海洋地球物理测量 -海洋大地测量

汉再兴 · 发表于海洋技术专业 2023-11-16 19:13:25

近年来，随着科技的发展，海洋地球物理探测技术取得了巨大的进步，探测精度不断提高，各种技术也逐渐成熟，在各个领域都有新的应用，并取得了成功。在21 世纪，西方发达国家的海洋探测向深水领域推进，钻探水深从浅水、深水扩展到3000m 深海区。为了满足深海海洋地球物理探测的需要和资料质量的高要求，海洋探测船、海洋地球物理探测技术及探测设备都得到了长足的发展。

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海洋探测船和其他平台

海洋探测船和其他平台的改进是促进海洋地球物理学的发展基础。

海洋探测船是海底构造和地球物理研究的重要平台。以往浅海海洋调查船较小，自持力和抗风浪能力相对较差；当今深海勘探一般采用动力定位调查船，自持力和抗风浪能力强，有较大的甲板作业面积，可安放各种工具、ROV/ AUV 设备和工程地质钻探设备。据统计，迄今为止世界上已有49 个国家拥有自己的海洋科考船，总数有500 多艘。目前国际上比较大型的海洋调查船有英国的“CHALLENGER” 号、日本的“ EARTH” 号、俄罗斯的“ AKADEMIKMSTISLAV KELDYSH” 号、德国的“SONNE” 号、美国的“ATLANTIS” 号、中国的“科学” 号、“探索一号”等。

▲ 新一代科学考察船“探索一号”

我国海上探测平台也有了很大进展。进入21 世纪，随着世界各国进入深海勘探，我国也不甘落后，开始走向深海战略。2003 年至今，我国已经打造10 余艘可在深海区域工作的先进海上装备，如“海洋石油720” 深水物探船是亚洲首艘最新一代三维地震物探船，是中国自主建造的第一艘大型深水物探船，是中国设计和建造的第一艘满足PSPC 标准的海洋工程船，是一艘由电推进系统驱动、可航行于全球Ⅰ类无限航区的12 缆双震源大型物探船，为物探船主流技术的代表。

▲“海洋石油720” 深水物探船

“海洋石油720” 深水物探船、“海洋石油708” 深水地质勘察船、“海洋石油981” 深水半潜式钻井平台、“海洋石油201” 深水铺管起重船、两艘深水大马力三用工作船，组成我国深海油气开发的“联合舰队”。尤其是新一代科学考察船“探索一号”“海洋石油981” 是2010 年由中国自行建造的当今世界最先进的第六代水半潜式钻井平台，该船最大作业水深可达3000m，钻井深度高达10 000m，标志着我国海洋石油开发向深海发展的一大步，中国海洋探测进入万米时代(吴时国和张健，2014)。

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海洋地球物理探测技术

海洋地球物理学的发展根本在于技术的创新。当今应用于海洋探测的地球物理方法众多，各有优势。

例如，基于多波束测深技术海底浅层声探测技术在海底浅层探测中得到了广泛的应用；水面船舶导航定位和水下定位系统为代表的导航定位技术的研究，为海底高精度探测打下了坚实的基础；海底放射性测量技术、海洋地热流探测技术及海洋地球物理测井技术等在海洋探测中都得到了应用，取得了很好的探测成果。

在海洋油气勘探方面，海洋地震探测技术一直是最有成效的地球物理技术。近年来，一种新型的海底探测技术——海洋可控源电磁法得到了较快的发展，并在海洋油气检测中取得了巨大成功，成为三维地震勘探应用以来又一个具有商业价值的新技术。在海底矿产资源探测中，重磁勘探技术运用广泛。重力资料在圈定沉积盆地范围、推断含油气远景区及寻找局部构造方面具有独到的用处。以上表明，近年来，海洋观测由以往的单一地球物理技术探测向综合地球物理探测方面发展，形成海洋地球物理观测系统。

▲海洋电磁法探测系统示意图(据Constable, 2010)

近年来发展较为成熟的海底地球物理监测技术有宽频带海底地震仪(N-OBS)、海洋高分辨率多道地震探测技术、海底观测网络等。

N-OBS 工作原理是通过布设于海洋底部的地震仪观测天然或人工地震的体波和微震，探索底部的构造运动；根据纵横体波的传播速度和面波的频散曲线，探索地球的结构、地壳厚度和低速层的展布等。N-OBS 观测天然地震或人工地震目前已经被应用于以下几个方面: ①研究大洋洋脊、海盆、海沟等地区的地震活动和构造活动的特点；②通过微震观测，监视大地震的发生，为地震预报和海底工程(如海底油田开发) 服务；③调查大陆－大洋过渡带的地壳结构，揭示板块俯冲作用的机理；④在广阔的海洋中进行地震观测，有助于了解地球内部构造。

海洋高分辨率多道地震探测技术是海洋油气开发和海洋工程建设地质环境评价中最为重要的手段之一。海洋多道地震探测技术是基于CDP 多次覆盖技术而发展起来的，具有适用等特点，该方法在海域物探中应用前景很广。

海底观测网络一般是由基站、互联网络、光纤光缆、各种传感器和各种功能观测设备等组成。海底观测网络能够长期、实时、连续地获取所观测海区的海洋环境信息，已经成为探测海洋的重要平台，为人类认识海洋变化规律，提高对海洋环境和气候变化的预测能力提供了技术支撑，在海洋减灾防灾、海洋生态系统保护、资源/ 能源可持续开发利用、海洋权益维护和国防安全等方面具有重大战略意义。21 世纪初，随着各海洋强国纷纷制定或调整海洋发展战略计划和科技政策，以确保在新一轮海洋竞争中占据先机，相应的海洋监测网络逐步实施，如日本的ARENA、DONET 系统，美国和加拿大的NEPTUNE 计划以及美国的MARS、H2O、LEO-1 系统等。

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海洋地球物理设备的进展

海洋地球物理学的进步离不开仪器的革新。近年来一些海底地球物理仪器有了很大的进展。

海底地震仪(ocean bottom seismograph，OBS)，是在海底观测天然地震和人工地震的仪器。目前美国、日本、英国、德国等发达国家的海底地震仪的研制已经比较成熟，而且已借助于海底地震仪对天然气水合物底部的似地震反射界面开展了广角反射和层析成像研究工作，取得了很好的成果。我国OBS 的研究起步较晚，20 世纪90 年代主要通过国际合作展开应用。经过努力，2009 年我国中国科学院地质与地球物理研究所团队成功研发了3 通道高频OBS，随后两年中国科学院地质与地球物理研究所郝天珧课题组又在此基础上成功研制了宽频带7 通道OBS。2015 年1 月19 日，在西太平洋雅浦海山海域执行科考任务的“科学” 号科考船在既定区域投放了7 个海底地震仪。这是中国首次在该海域投放这种仪器，所有海底地震仪回馈显示状态正常。2016 年12 月，“探索一号” 赴马里亚纳海沟投放60 个海底地震仪，投放最深点超过9000m，采集测线2 条。

海底电磁仪，顾名思义是在海洋中采集海底大地电磁场数据的仪器。由于海水层导电导致电磁波衰减，海洋大地电磁场源信号比陆地信号要弱得多。因此，海底电磁测量要求海底大地电磁仪器要比陆地具有更高的灵敏度。为了提高我国海底探测能力，近年来海底电磁探测技术研究已列入国家重要计划，中国科学院地质与地球物理研究所和中国地质大学(北京) 已成功研制出五分量海底大地电磁仪。目前，该套仪器在我国东海、黄海、南海做过多次实验(邓明等，2004)，实验结果验证了仪器的有效性和实用性，完全可以满足海底资源勘探的需求。

海洋磁力仪是测量地球磁力场强度的一款精度很高的测量设备。在国内外生产磁力仪比较著名的有美国的Geometrics 公司、加拿大的Marine Magnetics Corporation 公司，其产品研制技术一直居于领先地位，遍布世界各地。目前国外较为先进的海洋磁力仪以基于光泵式和质子旋进式两种原理为主。代表作有美国Geometrics 公司的G880 磁力仪，采用光泵原理，传感器方位可调，灵敏度小于0.001nT (1s 的采样率下)，绝对精度小于2nT，可用于深海磁测、近海测量等项目；加拿大Marine Magnetics Corporation 公司的SeaSPY 磁力仪，采用质子旋进原理，灵敏度为0.015nT，分辨率高达0.001nT，绝对精度为0.25nT，该设备适合各种调查船只。我国的海洋磁力测量工作相对起步较晚。目前国内一些科研机构也再加大力度研制海洋磁力仪，如北京大学曾于2000 年与海洋地质调查局(广州) 介绍了其研制的三垂向分量海洋磁力仪，在船上进行实地考察并取得了很好的效果。中国海洋大学海洋地球科学学院李予国教授团队自主研发的海底电磁采集站(OBEM) 在我国南部海域成功完成4000m 级海底大地电磁数据采集试验，标志着中国海洋大学海洋电磁探测技术与装备研制取得重大突破性进展，预示着我国海洋电磁装备研制达到国际先进水平，使我国成为继美国、德国和日本之后，第四个有能力在水深超过3000m 的海域进行海洋电磁场测量和研究的国家。

海洋重力仪是安置在科考船上或深潜器中在船舶匀速直线航行条件下连续地进行重力测量。由于仪器安放在运动的船体上，受到垂直加速度和水平加速度以及基座倾斜的影响很大。过去的海洋重力仪均采用补偿法进行零点读数，误差较大进而影响测量精度。现今则使用高灵敏度的电容测量仪器，可直接读取平衡体的位移大小来获得相对重力值，大大提高了仪器的测量精度，如德国的KSS-32 (M) 海洋重力仪和美国的L＆R S 型海洋重力仪。在我国，海洋重力仪的研制已有很长的历史。20 世纪70 年代我国国家地震局武汉地震研究所闫志国成功研制出ZYZY 海洋重力仪，得到了良好的应用成果。1999 年中国科学院测量与地球物理研究所周旭华等对德国GSS-2 型海洋重力仪做了改进，保留了稳定平台本体部分，舍去了电子控制单位，加载了双积分12 位PCL-818L A/ D 转换数据采集卡，通过计算机按键虚拟控制来实现仪器的操作(周旭华等，1999)。

为了探索深海的奥秘，近年来海洋深潜器技术也取得了很大进步。深潜器分为载人潜器(human occupied vehicle，HOV) 和无人潜器(automatic under vehicle，AUV)。目前，国内外有20 余艘深潜器，如日本的“Shinkai 6500” 号载人潜器，潜航能力为6500m；美国的代表作“阿尔文” 号载人潜器，可下潜到4500m 的深海；法国的“鹦鹉螺” 号载人潜器，最大下潜深度可达6000m；俄罗斯的“MirⅠ” 号和“MirⅡ” 号载人潜器，都可下潜至6000m 深海；中国的“蛟龙” 号载人潜器，最大下潜深度超过7000m。另据报道，科学技术部启动了深海技术与装备专项，启动了万米载人深潜和无人深潜项目。中国万米级载人深渊器“彩虹鱼” 项目业已启动，并计划2019 年载人挑战马里亚纳海沟。无人潜器主要有遥控深潜器(remote operated vehicle，ROV) 和智能深潜器(autonomous underwater vehicle，AUV)。目前全世界无人遥控潜水器已有1000 多艘，其中潜深大于5000m 的ROV 不超过十套。“海马” 号是我国目前下潜深度最大的ROV，下潜深度可达4500m。AUV 比ROV 的活动范围更大，智能程度更高。国际上现有设计工作深度6000m 的AUV 为数不多，如美国的AUSS、法国的PLA2、俄罗斯的MT-88，以及中国的GRO-1、GRO-2 和“潜龙一” 号。地球物理设备可以搭载载人潜器(或ROV)，可以定点开展精细地球物理测量。

▲海洋深潜器: 载人潜器“蛟龙” 号和无人潜器“海马” 号

本文摘编自《海洋地球物理探测》（吴时国张健等编著．责任编辑: 周杰．北京: 科学出版社, 2017.6）一书“第1章绪论”，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-052449-2

《海洋地球物理探测》根据多年的教学实践和科研经验, 综合近5 年国内外海洋地球物理探测技术及其应用的最新进展, 重点讲述海洋重、磁、电、震、热和放射性等探测方法的基本概念、基本原理, 系统阐述海洋地球物理探测资料采集、数据处理、综合解释等方面的基本理论和领域前沿技术, 如多波束测深技术、旁侧声呐技术、海底电磁仪技术、垂直缆和海底地震仪等, 以及如何应用这些理论和技术去解决具体的海洋科学问题。同时, 结合海底地质构造与岩性特点、海洋矿产与能源类型、科学研究热点与发展前景,介绍国内外海洋地球物理探测典型案例和最新进展, 为广大读者提供借鉴。

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