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海洋地质调查，好专业的术语，大家表示听不懂！ , y. Z8 ^) L3 J; i
什么是海洋地质调查呢？海洋地质调查就是应用地质、地球物理、地球化学及卫星遥感等各种手段探测海底地形和地貌、地质构造、海底沉积物组成和分布、地球物理场及海底矿产资源的统称。因此海洋地质调查是一个典型的多学科、多手段、多期次、多比例尺的地质调查行为。海洋地质调查不仅需要具有沉积学、构造学、矿物学、地球化学、地球物理学、古海洋学等专业的科研人员，还需要具备海洋定位导航、遥感探测、多波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面测量、多道地震测量、海洋重力场和磁力场测量、海底沉积钻探取芯以及各种遥控和载人深潜器（ROV和HOV）操作等专业技术的施工人员；不仅需要分年度、分周期开展外业调查和室内测试、综合研究工作，通常还需要按照1:100万、1:25万、1:5万等从小到大不同的比例尺开展的区域地质调查。
2 l* _' P! u# w# W* `5 }: T 哦，似乎明白了，但还是听不懂。
6 x, v7 P0 t) d3 n8 ?" T 其实啊，就是通过上述海洋地质调查工作的开展和完成，我们才能了解在祖国蔚蓝而广阔的大海下面，由什么岩石圈板块组成？有什么地层？不同地层分布着什么沉积物？沉积物中有些什么矿物？沉积物的化学组成是什么？沉积物里面埋藏着哪些生物？哪些地层之间储存着石油、天然气和水合物？2017年的南海水合物试采就是中国地质调查局通过海洋地质调查发现、查明并试采成功的。哪些地方有固体矿产？哪些地方适合水产养殖？哪些地方适合工程建设，会不会发生海底地震，如果可能发生地震会是什么级别，会不会像引起像2004年12月26日发生的印度洋海啸？哪些地方适合船舶航行，有没有暗礁和险滩，是适合我们的航空母舰“辽宁号”，还是适合我们的军舰“青岛”号，或是适合万吨级集装箱船。如此等等，对我们的日常生活、海洋渔业、海上运输、矿产资源、工程建设及军事应用都有着很重要的意义呢。 * p3 F, q1 i% e( B3 }& b/ s
% |1 k5 |& p' K T( p* Z- L7 t 中国2017年神狐海域水合物试采 : d5 k. g- c" ^" ~# |5 M
这下有点明白了。那海洋地质调查一般都怎么开展呢？
; O9 p3 b$ X4 h7 M: E) m. @: d 简单来说，开展海洋地质调查需要具备三个必须条件，它们密不可分，缺一不可。 # t; G6 \, K, A3 ]; R" v
首先是人，就是前面提到的专业的科研人员和专业的技术人员，这也是海洋地质调查开展的基础。通常，较大规模航次的海洋地质调查都会由国内外相关涉海单位联合实施。海洋地质调查航次的科研人员组成通常是老中青结合，不同专业的科研和技术人员统筹协作，同时还会有博士和硕士研究生参加，以起到培养和锻炼年轻队伍的目的。当然还会有大名鼎鼎的院士，比如近期乘坐国产深潜器“深海勇士号”三下南海海底的汪品先院士，在82岁高龄还一线工作，他是海洋地质调查工作人员的楷模，值得大家向他学习。此外，还有专业的技术人员，他们需要常驻科学考察船，掌握着海上调查设备的使用，常年随船参加全球各海区的海洋地质调查航次，远离家乡和亲人，工作是非常辛苦的，我们要为他们隐忍的坚持和无私的奉献点赞！ c* U- X; {. ^5 R3 @& O
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汪品先院士三次下潜南海
2 \) ` T2 K# P) p$ P 第二个必须条件就是要有船只，海洋地质调查需要专业的科学考察船，这个是有别于我们常见的普通船只，需要特殊设计，以搭载专业的测量设备和仪器，比如钻探船需要在船底留有钻孔口，以供钻杆上下提取岩芯需要。而且部分海洋地质调查船只具有全天候航行能力，比如“雪龙号”和“向阳红01号”等科考船，前者多次承担并完成中国的极地科考任务，后者是中国2016年入列的极地科考船，首次出航就创造了多项记录，其中首次将我国南极科考由传统的西经45度向东扩展到了西经37度海域，这是一个非常了不起的成就。
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! n7 `5 A7 c) I h “雪龙”号科考船
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“向阳红01”号科考船
! G3 ^& E. F+ b, s& b 此外，根据海洋地质调查的目的和海区不同，海洋地质调查船划分为地质钻探调查船和地球物理调查船等等。前者主要通过钻井平台，利用钻探技术直接采集海底表层、不同地层深处的地质样品，获取表层沉积物和钻孔沉积物样品。后者则与前者完全不同，它不与海底沉积物和地层发生直接关系，主要是通过搭载设备发射不同频率信号再接收，或直接观测海底重力场或磁力场进行调查。比如海底地震调查，就是通过仪器设备发射地震波信号，信号在海底不同地层穿过会发生反射及折射，再通过船载接受装置接收这些信号。再通过地震处理技术，去掉海水及不同地层多次反射的干扰信号，获得我们想要的地层分布及沉积物组成的信息，诸如海底地层中是否含有石油、天然气和水合物等。中国地质调查局最近入列了多艘海洋地质和地球物理调查船只，包括“海洋地质八号”、“海洋地质九号”和“海洋地质十号”，这为中国海洋地质调查工作向着更广、更深、更远的大洋开展奠定了坚实的基础。 7 J' i# D. ^4 u: R% }' r* ?- }
( R: y4 E# e6 W* L. \ “海洋地质八号”开展海洋多道地震测量
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4 L3 F5 m6 M1 Y- I* r% {1 C Z “海洋地质九号”开展海洋地球物理调查 1 ~8 @# Q, I& W, ]" E8 E4 M! U3 v
海洋地质钻探船还根据适航海区和钻探目标，分为大洋钻探船和近海钻探船。其中，大洋钻采船主要是承担国际综合大洋钻探计划(IODP)深部钻探的海洋地质调查船，它要满足开展全球性重大基础地质问题研究的需求，如早期的大洋中脊研究，以及近年中国主导开展的“南海大计划”研究。但是，因为要在几千米的深海开展钻探，其相关建造和使用的费用相当昂贵，通常续航一天就需要花费数万美元。所以全世界的大洋钻采船也只有美国的“格罗玛•挑战者号”、“乔迪亚•决心号”和日本的“地球号”三艘，现在使用比较多的是1978年建造的“决心号”和2002年建造的“地球号”。当然，我们中国自主设计建造的大洋科考船也正在紧锣密鼓的设计建造当中，各方面的设计指标均超过“决心号”和“地球号”，可以钻探的更深，获得更多更全的岩芯。相信不久的将来，乘坐中国自己设计制造的科考船开展大洋钻探和全球海洋地质调查不再是梦想。
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6 N' c8 a8 V f7 M2 p “决心号”钻探船 / T7 Z1 O4 }) K) C7 p1 E
+ [3 p3 D2 r3 W) N+ v1 b. ]. P/ @ “地球号”钻探船 7 l5 T$ x2 K( ]& ]* a1 k
海洋地质钻探船跟其他的科学考察船相比，具有一个非常明显的特征，那就是它拥有高高的钻井架，高高的耸立在船体的中央，占据整船的近三分之二。如“地球号”钻井井架高达130米，相当于40 层楼那么高。近海钻探船适航水深通常在200米以内，钻探地层的深度一般在300米以内，如上海海洋石油局第一海洋地质调查大队的“勘407轮”，就是近海海洋地质调查经常采用的钻探船。近年来，中国地质调查局开展的海洋区域地质调查均是采用近海钻探船，不仅完成了中国海域1:100万比例尺海洋区域地质调查全覆盖，还开展了重点区的1:25万比例尺的海洋区域地质调查，这标志着我国海洋地质工作实现了新的历史跨越。 9 J3 E G, U* @9 o' w" j
第三个条件当然就是要有调查设备啦。海洋地质调查使用的都是高精尖的专业设备，每一台都会是很昂贵的，比如海洋重力仪，一台要500多万人民币呢，这也就是为什么我们国家提出要加快建设海洋强国，这可不是一般国家能够做到的呢。海洋地质调查中会使用大量的调查设备和仪器，根据调查的目的不同，有选择地在调查船上进行搭载使用。
% ~$ t$ u* {' g" |! f* O 首先，我们要在海上航行，需要精准的全球定位导航，早期的海洋地质调查都是采用美国的GPS系统，而现在基本都是采用我们国家自己研发的北斗导航系统，时时刻刻指引我们前进的方向，到达既定目标海域。如果我们想查清海底表层沉积物的类型、元素组成，就需要使用重力箱式取样器或抓斗，顾名思义，就是将一个箱子形状的取样器，通过重力自由落体，砸入海底，将海底沉积物取上来。当然，实际上设备的设计和取样过程更为复杂。陆地上打钻需要钻机，我们在海洋地质调查船上进行钻探也是需要钻机的，因为在海上钻探，我们需要调查船有很好的锚定设备，通过抛锚来让船固定不动，保持钻机和钻杆的稳定。近海钻探，基本都是采用这种方法，但大洋钻探则更为先进，不需要通过锚链，通过船自身配备的定位系统和动力调整系统，消除海上的风浪、海水中的海洋环流和潮流对船只的影响，保持静止不动。 * f. a4 C+ F0 y4 @3 w9 V0 ?
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导航定位技术
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! v# E$ t3 e; n! l 重力取样器和海底钻机 # _5 X" X" m9 h+ h
开展海洋地质调查还需要配备大量的地球物理探测设备，如测深仪、重力仪、磁力仪、侧扫声呐、单道地震测量系统、多道地震测量系统等等。比如我们要测量海洋的水深，大家是不是以为用尺子伸到海底进行测量？历史上，最早的大洋水深测量还真是这么做过。1520年，著名航海家麦哲伦曾尝试着在远海探测海水的深度。他们利用唯一的一条800米长的绳子，一端拴好一个重锤，然后把绳子放到海里进行水深测量。但是，实际上他并没有成功。这也很容易理解，因为大洋太深，如果绳子太长了，绳子本身的在水中的重量就会增加，一旦绳子的重量超过了重锤的重量，人就无法感觉到重锤是否到了海底，因而也就无法测量出海洋的深度。实际上海洋地质调查测量水深是通过单波束测深仪和多波束测深仪进行，二者的区别在于发射声波的波束数量不同，多波束更为精确，而且可以呈面状覆盖海底进行测量。其原理比较简单，就是利用声波在均匀介质中呈直线传播及在不同介质界面上会产生反射的原理。当然，实际测量中，我们还要考虑测量船本身姿态、海面潮差变化等影响，进行校正。 4 x& ~5 [1 s/ n
此外，侧扫声呐系统也跟水深测量有一定关系，是利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备，又称旁侧声呐或海底地貌仪，用来调查海底地形。声呐最早是1906年由英国海军的刘易斯·尼克森所发明的，距今已有110年历史，当时是为了侦测冰山，后来，在第一次世界大战时被广泛应用在战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇。 ! i9 o2 V4 p$ ?% \; t
+ i" m5 T+ i, a4 {& H M3002浅水多波束系统 M302中深水多波束系统
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“业治铮”号开展多波束测量
6 Y5 w1 U' d1 B ~6 G# Z4 C 又如，如果我们想知道海底下的地层中埋藏着什么，有没有石油、天然气和水合物等资源，我们需要用到船载单道地震和多道地震测量系统。跟水深测量的单波束和多波束测量系统一样，其间的主要区别在于，震源发射的数量和接收器的数量，以及地层测量的精度。另外，这里的“地震”不是我们通常认识的自然界的可怕地震，即表现为楼座倒塌、道路破裂，给人们的生命财产带来大量损失；而是通过船载的设备，专业上称为“空气枪”或“电火花”震源，其实是一个声波发射器。顾名思义，空气枪就是来释放震源，“砰”的一声击发，释放出地震波信号，然后通过船尾拖着的一条或两条长长接收电缆，获取地震波信号在不同地层反射回来的时间和强弱，输出地震相地层剖面，然后通过计算解译出其中蕴含的实际地层信息。根据不同地层的特有属性进行资源圈定，如含油气地层会吸收地震波的强度，而纯沉积岩石地层的穿透速度较快等。有趣的是，最早的“震源”真的是通过炸药爆炸来释放声波信号哦，随着技术的发展，已经完全被非炸药的震源代替。 R) j; g8 k9 b3 v# Z. i% G0 R
& t! O: q( s& v% }% }1 s; [5 s 多道地震枪阵和水听器拖缆 ) @ G7 U! j9 H1 `4 G
海洋地质调查中常用的地球物理探测设备还有重力仪和磁力仪，就是通过仪器来测量调查船经过的海域的重力场和磁力场数值。重力就是牛顿教授通过苹果落在脑袋上发现的万有引力定律中的重力哦。其实这个数值在全球各地都是不相同的，它的变化反应了当地的地壳及上地幔中各种岩层的密度差异。磁力就是地球周围磁场的数值，中国古代四大发明之一—指南针，就是利用地球磁场来指引方向。而海洋地质调查则是通过船上的磁力仪系统来测量海洋的磁场强度变化，这有助于我们识别和发现海底的地质构造和矿产资源。 5 v/ T% ~* x `
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海洋重力仪（左）和海洋磁力仪（右） 5 J* r0 l+ ?9 M! T: `/ _8 Y! Y$ O
最后，再聊聊大家都非常感兴趣的大洋深潜器吧，这可是目前深海海洋地质调查最炙手可热的装备，目前世界上只有俄、美、日、德、法及挪威等少数国家拥有，当然，我们中国也有自行设计研发的深潜器。深潜器根据功能设计分为载人深潜器、无人深潜器和遥控深潜器等三种主要类型。深潜器主要用于海洋调查，采集水下标本，深海石油资源的勘探与开发。目前，我国海洋地质调查中经常登台亮相的是“蛟龙号”载人深潜器、“深海勇士号”等载人深潜器，分别在印度洋及中国南海取得了大量的沉积物样品和生物标本。2012年6月，“蛟龙号”在马里亚纳海沟创造了下潜7062米的载人深潜纪录，这是世界同类作业型潜水器最大下潜深度。此外，最近几年，青岛海洋科学与技术国家实验室研发出具有自主知识产权的“海燕-4000”和“海燕-10000”等系列无人深潜器。其中，在近期海洋调查航次中，“海燕-10000”最大工作深度达到8213米，刷新了无人深潜器下潜深度的最新世界纪录。让我们为中国海洋地质调查科研和技术装备团队的开拓创新，永争第一的精神和能力点赞！
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“蛟龙号”载人深潜器 + S) K" S2 ~8 f
4 B" d5 s9 D5 j0 ?0 g- ^. K “海燕”系列无人深潜器 % P& W2 m r4 j/ H9 H4 S4 n
呀，完全明白啦，为我们国家具有如此强大的海洋地质调查能力自豪！ , G# C! ~: f# W3 F+ P
(本文荣获中国地质调查局“保护地球 精彩地质”第二届科普作品大赛 一等奖) ! ]9 `; E2 s* Z! c7 X
通讯作者：
7 ]; o& @4 f. B- G# e; R4 z 王中波，博士，正高级工程师，青岛海洋地质研究所，主要从事海洋地质调查、海洋沉积研究工作。
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