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德國FIELAX公司熱流探頭

熱流測(cè)量方法的用途是什么？
所謂熱流是指從地球內(nèi)部的熱源想地球表層不斷擴(kuò)散的地?zé)崮埽蛲ㄟ^對(duì)流傳送，或通過熱傳導(dǎo)。
地?zé)崾堑厍虬鍓K構(gòu)造論中各種多尺度地質(zhì)活動(dòng)發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力。地?zé)嵬瑯右部梢源龠M(jìn)有機(jī)質(zhì)的熱降解等化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致碳?xì)浠衔铮ㄓ秃蜌猓┑男纬伞：笳唧w現(xiàn)了其產(chǎn)業(yè)價(jià)值，而第一點(diǎn)的解釋更富有科學(xué)價(jià)值。地球的內(nèi)部溫度隨著深度的增大而升高。在地球表面，平均地?zé)崽荻认鄬?duì)穩(wěn)定在平均30℃/千米深。然而，有一些地區(qū)這個(gè)數(shù)值會(huì)更高，如沿大洋中脊或地幔熱柱附近。
盡管被稱作熱流測(cè)量法，熱流本身是無法直接測(cè)量的。但是，假設(shè)熱傳導(dǎo)是穿過地殼的主要傳導(dǎo)過程，很明顯，傳導(dǎo)熱流總是沿著溫度降低的方向。通過垂直熱梯度和導(dǎo)熱系數(shù)（傅立葉公式）的結(jié)果能夠估算出熱流的熱量。然而，如果涉及到其他傳輸機(jī)制，如流體流動(dòng)過程熱對(duì)流，熱傳輸則可能具有非線性熱梯度特征，同時(shí)，也有可能發(fā)生在水平方向上。
因此，地?zé)釡y(cè)量系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)測(cè)量海底沉積物的原位熱梯度和導(dǎo)熱系數(shù)的儀器，通過這兩項(xiàng)參數(shù)可以確定熱流的熱量（或熱流密度）。其他熱力參數(shù)，如沉積物熱擴(kuò)散系數(shù)、體積熱容等也可以推倒出來。這些參數(shù)能夠?yàn)榧夹g(shù)應(yīng)用和環(huán)保應(yīng)用方面提供重要信息，一些參數(shù)會(huì)在下面做詳細(xì)介紹。
油氣勘探
熱流測(cè)量對(duì)于石油地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域新的油氣儲(chǔ)源開發(fā)具有重大意義，可以在熱成熟度計(jì)算中為沉積盆地建模和援助提供關(guān)鍵的約束條件。為了確定油氣形成的概率，了解潛在源層的熱歷史非常關(guān)鍵，因?yàn)樘妓衔锏漠a(chǎn)生有賴于沉積源巖從沉積開始所處的溫度環(huán)境。有機(jī)物演變成碳水化合物的演變程度可以通過巖層的熱成熟度推算出來，但是要有有效的地區(qū)地質(zhì)學(xué)概念模式，包括當(dāng)前熱流流量和導(dǎo)熱系數(shù)分布。
熱輻射
日益盛行的海上風(fēng)能市場(chǎng)最近已打開一個(gè)熱流測(cè)量活動(dòng)的新領(lǐng)域，尤其導(dǎo)熱系數(shù)值能夠提供有效的信息以估計(jì)熱能的損耗機(jī)制和電纜的環(huán)境影響。當(dāng)電能通過水下電纜從轉(zhuǎn)換平臺(tái)向海濱傳輸?shù)臅r(shí)候，部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量損失掉，從而導(dǎo)致纜線和周圍環(huán)境溫度升高。不考慮電纜本身的特性，決定溫度升高多少度的關(guān)鍵因素是周圍環(huán)境的熱特征，特別是沉積物的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、熱容。
天然氣水合物
熱流測(cè)量法也能夠進(jìn)行天然氣水合物沉積物穩(wěn)定性分析。已發(fā)現(xiàn)大量天然氣水合物在海洋沉積物、深湖沉積物、永久凍土區(qū)域中自然產(chǎn)生。潛在甲烷的量非常重要，但同時(shí)也受限于自然天然氣水合物的沉積，這使得天然氣水合物作為潛在能源在未來具備重大利益。天然氣水合物的形成是一個(gè)放熱過程，形成過程總是伴隨著熱傳遞，這一現(xiàn)象允許天然氣水合物的探測(cè)在熱流測(cè)量?jī)x的幫助下得以實(shí)現(xiàn)。

上圖所示為橫跨天然氣水合物儲(chǔ)源的溫度剖面圖。剖面圖中Pen 3‘ 和Pen 4‘表現(xiàn)出相對(duì)線性深度的強(qiáng)烈偏離，此偏離可以說明有強(qiáng)烈的對(duì)流過程存在。
數(shù)據(jù)
熱流測(cè)量系統(tǒng)記錄溫度做時(shí)間的函數(shù)。一個(gè)完整的測(cè)量周期從穿透過程開始。探頭被下放到地表，穿透沉積物層，由于摩擦產(chǎn)熱的原因溫度驟升。隨著摩擦熱和后續(xù)衰變，相應(yīng)的沉積物溫度關(guān)于深度的函數(shù)關(guān)系便派生出來。經(jīng)過一定的穩(wěn)定時(shí)間之后，發(fā)射一個(gè)熱脈沖（相當(dāng)于空氣中20℃左右）加熱傳感器管和周圍的沉積物。傳感器仍保留在沉積物中測(cè)量熱量的衰減，以確定隨深度所決定的沉積物導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率。
儀表化
通過布放在傳感器串內(nèi)部的熱敏電阻來記錄溫度。可以根據(jù)用戶要求來調(diào)整傳感器串的長度，但是溫度傳感器的個(gè)數(shù)最多為22個(gè)。溫度傳感器的測(cè)量范圍是-2℃~60℃，分辨率小于1mK，精確度小于2mK。傳感器串還包含一個(gè)加熱絲，通過加熱絲可以釋放不同量的熱到沉積物中。加熱絲發(fā)出的能量的來那個(gè)可以通過精確的電壓和電流測(cè)量來確定。數(shù)據(jù)采集單元和電源供給單元的外殼為5級(jí)鈦壓力外殼。能夠按1Hz的頻率在線或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄，可以獲得2000分鐘的連續(xù)數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)運(yùn)行自動(dòng)模式的時(shí)候，熱脈沖是通過明確規(guī)定的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)來自動(dòng)控制。

高頻數(shù)據(jù)溫度記錄

HeatFlowProbe （熱流傳感器）和VibroHeat（振搗熱儀）
兩種儀器是當(dāng)前最有效的測(cè)量熱梯度和導(dǎo)熱系數(shù)的儀器。這兩套系統(tǒng)都是用來測(cè)量下至6m穿透深度的沉積物的原位溫度值。這對(duì)于地?zé)崽荻鹊墓烙?jì)非常重要，地?zé)崽荻扰c受季節(jié)性影響的沉積物層無關(guān)。FIELAX 提供HeatFlowProbe 和VibroHeat測(cè)量系統(tǒng)的全程服務(wù)，也提供產(chǎn)品購買服務(wù)。
配有熱流傳感器的熱量測(cè)量法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在深海環(huán)境中，該儀器使用自身的重量和重力穿透海底層。傳感器能夠在水下6000m深度運(yùn)行。“Pogo-Style”測(cè)量法，即在傳輸過程中傳感器仍留在原來深度，可以使站位時(shí)間明顯最小化。
VibroHeat測(cè)量?jī)x是專門用來進(jìn)行剪切抗原位海洋沉積物原位熱測(cè)量的，一般用于淺海、沿岸和大陸架區(qū)域。因此，測(cè)量元件將VKG6型振動(dòng)采樣管組合個(gè)到一起。FIELAX VibroHeat可以裝載到小型船只，用于200m深水域。這種測(cè)量方法節(jié)省時(shí)間和成本，可以同時(shí)采集沉積物柱狀樣并獲得熱傳導(dǎo)剖面圖。

[2013-10-11]