楊小秋，曾信，石紅才，于傳海，施小斌，郭興偉，王迎春，任自強(qiáng)，邵佳，許鶴華，衛(wèi)小冬，陳順，趙鵬, 龐忠和

1 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南海海洋研究所，南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院，廣州 511458 2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458 3 廣東海洋大學(xué)，陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源與環(huán)境廣東省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江 524088 4 中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071 5 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059 6 長江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢), 武漢 430074 7 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029 8 自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自然資源部第二海洋研究所，杭州 310012 9 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院海洋科學(xué)考察中心, 廣東珠海 519082

0 引言

大地?zé)崃?terrestrial heat flow)，系指地球內(nèi)熱以傳導(dǎo)方式傳至地表后向太空散失熱量的速率，攜帶著地球內(nèi)部各種物理-化學(xué)-地質(zhì)-生物作用及過程中能量平衡的寶貴信息，是一個(gè)表征地球熱演化和熱狀態(tài)綜合性的重要參數(shù)，為我們“窺視”地球內(nèi)熱提供了一個(gè)直接、有效的窗口，也為研究巖石圈熱結(jié)構(gòu)、熱演化及地球熱量收支等基礎(chǔ)問題提供了關(guān)鍵約束(汪集暘等, 2015).

全球大地?zé)崃饔^測(cè)(包括海底)結(jié)果表明，地球正以43～49 TW的速率散失熱量，其中約70%是從海底散失(圖1)(Pollack et al., 1993; Jaupart et al., 2007; Davies and Davies, 2010; Davies, 2013; Furlong and Chapman, 2013; 劉紹文和黃少鵬, 2015; 施小斌等, 2015; 張健和許鶴華, 2015; Lucazeau, 2019).20世紀(jì)五六十年代海底熱流探測(cè)結(jié)果對(duì)海底擴(kuò)張理論的建立與發(fā)展起了非常積極的作用(Hess, 1962; Langseth et al., 1966; Le Pichon, 1968).顯然，海底熱流是大地?zé)崃鞯闹匾M成部分，也是研究海洋巖石圈熱-流變結(jié)構(gòu)、地球動(dòng)力學(xué)、大陸邊緣沉積盆地演化、海底熱液活動(dòng)以及開展油氣水合物資源評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

現(xiàn)今海底熱流數(shù)據(jù)主要通過海底鉆孔(如石油鉆井和深海科學(xué)鉆孔)測(cè)溫和海底熱流探針測(cè)量獲得.海底鉆孔因技術(shù)難度高、成本昂貴，導(dǎo)致數(shù)量稀少、空間分布有限.海底熱流探針測(cè)量，雖也非易事(不僅受海況、科考船綜合條件等因素限制，同時(shí)還需船舶、船員與調(diào)查人員的密切配合，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性)，但相對(duì)海底鉆孔測(cè)溫，還是具有靈活、高效及低成本等優(yōu)勢(shì)，仍然是獲取全球海洋熱流的重要途徑(楊小秋等, 2013; 施小斌等, 2015).

淺海和俯沖海溝等特殊深海海域，通常位于大陸地殼和海洋地殼之間的過渡帶，不僅是礦產(chǎn)和油氣等自然資源的主要潛力區(qū)(Yamano et al., 1982; 龐雄等, 2006; 朱偉林等, 2008, 2017; 吳時(shí)國等, 2008, 2020; 解習(xí)農(nóng)等, 2011; 米立軍, 2018; 米立軍等, 2019)，同時(shí)也是構(gòu)造上重要的區(qū)域.例如，在大多數(shù)俯沖帶中，沿板塊界面的巨大逆沖地震破裂區(qū)位于淺海之下.這些區(qū)域下的熱流和溫度分布信息對(duì)于了解板塊俯沖和巖漿上升的過程至關(guān)重要.它還有助于了解包括上地?？拐饚г趦?nèi)的深部地球物理性質(zhì).對(duì)于這些震源區(qū)的物理和化學(xué)過程的研究，地下熱結(jié)構(gòu)的信息是必不可少的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)過程都受原位溫度條件的影響(Yoshii, 1979; Peacock and Wang, 1999; Gao and Wang, 2014, 2017).海底熱流數(shù)據(jù)對(duì)地下熱結(jié)構(gòu)的估算提供了重要的邊界約束.而海溝與島弧之間的區(qū)域，其熱流從俯沖帶極低變到火山前緣極高(Yamano et al.,1992,2003, 2014; Spinelli and Wang, 2008; Spinelli and Harris, 2011).由上可知，淺海和俯沖海溝等深海海域的熱流測(cè)量是俯沖帶熱結(jié)構(gòu)與流變性質(zhì)研究的重要且關(guān)鍵一環(huán)(Hyndman and Wang, 1993; Wang et al., 1995; Hamamoto et al., 2005, 2011; Marcaillou et al., 2012; Gao and Wang, 2014; 高翔, 2017).但淺海和俯沖海溝等特殊深海海域，因受季節(jié)、洋流、底流及潮汐等因素影響，其底水溫度波動(dòng)(BTV，Bottom Water Temperature Variations)較大，導(dǎo)致海底表層沉積物溫度受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，致使同一站位不同時(shí)間測(cè)獲的地溫梯度不同，甚至反轉(zhuǎn).因此，與底水溫度相對(duì)穩(wěn)定的絕大部分深海海域不同，在淺海和俯沖海溝等BTV較大海域，無法由常規(guī)的船載海底熱流探針準(zhǔn)確測(cè)量其海底熱流(Redfield, 1965; Lee, 1977; Lee and Cohen, 1979; Wang et al., 1986; 喻普之和李乃勝, 1992; 李乃勝, 1994; Davis et al., 2003; Hamamoto et al., 2005; Kinoshita et al., 2009).

圖1 全球地表熱流(q)分布圖(Lucazeau, 2019)該熱流分布是基于14種地質(zhì)與地球物理觀測(cè)結(jié)果綜合估算而得，包括洋底年齡(CCGM/CGMW, 2000; Müller et al., 2008)、地震層析成像(Shapiro and Ritzwoller, 2002)、巖石圈厚度(Conrad and Lithgow-Bertelloni, 2006)、居里點(diǎn)深度(Li et al., 2017)、自由空間異常(Sandwell and Smith, 2009)、地形(Kautz, 2017)及與多種構(gòu)造特征(裂谷、造山帶、活動(dòng)地震帶、火山帶和太古代核)的距離.熱流觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的差異不到7 mW·m-2.Fig.1 Global map of earth surface heat flow (Lucazeau, 2019)This prediction is based on 14 observables, including age of the ocean seafloor (CCGM/CGMW, 2000; Müller et al., 2008), seismic tomography (Shapiro and Ritzwoller, 2002), lithospheric thickness (Conrad and Lithgow-Bertelloni, 2006), Curie point depth (Li et al., 2017), free air anomalies (Sandwell and Smith, 2009), topography (Kautz, 2017), and distance to several tectonic features (rifts, orogens, active seismic zones, volcanic zones, and Archean cores). The misfit between observed and predicted heat flow is noticeably reduced to 7 mW·m-2.

因此，研制海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)，投放到淺海和俯沖海溝等BTV較大海域進(jìn)行海底原位長期觀測(cè)，并開展長時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理與解算方法研究，消除BTV造成的影響以獲得有效的海底熱流數(shù)據(jù)，從而解決針對(duì)BTV較大海域的熱流探測(cè)原理與技術(shù)這一核心問題.這將有效地拓展海底熱流探測(cè)技術(shù)，可在淺海和俯沖海溝等BTV較大海域立即得到實(shí)際應(yīng)用，為海洋巖石圈熱-流變結(jié)構(gòu)、俯沖帶地震物理、地球動(dòng)力學(xué)、大陸邊緣沉積盆地演化等基礎(chǔ)研究提供堅(jiān)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)保障；同時(shí)對(duì)天然氣水合物等新型海洋油氣與礦產(chǎn)資源勘測(cè)都具有重要意義.

1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

大地?zé)崃髅芏?q)是單位時(shí)間、單位面積內(nèi)地球內(nèi)部向外散失的熱量，簡稱大地?zé)崃?因此，海底熱流密度(簡稱海底熱流)測(cè)量的基本方法是將海底熱流探針從科考船上下放并插入海底沉積物(圖2a)，測(cè)量海底表層沉積物不同深度處的溫度以便獲取地溫梯度(dT/dZ)(圖2b)，同時(shí)通過柱狀取樣后在室內(nèi)測(cè)試沉積物熱導(dǎo)率(如圖2a)，或通過熱脈沖獲取海底沉積物原位熱導(dǎo)率(Lister型探針)，再基于傅里葉熱傳導(dǎo)定律計(jì)算海底熱流(即q=-λ(dT/dZ)).

圖2 海底熱流探測(cè)基本方法與原理示意圖(以可取柱樣的Ewing型探針為例)Fig.2 Schematic diagram of the basic method and principle of seafloor heat flow measurements (take the Ewing-type probe with column sample as an example)

現(xiàn)今廣泛使用的常規(guī)海底熱流探針主要有尤因型(Ewing-type)(Nagihara and Lister, 1993; Villinger et al., 1999; Pfender and Villinger, 2002)(圖2)和李斯特型(Lister-type)(Lister, 1970, 1979; Nagihara and Lister, 1993)兩大類.它們都是在20世紀(jì)五六十年代布拉德型探針(Bullard-probe)(Bullard, 1954; Bullard and Day, 1961)和早期尤因型探針(Corer-outrigger)(Gerard et al., 1962)基礎(chǔ)上，隨著電路集成技術(shù)、數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展起來的.近20年來，我國多家涉海單位，在借鑒國際上相關(guān)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開始了我們自己的海底熱流探針改造與研制，例如廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局(徐行等, 2005, 2012; 羅賢虎等, 2007; 陳宗恒等, 2009; 李亞敏等, 2010; 彭登等, 2014)、臺(tái)灣大學(xué)海洋研究所(中國)(Shyu et al., 1998, 2006; Chang and Shyu, 2011; Wu et al., 2019; Chen et al., 2020)、自然資源部第一海洋研究所(丁忠軍等, 2008; 李官保等, 2009, 2010a,b; 李正光等, 2011)、中國科學(xué)院南海海洋研究所(楊小秋等,2007,2009a,b, 2013, 2014; Qin et al., 2013)，并在南海、東海、印度洋及沖繩海槽開展了大量的海底熱流測(cè)量.另外，近幾年自然資源部國家海洋技術(shù)中心在海底熱流探測(cè)技術(shù)研發(fā)方面也進(jìn)行了有益探索(鄭國芝等, 2009; 羅玉璽等, 2012; 呂九紅等, 2016).

常規(guī)船載Ewing型和Lister型海底熱流探針，可在底水溫度波動(dòng)(BTV)微弱的絕大多數(shù)深海海域測(cè)得高質(zhì)量熱流數(shù)據(jù)，但不適合用于BTV較大的區(qū)域.例如，圖3是利用Ewing型海底熱流探針在東海陸架溫州外海幾乎同一測(cè)點(diǎn)(水深64～69 m)，成功獲得海底表層約9 m內(nèi)春、秋兩季溫度剖面(喻普之和李乃勝, 1992; 李乃勝, 1994; Li et al., 2006)；圖4是利用長期觀測(cè)系統(tǒng)在Nankai海槽水深1040 m和2055 m的兩個(gè)站位獲得8個(gè)月以上的海底沉積物溫度波動(dòng)(Hamamoto et al., 2005).這些觀測(cè)結(jié)果典型地反映了：淺海和俯沖海溝等特殊深海海域，因受季節(jié)、洋流、底流及潮汐等影響，其BTV較大且強(qiáng)烈擾動(dòng)表層沉積物溫度場(chǎng)，使得同一站位不同時(shí)間測(cè)得的地溫梯度不同，甚至出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，導(dǎo)致無法獲得準(zhǔn)確的背景地?zé)釁?shù).

圖3 東海淺水區(qū)(64～69 m) KX90-1_HF16站位春季與秋季海底表層沉積物溫度剖面(Li et al., 2006)Fig.3 Seafloor sediment temperature profiles in Spring and Autumn at station KX90-1_HF16 in shallow waters of the East China Sea (64～69 m) (Li et al., 2006)

BTV通常由短周期、中長周期和非周期性的影響因素混合疊加而成，其短周期部分(如地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的晝夜變化)幅度較小，衰減快，影響深度淺，而中長周期部分(如地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致的季節(jié)變化等)幅度較大，衰減較慢，影響較深.例如以天為周期的BTV只能影響到約0.5 m深度，而以季節(jié)為周期的BTV則可影響到8～9 m深的沉積物溫度(Wang et al., 1986; 喻普之和李乃勝, 1992; Davis et al., 2003; Li et al., 2006).常規(guī)海底熱流探針的探測(cè)深度通常在6～10 m，去除最表層0.5～1 m內(nèi)的沉積物溫度數(shù)據(jù)后，基本可以避免短周期BTV影響.但常規(guī)海底熱流探針通常無法穿透中長周期BTV的擾動(dòng)深度.為此，有些學(xué)者嘗試通過在同一站位(或局部區(qū)域內(nèi))不同季節(jié)開展多次測(cè)量，并假設(shè)該海域BTV的主要分量為季節(jié)性年周期變化，進(jìn)而開展理論校正獲得該局部海域的背景地?zé)釁?shù)(Lee and Cox, 1966; Matsubara et al., 1982; Wang et al., 1986; Li et al., 2006).實(shí)際上不同海域其BTV，不僅包含日地月系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的晝夜和季節(jié)性周期變化部分，還有風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)、海嘯及其他未知因素導(dǎo)致的非周期波動(dòng)，其影響深度和幅度不定，或許并不可忽視(Matsubara et al.,1982; Hamamoto et al.,2005).由此可知，這類理論校正方法因無法全面考慮BTV中各部分的實(shí)際影響，其普適性和有效性都受到限制.

然而，通過穿透BTV影響深度測(cè)得深部地層溫度用于計(jì)算背景熱流是一種非?？煽康姆椒?Matsubara et al., 1982; Hamamoto et al., 2005).比如加大常規(guī)海底熱流探針的探測(cè)深度來實(shí)現(xiàn)穿透BTV影響深度.但探針一旦太長，其作業(yè)難度和風(fēng)險(xiǎn)等各種問題將突顯出來(比如受設(shè)備重量、科考船的實(shí)施能力、海底底質(zhì)情況的約束等)，而且開展測(cè)量之前，感興趣的研究區(qū)BTV的影響深度通常也是未知，這種情況下，探針長度到底多長才合適也將成為一個(gè)問題.例如，在我國東海陸架溫州外海(水深64～69 m)，使用加長后的Ewing型海底熱流探針成功插入海底沉積物9 m深，但仍然未穿透該海域BTV影響深度(圖3)，使得無法直接從獲得的溫度-深度剖面獲得可靠的地溫梯度(喻普之和李乃勝, 1992; 李乃勝, 1994; Li et al., 2006).由此可見，通過加長海底熱流探針或許也不是一個(gè)很有效的解決辦法.不過，在淺海和俯沖海溝等BTV強(qiáng)烈海域開展大洋科學(xué)鉆探和海底油氣資源勘查鉆井過程中，若同時(shí)獲取鉆孔深部溫度和巖心樣品熱物性，則可獲得真實(shí)可靠的地?zé)釁?shù)(袁玉松, 2007; Kinoshita et al., 2009; Chester et al., 2012; Fulton et al., 2013; Expedition 349 Scientists, 2014; 唐曉音等, 2016; 徐行等, 2017;張文濤等, 2018; 胡圣標(biāo)等, 2019).圖5展示了日本東北大地震(MW9.0, 2011-03-11)后，在日本海溝開展地震斷層科學(xué)鉆探過程中的鉆孔測(cè)溫概況(IODP Exp.343/343T)(改自(林為人等, 2014)和https:∥www.jamstec.go.jp/cdex/e/techdevelopment/ltbms/jfast.html).這種方法是將多個(gè)自容式(即自帶電池和存儲(chǔ)器)微型測(cè)溫單元固定在纜繩上組成溫度鏈，再由水下機(jī)器人布放于海底鉆孔中進(jìn)行溫度測(cè)量(圖5b—d，改自http:∥www.jamstec.go.jp/e/about/press_release/20130430/).

圖4 日本Nankai海槽A、B兩站位海底表層不同深度沉積物溫度隨時(shí)間波動(dòng)記錄(a1,b1)及消除BTV影響后不同深度沉積物溫度(a2,b2) (Hamamoto et al., 2005) (CH1是最淺層的測(cè)溫通道, CH7和CH4是A、B兩站位最深的測(cè)溫通道)Fig.4 Seafloor shallow sediment temperature variations at different depths at stations A and B in the Nankai Trough, Japan (a1,b1), and residual temperature variations after correction for the influence of BTV (a2,b2) (Hamamoto et al., 2005) (CH1 is the shallowest temperature channel; CH7, CH4 is the deepest temperature channels at stations A and B, respectively)

圖6 CORKs系統(tǒng)海底鉆孔測(cè)溫示意圖(Kinoshita et al., 2009)(a) 鉆孔測(cè)溫示意圖; (b) 溫度鏈與沉塊; (c,d) ROV水下操作過程.Fig.6 Schematic diagram of borehole temperature measurement in CORKs system(a) Sketch of borehole temperature measurement; (b) Temperature chain and sinking block; (c, d) ROV operation process underwater.

圖7 自浮式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)(PLHF) (Yamano, 2009)(a) PLHF系統(tǒng)實(shí)物; (b) 投放觀測(cè)示意圖; (c) 釋放回收示意圖.Fig.7 Pop-up Long-term Heat Flow Instrument (PLHF) (Yamano, 2009)(a) Working photo of the PLHF; (b) Observation diagram after penetrating into seafloor sediments; (c) Recovering diagram after releasing.

同時(shí)，日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAMSTEC)發(fā)展了一種與上述海底鉆孔測(cè)溫類似的方式來開展相關(guān)觀測(cè)，他們稱之為Circulation Obviation Retrofit Kits(簡稱CORKs或者ACORKs)(圖6).CORKs核心部件主要包括數(shù)據(jù)記錄艙(含電池)和傳感器鏈.實(shí)際作業(yè)時(shí)，在水下機(jī)器人的協(xié)助下，將帶沉塊的多傳感器鏈?zhǔn)綔y(cè)量儀(包括溫度)下放到海底鉆孔的套管中(比如IODP鉆孔)，通過多個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)鉆孔不同深度處的溫度波動(dòng)，所有數(shù)據(jù)保存在井口的數(shù)據(jù)記錄艙中.回收時(shí)，水下機(jī)器人將井口的數(shù)據(jù)記錄艙取回，換上一個(gè)帶新電池的數(shù)據(jù)記錄艙，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)長期觀測(cè)(Kinoshita et al., 2009).

上述基于鉆孔的測(cè)量方式，可靈活替換測(cè)溫通道及增減數(shù)量，測(cè)量深度可以達(dá)到數(shù)百米(取決于鉆孔深度).實(shí)際上這種觀測(cè)方式的主要目的在于同震監(jiān)測(cè)與研究，因此不僅能獲取地溫?cái)?shù)據(jù)，還可獲取其他地球物理和地球化學(xué)綜合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù).由此可知，基于海底鉆孔獲取BTV影響深度以下的深部溫度方式，其成本非常昂貴，且站位的分布數(shù)量非常稀少，大多數(shù)感興趣的研究區(qū)幾乎沒有鉆孔.

為此，近幾十年來，科學(xué)家們根據(jù)實(shí)際科研需求，逐步發(fā)展出相對(duì)靈活且獨(dú)立的海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)，投放在感興趣的研究區(qū)域，獲取其底水溫度長期波動(dòng)特征，通過長時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù)分析消除BTV影響，以便獲得研究區(qū)準(zhǔn)確的背景地?zé)釁?shù).下面將詳細(xì)介紹目前國際上正在使用的兩類海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)——自浮式和基于水下機(jī)器人(ROV)作業(yè)的長期觀測(cè)系統(tǒng).

1.1 自浮式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)

為消除海底溫度周期性變化對(duì)地溫梯度測(cè)量產(chǎn)生的影響，同時(shí)考慮便于隨科考船前往感興趣的研究區(qū)站位投放與回收，日本東京大學(xué)地震研究所自20世紀(jì)七八十年代，開始研制并逐步完善形成了一套可投入實(shí)際使用的自浮式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)(PLHF，Pop-up Long-term Heat Flow Instrument)(Yamano, 2009).這套系統(tǒng)主要由浮體(安置有記錄單元、聲學(xué)釋放器、電源、浮球)、溫度探針、重塊及水下切割模塊組成(圖7)，前端溫度探針長2 m，內(nèi)部等間距安裝6～7個(gè)溫度傳感器，測(cè)溫分辨率為0.001 K，采樣間隔2 s～1 d內(nèi)可調(diào)，可在海底連續(xù)觀測(cè)約400天.當(dāng)觀測(cè)結(jié)束時(shí)，水下單元接收到調(diào)查船發(fā)出的釋放命令后，啟動(dòng)切割機(jī)，將溫度探針與回收艙之間的水密纜切斷，浮體與重塊、溫度探針分離(圖7c)，靠自身浮力上浮至海面以便打撈回收.

Yamano等使用PLHF系統(tǒng)在日本Nankai海槽水深1040 m(133°41.10′E, 32°48.10′N)和2055 m(136°25.05′E, 33°25.03′N)的兩個(gè)站位長期觀測(cè)獲得海底表層沉積物不同深度的溫度波動(dòng)(圖4a1, 圖4b1)，并通過長時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析獲得消除BTV影響后不同深度處沉積物溫度分布(圖4a2, 圖4b2)，進(jìn)而得到有效的背景地溫梯度和熱流(Hamamoto et al., 2005).這套系統(tǒng)已多次投放于日本海溝(Japan Trench)和Nankai海槽等BTV較大的海域進(jìn)行長期觀測(cè)(Hamamoto et al., 2005; Yamano, 2009)，獲得了一系列高質(zhì)量熱流數(shù)據(jù)，為俯沖帶熱結(jié)構(gòu)、孕震機(jī)制及水熱循環(huán)活動(dòng)等研究提供了非常基礎(chǔ)的地?zé)釋W(xué)參數(shù)(Gao and Wang, 2014; Kawada et al., 2014; Yamano et al., 2014; Yamano and Kawada, 2017).

PLHF作業(yè)方式方便、靈活，只要作業(yè)海況不太差，即可通過搭載科考船進(jìn)行投放與回收，適用于大部分海域工作.不過該設(shè)備依靠自身重力實(shí)現(xiàn)測(cè)溫探針的插入，若海底底質(zhì)較硬，則無法成功插入.因此，在投放PLHF系統(tǒng)前，通常都需要通過參考地震剖面所反映的沉積物厚度，并利用重力取樣器采樣進(jìn)行底質(zhì)調(diào)查.且該自浮式設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在回收時(shí)需要通過水聲通訊器進(jìn)行喚醒，啟動(dòng)電動(dòng)切割機(jī)割斷探針中的傳感器電纜，以實(shí)現(xiàn)重塊與儀器艙的分離.因此，這種回收模式對(duì)設(shè)備釋放的可靠性要求較高，回收風(fēng)險(xiǎn)比較大.同時(shí)，這種回收模式需要拋棄重塊和插入海底沉積物中的溫度探針(圖7c)，只有將新的溫度探針與數(shù)據(jù)采集模塊重新連接并進(jìn)行整體測(cè)試之后才能繼續(xù)使用.這不僅成本太高，也大大降低了系統(tǒng)的整體重復(fù)使用性.

1.2 基于水下機(jī)器人的海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)

隨著水下機(jī)器人作業(yè)技術(shù)的逐步發(fā)展與成熟，科學(xué)家們還發(fā)展出基于水下機(jī)器人(ROV)作業(yè)的海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)(LTMS，Long-term Heat Flow Monitoring System)(圖8)(Ashi, 2006; Morita et al., 2007).LTMS由數(shù)據(jù)記錄艙(包含電池和測(cè)溫電路)和兩支溫度傳感器探針組成，傳感器探針長0.76 m，直徑13 mm，6個(gè)溫度傳感器以間距10 cm均勻排列在鈦合金探針中.溫度探針與數(shù)據(jù)記錄艙之間通過1.8～2.8 m長的水密電纜相連，其測(cè)溫分辨率與精度分別為0.001 K和0.01 K，采樣間隔可調(diào)，通常設(shè)置為10 min，觀測(cè)周期至少2年，工作水深可達(dá)6000 m.作業(yè)時(shí)，ROV攜帶LTMS至海底，然后通過機(jī)械臂將溫度探針從系統(tǒng)框架中取下并插入沉積物中(圖8b)；回收時(shí)ROV將溫度探針拔出后與數(shù)據(jù)記錄艙一起帶回科考船(Morita et al., 2007).

相對(duì)PLHF自浮式系統(tǒng)而言，LTMS的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，基于可視化的ROV進(jìn)行布放和回收，作業(yè)安全、成功率高.但是，LTMS的支架和數(shù)據(jù)記錄艙尺寸為1.20 m×0.43 m×0.51 m，水下重量達(dá)22 kg(空氣中重量39.6 kg).而ROV的搭載能力通常是有限的，這就導(dǎo)致布放與回收LTMS時(shí)，運(yùn)載能力稍弱的ROV很難同時(shí)開展其他設(shè)備的海底作業(yè).

圖9所示的是日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAMSTEC)研發(fā)的一種結(jié)構(gòu)小巧、集成度很高的探針(SAHF，Stand-Alone Heat Flow meter).SAHF既可以用于海底局部區(qū)域的精細(xì)、高密度熱流測(cè)量，也適用于海底熱流長期觀測(cè).它由儀器艙和溫度探針組成，儀器艙長525 mm，直徑58 mm，用來安置測(cè)量電路板和電池；鈦合金傳感器探針長610 mm，直徑13.8 mm，內(nèi)有5個(gè)熱敏電阻，間距110 mm，探針內(nèi)填充導(dǎo)熱油.SAHF的測(cè)溫分辨率與精度分別為0.001 K和0.01 K，采樣間隔可調(diào)，工作水深可達(dá)6000 m.作業(yè)時(shí)，由水下機(jī)器人攜帶SAHF到海底，開始工作前先進(jìn)行通道一致性校準(zhǔn)(機(jī)械臂橫向夾持探針，使其保持水平約5 min)，校準(zhǔn)結(jié)束后插入沉積物，站點(diǎn)式測(cè)量時(shí)間至少需要15 min.測(cè)量結(jié)束后由機(jī)械臂拔出并帶回水面.SAHF整體簡潔小巧，全長1135 mm，空氣中重3～4 kg，水下重1.5～3 kg，專為水下機(jī)器人作業(yè)而設(shè)計(jì).因此在基于ROV的海底熱流測(cè)量中，SAHF具有操作靈活、可靠性好、成功率高等優(yōu)點(diǎn).

圖8 基于ROV作業(yè)的海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)(LTMS) (a)及海底工作照(b) (Ashi, 2006)作業(yè)站位：136°33.4535′E, 33°36.4673′N; 水深2020～2060 m.Fig.8 Long-term Heat Flow Monitoring system (LTMS) (a) which is based on ROV and its working photo on seafloor (b) (Ashi, 2006)Station position:136°33.4535′E, 33°36.4673′N; Water depth: 2020～2060 m.

經(jīng)過國內(nèi)外文獻(xiàn)全面調(diào)研，發(fā)現(xiàn)只有日本科學(xué)家在近30年的時(shí)間內(nèi)發(fā)展了上述自浮式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)(PLHF)和基于ROV作業(yè)的海底長期觀測(cè)系統(tǒng)(LTMS和SAHF)(圖7—9)，而其他國家科學(xué)家雖然也嘗試各種辦法消除底水溫度波動(dòng)(BTV)對(duì)淺層沉積物溫度場(chǎng)擾動(dòng)的影響，但總體上都仍處在考慮通過海底鉆孔或在同一測(cè)點(diǎn)不同季節(jié)開展多次測(cè)量然后假設(shè)BTV主要成分為年周期進(jìn)行理論校正階段(Lee and Cox, 1966; Lee, 1977; Lee and Cohen, 1979; Wang and Beck, 1987)，還未直接發(fā)展海底熱流長期觀測(cè)設(shè)備.

2 我國海底熱流長期觀測(cè)研究與技術(shù)研發(fā)概況

我國最早探討如何獲取淺海熱流，是20世紀(jì)90年代初在國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院共同資助的重大項(xiàng)目“中國東南海陸巖石圈的組成、結(jié)構(gòu)與演化”和基金項(xiàng)目“中國東部海域地殼熱流與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系的研究”中，中國科學(xué)院海洋研究所和東京大學(xué)地震研究所合作，在東海陸架溫州外海利用日方的Ewing型海底熱流探針開展了多次測(cè)量(KX90-1_HF16，122°10.9′E，28°01.6′N，水深64 m；KX91-1_HF15，122°11.0′E，28°02.1′N，水深69 m)，成功獲得幾乎同一測(cè)點(diǎn)海底表層約9 m內(nèi)春、秋兩季溫度剖面(圖3)，通過假設(shè)該區(qū)域BTV的主要成分是季節(jié)性年周期而進(jìn)行了BTV理論校正獲得熱流數(shù)據(jù)(喻普之和李乃勝, 1992; 李乃勝, 1994; Li et al., 2006).同時(shí)，在中-日聯(lián)合航次KX90-1(1990.3.5—4.3)過程中，在東海水深104.8 m的LTMS-1站位(127°00.70′E，31°07.59′N)投放了日方的LTMS系統(tǒng)進(jìn)行長期觀測(cè)，以便消除淺海區(qū)BTV的影響而獲得背景熱流.但遺憾的是，該站位的原始數(shù)據(jù)及后續(xù)研究結(jié)果均未見公開.近期與當(dāng)時(shí)的中方負(fù)責(zé)人喻普之先生和李乃勝研究員及日方負(fù)責(zé)人之一Yamano教授了解得知，在后續(xù)的KX90-2(1990.9.1—9.20)和KX91-1(1991.8.20—9.7)兩個(gè)聯(lián)合航次中，均未能成功收回該套LTMS長期觀測(cè)系統(tǒng).Yamano推測(cè)其原因應(yīng)該是漁民在該海域開展拖網(wǎng)捕魚活動(dòng)過程中破壞了這套LTMS長期觀測(cè)系統(tǒng).

隨著我國的深潛技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)、“奮斗者”號(hào)、“海馬”號(hào)及“彩虹魚”號(hào)等多套深海潛水器逐步下水作業(yè)，給海底科學(xué)研究與探測(cè)帶來了新的平臺(tái)與機(jī)會(huì).近年來，我國廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局自主研制了基于水下機(jī)器人(ROV)作業(yè)的海底熱流探針“針魚”(圖10) ，并已在多個(gè)航次中基于“海馬”和“蛟龍”號(hào)進(jìn)行了海底熱流測(cè)量試驗(yàn)和應(yīng)用，其原理類似于Ewing型探針站位測(cè)量，取得了一批寶貴的海底熱流數(shù)據(jù)和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)(梁康康, 2014; 梁康康等, 2014)，且有望直接或改進(jìn)后用于長期觀測(cè)(雖然未見相關(guān)報(bào)道).

綜上所述，我國在海底熱流長期觀測(cè)技術(shù)研發(fā)方面仍未正式開展.為此，我們提出系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)，其基本理念是：1)由多個(gè)自容式微型測(cè)溫單元旋接組成溫度探針(圖11a).一是可依據(jù)站位底質(zhì)和作業(yè)海況靈活調(diào)整探針長度；二是若在投放過程中因底質(zhì)過硬而導(dǎo)致探針彎曲或損壞，只需更換受損單元即可繼續(xù)使用.2)系纜式投放與回收模式中，釋放器接收到釋放命令后，釋放浮球，浮球向水面浮起的同時(shí)將儲(chǔ)纜艙中的專用纜繩帶到海面(圖11b中階段2)；科考人員打撈浮球后，通過纜繩將整套長期觀測(cè)系統(tǒng)拔出并收回(圖11b中階段3)，而無需拋棄任何模塊.在數(shù)據(jù)下載后，通過更換電池和重新設(shè)置，即可重復(fù)使用.這將大大提高設(shè)備的使用效率以及節(jié)約成本，同時(shí)也可大大減少海底環(huán)境污染，更為環(huán)保.3)回收時(shí)，浮球只需將浮力纜繩帶到海面(圖11b中階段2).因此，該系統(tǒng)坐底部分還可適當(dāng)搭載其他觀測(cè)設(shè)備(比如物理海洋底邊界觀測(cè)所需微型溫、鹽、深等探頭)，同時(shí)為其他學(xué)科觀測(cè)與研究提供平臺(tái)，從而拓展成多學(xué)科綜合觀測(cè)系統(tǒng).4)該系纜式投放與回收模式作業(yè)成功后，同樣也可用于其他坐底長期觀測(cè)系統(tǒng)(例如海底地震儀、海底大地電磁測(cè)深儀、海底GPS觀測(cè)系統(tǒng)等)，實(shí)現(xiàn)無拋棄、整體回收.

圖10 基于ROV作業(yè)的海底熱流探針“針魚”(a)及工作照(b)(梁康康等, 2014)Fig.10 Seafloor heat flow Probe (Zhenyu) which is also based on ROV (a) and its working photo on seafloor (b) (Liang et al., 2014)

圖11 系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)投放與回收示意圖(a) 溫度探針結(jié)構(gòu)示意圖與多個(gè)微型測(cè)溫單元旋接組成實(shí)物圖; (b) 系纜式投放與回收作業(yè)模式示意圖.Fig.11 Deployment and Recovering diagram of long-term heat flow monitoring system with rope(a) Diagram and working photo of the temperature probe with several miniature temperature units; (b) Deployment and Recovering diagram of the system with rope.

2013年至今，我們基于前期自主發(fā)展的自容式微型測(cè)溫技術(shù)，為系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)的正式研制陸續(xù)開展了一系列準(zhǔn)備工作，主要有：1)長周期低功耗測(cè)溫技術(shù)研究，2)南海北部底水溫度波動(dòng)長期觀測(cè)，3)湖底沉積物和淺孔溫度波動(dòng)長期觀測(cè)，4)溫度探針系纜式投放與回收海試.下面將簡要介紹.

2.1 長周期低功耗測(cè)溫技術(shù)

為滿足在底水溫度波動(dòng)(BTV)較大的海域進(jìn)行海底熱流原位長期觀測(cè)的需求，我們?cè)谝颜莆盏淖匀菔轿⑿蜏y(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)上，嘗試性進(jìn)行了低功耗改進(jìn)，于2014年實(shí)現(xiàn)了一種長周期低功耗溫度采集電路，并與鈦合金耐壓外殼集成為新版低功耗自容式微型測(cè)溫單元(圖12)(曾信等, 2016).

2.2 南海北部底水溫度波動(dòng)長期觀測(cè)

為海底原位測(cè)試自主研制的長周期低功耗測(cè)溫單元，同時(shí)了解我國南海北部底水溫度變化規(guī)律，我們于2013年4—5月份和2014年5月份將低功耗微型測(cè)溫單元捆綁在海底地震儀(OBS)上，在東沙、西沙等海域(圖13)成功獲取了其中6個(gè)站位的底水溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)(圖14)，信息列于表1.

圖12 長周期低功耗測(cè)溫電路與集成后的微型測(cè)溫單元實(shí)物圖Fig.12 Long-term low power consumption temperature measurement circuit and integrated miniature temperature probe

從觀測(cè)結(jié)果可知：我國南海北部淺水區(qū)底水溫度波動(dòng)(BTV)確實(shí)存在，但不同海域，其波動(dòng)程度不盡相同.具體而言：1) 西沙海域BTV較大，水深1204 m的2013-OBS10站位BTV為0.182 ℃(40 h內(nèi), 圖14a，表1)，水深856 m的2013-OBS05站位BTV則達(dá)到0.417 ℃(48 h內(nèi)，圖14b，表1).一方面這是由于水深較淺，另外一方面可能是沿著西沙海槽的強(qiáng)底流所致，這勢(shì)必會(huì)對(duì)海底表層沉積物溫度分布造成較大影響，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的站位式測(cè)量無法獲取可靠的海底地?zé)釁?shù).且西沙海域這兩個(gè)站位的底水溫度存在陡降現(xiàn)象，這或許是深海渦旋所致(Chen et al., 2015).2) 而東沙海域水深2600～3200 m的2014-OBS30、-OBS36及-OBS39站，其BTV在～17天內(nèi)只有0.025～0.053 ℃，相對(duì)較小，且具有潮汐作用所致的天周期高頻分量，其振幅約0.005～0.01 ℃(圖14d—f，表1).這對(duì)海底表層沉積物地溫場(chǎng)分布影響不大.而水深3516 m的2014-OBS33站位，其BTV觀測(cè)結(jié)果中與該海域其他三個(gè)鄰近站位的特征不同，并未出現(xiàn)明顯的天周期波動(dòng)分量，且在2014年5月17日驟降約0.2 ℃(圖14c，表1).這或許是東沙海域深海內(nèi)孤立波所致(蔡樹群等, 2011)，也可能是微型測(cè)溫單元出現(xiàn)測(cè)量故障所致.具體原因有待進(jìn)一步查明.

圖13 南海北部底水溫度長期觀測(cè)站位(a)與低功耗測(cè)溫單元海上工作照(b)Fig.13 Distribution map of the long-term observation stations for BTV in Northern South China Sea (SCS) (a) and the working photo of the low power consumption temperature measurement probe (b)

圖14 南海北部西沙、東沙6個(gè)站位底水溫度長期觀測(cè)結(jié)果Fig.14 Long-term observation results of the BTV at 6 stations in Xisha and Dongsha Areas, Northern SCS

表1 2013年和2014年南海北部底水溫度長期觀測(cè)信息表Table 1 Information about the long-term observations of BTV in Northern SCS during 2013 and 2014

不難看出，在我國BTV較大海域開展熱流長期觀測(cè)將非常必要、也是非常有意義的.這批觀測(cè)數(shù)據(jù)，不僅為后續(xù)海底熱流長期觀測(cè)站位選址提供了直接依據(jù)，同時(shí)也可用于評(píng)估之前利用常規(guī)海底熱流探針在南海北部獲取的地?zé)釁?shù)的可靠性.

2.3 湖底沉積物與淺孔溫度波動(dòng)長期觀測(cè)

由于搭載OBS開展海底原位長期觀測(cè)通常都在20天以內(nèi)，為了開展更長周期的測(cè)試，我們基于上述自主研制的長周期低功耗測(cè)溫單元(圖12)，組裝成一套簡易的長期測(cè)溫探針(圖15a)，開展了一系列長周期測(cè)試(表2).例如，2015年10月于川西高原興伊措湖底連續(xù)低溫觀測(cè)13天(湖底溫度9～10℃，圖15d1)、2016年11月—2017年11月于康定中谷淺孔(孔深11.5 m，時(shí)測(cè)水位1.5 m)長期觀測(cè)近1年(圖15e1)、及2018年12月—2019年3月于湛江湖光巖瑪珥湖湖底連續(xù)觀測(cè)93天(圖15f1).

表2 2015年至2019年湖底與淺孔溫度長期觀測(cè)信息表Table 2 Information about the long-term temperature observations in lakes and shallow borehole during 2015 and 2019

圖15 自主研制長期觀測(cè)探針及長周期測(cè)試概況(a) 長期觀測(cè)探針及興伊措湖試工作照; (b) 長周期低功耗自容式微型長期測(cè)溫單元; (c) 長周期測(cè)試站位分布; (d1,e1,f1及d2,e2,f2)川西興伊措湖底、康定中谷淺孔及湖光巖瑪珥湖湖底淺層沉積物溫度(T)與地溫梯度(GT)長周期觀測(cè)結(jié)果.地溫梯度GT為正數(shù)時(shí)表示熱量由深部向淺表傳遞，反之，GT為負(fù)數(shù)時(shí)表示熱量由淺表向深部傳遞.Fig.15 Self-developed long-term temperature monitoring probe and its test overview(a) The long-term temperature monitoring probe and its working photo in Xingycuo Lake; (b) Long-term low power consumption miniature temperature logger; (c) Distribution of the stations for long-term monitoring test; (d1,e1,f1, and d2,e2,f2) Long-term monitoring results of temperature (T) and geothermal gradient (GT) in Xingycuo Lake, shallow borehole in Zhonggu, Kangding, and Huguangyan Maar Lake, respectively. When GT is positive, it means that the heat is transferred from the deep to the superficial. On the contrary, when the GT is negative, it means that the heat is transferred from the superficial to the deep.

上述長期觀測(cè)結(jié)果表明：1)興伊措和湖光巖瑪珥湖湖底表層沉積物的溫度波動(dòng)的確比深部的要大，且湖底溫度波動(dòng)向下傳播，其幅度隨深度減小，相位也隨深度滯后(圖15d1、圖15f1)，導(dǎo)致其湖底淺層地溫梯度不僅隨著時(shí)間波動(dòng)，而且隨著深度增加，其波動(dòng)逐漸減小(圖15d2、圖15f2).例如，2015年10月12—25日期間興伊措湖底0.25～0.50 m、0.50～0.75 m及0.75～1.00 m三個(gè)深度段內(nèi)的地溫梯度(GT)分別在-1350～-800 ℃/km、-1130～-915 ℃/km及-850～-750 ℃/km內(nèi)波動(dòng)(探針偏角21°，已進(jìn)行對(duì)應(yīng)的校正)(圖15d2)，對(duì)應(yīng)的熱流則分別為-1.35～-0.80 W·m-2、-1.13～-0.915 W·m-2及-0.85～-0.75 W·m-2(湖底沉積物熱導(dǎo)率λ取為1.0 W·(m·K)-1)，即熱量由湖底表層向深部傳遞；2018年12月—2019年3月期間湖光巖瑪珥湖湖底0～0.25 m與0.25～1.0 m深度段內(nèi)的地溫梯度(GT)分別在-1540～3900 ℃/km、50～2010 ℃/km內(nèi)波動(dòng)(圖15f2)，熱流則分別為-1.54～3.9 W·m-2、0.05～-2.01 W·m-2(湖底沉積物熱導(dǎo)率λ同取為1.0 W·(m·K)-1)，即熱量在冬季由湖底深部向淺層傳遞，而在春季則由湖底淺層向深部傳遞.2)而康定中谷淺孔不同深度處溫度波動(dòng)幾乎同步(圖15e1)，并未體現(xiàn)典型的地表氣溫波動(dòng)向下傳導(dǎo)過程中幅度減小、相位滯后等特征.該淺孔3～7 m范圍內(nèi)的溫度在冬季達(dá)到最高(35～36 ℃)，而夏季則最低(28～32 ℃)，這或許是當(dāng)?shù)?—6月份雨季降雨導(dǎo)致地表雨水向下滲流所致，更具體的原因有待深入查究.同時(shí)，該淺孔深部的地溫梯度遠(yuǎn)高于淺部.其3～5 m與5～7 m深度段內(nèi)的地溫梯度(GT)分別維持在190 ℃/km、340 ℃/km，這與附近另一淺孔(103.90°E, 29.99°N, 海拔3084 m)的地溫梯度216 ℃/km量級(jí)相當(dāng)(Liu et al., 2017).該淺孔所在地層為花崗閃長巖，若其熱導(dǎo)率參考龍門山斷裂帶花崗閃長巖測(cè)試結(jié)果(λ=2.65 W·(m·K)-1, 103°41′27.960″E, 31°8′48.600″N) (Yang et al., 2017)，則該淺孔3～5 m與5～7 m深度段內(nèi)的熱流(q)分別為0.504 W·m-2、0.901 W·m-2.由此可推測(cè)康定中谷淺部溫度場(chǎng)受到鮮水河斷裂帶深部熱流體向上運(yùn)移的影響比較強(qiáng)烈.

上述海底和湖底觀測(cè)結(jié)果表明：這套自主研制的長周期低功耗微型測(cè)溫單元，在2～36 ℃的溫度范圍內(nèi)可以正常工作，最長觀測(cè)時(shí)長已達(dá)近1年(圖15e1).這為后續(xù)系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)的研制，奠定了扎實(shí)的長周期、低功耗測(cè)溫技術(shù)基礎(chǔ).

2.4 溫度探針系纜式投放與回收海試

為了驗(yàn)證系纜式投放與回收方案可行性，我們于2020年6月25日在臺(tái)西南盆地北坡水深763 m的2020-S86站位(119.300784°E,22.272481°N, 21∶25—23∶05, 圖12)，開展了溫度探針(為海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)核心模塊)系纜式投放與回收海試(圖16a).結(jié)果表明：1)即使在地形陡峭、1.5節(jié)高流速、科考船無法動(dòng)力定位等條件下，系纜海底熱流長期觀測(cè)探針入水后，通過自由下落可成功豎直插入海底沉積物(探針偏角為1.5°，圖16b)，記錄一段沉積物溫度后(圖16d)，通過纜繩將長期觀測(cè)溫度探針拔出，并完好無損地回收至甲板.這為我們后續(xù)海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及系纜式投放與回收作業(yè)提供了非常難得的測(cè)試基礎(chǔ).2)臺(tái)西南盆地北坡水深760 m左右的海域，其海底表層沉積物溫度并非隨著深度線性升高(圖16d, 表3)，其地溫梯度(GT)和熱流(q)大概在0.8 m深度處發(fā)生轉(zhuǎn)變(沉積物熱導(dǎo)率λ取為1.0 W·(m·K)-1)，其以淺，熱量由深部向淺表傳遞(GT: ～689 ℃/km,q:～0.689 W·m-2)，而其以深，熱量則由淺表向深部傳遞(GT: -248～-53 ℃/km,q:-0.248～-0.053 W·m-2) (圖16e, 表3).這是典型的底水溫度波動(dòng)(BTV)導(dǎo)致海底淺層沉積物溫度場(chǎng)處于非穩(wěn)態(tài)的結(jié)果.

表3 臺(tái)西南盆地北坡2020-S86站位海底淺層2 m內(nèi)溫度測(cè)量結(jié)果Table 3 Temperature measurement results within 2 m of the seafloor at site 2020-S86 in North Slope of Taixinan Basin

3 小結(jié)與展望

綜上所述，在海底熱流長期觀測(cè)技術(shù)研發(fā)方面，目前主要有日本科學(xué)家發(fā)展了基于水下機(jī)器人(ROV)作業(yè)的(LTMS和SAHF)和自浮式(PLHF)海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng).LTMS和SAHF系統(tǒng)可靠性和成功率都很高，但依賴ROV作業(yè)平臺(tái)，成本高、局限性大；而PLHF系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)，但風(fēng)險(xiǎn)高，且需要拋棄溫度探針，整體重復(fù)使用性差.而我國在該領(lǐng)域仍未正式開展.

為此，我們提出系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)，并自2013年開始陸續(xù)在南海、興伊措、湖光巖瑪珥湖及康定淺孔開展了一系列準(zhǔn)備與測(cè)試工作，主要有長周期低功耗測(cè)溫技術(shù)研究、南海北部底水溫度波動(dòng)長期觀測(cè)、湖底沉積物和淺孔溫度波動(dòng)長期觀測(cè)、及溫度探針系纜式投放與回收海試.測(cè)試結(jié)果表明：1) 自主研制的長周期低功耗微型測(cè)溫單元，在2～36 ℃的溫度范圍內(nèi)都能正常工作，最長觀測(cè)時(shí)長已達(dá)近1年.2) 即使在地形陡峭、1.5節(jié)高流速、科考船無法動(dòng)力定位等條件下，系纜式海底熱流長期觀測(cè)探針入水后，通過自由下落可成功豎直插入海底沉積物，完成觀測(cè)后，可通過纜繩將長期觀測(cè)溫度探針拔出，順利回收至甲板.這為后續(xù)系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)的正式研制與使用，奠定了扎實(shí)的長周期低功耗測(cè)溫技術(shù)、及投放與回收技術(shù)基礎(chǔ).同時(shí)，獲得一批高質(zhì)量長期觀測(cè)數(shù)據(jù)，初步分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

圖16 臺(tái)西南盆地北坡溫度探針系纜式投放與回收海試概況(a) 溫度探針海試工作照; (b,c,d)海試過程中探針偏角(Tilt), 三軸加速度變化最大值(Max_|dg|)及溫度記錄(T); (e)海底表層2 m內(nèi)的溫度(T)與地溫梯度(GT)剖面.Fig.16 Deployment and Recovering test for the temperature probe with rope in North Slope of Taixinan Basin(a) Working photo of temperature probe; (b,c,d) Records of probe tilt (Tilt) and maximum value of the three-axis acceleration change (Max_|dg|) and temperature (T) during test process; (e) Profiles of temperature (T) and geothermal gradient (GT) within 2 m of the seafloor.

(1)興伊措湖底0.25 m處沉積物溫度波動(dòng)達(dá)～0.2 ℃(13天)，而湖光巖瑪珥湖BTV則達(dá)～2.5 ℃(93天)，且向深部傳導(dǎo)過程中，其幅度逐漸減弱，相位也隨之滯后.從而導(dǎo)致隨著季節(jié)變化，熱量的傳遞方向與強(qiáng)度都發(fā)生變化.例如，2015年10月12日—25日期間興伊措湖底0.25～0.50 m、0.50～0.75 m及0.75～1.00 m三個(gè)深度段內(nèi)的地溫梯度(GT)和熱流(q)分別為-1350～-800 ℃·km-1、-1130～-915 ℃·km-1、-850～-750 ℃·km-1，和-1.35～-0.80 W·m-2、-1.13～-0.915 W·m-2、-0.85～-0.75 W·m-2，即熱量由湖底表層向深部傳遞；2018年12月—2019年3月期間湖光巖瑪珥湖湖底0～0.25 m與0.25～1.0 m深度段內(nèi)的地溫梯度(GT)和熱流(q)分別為-1540～3900 ℃·km-1、50～2010 ℃·km-1，和-1.54～3.9 W·m-2、0.05～-2.01 W·m-2，即熱量在冬季由湖底深部向淺層傳遞，而在春季則由湖底淺層向深部傳遞.

(2)康定中谷淺孔不同深度處溫度波動(dòng)幾乎同步，并未體現(xiàn)典型的地表氣溫波動(dòng)向下傳導(dǎo)過程中幅度減小、相位滯后等特征.該淺孔3～7 m范圍內(nèi)的溫度在冬季達(dá)到最高35～36 ℃，而夏季降到最低28～32 ℃，初步分析為當(dāng)?shù)?—6月份雨季降雨導(dǎo)致地表雨水向下滲流所致.同時(shí)，該淺孔深部的地溫梯度遠(yuǎn)高于淺部.其3～5 m與5～7 m深度段內(nèi)的地溫梯度(GT)與熱流(q)分別為190 ℃·km-1、340 ℃·km-1，和0.504 W·m-2、0.901 W·m-2.推測(cè)康定中谷淺部溫度場(chǎng)受到鮮水河斷裂帶深部熱流體向上運(yùn)移的影響比較強(qiáng)烈.

(3)南海北部BTV總體隨著水深變淺而增強(qiáng).東沙水深2600～3200 m海域的BTV僅為0.025～0.053 ℃(17天)，且具有潮汐作用所致的天周期高頻分量，其振幅約0.005～0.01 ℃.這類低振幅、高頻率的BTV，對(duì)海底表層地溫場(chǎng)擾動(dòng)微弱.而西沙水深約1200 m、850 m海域的BTV分別增強(qiáng)到0.182 ℃(40 h)和0.417 ℃(48 h).這勢(shì)必會(huì)對(duì)海底表層地溫場(chǎng)造成不可忽略的擾動(dòng).

(4)夏季(2020年6月25日)，臺(tái)西南盆地北坡水深約760 m的海域淺表沉積物地溫梯度與熱流方向在～0.83 m深度處發(fā)生轉(zhuǎn)變，其上，由深部向淺表傳遞的熱流約為0.69 W·m-2，而其下由淺表向深部傳遞的熱流為0.05～0.25 W·m-2.這是典型的BTV導(dǎo)致海底淺層沉積物溫度場(chǎng)處于非穩(wěn)態(tài)結(jié)果.

雖然2013年以來，我們提出了系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)，并已開展了部分核心功能模塊的研制與測(cè)試，但仍需繼續(xù)完善，力爭盡早實(shí)現(xiàn)系纜式海底熱流長期觀測(cè)系統(tǒng)的整體研制與海試.這將有效地拓展海底熱流探測(cè)技術(shù)，可在我國南海、東海及黃海淺水海域及周邊俯沖海溝等底水溫度波動(dòng)較大海域及時(shí)得到實(shí)際應(yīng)用，為海洋巖石圈熱-流變結(jié)構(gòu)、俯沖帶地震物理、地球動(dòng)力學(xué)、大陸邊緣沉積盆地演化等基礎(chǔ)研究提供堅(jiān)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)保障，更好的服務(wù)于我國海底熱流探測(cè)及地?zé)釋W(xué)研究事業(yè)；對(duì)天然氣水合物等新型海洋油氣與礦產(chǎn)資源勘測(cè)都具有重要意義.

致謝本研究的海試工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)共享航次計(jì)劃項(xiàng)目(41249908, 41349908,41849906, 41949906)的資助.航次(編號(hào)：NORC2013-08, NORC2014-08, NORC2019-06, NORC2020-06)由中國科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)2”號(hào)和廈門大學(xué)“嘉庚”號(hào)科考船實(shí)施.感謝四個(gè)航次全體人員的付出和首席科學(xué)家丘學(xué)林、王彥林、船長尹龍、探測(cè)長王鵬、楊軍及諶永強(qiáng)對(duì)我們海試工作的全力支持.感謝喻普之先生、李乃勝研究員、Yamano教授、李官保研究員、高翔研究員關(guān)于東海熱流長期觀測(cè)事宜的討論.