根據傅立葉定理,海底熱流密度等於表層沉積物的地溫梯度與相應熱導率的乘積。地熱探針按功能大體可分為兩大類:一類是根據水下數據記錄直接推導地溫梯度和熱導率,如Bu lland型或Lister型探針;另一類是由水下記錄僅能獲得地溫梯度,熱導率需要通過室內測量得到,如EW ING 型探針。本次使用的地熱探針屬於EW-ING型。該類探針由多個微型自容式溫度感測器微型溫度記錄器 (miniature temperature data logger,下文簡稱MTL)按不同角度和一定間距外掛固定安裝在重力柱狀採樣管、重力活塞柱狀取樣管或鋼矛外壁上(圖1),組合成海底地熱探針。柱狀採樣管作為載體的優點是可以同時獲得供室內熱導率測量所用的沉積物樣品,缺點是每測量一次都需把探針回收到甲板上,效率比較低;鋼矛為載體的優點是可以以POGO方式在水下多次下插測量地溫梯度,缺點是熱導率樣品需要另外採集。
海底地熱探測主要有以下幾個步驟:(1)航次開始前,通常需要對溫度感測器進行標定,以校正因漂移引起的誤差;(2)儀器下放前,需要量好各MTL與同一參照點的距離;(3)入水後離海底約100m處停止下放,這樣可以讓探針與船體保持垂直,並且使得MTL穩定,約3min後,高速下放(如1.5m/s)並插入沉積物中,探針插入時因與沉積物間的摩擦生熱,溫度記錄顯示有突然升高現象;(4)插入後需保持探針不受擾動;(5)大約7~ 8min後,拔出探針,如果載體為取樣管,例如,神狐海域HS82站位和西沙海域HX129站位的作業方式,則需要把探針收回到甲 板上以便回收MTL和沉積物樣品;如果載體為鋼矛,例如,東沙海域HD343站位的作業方式,則收到離海底一定高度後,慢速移動到下個站位繼續下放測量;(6)在每次收回探針時需再次測量各MTL與參照點的距離,確認探針在插入和起拔過程中相互之間沒有發生位移,若出現MTL移動,該設備的測量數據無效。插入後記錄的溫度變化取決於摩擦熱引起的溫度變化是否高於原來未受擾動的環境溫度,如果高於環境溫度,則記錄溫度逐漸衰減,否則逐漸增高到環境溫度。MTL的採樣率可程式修改,但數據採樣率均為每秒一次,數據記錄在MTL內置的存儲單元中。圖 1 EW ING型海底地熱探針示意圖
(1)EW ING 型探針需要對原始溫度記錄進行偏移量的校正和平衡溫度的計算。直接從溫度記錄中讀出的平衡溫度與根據實測數據擬合得到的平衡溫度有一定差別,會影響地溫梯度的計算。如果MTL基本按等距排列,這兩種計算地溫梯度的方法得到的地溫梯度基本一致。當探針自重較大時,探針傾斜角較小,傾斜校正對地溫梯度的影響可以忽略。