海洋物探技术及应用

  1.前言

 

  20世纪末， 科学家在海底发现了另一个大洋世界— — —“黑色大洋” ， 富含矿物质的流体在其中流动着， 驱动着矿物质的传递和界面交换， 形成各类大洋矿产， 并维持着由极端条件生物所组成的深部生物圈。黑色大洋的发现， 拓展了人类对地球形成与演化和地球生命起源的认识领域。从此，人们不断的加快了对海洋的探测，各种海洋探测技术相应的产生。海洋物探技术的发展不仅具有显著的科学研究意义，在海洋能源的开采利用和海洋军事和安全中都要很重要的意义和位置。

 

  2.海洋定位技术

 

  高精度的定位技术的是海洋探测技术的基础，海洋定位包括海面船只和探测系统的定位和海下探测系统的定位，海下探测系统的高精度定位尤其重要。

 

  水面定位技术由于卫星导航定位系统的发展已经比较成熟，目前的卫星导航定位系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统和中国的北斗系统，其中GPS的技术最成熟，精度最高。

 

  水下定位主要测定水下探测系统相对水面母船的位置，如侧扫声纳系统、 海底照相系统、海底摄像系统等拖体系统，水下机器人，海底箱式取样器、多管取样器、电视抓斗、潜钻、热液保真采样器，及海底土工原位测试仪等等。测定水下探测系统相对水面母船的位置，结合水面船只的全球定位数据，就可将水下探测系统的准确位置归算到大地坐标系上。水下定位系统主要有超短基线定位系统、短基线定位系统、长基线定位系统，及超短基线定位系统与长基线定位系统组合系统，短基线定位系统目前已很少使用。超短基线定位系统由声基阵、声标、主控系统和外部设备等组成，声基阵置于船底或船舷，声标装在水下探测系统上，测定声标与声基阵不同水听器之间的距离和声脉冲到达的相位差来确定声标相对于声基阵的位置。根据船载部分与水下应答器之间的交联方式，系统有声学应答方式、电信号触发方式和同步钟等三种方式。系统最大的优点是可以进行长距离海底目标连续跟踪定位， 操作简单； 缺点是定位精度较低， 作用距离较短， 作业水深较浅。长基线定位系统通过测定母船与声标的距离，水下设备（安置声标）与声标、母船的距离，及水下设备与各声标的距离，最终确定水下设备相对母船的位置。系统的主要优点是定位精度高，适于在小范围内（几十平方公里）精确定出水下设备。水下GPS系统包括 GPS智能浮标（GIB）、控制站及水下应答器。浮标下挂水听器，由四个浮标组成基阵，通过水面天线与控制系统链接。应答器置于水下运载器上， 应答器内装有声波发生器。浮标在声波发生器约500m范围内，就能精确探测到声波信号。测定应答器发射与水听器收到声脉冲信号之间的时间差，测出浮标和水下目标之间的相对位置，利用差分 GPS 精确测定浮标的精确位置，从而得到水下目标的精确定位。定位数据可在控制站与浮标之间无线传输交换。

 

  3.海洋重磁测量技术

 

  海洋重力测量在全球的广泛开展，积累了海量的测量数据，在资源勘查和科学研究等方面起到了极大的作用。海洋重磁的长足发展很基于卫星测高技术，因为卫星测高数据目前是海洋重力数据的重要的数据来源，如今，卫星测高数据密集覆盖了全球大洋， 高精度的卫星定轨和大气2海洋环境改正给出了足够精度和分辨率的海洋大地水准面起伏，而由其恢复出的重力场的精度和分辨率已接近于海上船测数据的水平。

 

  卫星、航空器和海洋船只等所采集到的海洋地磁测量数据对于直接寻找海底磁性矿产问题具有不可替代的作用（管志宁等，2002）。海洋磁测在发现海底各种掩埋、废弃的铁磁性物质方面非常有效，如战争遗留在海底的炸弹、水雷、沉没的舰船和海底管线，甚至水下考古发现等。由于侦察潜艇的潜航与隐蔽（反潜技术）和水雷的布设（水下探查技术）与认识地磁场的关系十分密切，使得海洋地磁勘查在军事方面的应用也凸显出重要性。海洋地磁场的测量与研究越来越得到各方面的重视，海洋磁测技术的发展也非常迅速。

 

  4.海底声学探测技术

 

  声波在海水中的传播优于电磁波和可见光，目前的海底探测主要还是依赖于声学探测技术（李启龙，2000）海洋地震勘探及其数据处理是传统性的海底声学技术，也是研究海底构造与海洋岩石圈深部结构和寻找海底矿产的主力技术。多波束测深、侧扫声纳测图和浅层剖面测量则是近数十年快速发展起来探测海底浅层结构信息的技术，这些技术已经在当代海洋工程、海洋开发、海洋研究、海底资源勘查等方面发挥出极其重要的作用。

 

  4.1 海洋地震探测技术

 

  海洋地震勘探主要利用地震波在海底地层岩石中的传播规律，来研究海底以下地质构造，推断岩体物性，勘查海底资源。地震勘探法是目前海底探查应用最广、成效最高的地球物理技术。20世纪以来，海底地震迅速发展，主要表现在采集系统的高集约化、采集技术的多样化、探测技术的多元化、数据处理解释技术的飞速发展。  20世纪 年代末至今，随着三维、四维、高分辨率和多波多分量地震探测技术的发展，出现了三分量检波器、四分量检波器、涡流检波器、高性能压电检波器。随着无线电定位和卫星定位在地震勘探中广泛应用，海洋地震数据的采集也从最初的三船法、 双船法发展目前主要采用的单船法。同时探测维数也从最初的二维发展到目前的三维地震探测，甚至时移探测，即四维地震探测。海洋地震探测技术从反射探测技术、折射探测技术发展到目前的多波多分量地震探测技术。多波多分量地震探测与通常采用的单一纵波探测技术相比，所能提供的地震属性（如时间、速度、振幅、频率、相位、偏振、波阻抗、吸收、复分量等）信息成倍增加，并能衍生出各种组合参数（如差值、比值、乘积、几何平均值、求取的弹性系数等）。利用这些参数估算地层岩性、孔隙度、裂隙、含气性等比只用单波具有更高的可靠性。勘探地震数据的处理包括数值计算和对地壳结构的成像；地震数据的解释则趋向于可视化技术的运用。

 

  4.2 海底浅层声探技术

 

  海底浅层声探测有多波束测深、 侧扫声纳和浅层剖面探测等， 工作原理基本相似， 只是由于探测目标的不同而有所区别。使用的声波频率和强度也存有差异，一般高频用于探测中、 浅海水深或侧扫海底形态，低频用于探测深海水深或浅层剖面结构。高频能提高分辨率，而低频则能提高声波的作用距离和穿透深度，目前有很多系统采用双频或多频探头结构，以提高全海域的探测能力。  多波束测深系统是一种由多个传感器组成的复杂系统。它不同于单波束测深系统， 在测量断面内可形成十几个至上百个测点的条幅式测深数据，几百个甚至上千个反向散射强度数据，能获得较宽的海底扫幅和较高的测点密度，极大地改进了海底数据采集的速度；由于测量波束较窄，并采用先进的检测技术和精密的声线改正方法，系统可确保探测精度和波束脚印的坐标归位计算精度。因而，多波束测深系统具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点，在海底探测的实践中发挥着越来越重要的作用，多波束测深系统日益受到海底测量同行的认可。多波束测深系统可以分为声波反射—散射和声波相干两种类型，大部分多波束系统基于声反射—声散射原理， 少数基于声波相干原理。目前后者的波束数较多（1000—4000束），具有有较大的覆盖率（10—20倍），但探测频率较高（60Hz），测量水深较浅（600）；前者的波束数一般在120个左右， 覆盖率为3—705倍。在浅水区，声波相干多波束系统的性能指标明显优于声波反射—散射多波束系统，但目前在深海勘测中主要还是使用声波反射—散射多波束系统。

 

  侧扫声纳技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态，侧扫声呐技术能直观地提供海底形态的声成像，在海底测绘、海底地质勘测、海底工程施工、 海底障碍物和沉积物的探测，以及海底矿产勘测等方面得到广泛应用。根据声学探头安装位置的不同，侧扫声纳可以分为船载和拖体两类。船载型声学换能器安装在船体的两侧， 该类侧扫声纳工作频率一般较低(10KHz以下），扫幅较宽。探头安装在拖体内的侧扫声纳系统根据拖体距海底的高度还可分为两种：离海面较近的高位拖曳型和离海底较近的深拖型。高位拖曳型侧扫系统的拖体在水下100m左右拖曳， 能够提供侧扫图像和测深数据，航速较快（8kn）。多数拖体式侧扫声呐系统为深拖型，拖体距离海底仅有数十米，位置较低，航速较低，但获取的侧扫声纳图像质量较高，侧扫图像甚至可分辨出十几厘米的管线和体积很小的油桶等，最近有些深拖型侧扫声纳系统也开始具备高航速的作业能力，10kn航速下依然能获得高清晰度的海底侧扫图像。

 

  浅地层剖面测量系统是探测海底浅层结构、海底沉积特征和海底表层矿产分布的重要手段，它具有与多波束测深和测扫声纳相类似的工作原理，其区别在于浅层剖面系统的发射频率较低，产生声波的电脉冲能量较大，发射声波具有较强的穿透力，能够有效地穿透海底数十米的地层。浅层剖面测量与单道地震探测也很类似， 但分辨率要高得多，有的系统在中、浅水探测的分辨率甚至可以达到十余厘米。20世纪40年代推出最原始的海底剖面仪，上世纪60-70年代出现商品设备，由于当时技术基础的限制，无法实现复杂信号的处理、地层的高分辨探测和自动成图，地层探测结果只能绘在热记录纸带上，不能长期保存。海底探测要求浅层剖面测量系统既能拥有较高的地层穿透深度，又能具有较高的地层分辨率。

 

  5.海洋探测技术的应用

 

  目前，海洋能源具有很大的开发潜力，据估计，南海的石油资源量可达400亿吨，全部或部分在我国断续国界线内的南海大陆架和大陆坡的含油气盆地。因此海洋能源的探测至关重要。地球物理探测手段是油气勘探中最为重要的手段，也是目前我们应用最为广泛的手段。其中，以地震勘探为主要方法。地震勘探是利用人工方法激发地震波，来定位矿藏(包括油气、矿石、水、地热资源等)、确定考古位置、获得工程地质信息。地震勘探所获得的资料，与其他的地球物理资料、钻井资料及地震资料联合使用，并根据相应的物理与地质概念，能够得到相关构造岩石类型分布的信息。海上作业都通过一条船拖着几千米的拖缆，拖缆可以从船尾放人海中，通过气枪或者电火花震源激发，利用水听器接收来自地下的信息，从而指导油气勘探。

 

  另外，由于能源的短缺，海洋能源成为各国争夺的焦点，因而引起了很多领土争端问题，例如钓鱼岛位于东海大陆架的东部边缘，距台湾岛120km，东西距日本冲绳和中国大陆200海里。钓鱼岛历来就是中国的领土，明代就被列为中国的防卫范围。钓鱼岛是我国台湾省的附属岛屿，从海底地形和地质构造看，它同台湾诸岛一样属于大陆型岛屿，与日本琉球群岛的海洋型岛屿性质不一样。中日甲午战争以前，日本政府也承认钓鱼岛是中国的领土。甲午战争后钓鱼岛被日本占领。二战结束后，日本将钓鱼岛交予美国托管。20世纪60年代，联合国、美国等研究机构及日本先后对东海及钓鱼岛周围海域进行了调查并确认该处石油蕴藏量140～150亿吨。日本政府见油起贪，宣布对钓鱼岛“重新拥有主权”。在日本政府的怂恿下，日本右翼势力更是企图强行霸占钓鱼岛，而且多次在钓鱼岛问题上挑起事端。因此，为了保证我国领海的安全，不仅要建立一支强大的海军，还要探测敌对的行动的监视和探测，多波束声呐测深系统等地球物理方法能够为潜艇隐蔽和导航提供精确的数据，在保卫我国海洋安全方面发挥着重要的作用。