地热流值测量是地球物理勘探方法之一，包括大陆地热流测量和海洋地热流测量，它可以查明地球热场、地热异常区及地热能的分布，研究区域地壳活动，推算地壳深处的热状况，可为海洋基础地质调查、研究及海上油气资源、天然气水合物勘探等方面发挥了积极作用(Kvenvolden，1995; 王淑红等，2005; Feseker et al.，2008).海底热流测量数据主要来自两种方式:一是通过海洋石油钻井的测井资料获得钻孔热流数据，这样数据主要集中在大陆架或者深海海盆的陆缘地区(许薇龄等，1995; Davis et al.，1997)；另外一种是通过海底热流探针(分LISTER型和EWING型)插入海底表层沉积物中获得海底的热物理参数，从而计算获得热流数据(Lister，1979; 徐行等，2005).其中，深海海底原位测量方式始于1956年BULLAD在大西洋上的热流原位测量，如今海底热流原位探测技术方法已经有了巨大的发展.地热参数的原位测量不但在测量温度的准确度方面得到了巨大改善，而且也不再局限于获得海底温度、表层沉积物的地温梯度，还可以获得沉积物的热导率信息，从而快速换算获得海底热流值资料(Lewis et al.，1993; 李官保等，2005; 徐行等，2006).

随着科技的发展与进步，现今的深海探测技术不仅仅是通过万米绞车将探测设备吊到海底，再进行原位的观测，而且还可以借助深海的水下遥控机器人ROV(Remotely Operated Vehicle)和载人潜器HOV(Human-Occupied Vehicles)，通过海底高精度定位、高精准操控技术，实现海底的原位观测，来获得海底的水化学、物理海洋观测参数、海底沉积物的化学特性和物理特性参数的原位测量等信息.丰富的、高精度海底观测信息，为我们探测海底矿产资源和探索科学的奥秘提供强有力的技术支撑(晏勇等，2005; 许竞克等，2011).

本文将重点介绍海底热流测量在借助于ROV平台上的特种探测技术，研究其技术方法，探索其应用领域，期望在海洋科学调查和海底矿产资源调查中发挥积极作用.

作为ROV系统专用的探测工具而量身定制的海底热流探针，是根据ROV的工作特性及其机械手的尺寸、握力、运动行程和活动范围等参数，结合开展海底热流探测所需求的技术特点，进行设计和制作的.目前这种探测工作没有被作为商品销售，如日本、法国等绝少数海洋调查机构都是通过自行研发装备相关技术的.

日本海洋地球科学和技术研究机构于2001年至2003年期间利用水下机器人机械手操控的ROV热流探针，对小笠原海域的水曜海山热液活动区开展了精细的海底热流测量和相关的研究工作，其目的是为了研究水曜海山热液活动区热液的补给与释放活动情况及其界面(Kinoshita et al.，2005，2006)；其ROV热流探针外壳由钛合金制成，总重量在水中是2.6公斤，五个测量通道其热敏电阻以11~12 cm区间安装在探测器内，温度分辨率为约1 mK.

法国布雷斯特海洋开发研究中心在2003年到2006年间的三个航次中，用常规热流探针和由水下机器人机械手操控的热流探针测量泥火山沉积物温度分布来研究Hkon Mosby泥火山(Hkon Mosby Mud Volcano，缩写HMMV)海底沉积物高温的成因(Feseker et al.，2008，2009).常规热流探针在6 m长的重力取样器配备有五至六个自容式温度记录器；ROV热流探针包括一个0.8 m长的塑料杆，八个温度传感器分布在塑料杆下部0.55 m处.这两种热流探针在2 ℃~35 ℃的测量范围内分辨率为0.0006 ℃.

广州海洋地质调查局在调研国外同类产品的基础上，自2011年8月开始研发设计第一款海洋六号船“海狮4000型”ROV系统专用的热流探针，命名为“针鱼1型海底热流探针”(下文简称“针鱼探针”)，针鱼探针外观图如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 针鱼探针外观图 Fig. 1 Zhenyu probe appearance

2012年4月，在海洋四号船做第一次的针鱼探针的海上校验和仿真实验，后又经技术改造和工艺完善.于2013年3月，用海鸟911型CTD测量系统对针鱼探针进行海上温度校验之后，在海洋六号船海狮4000型ROV系统平台上，首次用机械手操控针鱼探针，采集海底表层热流资料获得成功.表 1为针鱼探针的主要技术指标.

表 1(Table 1)

表 1 针鱼探针主要技术指标 Table 1 Zhenyu probe main specifications 通道数 5通道(每通道1个热敏电阻) 测量范围 -2～+52 ℃ 测量准确度 0.01 ℃ 测量分辨率 0.003 ℃，24位AD 采样率 可编程，最高1 s 内存 64MByte 倾斜传感器 0～30°，分辨率<0.1° 通信接口 USB2.0 电源 12 V 最大工作水深 4000 m 探针长度 长:1.11 m，其中探针长度0.645 m 通道间距 110 mm

表 1 针鱼探针主要技术指标 Table 1 Zhenyu probe main specifications

针鱼探针是一个集高精度的热敏电阻传感器、16位低功耗单片机、高准确度的温度测量电路，数据存储和传输，姿态测量监控电路于一体的电子单元.

该电子单元主要的结构流程：信号采集采用5个通道，在前置放大电路上，使用多路开关、信号放大滤波技术；在信号模数转换使用低功耗24位高分辨率AD进行数字滤波；采用SPI接口，将测量数据存储在大容量的闪存内；采用USB接口技术，PC机可通过密封电子舱的水密插头，对测量系统工作参数的设置和数据传输.整个电路系统采用低功耗器件，以保证电子系统的低功耗、长时间工作.在温度测量电路中使用高精度的热敏元件、超高精度的参考电阻，高稳定性的恒流源来提高测量电路的稳定性、精确性和低干扰性.针鱼探针系统框图如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 针鱼探针系统框图 Fig. 2 Structure diagram of Zhenyu probe system

与国外同类设备相比，针鱼探针还具有一些特殊功能，用其内置的角度传感器和CPU，能实现智能化的操控管理，例如探针状态监控、省电等功能.探针上等间距的安装5个热敏电阻，这些热敏电阻的测量准确度达到0.01 ℃，分辨率达0.003 ℃.

2013年3月，在我国南海北部陆坡海域，针鱼探针首次在ROV系统上进行了海上资料采集试验，并成功地获得高质量的海底表层沉积物的温度梯度和海底温度测量数据.当ROV下潜到2000 m水深时，用ROV的机械手操控针鱼探针，完成了海底地温梯度的测量如图 3所示，并采集获得了地温梯度测量曲线如图 4a所示.

图 3

Fig. 3

图 3 海洋六号船海狮4000型ROV系统操作针鱼探针进行海底热流测量 Fig. 3 Haiyangliuhao Haishi4000 ROV system operating Zhenyu probe measure seafloor heat flow

图 4

Fig. 4

图 4 针鱼探针、MTL探针在南海北部陆坡海域测量的热流数据 Fig. 4 Zhenyu probe and MTL probe’s measuring heat flow data in the Northern of the South China Sea

当ROV处在上升或下潜过程中时，针鱼探针被固定在ROV前置的工具箱中.当ROV下潜到达作业点区域范围海底时，ROV机械手将针鱼探针从工具篮中取出后，悬停3分钟，再将针鱼探针以垂直方向插入海底沉积物中.为消除插入过程中摩檫生热的影响，探针需要连续记录4至8分钟，最后从沉积物中将针鱼拔出放回工具篮，并进行下一个作业点的作业(徐行等，2005; 罗贤虎等，2007).

图 4a为针鱼探针插入海底沉积物中的5个通道的温度测量过程，横坐标为采样时间，单位为s，纵坐标为温度，单位为℃. 从时间温度曲线上可以看出探针下插沉积物、冷却、在沉积物中稳定和起拔过程，探针的五个通道具有很好的一致性和灵敏度；

图 4b为此测站的地温梯度测量信息，图中，＊为测量数据，－为测量数据的一元线性回归曲线，横坐标为深度，单位为m，纵坐标为温度，单位为℃.该测站的地温梯度值为67.3 ℃/Km，通过测量数据一元线性回归分析，R²=0.996，回归方程对样本数据的拟合程度很好.

查询广州海洋地质调查局2012年在南海北部陆坡海域中一个站位的地温梯度数据，时间温度曲线如图 4c，可以发现新研发的针鱼探针在和MTL探针(广州海洋地质调查局从德国引进的自容式微型温度记录器)对比试验过程中，反映了良好的技术特性，并与德国MTL系统具有良好的一致性，两个系统相互验证，说明飞鱼探针测量结果的可靠性.

整个过程中，探针做实时的温度观测、倾斜角度、电量状态和时间标志等记录.设备回收到甲板后，可以通过特制的USB接口技术，进行数据的读取，并换算出各个测站的海底温度和地温梯度等数据资料.目前，针鱼探针还不具备直接测量海底原位热导率，要获得热导率资料，可以通过机械手采集海底沉积物或者其他岩性的石头样品，用专用的热导率测量设备进行测试，也可以对针鱼探针进行技术升级，以达到直接测试热导率的目的(Hartmann and Villinger，2002; 罗贤虎等，2008).

针鱼探针在海上操作及维护简便、设备成本较低，适合大比例尺、局部地质构造或者特殊地质体的海底热流测量.作业过程中，由于搭载在ROV上，进行海底作业，受海面风浪影响小.在沉积物比较松软的地质条件下，对类似于泥火山一样的沉积物非常柔软特殊目标体，他可以避免探针穿透过度；若沉积物固结较好，也可以避免探针“弯管”导致设备受损现象.针鱼探针具有可视化操作、探针较短，作业灵活等特点.又由于ROV本身具备动力系统、导航系统等，使得ROV热流探针可在海底下实现精确定位、可视化操作、连续工作，工作效率高等功能.因此，针鱼探针适合大比例尺、局部区域精细热结构的地热流测量.

自20世纪90年代末开始，我国在南海北部陆坡东沙海域、神狐海域和西沙以及琼东南海域开展了天然气水合物调查研究(Hyndman et al.，1979; Kinoshita et al.，2006).南海北部陆坡区天然气水合物探测结果表明，西沙海槽、神狐海区和东沙附近海域等均具有良好的油气资源成矿潜力(陈多福等，2004).近十五年的地质与地球物理调查中，先后通过拖网获取大量的碳酸盐岩烟囱，这些烟囱的发现为研究该海区海底渗漏体系和流体活动以及形成环境等提供了信息(陆红锋等，2006).在琼东南盆地的地震剖面中发现了有泥底辟和气烟囱发育，这些特征非常有利于天然气水合物的发育，沟通泥底辟和气烟囱与海底的断裂及可能伴生着正在活动的冷泉.东沙群岛海区钻孔碳酸盐沉积研究表明，该区发生了至少3次冷泉流体活动，形成了多期冷泉碳酸盐岩，在东沙群岛南部海区可能发育热成因甲烷汇聚的天然气水合物，其海底可能存在冷泉生物群落，这为东沙西南海域天然气水合物和冷泉生物群落的进一步寻找和研究提供了新思路(陈忠等，2008).

长期以来，对于一些特殊地质问题，由于装备和船只发展限制，深海近海底的探查技术项目单调，难于给解决类似于“冷泉在哪里？”等一些关键技术问题提供技术支持.随着天然气水合物综合勘探船的入列，类似于ROV、水下定位系统等一些新的调查手段的增加，拓宽了思路，给深海探查的技术与方法研究带来了一个新的浪潮.

天然气水合物广泛分布于泥火山、盐泥底辟及大型断裂构造有关的局部区域.充分利用ROV技术中具备海底可视化管理、精确定位和灵活的操控性等工作特性，对一些标志明确的泥底辟、泥火山等特殊构造位置上，开展大比例尺、高密度的热流探测，可以获得该特殊构造体的精细的热状态和热结构信息，从而获得确定天然气水合物在该特殊构造体附近存在与否？确定其活动溢出的通道位置，判别冷泉存在与否等等重要信息(王宏斌等，2005; 苏新等，2008).

与确定海底冷泉等特殊目标物的思路一样，用ROV专用的海底热流探测技术也可以用于热液硫化物等其他海底矿产资源的调查中去.通过对热流探针的技术改造，调整其温度测量范围，可以在热液硫化物调查矿区寻找和判别热液喷口的(栾锡武和秦蕴珊，2002).

4.1     广州海洋地质调查局与广东工业大学合作，根据广州海洋地质调查局海洋六号船的海狮4000型ROV系统，量身定做针鱼探针.借助于ROV作业平台，开展高密度、高精度的海底热流探测技术已经成为可能.载人潜器也可以使用该探针，对特殊目标物进行高精度的海底热流探测.

4.2     虽然针鱼探针的技术特点与常规的LISTER和EWING探针不同，但在技术层面上而言，它不是技术取代，而是技术发展.该项技术是海底热流探测技术向多元化方向的发展一个典例.

4.3     针鱼探测的研发成功可以拓宽常规海底热流测量的范围.重点解决一些局部的，精细热结构、热状态的探测的技术问题，为探测和确定深海海底的热液、冷泉喷口位置以及周边环境下的地热特性提供技术依据.

4.4     随着该项技术推广使用和应用研究的深入，其应用领域可以进一步拓宽.目前针鱼探针只能获取海底温度和表层沉积物中的地温梯度资料，今后对其技术进行适当改进，可以发展测量热导率的测量功能；类似的探测技术也可以开发，并且为我们探索海洋奥秘和解决我们矿产资源探查中的特殊物性参数问题提供技术保障.