海底热流长期观测系统研制进展

浅海和俯冲海沟等海域，不仅是矿产和油气资源主潜力区，也是构造地震频发区，其浅表热流和深部温度信息对于了解板块俯冲和岩浆活动等过程至关重要。这些区域浅层地温场和热流场受到底水温度波动(BTV)强烈扰动，其背景热流需由长期观测来获取。在全面分析了国内外海底热流长期观测技术特点后，我们提出了系缆式海底热流长期观测方案(以便实现无抛弃、整体回收)(图1)。

图1 系缆式海底热流长期观测系统投放与回收示意图

(a)温度探针结构示意图与多个微型测温单元旋接组成实物图; (b)系缆式投放与回收作业模式示意图.

2013年起陆续开展了部分核心技术的预研究及一系列海底、湖底及浅孔试验。结果表明：(1)自主研制的长周期低功耗微型测温单元，在2~36℃的环境下可连续观测1年；系缆式投放与回收方案即使在地形陡峭、1.5节流速及无动力定位等条件下仍然可行。(2)南海北部BTV总体随水深变浅而增强，在浅水区对浅层地温场扰动不可忽略。例如，在水深2600~3200 m和850~1200 m海域分别为0.025~0.053℃(17天内)、0.182~0.417℃(2天内)(图2)，而台西南盆地北坡(水深763 m)夏季的海底热流由浅表的0.69 W/m²转变为0.83 m以深的-0.25~-0.05 W/m²(图3)。(3)兴伊措和湖光岩玛珥湖BTV向深部传导过程中其幅度逐渐减弱、相位滞后，进而导致热流方向与强度随季节发生变化。而康定中谷浅层(7 m内)地温在不同深度处同步波动，且冬高(35~36℃)夏低(28~32℃)。推测为夏季大量降雨所致；其热流浅部低(0.504 W/m²)深部高(0.901 W/m²)，指示着鲜水河断裂带深部热流体上涌(图4)。

这些预研究工作为后续系缆式海底热流长期观测系统的正式研制与应用奠定了扎实基础。

 图2 南海北部西沙、东沙6个站位底水温度长期观测结果

图3 台西南盆地北坡温度探针系缆式投放与回收海试概况

(a)温度探针海试工作照; (b, c, d)海试过程中探针偏角(Tilt), 三轴加速度变化最大值(Max_|dg|)及温度记录(T); (e)海底表层2 m内的温度(T)与地温梯度(GT)剖面。

图4  自主研制长期观测探针及长周期测试概况

(a)长期观测探针及兴伊措湖试工作照; (b)长周期低功耗自容式微型长期测温单元; (c)长周期测试站位分布; (d1, e1, f1及d2, e2, f2)川西兴伊措湖底、康定中谷浅孔及湖光岩玛珥湖湖底浅层沉积物温度(T)与地温梯度(GT)长周期观测结果。地温梯度GT为正数时表示热量由深部向浅表传递，反之，GT为负数时表示热量由浅表向深部传递。

该阶段性工作，已在《地球物理学报》刊出。原文详见：http://www.geophy.cn/article/doi/10.6038/cjg2022P0190.

杨小秋, 曾信, 石红才, 于传海, 施小斌, 郭兴伟, 王迎春, 任自强, 邵佳, 许鹤华, 卫小冬, 陈顺, 赵鹏. 2022. 海底热流长期观测系统研制进展. 地球物理学报, (2): 427-447, doi: 10.6038/cjg2022P0190.