海底热流和海底浅层（钻孔）温度数据对地球动力学、油气（含水合物）资源预测评价、海底浅层水热活动、新构造活动、古环境气候以及海底生物活动等方面研究都是非常重要的基础参数.南海是西太平洋最大的边缘海之一，在欧亚板块、印澳板块、太平洋板块以及深部地幔物质的共同作用下，发育有多种丰富多彩的构造单元，不仅形成了张性、压性、剪性等多种类型大陆边缘，而且在其周边发育有众多蕴藏丰富油气资源的沉积盆地.南海的地热特征研究对认识南海大陆边缘演化的动力学过程及其油气资源评价都具有重要意义.

自20世纪70年代以来，南海已经积累了一批热流数据，但是热流站位分布非常不均匀^{[1, 2]}.这些热流站位主要分布在南北两侧的大陆架区，而陆坡和海盆区热流站位很少.南海北部深水区（水深超过300 m）的热流数据仅有20世纪80年代广州海洋地质调查局与美国哥伦比亚大学合作获得的3条热流剖面^[3]、台湾大学徐春田教授在台西南盆地获得的一批热流探针数据^{[4, 5]}、ODP Leg184航次获得了5个深水区的钻孔热流数据^{[6, 7]}，以及近年来，徐行等^{[8, 9]}利用地温梯度探针获得的9个站位热流值. Yuan等（2009）^[10]和米立军等（2009）^[11]等补充了新近获得的34个钻孔热流数据，但仅有少数几口钻孔位于深水区.宋海斌等（2007）^[12]和Shyu等（2006）^[5]利用天然气水合物勘探中揭示的似海底反射面（Bottom Simulating Reflector，BSR）计算了BSR热流，为深水区的热流调查提供了新的数据来源，但实际区域BSR本身的不确定性，导致计算的BSR热流是否代表实际地热状态还存在争议^{[13, 14]}.因此，处于深水区的陆坡和海盆区的地热特征主要还需依赖海底地热探针来探测.

随着2004~2006年白云凹陷深水区油气勘探的重要发现^{[15, 16]}以及2007年天然气水合物钻探成功获得实物样品^[17]，南海北部深水区的资源战略地位越来越受到重视.由于天然气水合物的形成和保存强烈依赖于所处的地温条件，因此为了解天然气水合物有利区块的地热特征，广州海洋地质调查局利用自行研制的剑鱼1型多通道海底原位热流探针，分别于2008年和2009年在西沙海域和神狐海域成功进行了3个航次共16个站位的海试.本文报道这些站位海试数据的采集、分析处理过程以及计算结果，希望为南海北部深水区油气和水合物资源评价提供基础数据.

南海北部大陆边缘自晚白垩世以来经历了多期张裂，并随着渐新世期间的岩石圈最终破裂和海底扩张，而发展为被动大陆边缘^[18]，发育了较为宽阔的、地势平坦的陆架和往海盆方向水深迅速加大的陆坡区，在其陆架-陆坡上发育了包括琼东南盆地-西沙海槽、珠江口盆地以及台西南盆地等含油气盆地.前人研究^{[7, 15~17]}表明这些盆地的深水区域不仅含有丰富的油气资源，而且也是天然气水合物的有利赋存区，是我国水合物研究的重点区域.

本次热流调查的重点海域之一为西沙海槽区.西沙海槽是一条新生代裂谷，在18°N附近呈近东西向展布，西接琼东南盆地，东通南海西北次海盆，是一条夭折的新生代裂谷^[19~21]，构造演化与其他南海北部陆缘盆地相似，经历早期裂陷和晚期坳陷阶段，现今海槽沉积物厚度可达2~6 km^[21].自1999年以来的天然气水合物地震勘探发现该区存在许多BSR，说明该区很可能存在天然气水合物资源.

另一个调查区为位于南海北部陆坡中段的珠二坳陷白云凹陷深水区，属于神弧海域的重点勘探区.白云凹陷整体走向近东西，新生代以来经历了早期断陷-断坳-坳陷3个演化阶段，堆积的第三系厚度超过11km，油气资源前景广阔^[15]，近年经钻探证实含有丰富油气的LW3-1-1井^[22]、LH34-2-1井（中国石化新闻网2009年12月的报道，http://sinopecnews.com.cn/shnews/content/2009-12/10/content_710243.htm[2010-02-09]）即位于该凹陷内.白云凹陷晚期断裂发育，是南海北部新构造运动活跃地区，新构造运动改造、形成了大量的晚期构造圈闭，同时诱发了规模巨大的泥底辟和流体运动^[23].多道地震综合解释剖面上显示出泥底辟和热流体的烟囱状通道和晚期部分断裂可能切穿海底^{[23, 24]}.高分辨率地震勘探表明该区存在特征清晰的BSR，说明该海域很可能存在潜力的天然气水合物资源，而广州海洋地质调查局于2007年在白云凹陷钻获水合物样品^[17]亦进一步证实了这种可能性.

我们分别于2008年和2009年分3个航次在南海西沙海域和神狐海域开展海底原位热流探测，共获得了16个站位的热流数据（图 1，表 1）.所用设备为广州海洋地质调查局研制的剑鱼1型多通道海底原位热流探针（图 2），属于Lister型探针.该探针设备长约7.07 m，其中探针部分长5.7 m.探针为一根细钢管，利用托架固定在并排的粗钢矛上.钢矛主要起增加强度和固定细管的作用，以保证探针下插时不致弯曲.探针内有10组（每组2个）温度传感器、1个倾斜传感器和1个三分量加速度传感器，温度传感器的测温范围为-2~+52 ℃，测量精度为±5 mK（0~30 ℃），分辨率可达1 mK.倾斜传感器测量范围为0~38°.探针内还含有加热丝，可在脉冲电流下放热，为测量沉积物热导率提供热源，热导率测量精度为±5%.所有测量到的数据都传到位于探针上部的压力箱数据记录单元内保存，该单元数据容量可达64M，可满足多次连续下插测量.采样率可以根据需要编程，本文海试数据采样时间间隔为2 s.

图 1

Fig. 1

图 1 南海北部陆缘热流站位分布示意图(图b和c分别是图a中西沙海槽和白云凹陷海试区的放大显示) Fig. 1 Distribution of heat flow sites on the northern slope of the South China Sea (Figure b and c is the enlarged show of the sea trial area in the Xisha Trough and the Baiyun Sag respectively at Figure a)

表 1(Table 1)

表 1 原位热流测量结果 Table 1 Results of in-situ heat flow measuring

表 1 原位热流测量结果 Table 1 Results of in-situ heat flow measuring

图 2

Fig. 2

图 2 剑鱼1型海底原位热流探针 (a)结构示意图; (b)探针下放工作照片. Fig. 2 Jianyu-1 type seafloor in-situ heat flow probe (a) Schematic diagram of probe; (b) Photo of putting down probe.

使用探针采集数据时，需先用绞车下放探针，并用Pinger监控探针的下放深度，当距海底50~100 m时让探针停在水中3~5 min，以便探针下插前尽量保持竖直，并平衡各通道（即各组温度传感器）温度，为各通道的温度漂移校正做准备.然后高速下放使探针充分插入沉积物中.探针在插入后需保持不动，7~8 min后触发热脉冲（10~20 s），再测量10~15 min左右，拔出探针.拔出探针前需尽可能使调查船回到探针上方，否则探针在斜向拉力下容易弯曲.值得强调的是，测量成功的关键是测量过程中需尽可能保持探针不动，这对海上操作和船舶性能是很大的挑战.图 3为Hf08a21a和Hf08a21b两个站位探针连续下插测量时记录的温度-时间曲线.

图 3

Fig. 3

图 3 Hf08a21a和Hf08a21b两个站位连续测量时的温度记录 (T01~T10分别为第1~10通道) Fig. 3 Continuous temperature records of the two sites Hf08a21a & Hf08a21b (T01~T10 represent corresponding thermistors of No.01 to No.10)

一般每次成功测量都可以获得摩擦阶段和脉冲阶段的温度-时间记录（图 3）.摩擦阶段指从探针下插到脉冲加热前的时间段，记录的是探针下插时因摩擦生热引起的温度增高及随后的热平衡过程温度随时间的变化.而脉冲阶段指从脉冲加热（10~20 s）到探针拔出前的时间段，记录的是脉冲加热引起的温度增高及随后的热平衡过程的温度变化.利用这两个阶段的温度-时间记录我们可以计算出各通道处深度的环境温度和原位热导率，结合探针倾斜度校正，可以获得原位地温梯度和原位热流.

由于海底热流测量的精度要求很高，而温度传感器（热敏电阻）受精度限制，各通道间仍存在微小差别，故需进行温度偏移量改正.而深水区域可以视为一个恒温槽，可以对各传感器进行细微校正.校正时，我们首先选择各航次水深最大的站位，去掉该站位那些数据记录质量差的通道（如图 3第10通道），利用测量时该站位在距海底50~100 m停留时段内所有有效通道记录的温度数据进行平均，获得的温度作为基准温度T₀，而第i个通道（温度传感器）自身的平均温度T_i，与基准温度的差作为该通道温度的偏移校正量ΔT_i，对该航次不同站位测量的温度进行偏移校正.图 4是根据站位Hf08a21a和Hf08a21b两次插入前停留时间做的各通道校正量，可以看出同一航次同一探针偏移量校正一致性很好.

图 4

Fig. 4

图 4 Hf08a21a和Hf08a21b站位第1~9通道的温度漂移校正值 Fig. 4 Temperature drift correction value of No.01 to No.09 thermistors of sites Hf08a21a & Hf08a21b

经过校正的各通道温度-时间记录可以用来推导温度传感器所在深度的沉积物环境温度和原位热导率.受海上调查条件限制，探针在沉积物中只能停留很短时间，记录到的温度还不能代表环境温度，需要根据记录的温度-时间数据推导沉积物的平衡温度（环境温度），并提取沉积物热物性信息.根据Lister（1979）^[25]，探针可以视为半径为a的无限长的柱体，而记录到的温度随时间变化满足无限长柱体热源的热衰减公式：

(1)

其中Q为探针摩擦生热或脉冲生热强度（单位：J/m）；λ为沉积物热导率（单位：W·m^-1·K^-1）；κ为沉积物热扩散率（单位：m²·s^-1）；（ρc）_c为探针体积热容，0.25×10⁷ J·m^-3·K^-1；t_s为等效起始时间（单位：s）；T_a为环境温度（单位：K）；J_n，Y_n分别是一类和二类的n阶Bessel函数.u是积分变量.

本文依据Hartmann & Villinger（2002）^[26]提出的算法计算平衡温度和热导率.计算时，利用迭代技术，通过调整一些变量，拟合实测温度-时间曲线和理论温度曲线，来获得各测量点的环境温度和热导率.具体求解过程如下：

（1） 拟合摩擦阶段数据时，迭代第一步先假定初始的λ、κ，而（ρc）_c已知，求Q、T_a、t_s；

（2） 拟合热脉冲阶段数据时，首先去掉摩擦残余热的影响，然后固定Q、T_a、（ρc）_c（Q已知，（ρc）_c已知，T_a=0），求λ、κ、t_s；

（3） 如果不能拟合，就重复前面两步，重复第一步时，利用第二步获得的λ、κ.

图 5（a、b）是根据Hf08a21a站位的温度数据求得的浅层各深度点平衡温度和原位热导率，可以看出该站位温度随深度线性相关性较好，而热导率变化范围在0.72~1.03 W·m^-1·K^-1之间.

图 5

Fig. 5

图 5 Hf08a21a站位的计算结果 (a)不同深度处的平衡温度; (b)不同深度处的原位热导率; (c)不同深度处温度和热阻线性回归. Fig. 5 Results of site Hf08a21a (a) Depth-dependent temperature; (b) Depth-dependent in-situ thermal conductivity; (c) Linear regression of depth-dependent temperature and thermal resistance.

通过对各深度点的环境温度进行线性拟合，可得到视地温梯度，经过探针倾斜校正后即获得该站位海底沉积物浅层的地温梯度.而各站位热流可根据Bullard方法^[27]计算获得.该方法假设不同深度处沉积物温度T和热阻Ω为线性关系：

(2)

其中z是深度（单位：m）；T₀是深度为z₀处的温度（若z₀为0，T₀为海底温度）（单位：K）；q是热流（单位：mW·m^-2）；而热阻Ω（单位：K²·m· W^-1）可以表示为

(3)

其中z_i-1和z_i代表热导率为λ_i的深度段的顶底深度.I是深度z₀到深度z间的深度段数目.对不同深度点的T和Ω进行线性回归，其斜率即为原位热流.根据Hf08a21a站位的温度数据求得的浅层沉积物地温梯度约105.3 ℃·km^-1，原位热流约89±1 mW·m^-2（图 5）.

根据上述计算过程，我们处理了16个站位的温度-时间数据，结果见表 1.其中Hf08a21a和Hf08a21b两个站位相距很近（约180 m），是工作船一次停留时探针连续两次插入的结果，所测的地温梯度和原位热流在误差范围内基本一致，表明所用探针性能具高度的稳定性.

所测16个海试站位分别位于西沙海槽和白云凹陷两处区域.其中，西沙海槽有3个站位，除Hf08a17站位因摩擦热衰减不足导致结果可信度较差之外，站位Hf08a21a和Hf08a21b位于西沙海槽坡底平坦处，计算的表层原位地温梯度分别为105.3℃ ·km^-1和99.9℃ ·km^-1，原位热导率分别为0.72~1.03 W·m^-1·K^-1和0.79~0.98 W·m^-1·K^-1，原位热流分别为89±1 mW·m^-2和87±1 mW·m^-2.由图 1b知，计算站位邻近20世纪80年代中美合作在西沙海槽附近测量的热流剖面（简称西部热流剖面）北段和徐行（2006）^[8]的热流站位.将Hf08a21a和Hf08a21b站位的测量结果与西部热流剖面和徐行（2006）^[8]的结果进行比较（表 2），可以看出本文获得的地温梯度、热导率和热流都与前人结果相当，表明西沙海槽区确实具有较高的热流.

表 2(Table 2)

表 2 西沙海槽区热流测量结果对比 Table 2 Comparing of heat flow results in Xisha trough

表 2 西沙海槽区热流测量结果对比 Table 2 Comparing of heat flow results in Xisha trough

另外13个站位分布于白云凹陷的中部区域，所得原位地温梯度变化范围为58.5~100.7℃·km^-1，原位热导率为0.65~1.31 W·m^-1·K^-1，原位热流为56±2~101±4 mW·m^-2.由图 1c知在白云凹陷区域本文所测站位邻近中美中部热流剖面和LW3-1-1井.对比在白云凹陷区域13个站位的处理结果，除了Hf2-2、Hf2-3、Hf2-4及Hf5-3等4个站位的原位热流值在70 mW·m^-2以下之外，其他9个站位的热流值都在75±2~101±4 mW·m^-2范围，位于这些站位东侧（约25 km）的LW3-1-1井也具高热流值（92 mW·m^-2）^{[10, 11]}（表 3），而位于白云凹陷东部的中美合作中部热流剖面的北部站位的热流值为59~79 mW·m^-2，说明白云凹陷中部热流值比东部高.有趣的是，2007年广州海洋地质调查局在南海神狐海区钻获天然气水合物实物样品的3个钻孔SH2、SH3和SH7^{[17, 24]}正好位于上述3个具较低热流值的站位（Hf2-2、Hf2-3和Hf2-4）附近，而我们根据宋海斌等^[12]和He等^[13]方法按BSR埋深深度200m计算的该区的BSR热流为~60mW·m^-2，与本区原位测量获得的热流基本一致.表 3所示的LW3-1-1井的地温梯度仅为52.5 ℃ ·km^-1，低于本文和中美热流剖面的结果，这是因为两者测量深度不同.因为热导率随深度增加，因此同一站点的平均地温梯度随深度范围加大而降低.LW3-1-1钻井测温深度范围较大，所得地温梯度代表较大深度范围的平均地温梯度，而本文和中美热流剖面所得地温梯度仅是海底表层沉积物的地温梯度.

表 3(Table 3)

表 3 白云凹陷区热流测量结果对比 Table 3 Comparing of heat flow results in Baiyun sag

表 3 白云凹陷区热流测量结果对比 Table 3 Comparing of heat flow results in Baiyun sag

值得提出的是，上述处理得到的仅是海底表层的原位热流值，并不能代表基底热流.表层热流不仅受控于基底热流，而且受沉积速率、流体活动等多种因素的影响.张健等（2000）^[28]和Shi等（2000，2002）^{[29, 30]}研究表明南海北部陆坡区和西沙海槽区因地壳强烈减薄、软流圈抬升而具有较高的基底热流.但是，表层沉积物可能因为沉积速率较高而没有达到热平衡，所测的表层热流将低于基底热流.白云凹陷和西沙海槽热流站位所在区域虽然具有较高的沉积速率，但是测量结果仍表明表层沉积物具有较高的热流，可能说明表层热流已经受到其他因素的影响.Wissmann等^[31]和Qiu等^[32]根据多道地震反射剖面勾画出西沙海槽区的断裂，有少数断裂断至海底，表明部分断裂仍在活动，这些断裂可能成为水热活动的通道，影响表层沉积物的热流分布.另外，西沙海槽在新生代特别是晚新生代以来的岩浆活动也可能对热流特征产生影响.王家豪等（2006）^[33]和石万忠等（2009）^[34]在白云凹陷中部识别出了泥岩底辟带及底辟断层.吴能友等（2009）^[23]和吴时国等（2009）^[24]也指出神狐海域新近系断裂发育，新构造运动强烈，不同规模的断裂组合为深部流体运移提供通道，并从地震剖面上识别了泄压作用（伴随流体运移）造成的大规模地震反射模糊区（带）.图 6也显示出研究区局部的断裂发育和地震反射模糊区.底辟构造和流体运移可以增强热流的向上输导，在白云凹陷中部测量的高热流特征很可能受到了底辟和流体活动的影响.因此在西沙海槽区域和白云凹陷区域测量获得的高热流与本区高热背景、后期断裂发育、底辟、岩浆侵入和流体运移等活动有关.

图 6

Fig. 6

图 6 白云凹陷区域过热流站位的地震解释剖面 Fig. 6 Seismic profile crossing heat flow sites in Baiyun sag

（1） 16个原位热流测量站位分别位于南海西沙海槽和白云凹陷区域.西沙海槽区域3个站位中，除1个站位因摩擦时间过短而结果不可信之外，其余2个站位测量的海底表层原位地温梯度分别为105.3和99.9℃·km^-1，原位热流分别为89±1和87±1 mW·m^-2.白云凹陷中部区域13个站位测得地温梯度范围为58.5~100.7 ℃·km^-1，原位热流值除4个站位低于70 mW ·m^-2外，其余都高于75±2 mW·m^-2，最高可达101±4 mW·m^-2，比前人在白云凹陷东部获得的热流值高.

（2） 本文原位测量结果和前人成果都说明西沙海槽和白云凹陷区域现今仍为高热流区.分析表明高热流特征与研究区高热背景、后期断裂发育、底辟、岩浆侵入和热流体活动等有关.

感谢广州海洋地质调查局海洋四号HY4-2008-3航次、HY4-2009-2航次和HY4-2009-4航次的全体调查人员和船员，是他们的辛勤劳动和积极配合才使得海上探测任务得以顺利完成.