阅读说明：本技术 一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法及系统 (Deep sea heat flow measuring method and system based on real-time monitoring of operation state ) 是由 张广旭 高翔 陈端新 董冬冬 王秀娟 宋子龙 于 2020-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法及系统,其特征在于：测量热流测量区域的水深和底质,选定作业站位；通过缆绳下放热流测量设备,深度达到第一阈值时暂停,挂载应答设备后继续下放,深度达到第二阈值时暂停；静置并计时,时长达到第三阈值时全速下放,热流测量设备触海底后停止下放；监测设备状态至稳定后开始热流测量并计时,时长达到第四阈值时停止测量,测量期间保持对设备的状态监测；测量本站位和下一站位间的周圆水深,确定两站位间的最小水深；以该最小水深为基准,提升设备,当提升距离大于第五阈值时停止,移动测量设备至下一站位。本发明能够能有效减少作业船时,提高深海热流测量工作的效率。(The embodiment of the invention provides a deep sea heat flow measuring method and system based on real-time monitoring of an operation state, which is characterized in that: measuring the water depth and the bottom of a heat flow measurement area, and selecting an operation station; the heat flow measuring equipment is placed through the cable, and is suspended when the depth reaches a first threshold value, the equipment continues to be placed after being mounted with the answering equipment, and is suspended when the depth reaches a second threshold value; standing and timing, and releasing at full speed when the time length reaches a third threshold value, and stopping releasing after the heat flow measuring equipment touches the seabed; starting heat flow measurement and timing after the state of the monitoring equipment is stable, stopping measurement when the duration reaches a fourth threshold value, and keeping monitoring on the state of the monitoring equipment during the measurement period; measuring the circumferential water depth between the station and the next station, and determining the minimum water depth between the two stations; and taking the minimum water depth as a reference, lifting the equipment, stopping when the lifting distance is greater than a fifth threshold value, and moving the measuring equipment to the next station. The invention can effectively reduce the operation time of the ship and improve the efficiency of the deep sea heat flow measurement work.)

一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法及系统

技术领域

本发明属于海洋探测技术领域，尤其涉及一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法及系统。

背景技术

随着海洋资源开发、深海科学以及地震海啸等自然灾害研究的深入，在深化浅海研究的基础上，世界各国开始挺进深海的战略部署，如何在有效成本控制下最大化的提高作业基础数据采集效率，是深海调查最为迫切的需要。海底热流测量是研究海洋地质的一种不可或缺的地球物理调查方法。为了解勘探区地温场的结构、状态，通过海底热流探测技术，不仅有利于了解浅部矿床、石油及天然气分布，而且可以认识深部地壳甚至整个海洋岩石圈的热状态。在水合物研究区，利用热流值资料反演推断海底反射层或矿层的埋深，可用于重建水合物形成的古温度变化和热史变迁史。对研究岩石圈的动力学和构造演化也有着极其重要的意义，所获得的数据可用于洋壳、幔速度结构、板块俯冲带特征、洋盆演化动力学机制等研究领域，同时在地震活动性监测、地震、海啸预警研究等方面都有广泛的用途。

常规的热流采集大致分为两种，一种是通过海洋石油钻井的测井资料获得钻孔热流数据，这些数据主要集中在大陆架或者深海海盆的陆缘地区，由于受到深海钻孔数量的限制，不能满足开展大面积调查的需求；另外一种是通过海底热流探针(分LISTER型和EWING型)***海底表层沉积物中获得海底的热导率和温度梯度参数，再通过计算获得热流数据。上述技术虽然实现了热流测量，但在深海作业过程，受复杂海底底质、水深以及洋流等影响，深海作业过程中测量设备和作业船均容易受到风力、洋流等因素影响，造成实际热流作业站位偏离等问题，且作业效率相对不高,不能满足深水大密度热流海底热流精准研究的需要。对于深海热流研究中，尤其在断层比较发育等局部热流变化剧烈的区域，如果水下热流站位信息不准确，还可能造成热流测量偏差巨大。另外由于深海海底远离物源，海底沉积物含水率以及沉积物厚度较小，深海热流测量灌入相对困难，因此对于热流计海底灌入过程缺乏监控，大大增加了测量作业风险。另外，常规测量方法是每次测量将热流测量设备下放，单次测量结束后将测量设备提升至作业甲板，如此反复操作，热流测量作业效率很低。

发明内容

本发明实施例提供一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法及系统，用于解决现有技术中的上述技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法，包括如下步骤：

选定热流测量区域，通过水深测量设备测量水深，通过深水浅地层剖面仪勘察海底底质，选定作业站位；

将热流测量设备与缆绳连接，通过缆绳将热流测量设备下放，当热流测量设备下放深度达到第一阈值时，暂停下放，在缆绳上挂载应答设备，然后继续下放，当下放深度达到第二阈值时，暂停下放；

静置热流测量设备，当静置时长达到第三阈值时全速下放，待热流测量设备触海底后，停止下放；

通过热流测量设备的实时状态监测数据，确定热流测量设备状态稳定后，开始该作业站位的热流数据测量并计时，当测量时长达到第四阈值时，完成作业站位的测量，测量期间保持对热流测量设备的实时状态监测；

通过水深测量设备，测量本作业站位和下一作业站位间的周圆水深，确定两作业站位间最小水深；

以两作业站位间的最小水深为基准，提升热流测量设备，当提升距离大于第五阈值时，停止提升，移动测量热流测量设备至下一作业站位。

进一步，所述水深测量设备为多波束测量系统，所述热流测量设备为热流计，所述缆绳为数据传输承重缆绳，所述应答设备为超短波基线信标或应答器。

进一步，所述实时监测数据包括倾角、加速度、温度、压力、应答设备所处深度。

进一步，所述第一阈值为30～40米，所述第二阈值为作业站位的水深值减去100米所得水深值，所述第三阈值为5分钟，所述第四阈值为20分钟，所述第五阈值为100米。

再一方面，本发明实施例还提供一种基于作业状态实时监测的深海热流测量系统，该系统可以包括作业船、数据传输承重缆绳、绞车、支架及滑轮、热流计，其特征在于：还包括超短基线基阵、超短基线应答器、浮球、热流数据记录及实时传输模块、多波束测量设备、深水浅地层剖面仪、声学多普勒流速剖面仪，所述深海热流测量系统工作时，实现如第一方面的方法的步骤。

本发明实施例提供一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法及系统，其特征在于：测量热流测量区域的水深和海底底质，选定作业站位；通过缆绳下放热流测量设备，下放深度达到第一阈值时，暂停下放，在缆绳上挂载应答设备后继续下放，当下放深度达到第二阈值时，暂停下放；静置热流测量设备，当静置时长达到第三阈值时全速下放，热流测量设备触海底后停止下放；通过对热流测量设备的实时状态监测，确定设备状态稳定后，开始该作业站位的热流数据测量并计时，当测量时长达到第四阈值时，完成作业站位的测量，测量期间保持对测量设备的实时状态监测；测量本作业站位和下一作业站位间的周圆水深，确定两作业站位间的最小水深；以该最小水深为基准，提升热流测量设备，当提升距离大于第五阈值时，停止提升，移动测量热流测量设备至下一作业站位，本发明不但能够实现热流测量设备的状态监测和水下精确定位，而且无需反复将热流测量设备提升至作业甲板，有效减少作业船时，提高了深海热流测量工作的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于作业状态实时监测的深海热流测量系统结构组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法的示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于作业状态实时监测的深海热流测量系统结构组成示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于作业状态实时监测的深海热流测量方法包括以下步骤：

步骤101：选定热流测量区域，通过水深测量设备测量水深，通过深水浅地层剖面仪勘察海底底质，选定作业站位；

步骤102：将热流测量设备与缆绳连接，通过缆绳将热流测量设备下放，当热流测量设备下放深度达到第一阈值时，暂停下放，在缆绳上挂载应答设备，然后继续下放，当下放深度达到第二阈值时，暂停下放；

步骤103：静置热流测量设备，当静置时长达到第三阈值时全速下放，待热流测量设备触海底后，停止下放；

步骤104：通过热流测量设备的实时状态监测数据，确定热流测量设备状态稳定后，开始该作业站位的热流数据测量并计时，当测量时长达到第四阈值时，完成作业站位的测量，测量期间保持对热流测量设备的实时状态监测；

步骤105：通过水深测量设备，测量本作业站位和下一作业站位间的周圆水深，确定两作业站位间最小水深；

步骤106：以两作业站位间的最小水深为基准，提升热流测量设备，当提升距离大于第五阈值时，停止提升，移动测量热流测量设备至下一作业站位，转步骤103。

进一步，所述水深测量设备为多波束测量设备。多波速测量设备由与单波束测量设备相比，多波束测量设备具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点,能把测深技术从点、线扩展到面,并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合进行大面积的海底地形探测。如图2所示，所述热流测量设备为热流计9。在热流计9上方10米距离位置的缆绳上挂载浮球7，防止万一设备触底倒伏，保障设备上方缆绳5不缠绕设备。所述缆绳为数据传输承重缆绳5，所述应答设备为超短波基线信标或应答器6。

进一步，所述实时监测数据包括倾角、加速度、温度、压力、应答设备深度。

进一步，所述第一阈值为30～40米，所述第二阈值为作业站位的水深值减去100米所得水深值，所述第三阈值为5分钟，所述第四阈值为20分钟，所述第五阈值为100米。

本发明实施例还提供一种基于作业状态实时监测的深海热流测量系统，如图2所示，该系统可以包括作业船1、数据传输承重缆绳5、热流计9、绞车2、支架及滑轮3，其特征在于还包括：超短基线基阵4、超短基线应答器6、浮球7、热流数据记录及实时传输模块8、多波束测量设备13、深水浅地层剖面仪14、声学多普勒流速剖面仪15，所述深海热流测量系统工作时，实现上述实施例提供的方法。

具体的，以科学号远海调查船在马里亚纳海沟区域进行的深海热流采集作业为例进行说明。

优选的，热流计9采用德国fielax list系列，该热流计9内部集成了KUM MATUI倾角仪、加速度计、温度传感器和压力传感器，能同时测量倾角、加速度、温度和压力。当然，实际使用过程中，倾角、加速度和压力的测量设备也可以采用独立设备挂载的形式实现。超短基阵4和超短波基线应答器6采用Sondye Ranger2，热流数据记录及实施传输模块8采用SDA数据采集软件，多波束测量设备13采用德国Elac L3 SB3012，深水浅地层剖面仪14采用KONGSBERG TOPAS PS18，声学多普勒流速剖面仪15采用TRDI/美国OS-38。

具体的，首先对海底底质进行普查并规划热流测量作业站位。依托船载多波束深测量设备13、深水浅地层剖面仪14、声学多普勒流速剖面仪15以及船载气象站等探测系统，沿热流测量作业站位横穿路径进行探测，路径为初步确定的热流测量作业站位间的最短连接线，采集热流测量区域的海底水深、底质，洋流、风向等信息。根据洋流以及风向设计船艏向以及作业船1的基本前进方向，以保证作业以及作业船1移动过程缆绳保持为远离船尾部，保证实施过程作业安全。根据获取的海底底质信息，微调热流作业站位，由于马里亚纳区域上覆板片深海地形相对复杂，优选软沉积区域，确保站位作业灌入深度。根据多波束测量设备13所测的水深信息，设计每作业站位悬停高度及下站位悬停高度等信息，设计热流探针9在水下的基本路径11。

具体的，如图2所示，作业船1在海面12航行，到达规划路径11的起点正上方，调整船艏向，使作业船1顶流，即艏向与海流方向相反，防止数据传输承重缆绳5随洋流穿过船底与作业船1的螺旋桨发生碰撞。启动绞车2，连接数据传输承重缆5和热流计9，进行船上设备调试，检测、设置热流数据记录及实时传输模块8，确保数据传输和数据记录功能正常。启动绞车2、支架及滑轮3，进行热流探针9下放作业。设备下放10米后，暂停下放，在数据传输承重缆绳5上挂载浮球7，而后继续下放设备。在设备到达深度40米处停止下放，在数据传输承重缆绳5上挂载超短基线应答器6后，继续启动绞车2下放数据传输承重缆绳5。同时将超短基线阵列4下放至船底，与热流计9上方的超短基线应答器6进行声学通讯，获取热流计9上方40米的水下定位信息。作业过程中需保证热流作业站位深度小于超短基线定位作用深度，如海面风浪较大，则应全程开启船用动力定位系统，控制作业船的位置。

具体的，如图2所示，在持续下放过程中，观察释放数据传输承重缆绳5的长度和超短基线应答器6的位置，并结合多波束水深信息，在超短基线应答器6到达海底10之上100米高度处悬停，暂停释放数据传输承重缆绳5，将热流计9静置5分钟，待热流计9稳定后，绞车2全速下放，热流计9触海底10后停止释放缆绳。

优选的，热流计9触海底10后，观察热流计9中温度传感器温度状态是否有摩擦生热升温过程，稳定状态监测时间1分钟，当倾角范围在4.0度以内，变化率在0.5度以内，重力加速度变化率在0.03度以内时，则判断热流计9处于稳定状态，开始热流测量计时，连续测量20分钟，完成本站位热流测量，倾角、重力加速度、压力等状态参数如有异常，应将热流计9提离海底。

优选的，完成作业站位测量后，以本作业站位和下一作业站位间的最小水深为基准，提升热流计9，当提升高度超过100米后，停止提升。然后以1-2节速度移动作业船至下一作业站位，船只到达作业站位后，观察超短基线应答器6与作业船1的相对位置，持续观察热流计9的倾角、加速度、压力、温度数据，待数据稳定后可进行该点的热流测量，重复上述热流采集过程。热流测量过程中持续进行超短基线设备定位，并通过实时的流计9倾角、加速度、压力、温度数据检测其状态。

具体的，可通过上述方式连续进行多次热流采集，完成一组作业站位后再提起热流计9至甲板，大大节省了热流计9在每个作业站位间的回收和准备时间，大大提高了工作效率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。