我国海洋地球物理探测技术发展现状及展望 - 沿海地质探测

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我国海洋地球物理探测技术发展现状及展望

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徐行

广州海洋地质调查局

作者介绍：徐行，硕士，教授级高级工程师，从事海洋地质-地球物理调查技术方法研究。

导读：海洋约占地球面积70%，蕴涵丰富的水、生物、矿产和能源资源。系统地揭示海洋地球物理特征及时空变化规律，进而深入开展地球系统科学研究，必须依靠高精度、高分辨率地球物理探测数据支撑，这需要海洋地球物理探测高新技术的强力支持。国家有“海洋强国战略”，自然资源部有“深海探测计划”，沿海省份都有发展海上经济的举措，如“海上山东”、“海上浙江”、“海上福建”等，海洋物探大有作为。本文回顾了国内外海洋地球物理探测技术的发展历程，总结了我国海洋地球物理探测技术发展现状，分析了与国家需求的差距，并依据各种地球物理探测手段及其探测平台的特点，提出了发展海洋地球物理勘探技术设想与展望。本文成果对实施海洋物探工程有重要参考，也为发展我国海洋地球物理探测技术提供了研究思路。------内容提纲------0 引言1 技术发展的态势1.1 海洋地球物理探测的发展历史1.2 国内外海洋地球物理探测的技术现状1.3 石油工业的发展推动了海洋地球物理探测技术进步2 技术发展的需求3 技术发展的挑战3.1 与国家需求的差距3.2 与科学技术发展需求的差距3.3 构建海洋立体探测体系需求的差距3.4 海洋地球物理探测与信息技术融合的差距4 总结与展望4.1 优化传统的海洋地球物理勘探技术4.2 加速并完善多样式探测平台的建设和科学载荷的研究4.3 构建“空-天-海-潜”海洋地球物理立体探测体系4.4 海洋地球物理探测技术与“大数据”和“人工智能”等技术深度融合---------------0引言地球物理学是研究地球整体和其组成部分（包括大气圈、水圈、地壳及其以下各部分）性质、状态、结构，与其中所发生的各种物理过程的学科。地球物理学根据物理学的基本原理，利用观测仪器来观测各种地球物理场，采用地球物理正演和反演技术，揭示地球内部深不可及物质的物理性质和物理参数。地球物理探测可揭示各种地球物理场属性的时空特征（如重力场、地磁场、地电场、地温场和地震波场等），可应用于矿产资源勘探、防震减灾、国防军事和地球系统科学研究等领域。其中，“探测”包含了“观测”、“测量”和“勘探”等含义。利用天然场源可获得的地球物理特征，可展示大尺度地球的圈层结构、物质组分及其物理作用过程；而利用激发人工场源的地球物理特征，则能刻画小尺度、更精细的地球圈层的信息。前者大多数归属于“地球物理观测”和“大地测量”技术的范畴，而后者更多隶属于“地球物理勘探”领域。本文提及的海洋地球物理探测，指探查海域的地球物理特征的理论、技术与方法。海洋约占地球面积70%，蕴涵丰富的水、生物、矿产和能源资源。系统地揭示海洋地球物理特征及时空变化规律，进而深入开展地球系统科学研究，必须依靠高精度、高分辨率地球物理探测数据支撑，这需要海洋地球物理探测高新技术的强力支持。与陆域地球物理探测及其研究工作相比，海洋地球物理探测的目标被海水覆盖，具有无参照物，易受水文气象等环境因素影响等特点，工作开展难度大。如今的“深海”探测仅局限定于局部海域的洋壳和上地幔的岩石圈，因而，深海”探测技术水平不如“深地”探测。同样，与我国航天技术、太空探测技术及其研究进展相比，“深海”探测技术能力也不及“深空”探测。向地球深部进军是解决地学重大战略科技问题的突破口，是人类认识所居住地球的重要依据。因此，海洋地球物理探测技术方法及其应用研究的探索，任重而道远。现今的海洋地球物理探测及研究已从陆地走向海洋，从浅海拓展到深远海，同时进军南北极，挑战世界深渊。这不仅涉及大气圈、水圈和岩石圈等“深空、深地和深海”等多圈层的地球系统科学研究，还与满足国家战略、国民经济与国防建设、资源环境发展需求等多个领域密切相关。针对新时期海洋地质工作思路和工作领域转变，海洋科技工作者面临着海洋地球物理探测技术发展的挑战。本文通过对国内外海洋地球物理发展现状调研，需求分析，梳理现状及其存在的问题，展望“十四五”期间我国海洋地球物理勘探的发展方向，以实现人类向地球深部进军的目标和梦想。1  技术发展的态势地球物理学的基础是位场、波动物理学和电磁学等学科理论。位场理论包涵地球重力场、地磁场、温度场、自然电场及直流电场，水深测量与地震测深涉及到了波动物理学，电磁探测则与电磁学密切相关。常规的海洋地球物理探测技术方法包括海底水深测量、海洋地震勘探、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋电磁探测、海底热流探测和一些海底地球物理观测等，它是多学科交叉和多技术手段融合的产物。其中一部分技术继承了陆域的传统地球物理探测工作原理和技术方法，通过海洋技术的水密封装和防腐处理，结合海上工作特点，移植到海洋调查中；另一部分则来自海洋军事技术转化应用。例如，声呐技术的发展，可追溯到第一次世界大战时期船舶航行所需的导航技术；声呐浮标技术来自反潜技术，而现代海洋磁测技术来自第二次世界大战时期水雷中的“引信”技术等。现今地球物理探测技术与海洋技术、计算机技术、高性能集成电路技术、大数据技术与人工智能技术等深度融合发展，进一步推动了海洋地球物理探测技术的创新与进步。1.1 海洋地球物理探测的发展历史海洋地球物理探测技术的发展，与海上导航定位技术进步密切相关，后者是决定地球物理数据质量的重要影响因素。海上导航定位技术发展历史可大致分为四个阶段：（1）传统大地测量和天文测量阶段：二战之前，水面船只的导航定位技术方法主要采用天文定位、地物定位方法。例如，用六分仪测定陆上地形标志或航标，再根据几何学原理标出航船的位置，其特点是操作简便，但精度较差、工作效率低和作用距离近，而且还不适合用于走航式的海洋地球物理探测。（2）无线电导航定位技术阶段：二次大战前后，无线电导航定位技术的诞生，促成了现代海上导航定位技术方法的初级阶段。它利用船台接收机和多个岸台发射的无线电信号进行“双曲线交会”(或“圆圆交会”)定位，其最大的导航定位有效距离远达八百多公里，受气象条件和环境限制，它仅适用于近岸区或大陆架海域，但可用于走航式的地球物理探测工作。（3）卫星导航定位技术阶段：20世纪60年代起，子午卫星技术应用到海上船只只能做“间断”导航定位，但配备多普勒声纳、陀螺罗经和无线电定位等技术协同互补技术之后，可在海上连续作业，大大提高了船位测定的精度和工作效率，取得了良好的效果。20世纪80年代后，全球定位系统技术(GNSS)出现。该技术利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测值，在地球表面或近地空间的任何位置提供三维坐标和速度，以及时间信息的空基无线电导航定位系统，其特点是“全天候、实时和连续”的导航定位服务，可覆盖全球海域，精度高达分米级。例如，美国的GPS系统有“21+3”个卫星所组成。截止2020年10月，中国北斗导航系统有55个卫星，这个系统目前还在发展之中。（4）综合导航定位技术阶段：将全球导航定位系统、水下定位系统和惯导系统组合成综合导航定位工作模式。其中，结合水面船只的全球定位数据，利用声呐技术和水下声学测量技术测定水下测量平台相对水面母船的位置，可将水下探测系统的准确位置归算到大地坐标系上。水下定位系统可分超短基线定位模式(USBL)、短基线定位模式(SBL)与长基线定位模式(LBL)。再结合惯导系统，可展示水下测量平台的三维姿态信息，组成综合导航定位工作模式，进而开展水下导航定位。其中，SBL模式在海上作业中已较少使用，而USBL模式的水下定位精度通常为斜距(水下平台换能器与船底换能器之间的距离)的2%。，LBL模式水下定位精度可达分米级。在无线电导航定位技术阶段中，海洋地球物理探测从滨海调查往外拓展到近海、大陆架，乃至深海海域。而在卫星导航定位技术应用之后，海洋地球物理探测实现了全天候、连续实时、和全球范围内海域的信息采集，并且，导航定位精确度大幅提高。国外海洋地球物理探测工作可追溯到二十世纪三十年代，以美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测所第一任所长莫里斯•尤因(Maurice Ewing)教授为代表先驱，率先开展大陆架海底地形地貌精细测量，并在墨西哥湾用人工震源开展海上地震调查。英国剑桥大学的瓦因(Vine F J)和马修斯(Matthews D H.)用大洋的磁测资料识别出海底磁异常条带，提出与之相关的海底扩张理论。美国海洋地质学家玛丽•萨普(Marie Tharp)和布鲁斯•希森(Bruce Heezen)在收集整理海洋测深和地质资料基础上，委托澳洲画家海因里希•贝兰(Heinrich Berann)于1977年绘制成“全球海底地形图”，它揭示出海底的地貌形态有大陆架、大陆斜坡、深海平原、海沟、大洋中脊、洋中脊裂谷和转换断裂等关联，进一步推动了板块构造学说，对整个地球科学的发展作出了重大的贡献。这是地质思想上的突破，被称为与“哥白尼革命”相比肩的一次伟大革命。1974年，为纪念加拿大地质学家威尔逊提出的“威尔逊旋回”(Wilson Swirled)，指的是大陆岩石圈由崩裂开始、以裂谷为生长中心的雏形洋区渐次形成洋中脊，扩散出现洋盆进而成为大洋盆，而后大洋岩石圈向两侧的大陆岩石圈下俯冲(见俯冲作用)、消亡，洋壳进入地幔而重熔，从而洋盆缩小，或发生大陆渐次接近、碰撞，出现造山带，遂拼合成陆的过程。我国海洋地球物理勘探始于新中国成立后的第一次海洋普查。1958年，原地质部、石油部和中国科学院海洋所组成了联合海洋地震队，以渤海为基地，向海洋进军。进入20世纪60年代，海洋地震队在中国近海大陆架地区系统开展了地球物理调查，包括海底重力观测与船舷重力观测、航空磁测与海洋磁测、反射地震多次覆盖观测和回声测深；其后在七十和八十年代初期，由原国家海洋局和原地质部系统完成了黄海和东海大陆架、南海北部大陆架及中央海盆的第一轮地球物理调查，首次出版了1：100万和1：200万比例尺的地球物理基础图件。20世纪80年代初期，地质部南海地质调查局指挥部和美国哥伦比亚大学拉蒙特海洋研究所开展二度国际科学合作，在大陆架以外的深海海域完成了一些路线测量，实行了海上双船地震扩展排列剖面(ESP)、双船地震合成排列剖面(SAP)、地震声呐浮标和48道24次叠加的多道地震、海底热流探测［和海洋重、磁、水深测量等调查工作。南海地学研究的中美合作成果，是我国海洋地球物理探测及研究史上的一个里程碑，开启了我国海域地球深部探测的新征程。1.2 国内外海洋地球物理探测的技术现状世界上早期海洋地球物理探测技术主要以“重磁震”技术方法为主。例如：①第二次世界大战之前，在美国南部墨西哥湾海域，美国科学家用人工震源开展海洋地震勘探；②海洋重力仪测量技术始于20世纪，荷兰地球物理学家范宁•梅尼兹(F.A.VeningMeinsz)于1920年提出海洋摆仪理论，并制作出可消除干扰加速度影响的三摆仪。1920至1930年，他在分析所获取的大量海洋重力资料中，发现在海沟处有明显的负重力异常。1950年，其团队相继制造了可连续观测的船载重力仪。至20世纪60年代中期，弹簧式仪器日臻完善，观测精度提高，使用简便，逐渐取代了摆仪；③海洋磁力测量技术始于20世纪初，在弱磁性的木帆船上，用磁通门磁力仪进行观测。然而，因该技术方法精度低、效率低，故未能大规模普及与应用。1956年，海洋调查启用了质子旋进磁力仪，又得益于其测量方法简便、精度高、传感器不用定向，从而得到发展和推广。至20世纪50年代末，国外海上磁力测量蓬勃发展，当时航迹已遍布全球海域；④国外的海洋电磁探测技术发轫于20世纪60年代末，至1984年，已进行了包括MODE实验(Mid Ocean Dynamic Experiment)在内的的海洋MT多项科学研究。⑤海底热流探测始于二战后的英国科学家在大西洋上科学考察，科学家们在海上用热流探针测量发现海底的热流密度值要远高于陆地的热流密度值。与国外一样，我国海洋物探发展早期主要是“重磁震”技术阶段。①海洋勘探初期，我国海洋工作者以“自力更生”的方式，解决了海上地球物理观测仪器和工作方法。1959年，我国最早的海洋地震队将陆地地震检波器密封防水后沉放到海底接收地震波，用西安产24道光点地震仪来记录地震振动。1965年，所在地南京的原地质部海洋地质研究所(搬迁湛江后，改名为“第二海洋地质调查大队”)与上海的第一海洋地质调查大队联合攻关，采用酒石酸钾钠晶体制成压电传感器，再组装成水声器组，将其悬浮于海面之下7~8m的深度，接收TNT炸药爆炸激发的反射波，工作中使用简单连续观测系统并在船只行进中观测。此项工作在当年被国家科委列为重大成果之一；②海洋重力测量始于第二海洋地质调查大队在北部湾的调查工作，此后与西安地质仪器厂和北京地质仪器厂等单位合作，用工业电视观测海底重力场(精度0.5~1.0mGal)；在1975年又合作试制的悬线重力仪，取得1.7毫伽的观测精度。前者效率低，后者工作效率得到了明显改善。海底重力测量技术延续到1979年，直至被船载重力测量技术所取代；20世纪80年代，国家地震局和中科院测量与地球物理研究所，相继成功研制斜拉弹簧式和直立弹簧式海洋重力仪；③我国早期的海洋磁测基于黄渤海的航空磁测，严格意义上的海洋磁测则始于20世纪70年代，北京地质仪器厂生产的CHHK海空核子旋进磁力仪在空中和海中的地磁场总场测量推广应用。作者在八十年代使用过的“磁法”探头，是用环氧树脂将玻璃钢罐粘合封装的，探头与电缆之间的连接是用高压胶布包扎，但包括芯片在内的电路板和器件均是国产的。可喜可贺的是，使用我国自行研制的万米回声测深仪、海洋重力仪和海洋磁力仪完成了我国首次(1984/1985年)南极考察的南大洋地球物理调查和航行安全保障任务。自20世纪80年代后，“巴黎统筹委员会”对我国海洋调查技术出口管控开始部分解禁，我国引进了一批具有国际先进技术水平的无线电导航定位系统、卫星导航定位系统、海洋质子旋进磁力仪，船载相对重力仪、以大容量电火花、气枪和气枪阵列为震源的海上多道地震勘探先进装备(图1)。新技术、新方法使我国海洋地球物理探测在技术方法研究水平朝西方国家先进水平靠拢，并在南海珠江口盆地油气资源勘探上取得了重大的突破。八十年代中后期和九十年代，我国开展了太平洋海底多金属结核调查和南极的科考，我国海洋地球物理探测走向全球海域。1994年起，我国首次引进型号为SEABEAM2112多波束测深系统，安装在海洋四号调查船上，并于1995年5月在南海北部陆坡“北坡海山”附近首次开展了高精度全覆盖海底地形地貌测量的试验调查，该成果成为了“九五”期间启动我国及经济专属区高精度海底地形地貌测量的技术示范，相关的技术方法研究是国家“九五”期间启动的863计划海洋技术领域的首批科研项目。我国开展海洋大地电磁测深研究起步较晚，1997年在辽河油田滩海区的MT研究是最早的研究成果。在海底地热流原位探测技术方面，早期的中外合作项目均使用了国外设备并联合采集数据，直至2004年，广州海洋地质调查局首次在中国南海北部陆坡海域独立开展了海底热流数据的采集工作。 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图1 常规的海洋地球物理探测的工作场景图

20世纪末以来，在国家高科技发展计划（863）海洋技术领域资助下，具有自主知识产权的海洋地球物理探测高新技术不断涌现。例如，海底大地电磁测深、小道距多道地震勘探系统、长排列大震源的地震勘探技术方法推广应用研究，主动源高频OBS研发与应用，被动源宽频带OBS研发与应用、海底热流探测的系列技术和近海底高精度高分辨磁测等。我国自主研发海洋地球物理探测新技术方法，推动我国海洋地学研究水平不断提高，与此同时，具有国际影响力的研究成果也越来越多。因此，海洋地学领域研究与矿产资源勘查取得的重要突破和成果，在很大程度得益于采用高新技术及各种高分辨、高性能、高精度探测仪器。1.3 石油工业的发展推动了海洋地球物理探测技术进步随着海洋油气资源需求的增加，全球油气勘探开发投资规模日益扩大，海洋油气勘探与开发从浅海向深海迈进。目前参与海洋油气资源勘探的国家越来越多，海洋钻井遍布世界各地，而海洋地球物理探测技术成为海洋油气勘探中不可或缺的手段。在油气资源勘探不同阶段，针对勘探目标不同，遵循“物探工作，重磁先行”的原则，调整和更新海洋地球物理技术方法。在油气勘探的初级阶段，以重磁勘探和较稀疏的地震测网为主，开展区域性构造和盆地“探边摸底”的研究，建立盆地的地层与沉积层序，划分盆地构造单元，计算盆地的远景资源量，做出是否继续勘探的评价。在油气勘探的详勘阶段，主要通过加密二维地震测线与三维地震勘探技术方法进行精查，结合海洋电磁探测，评价勘探区块，锁定有利圈闭，优选钻探井位，获得油气藏发现。海上油气勘探引领了现今海洋地球物理探测的主流技术发展方向，也导致了各种海洋地球物理手段在探测技术层面的不平衡发展。相比之下，那些属于详勘阶段中需采用的探测技术则发展较快，尤其是海洋地震勘探技术的突出进步：从单纯的纵波勘探向多波勘探发展，从浅水海域向深水区发展，从窄方位角勘探向宽方位角勘探发展，从常规二维向三/四维勘探发展。在地震资料处理技术方面，从叠后成像向叠前成像处理发展；从时间域向深度域发展；从各向同性向各向异性发展；从叠后地震反演向叠前弹性反演发展。为开展复杂地形地貌海域、深海和深层盆地的勘探需求，还开发了OBN技术、大容量震源和长排列拖缆的地震采集新方法。国内海上地震勘探的排列长度超过了10km。无论是在震源技术中的可变阵列震源的能量激发，还是在接收系统中的主频带控制，检波器技术、道间距、排列长度和数字采集信号处理能力等技术组合均取得较强的突破，海洋地震勘探激发和接收技术越来越成熟。此外，海洋大地电磁测深和海底可控源电磁探测技术也得到迅速的发展；不仅突破了从无到有的局面，而且还被运用于海上油气勘探项目之中。通过研究海底以下不同深度上介质导电性的分布规律，实现了解地下不同深度地质情况的目的。与海洋地震勘探与电磁探测技术相比，海上的位场勘探技术发展速度相对缓慢，但现今的海洋重磁测量在技术性能上不断提高，尤其是在仪器研制国产化、重磁测量数据的误差处理和融合处理领域，同样取得了较大进步。在海底热流测量方面，我国的海底热流的原位探测技术实现了零的突破，形成了一批具有自主知识产权的研发技术；通过科技创新，不再局限于瞬态的海底地温场探测与研究工作，而且也开始做非稳态的地温场探测。我国自主研发海底热流探测设备在海洋油气与天然气水合物资源勘探、基础地质调查和深部探测研究中发挥了积极作用。海洋地球物理探测的技术进步也促进了海上导航定位技术发展。传统的海洋地球物理探测以调查船作为科考平台，相应的科学载荷主要是为母船配备的。但水面的全球导航定位系统、水下导航定位技术和惯导技术协同作业，加快了海洋地球物理探测的平台多样化建设发展步伐。船用直升机飞行平台、万米铠装光电复合电缆、船用绞车和多功能的甲板收放支撑装置装备成为先进海洋地质-地球物理科考船的标配，卫星、航空、船载、深潜器、深拖和海底观测系统等多样式调查平台及科学载荷技术取得了新突破，构建“深空-深海-深地”立体探测系统的条件已经成熟（图2）。

图2 海洋地球物理立体探测体系场景图

图3 四维海洋地球物理探测示意图（以海底热流探测为例）

    致谢：感谢南方科技大学刘青松教授、中国科学院深海科学与工程研究所吴时国研究员、自然资源部第二海洋研究所高金耀研究员和广州海洋地质调查局姚永坚教授审阅本文，并提供了宝贵意见；中科院南海海洋研究所林间研究员、广州海洋地质调查局赵庆献教授级高工、李刚和彭朝旭等高级工程师为本文撰写提供了很好建议；南方科技大学博士生王浩森同学为本文查阅了历史文献；中国地质大学(武汉)廖佳华同学给本文绘制了插图。仅以此文缅怀我国海洋地质-地球物理学专家姚伯初教授(1940—2020)。原文来源：徐行.我国海洋地球物理探测技术发展现状及展望[J].华南地震，2021，41⑵：1-12. \9 I1 B1 y4 f5 @) b' ]

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    作者从事地球物理勘查工作，矿产和工程方面均有涉及，平时会收集一些行业论文，也会原创一些方法应用，在工作闲暇之余推送，仅方便大家交流学习；一般视频会上传至B站：（UP:nanqug）。

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