谈谈目前深水工程地质勘察手段与技术发展

随着深水工程地质勘察技术的发展，深水工程地质勘察技术为深水工程建设与开发工作提供了保证。作为技术人员，在研究深水工程地质勘察技术过程中，要结合具体工程实际，科学制订更加完善的勘察技术方案，确保勘察工作质量，有效地为深水工程工作开展奠定基础。

一、深水工程物探技术研究现状

⒈水下声学定位技术

水声定位可以通过水声设备精确测量水下设备的位置和距离，从而实现高精度的水下定位。在海底勘探过程中，声脉冲群定位通常用于结合声学基线位置或声学单元距离对声学系统进行分类，如超短、短或长基线定位系统。超短基线具有成本低、操作难度小、传感器少、测量精度高等优点。短基线的优点是价格合理，操作简单，传感器占地面积小，安装方便。长基线系统的优点是定位精度高，传感器体积小，安装方便。我国的声学定位技术已经发展到成熟阶段，但在远距离定位方面仍有更广阔的发展空间。国际上，该技术发展较早，应用范围广，精度高。它通常用于军事方面，如图1所示。

图1  长基线定位示意图

⒉海底浅层声探测技术

该项技术能够利用声学高分辨的发声系统，通过不同频率和振幅对海底的浅层进行勘测。该技术主要有单波束、多波束探测、浅层剖面探测等多种技术类型，高频通常应用到探测海水深度等情况，低频主要用于探测深海深度同时获得海底的剖面图。

⑴声成像技术

在声成像技术中，侧扫声呐技术较为关键，通常会用于深水勘测。实施深拖作业时，拖体与海底的高度距离会受到海底起伏的直接影响，通常需将高度控制在50～100m范围内。

潜器搭载的高度控制难度不大，可保持与海底的距离在50m以内。近期，侧扫声呐技术主要表现出下述技术特征：①结合高速侧扫声呐技术，深入优化多脉冲与多波束声呐技术；②应重视结合三维测深技术，有效地分析深海形态与深度，进而掌握准确数据；③科学地发展合成孔径技术，该技术的发展具备高分辨率的优点，横向分辨率指标可达声呐阵长度的50%，同时不会因距离的变化而产生变化。海底浅层声探测图如图2所示。

1—垂直深度；2—声探扇面；3—斜面深度；4—底部长度；5—海平面距离；6—声探夹角；7—横向距离

图2  海底浅层声探测

目前，高频侧扫声纳技术在应用过程中会出现以下缺点：① 精度有待进一步提高，主要是横向分辨率与声纳阵列的水平宽度直接相关，随着距离的增加，分辨率会提高；② 不可能形成准确的海底高度指示器。目前，只有两个声纳可以形成海底的三维图像。其中，等深线成像可广泛应用于大面积测量，而背散射声成像主要用于更精确的水下环境测量。

合成孔径声纳是一种分辨率较高的水下成像声纳技术。它的分辨率指数与距离和使用的声学频带没有直接关系，这也可以作为合成孔径测试声学成像的一个明显优势特征。目前，SAS检测技术及相应设备在世界范围内的发展已进入成熟阶段。业内大多数设备制造商，如康斯伯格，都相继推出了自己的SAS产品。不同产品之间仍然存在一些技术差异。分辨率通常在2.5~10cm范围内，贴图宽度为500~600m。中国的一些科研机构也开展了SAS技术及其产品的研发，主要是哈尔滨工程大学等机构。其中，中科院在“九五”期间开发了湖泊样品机，并于2012年定型，进入商业推广阶段。苏州三台船用仪器研发有限公司和中科滩海（苏州）船用技术有限公司拥有相对成熟的面向市场的合成孔径声纳产品。

⑵地层剖面技术

该技术可用于探测海底浅层构造和沉积特征。其主要应用原理与侧扫声纳相似。不同之处在于，浅剖面系统发射频率较低，声波脉冲量较大，声波穿透力较强，可穿透数十米海床进行探测。目前，应用频率较高的海底浅剖面系统主要有以下两种类型。

① LFM声纳浅剖面系统。这种技术属于宽带主动声纳，它最早产生于20世纪80年代末。线性调频声纳具有很高的脉冲重复性。由于其更宽的频带，它承载了更多的信息，这促进了该技术的广泛应用。但其换能器体积较大，一般安装在专门用于深水勘探的船底，形成窄波束多阵元传输系统。一般工作频率可根据水下作业深度确定，采用2~8kHz或8~23khz，以满足不同地层分辨率的需要。

② 非线性调频声纳（参数阵列）浅地层剖面系统。该系统的原理是在同一个换能器上添加两个不同频率的声波。差频波是在数据传输过程中形成的。通过控制差频波，形成较低的声波，进一步加强测量深度，提高技术的穿透力。如果原始频率较高，则换能器的体积可被尽可能压缩，且光束的开启角较窄。差频声波与原始频率的主瓣方向性相同，没有旁瓣，因此不会受到差频的影响。因此，参数阵声纳在海底勘探中可以发挥更为明显的作用，主要体现在以下三个方面：① 传感器体积小，便于携带和使用；② 波束较窄，增强了分析过程中的数据分辨率。通过对海底地形的精确推断，降低了差频，提高了穿透力，有利于增强深层堆积层的数据分析能力；③ 差频达到可控水平，可传递大量信息，便于科学识别沉积层。图3显示了探测埋地电缆的声学图。

图3  参量阵浅地层剖面系统探测掩埋电缆声图

⒊潜器勘探技术

随着深海勘探需求的不断增加，使用一般的舰载设备很难达到理想的效果。此时，深拖测量系统可以弥补上述不足。从根本上说，该系统是一个拖在船后的地质和物理观测系统。需要在拖曳式导航设备上使用，形成精度较高的定位系统，主要包括地层剖面仪、连续测温装置等。

深拖测量系统能够准确监测海底地磁和地热状况，同时完成海底摄影和采样。在作业水深逐渐增加的背景下，拖航距离也会增加，导致无法获得更准确的超短基线定位。此时，可以采用双容器操作的形式来优化检测精度。AUV探测技术还包括AUV系统，主要是无电缆动力操作的导航设备。中国AUV测量系统最大探测深度为3000公里，西方高科技测量系统最大探测深度可达6000公里。AUV测量系统在深水工程地球物理测量中的应用，提高了深海测量的效率，能够准确获取相关数据，也标志着我国自主研发能力的提高。随着潜油勘探技术的广泛应用，必将加强深水工程地质勘察能力，从而保证深水工程的开发建设质量。图4显示了中国科学院声学研究所的6000米声学深拖系统。

图4  6000米声学深拖系统

二、深水工程地质调查技术研究现状

⒈深海浅表层取样与原位测试技术

⑴长管柱状取样技术

该项技术通常应用于海底的浅表取样作业，能够获得柱状沉积物作为样本。结合不同的触底方式，又可分为重力柱状取样和重力活塞取样两种设备类型。其中前者又由重锤和取样管组成，后者包括重锤、释放器系统等。在实施作业期间，需运用缆绳将取样管置于水下，以自由落体的形式进入海底，通过缆绳将内置的活塞拉回取样器的顶端，海底的沉积物便会随着活塞的上升进入取样设备。我国在“十一五”规划期间已经研发出重力活塞取样设备，最大作业深度可达3000m，水深取样器的长度可达25.5m，其技术已经达到国际领先水平。

图5  科考队员在布放重力柱状取样设备

⑵原位测试技术

该项技术需基于岩土原本的位置，以原状态和应力对岩土的性质进行探测。通常可应用原位测试手段，主要为载荷试验及波速测试等，能够有效避免在取样期间受到应力释放的影响，同时其影响范围更大，具有更高的典型性特征。其缺陷主要体现在能够影响原位测试结果的因素较多，原位测试对应条件不同等问题上。国际上的原位测试技术已经发展到成熟水平，能够结合不同的水下深度运用相应的测试设备，我国对于该项技术的研发较为滞后，且普遍存在设备缺乏稳定性和灵活性等方面的问题。

⒉深水钻孔取样

⑴浮船式深水工程地质钻探技术

运用浮船式方式进行地质钻探，仍然可作为当前深水探勘的惯用手段，通常在深度较高的地层沉积物提取方面应用。国外在船载深水地质取样方面的技术研发起步较早，且技术水平相对成熟，已经具有30年以上的实践经验，可满足深度在3000m以内的勘探要求。浮船式地质钻探技术设备需运用门市双塔型井架，同时配置大通径的定驱装置，有效提升钻井的效率。我国在该项技术的研究中较为滞后，目前已经研究出“海洋石油708船”，其钻探深度可达3000m，见图6。

图6  海洋石油708船

⑵深水海底工程钻探技术

当前我国在深海钻探技术的研发方面已经获得了较大的成功，国外深海工程的钻机设备多使用双管及绳索进行取样，但在作业的能力方面还存在一定的差别。其中日本设备可达到的作业水深为6000m，欧美设备可达到的作业深度为2000～3000m。国内的钻机深度可达3000m。钻探已经表现出较高的自动化等特征。

三、深水工程勘察技术的发展方向

当前我国的深水探测技术研发已经进入高速发展时期，功能性和精准度日益提升，这与我国的海洋战略关联度较高。高精度的多波束技术已经应用到各勘测作业中，可有效提升物探的实施效率，同时可为海底地貌勘测提供更为准确的参考。深水灾害是油气勘探的主要威胁因素。对此国际上已经达成共识，积极尝试对油气勘探相关技术进行融合实施。

工程勘察可对地质灾害进行准确评估，未来可广泛应用工程物探与检测等多项行业前沿的技术手段。无人潜器的体积会逐渐缩小，且兼容性更高，具有更高的续航能力，可持续优化定位的精准度。此外，应用具有更高分辨率的二维系统实施三维地震采集等技术能够直接对岩土的特征数据进行提取，并通过系统对作业的可靠性进行优化，以海底模式为基础的工程钻探可在不远的将来，成为水深在1500m以上的作业钻探取样的主要应用手段，同时起初用于电缆测井与随钻测井的技术手段也会在深水浅层地质和水合物钻探的调查中获得更为频繁的应用。

四、结束语

深水工程勘察技术向着更加高效、安全的方向发展，为全面加强深水工程勘察技术应用效率，技术人员要通过工作实践，不断创新技术应用方式，科学的制订更加完善的勘察技术体系，从而保证深水工程勘察技术水平不断提高。

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