流探測與研究領域提供新的助力。

致謝：感謝中國地質調查局廣州海洋地質調查局、珠海市泰德企業(yè)有限公司、國家海洋計量站廣州分站和“海洋地質四號”船的全體調查人員，是他們的關心支持和辛勤勞動使得FY2探針的海上試驗得以順利完成！王先慶和李雨幫助清繪插圖，在此表示衷心致謝。