海洋物探技術(shù)及應用

  1.前言

 

  20世紀末， 科學(xué)家在海底發(fā)現了另一個(gè)大洋世界— — —“黑色大洋” ， 富含礦物質(zhì)的流體在其中流動(dòng)著(zhù)， 驅動(dòng)著(zhù)礦物質(zhì)的傳遞和界面交換， 形成各類(lèi)大洋礦產(chǎn)， 并維持著(zhù)由極端條件生物所組成的深部生物圈。黑色大洋的發(fā)現， 拓展了人類(lèi)對地球形成與演化和地球生命起源的認識領(lǐng)域。從此，人們不斷的加快了對海洋的探測，各種海洋探測技術(shù)相應的產(chǎn)生。海洋物探技術(shù)的發(fā)展不僅具有顯著(zhù)的科學(xué)研究意義，在海洋能源的開(kāi)采利用和海洋軍事和安全中都要很重要的意義和位置。

 

  2.海洋定位技術(shù)

 

  高精度的定位技術(shù)的是海洋探測技術(shù)的基礎，海洋定位包括海面船只和探測系統的定位和海下探測系統的定位，海下探測系統的高精度定位尤其重要。

 

  水面定位技術(shù)由于衛星導航定位系統的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，目前的衛星導航定位系統有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統和中國的北斗系統，其中GPS的技術(shù)最成熟，精度最高。

 

  水下定位主要測定水下探測系統相對水面母船的位置，如側掃聲納系統、 海底照相系統、海底攝像系統等拖體系統，水下機器人，海底箱式取樣器、多管取樣器、電視抓斗、潛鉆、熱液保真采樣器，及海底土工原位測試儀等等。測定水下探測系統相對水面母船的位置，結合水面船只的全球定位數據，就可將水下探測系統的準確位置歸算到大地坐標系上。水下定位系統主要有超短基線(xiàn)定位系統、短基線(xiàn)定位系統、長(cháng)基線(xiàn)定位系統，及超短基線(xiàn)定位系統與長(cháng)基線(xiàn)定位系統組合系統，短基線(xiàn)定位系統目前已很少使用。超短基線(xiàn)定位系統由聲基陣、聲標、主控系統和外部設備等組成，聲基陣置于船底或船舷，聲標裝在水下探測系統上，測定聲標與聲基陣不同水聽(tīng)器之間的距離和聲脈沖到達的相位差來(lái)確定聲標相對于聲基陣的位置。根據船載部分與水下應答器之間的交聯(lián)方式，系統有聲學(xué)應答方式、電信號觸發(fā)方式和同步鐘等三種方式。系統最大的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行長(cháng)距離海底目標連續跟蹤定位， 操作簡(jiǎn)單； 缺點(diǎn)是定位精度較低， 作用距離較短， 作業(yè)水深較淺。長(cháng)基線(xiàn)定位系統通過(guò)測定母船與聲標的距離，水下設備（安置聲標）與聲標、母船的距離，及水下設備與各聲標的距離，最終確定水下設備相對母船的位置。系統的主要優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，適于在小范圍內（幾十平方公里）精確定出水下設備。水下GPS系統包括 GPS智能浮標（GIB）、控制站及水下應答器。浮標下掛水聽(tīng)器，由四個(gè)浮標組成基陣，通過(guò)水面天線(xiàn)與控制系統鏈接。應答器置于水下運載器上， 應答器內裝有聲波發(fā)生器。浮標在聲波發(fā)生器約500m范圍內，就能精確探測到聲波信號。測定應答器發(fā)射與水聽(tīng)器收到聲脈沖信號之間的時(shí)間差，測出浮標和水下目標之間的相對位置，利用差分 GPS 精確測定浮標的精確位置，從而得到水下目標的精確定位。定位數據可在控制站與浮標之間無(wú)線(xiàn)傳輸交換。

 

  3.海洋重磁測量技術(shù)

 

  海洋重力測量在全球的廣泛開(kāi)展，積累了海量的測量數據，在資源勘查和科學(xué)研究等方面起到了極大的作用。海洋重磁的長(cháng)足發(fā)展很基于衛星測高技術(shù)，因為衛星測高數據目前是海洋重力數據的重要的數據來(lái)源，如今，衛星測高數據密集覆蓋了全球大洋， 高精度的衛星定軌和大氣2海洋環(huán)境改正給出了足夠精度和分辨率的海洋大地水準面起伏，而由其恢復出的重力場(chǎng)的精度和分辨率已接近于海上船測數據的水平。

 

  衛星、航空器和海洋船只等所采集到的海洋地磁測量數據對于直接尋找海底磁性礦產(chǎn)問(wèn)題具有不可替代的作用（管志寧等，2002）。海洋磁測在發(fā)現海底各種掩埋、廢棄的鐵磁性物質(zhì)方面非常有效，如戰爭遺留在海底的炸彈、水雷、沉沒(méi)的艦船和海底管線(xiàn)，甚至水下考古發(fā)現等。由于偵察潛艇的潛航與隱蔽（反潛技術(shù)）和水雷的布設（水下探查技術(shù)）與認識地磁場(chǎng)的關(guān)系十分密切，使得海洋地磁勘查在軍事方面的應用也凸顯出重要性。海洋地磁場(chǎng)的測量與研究越來(lái)越得到各方面的重視，海洋磁測技術(shù)的發(fā)展也非常迅速。

 

  4.海底聲學(xué)探測技術(shù)

 

  聲波在海水中的傳播優(yōu)于電磁波和可見(jiàn)光，目前的海底探測主要還是依賴(lài)于聲學(xué)探測技術(shù)（李啟龍，2000）海洋地震勘探及其數據處理是傳統性的海底聲學(xué)技術(shù)，也是研究海底構造與海洋巖石圈深部結構和尋找海底礦產(chǎn)的主力技術(shù)。多波束測深、側掃聲納測圖和淺層剖面測量則是近數十年快速發(fā)展起來(lái)探測海底淺層結構信息的技術(shù)，這些技術(shù)已經(jīng)在當代海洋工程、海洋開(kāi)發(fā)、海洋研究、海底資源勘查等方面發(fā)揮出極其重要的作用。

 

  4.1 海洋地震探測技術(shù)

 

  海洋地震勘探主要利用地震波在海底地層巖石中的傳播規律，來(lái)研究海底以下地質(zhì)構造，推斷巖體物性，勘查海底資源。地震勘探法是目前海底探查應用最廣、成效最高的地球物理技術(shù)。20世紀以來(lái)，海底地震迅速發(fā)展，主要表現在采集系統的高集約化、采集技術(shù)的多樣化、探測技術(shù)的多元化、數據處理解釋技術(shù)的飛速發(fā)展。  20世紀 年代末至今，隨著(zhù)三維、四維、高分辨率和多波多分量地震探測技術(shù)的發(fā)展，出現了三分量檢波器、四分量檢波器、渦流檢波器、高性能壓電檢波器。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電定位和衛星定位在地震勘探中廣泛應用，海洋地震數據的采集也從最初的三船法、 雙船法發(fā)展目前主要采用的單船法。同時(shí)探測維數也從最初的二維發(fā)展到目前的三維地震探測，甚至時(shí)移探測，即四維地震探測。海洋地震探測技術(shù)從反射探測技術(shù)、折射探測技術(shù)發(fā)展到目前的多波多分量地震探測技術(shù)。多波多分量地震探測與通常采用的單一縱波探測技術(shù)相比，所能提供的地震屬性（如時(shí)間、速度、振幅、頻率、相位、偏振、波阻抗、吸收、復分量等）信息成倍增加，并能衍生出各種組合參數（如差值、比值、乘積、幾何平均值、求取的彈性系數等）。利用這些參數估算地層巖性、孔隙度、裂隙、含氣性等比只用單波具有更高的可靠性。勘探地震數據的處理包括數值計算和對地殼結構的成像；地震數據的解釋則趨向于可視化技術(shù)的運用。

 

  4.2 海底淺層聲探技術(shù)

 

  海底淺層聲探測有多波束測深、 側掃聲納和淺層剖面探測等， 工作原理基本相似， 只是由于探測目標的不同而有所區別。使用的聲波頻率和強度也存有差異，一般高頻用于探測中、 淺海水深或側掃海底形態(tài)，低頻用于探測深海水深或淺層剖面結構。高頻能提高分辨率，而低頻則能提高聲波的作用距離和穿透深度，目前有很多系統采用雙頻或多頻探頭結構，以提高全海域的探測能力。  多波束測深系統是一種由多個(gè)傳感器組成的復雜系統。它不同于單波束測深系統， 在測量斷面內可形成十幾個(gè)至上百個(gè)測點(diǎn)的條幅式測深數據，幾百個(gè)甚至上千個(gè)反向散射強度數據，能獲得較寬的海底掃幅和較高的測點(diǎn)密度，極大地改進(jìn)了海底數據采集的速度；由于測量波束較窄，并采用先進(jìn)的檢測技術(shù)和精密的聲線(xiàn)改正方法，系統可確保探測精度和波束腳印的坐標歸位計算精度。因而，多波束測深系統具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點(diǎn)，在海底探測的實(shí)踐中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，多波束測深系統日益受到海底測量同行的認可。多波束測深系統可以分為聲波反射—散射和聲波相干兩種類(lèi)型，大部分多波束系統基于聲反射—聲散射原理， 少數基于聲波相干原理。目前后者的波束數較多（1000—4000束），具有有較大的覆蓋率（10—20倍），但探測頻率較高（60Hz），測量水深較淺（600）；前者的波束數一般在120個(gè)左右， 覆蓋率為3—705倍。在淺水區，聲波相干多波束系統的性能指標明顯優(yōu)于聲波反射—散射多波束系統，但目前在深海勘測中主要還是使用聲波反射—散射多波束系統。

 

  側掃聲納技術(shù)運用海底地物對入射聲波反向散射的原理來(lái)探測海底形態(tài)，側掃聲吶技術(shù)能直觀(guān)地提供海底形態(tài)的聲成像，在海底測繪、海底地質(zhì)勘測、海底工程施工、 海底障礙物和沉積物的探測，以及海底礦產(chǎn)勘測等方面得到廣泛應用。根據聲學(xué)探頭安裝位置的不同，側掃聲納可以分為船載和拖體兩類(lèi)。船載型聲學(xué)換能器安裝在船體的兩側， 該類(lèi)側掃聲納工作頻率一般較低(10KHz以下），掃幅較寬。探頭安裝在拖體內的側掃聲納系統根據拖體距海底的高度還可分為兩種：離海面較近的高位拖曳型和離海底較近的深拖型。高位拖曳型側掃系統的拖體在水下100m左右拖曳， 能夠提供側掃圖像和測深數據，航速較快（8kn）。多數拖體式側掃聲吶系統為深拖型，拖體距離海底僅有數十米，位置較低，航速較低，但獲取的側掃聲納圖像質(zhì)量較高，側掃圖像甚至可分辨出十幾厘米的管線(xiàn)和體積很小的油桶等，最近有些深拖型側掃聲納系統也開(kāi)始具備高航速的作業(yè)能力，10kn航速下依然能獲得高清晰度的海底側掃圖像。

 

  淺地層剖面測量系統是探測海底淺層結構、海底沉積特征和海底表層礦產(chǎn)分布的重要手段，它具有與多波束測深和測掃聲納相類(lèi)似的工作原理，其區別在于淺層剖面系統的發(fā)射頻率較低，產(chǎn)生聲波的電脈沖能量較大，發(fā)射聲波具有較強的穿透力，能夠有效地穿透海底數十米的地層。淺層剖面測量與單道地震探測也很類(lèi)似， 但分辨率要高得多，有的系統在中、淺水探測的分辨率甚至可以達到十余厘米。20世紀40年代推出最原始的海底剖面儀，上世紀60-70年代出現商品設備，由于當時(shí)技術(shù)基礎的限制，無(wú)法實(shí)現復雜信號的處理、地層的高分辨探測和自動(dòng)成圖，地層探測結果只能繪在熱記錄紙帶上，不能長(cháng)期保存。海底探測要求淺層剖面測量系統既能擁有較高的地層穿透深度，又能具有較高的地層分辨率。

 

  5.海洋探測技術(shù)的應用

 

  目前，海洋能源具有很大的開(kāi)發(fā)潛力，據估計，南海的石油資源量可達400億噸，全部或部分在我國斷續國界線(xiàn)內的南海大陸架和大陸坡的含油氣盆地。因此海洋能源的探測至關(guān)重要。地球物理探測手段是油氣勘探中最為重要的手段，也是目前我們應用最為廣泛的手段。其中，以地震勘探為主要方法。地震勘探是利用人工方法激發(fā)地震波，來(lái)定位礦藏(包括油氣、礦石、水、地熱資源等)、確定考古位置、獲得工程地質(zhì)信息。地震勘探所獲得的資料，與其他的地球物理資料、鉆井資料及地震資料聯(lián)合使用，并根據相應的物理與地質(zhì)概念，能夠得到相關(guān)構造巖石類(lèi)型分布的信息。海上作業(yè)都通過(guò)一條船拖著(zhù)幾千米的拖纜，拖纜可以從船尾放人海中，通過(guò)氣槍或者電火花震源激發(fā)，利用水聽(tīng)器接收來(lái)自地下的信息，從而指導油氣勘探。

 

  另外，由于能源的短缺，海洋能源成為各國爭奪的焦點(diǎn)，因而引起了很多領(lǐng)土爭端問(wèn)題，例如釣魚(yú)島位于東海大陸架的東部邊緣，距臺灣島120km，東西距日本沖繩和中國大陸200海里。釣魚(yú)島歷來(lái)就是中國的領(lǐng)土，明代就被列為中國的防衛范圍。釣魚(yú)島是我國臺灣省的附屬島嶼，從海底地形和地質(zhì)構造看，它同臺灣諸島一樣屬于大陸型島嶼，與日本琉球群島的海洋型島嶼性質(zhì)不一樣。中日甲午戰爭以前，日本政府也承認釣魚(yú)島是中國的領(lǐng)土。甲午戰爭后釣魚(yú)島被日本占領(lǐng)。二戰結束后，日本將釣魚(yú)島交予美國托管。20世紀60年代，聯(lián)合國、美國等研究機構及日本先后對東海及釣魚(yú)島周?chē)Ｓ蜻M(jìn)行了調查并確認該處石油蘊藏量140～150億噸。日本政府見(jiàn)油起貪，宣布對釣魚(yú)島“重新?lián)碛兄鳈唷?。在日本政府的慫恿下，日本右翼勢力更是企圖強行霸占釣魚(yú)島，而且多次在釣魚(yú)島問(wèn)題上挑起事端。因此，為了保證我國領(lǐng)海的安全，不僅要建立一支強大的海軍，還要探測敵對的行動(dòng)的監視和探測，多波束聲吶測深系統等地球物理方法能夠為潛艇隱蔽和導航提供精確的數據，在保衛我國海洋安全方面發(fā)揮著(zhù)重要的作用。