什麼是海洋科考中常用的地球物理調查手段

① 　調查方法及其設備

大洋多金屬結核礦產資源的勘查需要綜合應用各類地球物理勘探方法和地質勘查方法。地球物理勘探方法有：海底地形地貌調查，重力、磁力調查，地震調查；多頻探測和海底照相以及深拖和多波束回聲測深等先進的勘探系統。各類地質勘查方法有：有纜地質采樣、無纜地質采樣、溫度－鹽度－深度測量等。在不同的勘探階段所採用的方法種類以及工作量要求均有所差別。下面對各種調查設備（圖版Ⅱ—2）及其方法作進一步闡述。

3.2.1地球物理勘查方法及其調查設備

1.海底地形地貌測量及其調查設備

海底地形地貌測量是大洋多金屬結核調查中必須執行的調查項目之一。通過水深測量，可以了解海底地形特徵和海底基本情況，從而為評價和開采礦區提供必須的基本資料。

在區域調查階段，海底深度測量工作主要採用單波束回聲測深儀，以揭示海底地形地貌。傳統的做法是運用回聲測深儀測量調查區的水深值以獲得地形地貌的基本信息。近年來一些先進的測試儀器如SEABEAM等多波束測量裝置的運用，使得海底地形地貌測量變得更加精確可靠。有關SEABEAM等儀器設備的性能和有關資料將在下面敘述。這里將闡述運用回聲測深儀執行海底地形地貌調查的有關情況。

在區域調查階段，水深測量常用的儀器為12.5kHz的萬米測深儀，其測量精度由航行中船舶的定位精度和測深精度決定。所得的測量數據經過水深校正和聲速校正後即可得到相應的水深值，用於繪制海底地形圖。這種測深儀的缺點是水深數據采樣間距大（1km），難以准確地反映地形地貌形態，常把較小的地形輪廓拉平，使海底起伏平緩化，復雜地區的地形簡單化。

2.地震測量及其設備

為了解海底沉積物的分布特徵、沉積層的內部結構和基底起伏，在大洋多金屬結核勘查工作中往往採用單道地震的聲波勘查方法。設備配置方案為NEC-20C單道剖面儀、數字地震儀、氣槍、漂浮電纜等，資料以模擬方式記錄或者數字化方式記錄，炮號以數字方式記錄在衛星導航系統的磁帶上。工作航速常用6kn。測線首尾端點應有合格的導航定位點，單道地震的數字記錄常常和其它聲波探測結果綜合用於多金屬結核的分布狀況的解釋。

單道地震資料與多頻探測資料結合往往能獲得較好的解釋結果，這項調查常用於多金屬結核的初期階段。

3.多頻探測及其設備

多頻勘探數據處理系統（multi-frequency exploration system）是一種利用多種頻率的聲波勘探深海多金屬結核豐度和粒度大小的計算機數據處理系統。該系統可以在正常的航行速度（10～12kn）下工作，並可以在船上對已獲得的數據進行處理，迅速獲得多金屬結核的豐度和粒度值。

多頻勘探數據處理系統主要由聲波發射和接收、模擬信號檢測和數據處理三部分組成。在聲波發射和接收部分配置有淺層剖面儀（SBP）、測深儀（PDR）和窄波束測深儀（NBS）等裝置。模擬信號檢測部分的功能是對聲波信號進行放大、濾波。數據處理部分則對聲波信號進行數字化、存儲及數據處理。目前，它採用頻率為：SBP——3.5kHz,PDR——12kHz,NBS——30kHz三種不同頻率的聲波發射和對應的接收儀器。

多金屬結核呈席狀分布於海底表層，表層沉積物一般為硅質粘土、深海粘土、硅質軟泥或鈣質軟泥。這類沉積物富含孔隙水，質地松軟均勻，聲速接近於水或比水略低，聲波在此層的反射率很低，可以近似地認為不受阻礙地穿透這一沉積層（即透聲層），多金屬結核連同下伏的沉積層在3.5kHz淺層剖面上表現為一席狀披蓋的無反射帶或弱反射帶（即透聲層）。沉積速率過高或過低的海域都不利於結核的生長，只有特定厚度的聲波透聲層才有利於多金屬結核的賦存。多頻探測系統使用MFES-100B多頻勘探數據處理系統與3.5kHz淺層剖面儀和12kHz回聲測深儀聯機的方式測量結核的豐度，若要測量結核的粒度還需配置30kHz窄波束剖面儀。多頻探測與單道地震檢測資料相結合往往可以得到更好的解釋效果。

多頻探測與其它方法結合能得到更完滿的結果，這包括用地質采樣等多種手段。一些國家利用多頻探測系統進行多金屬結核調查，其結果與實際抓鬥取樣結果相比較，相關系數達0.7。

當多頻勘探數據處理系統與調查船的其它聲波探測器，如回聲探測器和深海淺層剖面儀一起使用時，可連續測得海底多金屬結核的分布密度和大小等資料。在此種情況下，回聲測深儀和深海淺層剖面儀等的頻率在理論上應在下列范圍：3～5kHz、8～15kHz和25～35kHz。因為所欲探測的結核的大小的直徑為幾厘米到＞10cm不等，所以多頻勘探數據處理系統能與任何一般規格的聲波探測儀器結合使用，只要從這些儀器測得的聲波輸出信號給予線性放大，並加以控制，以避免飽和即可。

多頻勘測的具體工作方法與其它物探方法類似，測網的布置要依照不同的調查階段而定。按不同的精度要求和比例尺選擇適當的數據採集時間間隔，通常是每公里採集3～4個點，因而對不同的航速要有不同的採集時間間隔，以保證勘探精度要求。

多頻探測系統與無纜式抓鬥或有纜抓鬥相比較有如下優點：

（1）速度快；

（2）可以獲得連續的整條測線的數據；

（3）相關系數為0.7～0.9;

（4）工作方便，安全可靠。

與海底照相和海底電視相比較，多頻探測系統成本低、速度快、安全可靠並不受海底地形起伏和海山等障礙物的影響。它適合於在大洋中進行大面積的連續調查。

4.重力、磁力測量及其儀器設備

重力、磁力測量往往在大洋多金屬結核調查的初期進行，其目的是了解調查區域的構造特徵、岩漿活動以及海底地形、地貌變化的控制因素。我國現有的調查船往往都配置有這類設備，如海洋四號船使用KSS-5型海洋重力儀和G821G型核子磁力梯度儀；向陽紅16號船配置有KSS-5型海洋重力儀和CHHK-2型海洋核子磁力儀。

5.海底照相及其設備

通過海底照相，在照片上可直接觀察到多金屬結核在大洋表面的賦存狀態，求得其覆蓋率、粒徑和豐度，並了解洋底表層沉積物的特徵、底棲生物的活動等信息。海底照相通常採用兩種方法和設備：

（1）自返式海底照相系統該設備配合自返式采樣裝置可以拍攝采樣點的海底沉積物和多金屬結核的分布特徵。美國Boathos公司生產的改進型4201自返式抓鬥配備有海底照相系統。這種系統把袖珍的135相機裝在一高壓密封罐中，照相機系有2.0kg的重物，當與海底接觸時啟動電磁快門。在取樣前觸發一次照相，拍攝的海底面積最大為2.1m×1.4m。

圖3—1海底照相系統

（2）拖曳式海底照相系統該系統的作用是探明海底多金屬結核賦存狀態，照片供研究人員計算結核覆蓋率、推算豐度及其它解釋使用。海洋四號採用英國Camera Alive公司生產的CI800和CI256型海底照相系統（圖3—1），兩系統的結構和原理相同，均由照相機、閃光燈、聲脈沖發生器、觸發器、直流電源和同步控制器組成。前者可以連續拍攝800張135彩色膠片，後者可以連續拍攝256張135彩色膠片（照相機鏡頭離海底距離3m，每張膠片的畫面最大覆蓋面積3.9rn×2.6m）。照相系統工作時，鋼纜連結，萬米絞車收放，聲脈沖發生器和回聲測深儀的應答器確定和控制海底照相機到達海底預定深度，每觸發一次拍攝相片一張。系統結構合理，性能良好，成功率達到80%左右。

亦有一些國家將海底電視勘查系統用於大洋多金屬結核海區海床勘查，當然這些設備的技術性能亦應滿足如下要求：①作業深度——6000m；②拖曳速度——2.5kn；③電視離海底距離——3～10m；④像幀數——2×3150；⑤電視系統——慢速掃描標准。

6.先進的勘查系統及其設備

深拖系統和多波束回聲測深儀等先進勘探系統是西方國家在多金屬結核勘探階段採用的手段，尤其是帶有電視/照相裝置的深拖系統，它可用於海底表層多金屬結核的直接觀察和評價。深拖裝置所配備的淺層剖面儀、旁側聲納以及多波束回聲測深儀配置的測深儀、淺層剖面儀和旁側聲納等均可以快速、精確地提供海底有關地形起伏、成分^[1]、海底結構和構造等信息。這些設備往往在勘查的後期階段使用。我國現已引進了這類設備，在開辟區內結核勘查的中、後期階段，可以利用這些勘查系統獲得精確可靠的資料。

（1）深拖系統深拖系統主要由聲學拖體和光學拖體兩部分組成。以美國Simrad公司製作的AMS-60SI型深拖系統為例，該裝置的聲學拖體配備有淺層剖面儀（4.5kHz）、旁側聲納（56.7kHz）等測量系統，具有旁側聲納、條帶水深測量和淺地層剖面測量等多種聲學測量功能；光學拖體配置有一套電視/照相系統。工作水深可達6000m。該設備還備有為旁側聲納和淺層剖面資料歸位校正的感測器。當作業中因拖魚深度變化而引起的地形畸變時，可通過聯機自動歸位校正。拖魚結構設計最大拖速為8kn，然而，該系統在運用淺層剖面儀（4.5kHz）、旁側聲納（56.7kHz）等測量系統進行工作時，則將深拖裝置置於海底之上50m處，以拖速1.5kn進行航行。

我國購置的深拖設備，包括一套AMS-60SI標准配置的聲學拖體和一套電視/照相光學拖體、甲板控制和數據採集工作站、後處理工作站以及Dynacon柴油機－液壓絞車系統和萬米同軸電纜。在聲學和光學拖體中，各種設備的技術指標分別如下：

旁側聲納

發射頻率56.7kHz

發射功率2000W（RMS,Hi設置）150W（RMS,Lo設置）

帶寬水平1.5°±0.1°垂直600

最小旁辨壓縮20dB

信號帶寬.8kHz

磁通門羅經KVHC100,0.10解析度

橫縱搖感測器0.1°解析度

壓力/深度感測器0.01m解析度

條帶水深測量系統為同相干涉測量，增加了一組換能器和相關電路，包括波束尋找和波束正常化特徵電路。

海底剖面儀

發射頻率4.5kHz

發射功率500W（RMS）

帶寬±25°

光學拖體的配置

ColmekTVTM多路傳輸系統

Simradphotosea5000D照相機

Simradphotosea1500SD閃光燈①成分泛指地層分層、分層結構等。

Ospreysitoe 1323電視攝像機

600TV線5×10^-4LUX

電視照明燈

高度計Simrad Mesotech Mode 1807

電視信號傳輸速率實時黑白傳輸30幀/s

這項裝置應能滿足多金屬結核後階段詳查工作的要求。

（2）多波束回聲測深儀海底多波束測量系統能提供較高密度和較高質量的地形測量資料。目前在一些先進國家，該設備的使用已經逐漸取代了單波束的深海測深儀。法國從1980年開始在「讓·夏爾科」號海洋科考船使用Sea Beam多波束回聲測深儀，在認識海底含多金屬結核地區的地貌方面取得了重大進展。這個系統發出16束狹窄的聲波（每束2°40′），構成一個復雜的系列，能自動補償船的縱橫搖動。在進入船隻本身的航行數據後可以得出航道兩側相當於海底深度2/3的長條的海底地形圖。在5000m水深的海域其測量的解析度不大於20～30m。多波束回聲測深儀的優點是能在相對較短的時間內進行大面積的探測，在5000m水深的海域內可以在25天內完成面積為3萬km²的測區。利用多波束回聲測深儀可以顯現回聲測深儀不能顯現的一些地貌和構造特徵。但在勘探的最後階段，仍無法取代高解析度的深拖系統。

這類測量系統的深度測量范圍為10～11000m，最新一代的海底多波束測量系統包括：海底測深系統、旁側聲納和淺層剖面儀。目前已有德國的ATLAS公司、挪威的SINRAD公司和美國的SEABEAM儀器公司生產製作這類系統。

以SEABEAM儀器公司製作的SEABEAM2100型為例，其主要裝置有：發射換能器子系統、水聽器子系統、發射機子系統、接受機和聲納處理機子系統、工作站以及繪圖處理機和顯示儲存子系統。

最新一代的多波束測量系統集測深、旁側聲納和淺地層剖面儀功能於一體，可以同時測量並獲得海底寬幅的地形資料、旁側聲納圖像資料、海底淺地層剖面資料，繪制海底等深線圖，並揭示有關地形起伏、成分、海底結構和構造等有用信息。

SEABEAM 2100型多波束測量系統的主要技術指標：

深度范圍10～11000m

頻率2～7kHz

聲源電平233dB/（μPa·m）

發射功率30kW（峰值線性）

TX動態范圍70dB

TX脈沖射窗口矩形、餘弦

3.2.2地質勘查方法及其調查設備

在各個階段的多金屬結核調查中，都必須按測站系統地採集地質樣品用於直接的觀察、描述和測試研究。研究目的不同，調查要求不同，所採用的采樣設備也不同。以下將列舉各種樣品採集裝置及其用途。

1.有纜地質采樣器

有纜地質采樣的項目包括抓鬥、箱式取樣器、拖網、重力取樣器和重力活塞取樣器等多種采樣手段。

（1）抓鬥抓鬥是採集多金屬結核或表層沉積物樣品最常用的設備。有纜抓鬥的配套裝置是帶鋼纜的深海絞車和供取樣器投放和回收的倒L型吊架或A型架。在離取樣器50～100m處的鋼纜上裝上聲脈沖發生器，它產生的脈沖信號及海底反射信號由測深儀接收，以便操作人員掌握抓鬥到達海底的情況，及時進行定位和回收。通常採用的抓鬥的開口面積為0.25m²（50cm×50cm）。目前我國大洋多金屬結核調查所採用的抓鬥多選用中國科學院（青島）海洋研究所製作的大洋50型抓鬥。

（2）箱式取樣器箱式取樣器（圖版Ⅰ—1）用於採集不受擾動的海底沉積物樣品，其取樣面積為0.25m²（50cm×50cm）。箱式取樣器用鋼纜連結，由萬米絞車釋放和回收。在投放海底採集樣品時，根據聲脈沖發生器發出的信號確認取樣器是否已抵達海底。

（3）拖網拖網（圖版Ⅰ—2）用於海底拖曳採集多金屬結核和岩石樣品，其網口為1.2m×0.6m，鋼質。網身為尼龍繩編織，網眼一般為1.5cm×1.5cm，長度2m左右。網尾固定一重錘，以維持網身伸展狀態。收放及拖曳作業則用鋼纜及萬米絞車進行，必要時船舶配合以低速移動。

（4）重力取樣器重力取樣器用於採集柱狀沉積物樣品，取心直徑為7.3cm，長度為3.2m。用鋼纜連接，由萬米絞車控制釋放和回收。重力取樣器和其它有纜采樣器一樣，需要在鋼纜上安裝一聲脈沖發生器，作為取樣器到達海底的應答手段，便於操作人員控制釋放和回收。目前我國在大洋多金屬結核礦產資源調查中常用的重力取樣器為美國Benthos公司所產的2175型重力取樣器。

（5）重力活塞取樣器在採集長柱狀沉積物岩心時往往需要採用大型重力活塞取樣器（圖版Ⅰ—3）。這種取樣器的優點是被採集的沉積物樣品不被擾動，而且能獲得有足夠長度的沉積物岩心。Benthos公司生產的2450型重力活塞取心器能獲得15.2m長的岩心，經過一定的改裝還可獲得更長的岩心。岩心的長度取決於研究工作的需要以及調查船工作面的大小。在安裝有聲脈沖發生器的重力活塞取心器到達海底時，取樣器巨大的自重和活塞底局部真空所造成的壓差將柱狀沉積物壓入樣管，即可獲得這種長柱狀沉積物樣品。聲脈沖發生器和回聲測深儀的應答，將保證操作人員能正確了解重力活塞取心管到達海底的時間，以便控制它的收放。

這種取心器只是在對某些地點進行詳細勘探時才系統地使用。它既能從沉積物表層，也能從較深的地層採集樣品。這些樣品不僅能用於土質特性的研究，還可以對這些含結核地區的地質史進行科學研究（例如：沉積學、地球化學、生物學、年代測量等）。

2.無纜地質采樣

無纜地質采樣包括自返式抓鬥和自返式重力取心器等多種采樣手段，現分別敘述如下：

（1）自返式抓鬥自返式抓鬥是取多金屬結核的最主要手段。我國採用的是美製4201型自返式抓鬥（圖版Ⅰ—4），取樣面積為0.2m²。自返式抓鬥的工作原理為：用載有壓載物（鐵砂）的抓鬥沉入海底後，自動觸發裝置把裝有沉積物樣品的抓鬥取樣網合攏，同時釋放壓載物。由於浮球的作用，網中的樣品被帶出水面。依靠導航定位、信號旗、閃光燈、無線電信標等裝置的幫助回收自返式抓鬥。這種抓鬥在5000m左右水深的海域作業時每個站位的作業時間約為3～4h。採用自返式抓鬥作業的最大優點是調查船可以在連續航行中採集樣品。因此，這是獲取多金屬結核的主要設備。

裝在取樣器上的照相機，拍攝的每張照片涉及的海底面積約為1m²，拍攝方向稍微偏離垂直線。樣品是在近於拍攝的同一時間取得的，取樣的理論面積為0.18m²。

取樣系統的采獲量隨結核的大小而變化，不能將所采結核的重量直接折算為豐度（kg/m²）；這一必要數據是通過對樣品和海底照片進行嚴謹的分析比較而得出的。

這種采樣裝置在礦床勘查初期用得很多，實踐證明，其損失率約為1%，頗為有效。每個采樣點算作一個站位。一組站位（通常5～7個）構成一個測站。

（2）自返式重力取心器

自返式重力取心器用於採集海底柱狀沉積物樣品。其取心直徑為7.3cm，最大取心長度為1.22m，其工作原理與自返式抓鬥相同。採用自返式重力取心器的優點是獲得未被擾動的柱狀沉積物樣品，以便研究這一深度內沉積物的沉積特徵等各類地質信息。採集的沉積物樣品回收則依靠導航定位以及取心器上所帶的閃光燈的幫助，因此在夜間作業效果較好。

自返式取心器雖然容易操作，但是效果不穩定，在作業的可靠性（它不能用於固結沉積物）和測量有效性方面亦是如此。

圖3—2溫鹽深（CTD）測量系統

3.溫度－鹽度－深度測量

目前，在大洋多金屬結核勘查工作中，對調查站位海水的溫度、鹽度和水深（簡稱溫鹽深）的綜合測量，常採用美國EG＆G公司生產的MARK－Ⅲ型溫鹽深測量系統（圖3—2）。其主要功能既滿足了部分地質調查項目的要求，亦符合水文調查的需要。測量項目有海水的溫度、鹽度、深度、電導率、pH值、溶解氧、聲速和密度的縱向分布值等，並可以選擇12個不同深度水層採集水樣。每個水樣的體積為500ml，用於不同的研究目的。

3.2.3水文氣象觀察

水文氣象調查工作雖然是一項輔助工作，但其調查結果對於多金屬結核的地質成因及分布的探討，對於調查規劃的制定和實施都有重要意義。水文氣象觀察的內容應包括溫鹽深的測量、海流的測量和氣象觀察等項目。在不同的階段，調查的內容和要求也不同。

1.水文地質調查

水文地質調查包括溫度、鹽度、水色透明度、海流和海浪的調查。水文地質調查一般採用定點調查的方式，它又可分為斷面觀測、大面觀測和連續觀測等幾種。

由於水文地質調查往往是定點觀測，採用溫鹽深儀測量系統（CTD）在測量觀測點的水深的同時就可以滿足溫度和鹽度的測量要求，因此，選用的設備必須滿足工作區適用的水深范圍和所測水文要素的測量要求。

海流觀測主要是測定海流的流速和流向，輔助測量風速和風向，在測量過程中，對海流流速的准確度不大於±3cm/s；流向准確度不大於±10°。大洋海流的觀測多採用聲學多普勒剖面儀或自容式海流計，藉助於深海測流浮標系統進行測量。近年來，計算機系統的配置，使得海流觀測數據可以進行實時處理，處理後的數據可記錄在磁碟上或磁帶上。

海浪觀測需要測量海浪的波高、周期、波向、波形和海況。海浪的觀測既可以用目測，也可以用儀器測量。儀器測量一般採用浮標式加速度型測波儀。配有數據處理系統的測波儀，可藉助系統的微機對觀測資料進行實時處理，求得波高、有效波周期、最大波高和最大波周期；處理後的資料可以在熒光屏上實時地顯現出來，也可以記錄在磁碟和磁帶上，通過回放機和列印機直接列印出來。

2.氣象調查

各個航次的大洋調查都需要進行海面氣象調查，因為它是為天氣預報和水文地質調查目的服務的。大洋勘查中不斷積累的氣象調查資料亦將為今後對這一海區的多金屬結核礦區的開發評價提供氣象方面的依據。

海洋氣象調查的內容包括海冰、表層氣溫、天氣現象、能見度、雲、風、空氣的溫度和濕度、氣壓等氣象要素。這些項目均屬於常規的調查工作，使用常規的設備就可以完成。在當前大洋多金屬結核勘查中亦經常可以藉助氣象衛星發布的資料指導大洋調查工作的實施，然而在大洋多金屬結核勘查工作中堅持進行這項氣象調查有助於對氣象衛星發布數據的正確性進行判別。不斷積累的氣象資料將有助於對預定的開發區作氣象方面的正確評價。

② 地球物理方法對海洋平台場址調查的應用與探討

馬勝中

（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）

作者簡介：馬勝中，男，1968生，1990年畢業於中國地質大學（武漢），工程碩士，高級工程師，從事海洋環境地質、災害地質和綜合地質地球物理研究工作。E-mail：sz-m＠163.com。

摘要 海洋石油鑽井平台的安全就位和穩定施工，與井場區海底的工程地質條件密切相關。地球物理探測技術作為一門綜合性較強的科學技術，在海洋工程地質和海洋災害地質調查中有著不可替代的作用。實踐證明，採用測深、側掃聲吶掃描、淺地層剖面、單道地震、高解析度2D地震和海洋磁力測量等地球物理探測手段進行綜合調查，對鑽井平台場址周圍海域的地形變化和潛在地質災害因素，具有很好的揭示作用。

關鍵詞 平台場址調查 海洋地球物理探測 海洋地質災害

1 前言

隨著我國經濟的發展和戰略儲備的需要，我國原油勘探開發的重點由陸地逐漸轉向海域。我國近海海底蘊藏著豐富的礦產資源，現已探明石油資源量達246×10⁸ t，天然氣15.79×10¹²m³，佔全國油氣總資源量的23％。然而在油氣開發中，屢屢遭到海洋地質災害的破壞，不均一的持力層多次造成渤海、珠江口盆地鑽井平台的傾斜和位移，使國家蒙受重大經濟損失。

鑽井平台場址災害調查在石油鑽井之前進行，既要探測諸如斷層、淺層氣地層情況以應對鑽井或採油時發生的井架倒塌、井噴、著火和溢油等災害，又要調查與鑽井平台基礎有關的土工問題，以避免事故和災害發生。據資料，1955～1980年間，美國每年發生鑽井船基礎嚴重破壞的事故3～4起，經濟損失和人員傷亡巨大。海洋結構物場地調查是確定影響固定式平台和海底管線等工程結構物的設計、布局、施工及安全操作的工程地質條件。1969年，卡米爾颶風襲擊密西西比河三角洲，引起海底大面積土體滑移，造成3個平台破壞，損失1億多美元^［1］。可見，海洋石油鑽井平台場址調查研究在油井鑽探開發中有著重要的作用。我國海洋石油開發工作起步較晚，直到20世紀80年代初，我國才真正開始海洋工程地質勘察工作，近十年來，我們對石油鑽井平台場址調查研究做了許多實驗工作，隨著調查技術的不斷進步，研究正向深海挺進。

海洋平台的設計和建造需對平台場地進行包括海底地形地貌、海底表層、淺地層結構等內容的海洋工程地質勘察，從地貌、沉積物特徵和地質測年等方面，利用實測的和平台設計用的海洋水文資料以及場地內土的物理力學參數，對海底穩定性進行分析計算，並在分析研究的基礎上，進行場地的海底穩定性評價。

2 海洋常見災害地質類型

海洋常見的災害地質類型^［2-5］如下：

活動斷層、地震和火山等。它們不僅可能對海底構築物造成直接破壞，而且地震可能誘發滑坡、濁流、沙土液化等其他災害。

滑坡、崩塌、濁流和泥流等，它們的活動可能對鑽井平台、海底管線構成直接破壞。

海底沙丘、海底沙波、潮流沙脊、沖刷槽、凹凸地和淺谷等，屬於地貌類型的災害，其分布和氣象水文條件有關。

淺層氣、泥底辟、軟弱夾層、可液化砂層等。它們呈承壓流體、塑性體狀態存在於第四紀淺地層中。當海底構築物基礎觸及這些地質體時，都有可能發生災害。

埋藏古河道、埋藏古湖沼、埋藏起伏基岩面、埋藏珊瑚礁等。它們一般是淺地層中的透鏡體，當鑽井平台樁腳插入不同地質體時，由於持力不均會導致平台歪斜，甚至傾覆。

3 地球物理方法對平台場址調查的應用和研究

3.1 海底地形地貌探測

海底地形地貌探測包括單波束測深、多波束測深和旁側聲吶等，是通過探測聲波在水下或岩土介質內的傳播特徵來研究岩土性質和完整性的一種物探方法，只是它們使用的聲波頻率和強度有差異，高頻能提高解析度，而低頻則能提高聲波的作用距離和穿透深度^［6～9］，目前很多探測系統都採用雙頻或多頻探頭結構，提高儀器的探測能力。

3.1.1 單波束測深和多波束測深

單波束測深系統是利用其換能器從水面向海底發射一束聲脈沖，聲波傳到水底界面被反射，再回到換能器被接收，通過時間函數的轉換，形成一組時間離散的數字量系列，進行實時處理，而在記錄紙上直接顯示測線上連續起伏變化的海底剖面。反映了海底表面形態的凸凹性質、高差大小和延伸范圍（發育規模）。

多波束測深系統是一種由多個感測器組成的復雜系統，在測量斷面內可形成十幾個至上百個測點點條幅式測深數據，幾百個甚至上千個反向散射數據，能獲得較寬的海底掃幅和較高的測點密度，它具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點。測深資料反映了海底表面起伏變化、高差大小和延伸范圍，利用計算機處理和繪圖技術，可製成所測海區海底地形圖。

3.1.2 側掃聲吶掃描

側掃聲吶技術運用海底地物對入射聲波反向散射的原理來探測海底形態，能直觀地提供活動形態的聲成像。旁側聲吶是一種高解析度、多用途的水聲設備，在海洋測繪、海底目標探測（如探測沉入水底的船、飛機、導彈、魚雷及水雷等）、大陸架和海洋專屬經濟區劃界、海洋地質、海洋工程、港口建設及航道疏浚等方面有廣泛的應用。

側掃聲吶採用深拖型側掃聲吶系統，使用雙頻頻率100/500 kHz，量程100/200 m，拖體距離海底10～30 m，可以獲取海底表面的各種目標探測物，獲取的聲吶圖像質量較高，可以分辨出海底表面的管道和電纜，海底物體的高度可以根據物體的陰影來確定。幾種地球物理方法同步作業可以相互印證（圖1）。

圖1 側掃聲吶和單道地震剖面顯示的災害地質類型

3.2 中、淺地層探測

3.2.1 淺地層剖面測量

淺地層剖面測量系統是探測海底以下30 m內的淺層結構、海底沉積特徵和海底表層礦產分布的重要方法之一。淺地層剖面系統的發射頻率較低，一般在2.5～23 kHz之間，產生聲波的電脈沖能量較大，發射聲波具有較強的穿透力，能夠有效穿透海底數十米的地層^{［10～11］}，地層解析度在8 cm以上。它可以提供調查船正下方地層的垂直剖面信息，它可以准確地反映出地層界面及可能存在的淺層氣、淺斷層和古河道等海底地質災害因素或其他物體（如管線）。淺地層剖面儀的穿透深度則因工作頻率和海底沉積物類型的不同而異。

淺地層剖面測量系統採用德國INNOMAR公司SES-96參量淺層剖面系統，外接涌浪補償系統，可輸出水深數據。採用發射功率18 kw，主頻100 kHz，差頻4～12 kHz，在平台場址調查中一般使用差頻8 kHz，探測到的地層解析度較高，淺海可以探測管道，可以與磁力探測相互驗證。

3.2.2 單道地震剖面測量

單道地震記錄系統由單道數據採集處理系統、震源系統、信號接收電纜、EPC記錄儀組成。主要用於了解海底以下200 m范圍內的中、淺地層結構、沉積特徵。

單道地震與油氣地震勘探技術具有相同的工作原理。單道地震探測採用的震源能量小、頻帶寬（幾十赫茲到幾千赫茲）、主頻高（幾百赫茲到上千赫茲），一般選用電火花和氣槍作為震源，能量從幾十焦耳到幾千焦耳，地層的穿透深度從幾十米到數百米。

海上最常用的震源有空氣槍和電火花二種，在平台場址調查中一般使用電火花震源，震源系統由震源控制箱、聲源裝置（電極、聲脈沖發生器）組成。

如英國的CSP1500震源系統，主要包括CSP1500震源控制箱、SQUID500型電極、SQUID2000型電極或AA200型BOOMER組成電火花震源，該震源的激發能量級別為100～1500J，而且重復激發所需的時間較短。法國的SIG800J震源系統，採用120或200極魚骨型電火花電極，能量輸出270J、540 J和800J。在平台調查中一般選擇250～800J的激發能量，激發間隔0.5 s（圖2）。荷蘭的GEO-SPARK 10kJ震源系統，GEO-SPARK2×800型電極能量輸出在100～10000 J之間，最大工作水深為4500 m，最大穿透深度為750 ms，可以滿足深水井場調查的需要。

我們選用法國的SIG16 4.8.12型和SIG16 12.12.34型水聽器，英國的AAE20單道信號接收電纜，荷蘭的GEO-Sense信號接收電纜，檢波器按0.15～1 m的間隔並聯組成，該接收電纜具有較高的靈敏度和較寬的頻率響應，適用於高頻反射信號的數據採集。

記錄儀器與以上震源和水聽器配套使用的是DELPHSEISMIC數據採集系統。該系統不僅可以主動控制震源每秒的激發次數，而且通過連接GPS導航系統，能夠時時記錄每一炮道的經緯度坐標，便於精確定位。該儀器的動態范圍90db，16位模數轉換，而且具有極高的采樣頻率，在與BOOMER震源配合使用時，其采樣率高達6000～10000 Hz，極高的采樣頻率更有利於高頻有效信號的接收。在海上單道地震數據採集過程中，可以通過控制測量船的速度來調整記錄道間的距離，船速越慢，道間距越小，地震波組的連續性越好。在震源每秒激發二次的情況下，測量船體以3.5節的速度航行，地震記錄道間的距離小於1 m，可見，該方法更適用於高精度的淺層地震勘探。

在資料處理流程中，採用有效的方法技術對數據進行信噪分離，削弱多次及繞射等干擾波的影響，可進一步提高單道地震記錄的信噪比和解析度，圖3（左）清楚顯示了淺層氣及其沿著斷層上升，紅色橢圓圈著的反射波為強振幅，反射同相軸反轉，具明顯的反相特徵；圖3（右）顯示了各種形態的埋藏古河道。

圖2 單道地震剖面

圖3 單道地震剖面顯示的淺層氣和埋藏古河道

3.3 高解析度2D多道地震剖面測量

高解析度2D地震資料的採集一般使用48道或96道多道地震電纜，為了避免虛反射對高頻成分的壓製作用，震源和檢波器電纜的沉放深度比較淺，一般震源的沉放深度3m，一般電纜的沉放深度4 m，地震震源一般是小容量GI氣槍震源或套筒槍組合震源，以保證產生高頻率的地震子波。這種方法採集到的地震資料頻帶可達20～350 Hz，比常規的地震採集資料的頻帶（20～50 Hz）要高得多，完全可以滿足識別薄層及地層結構的需要，提高了精度。

3.4 海洋磁力測量

磁法是利用地下岩礦石或者岩土介質之間的磁性差異所引起的磁場變化（磁異常）來尋找有用礦產，查明地下構造和解決其他地質問題的一種探測方法。磁力是解決工程地質調查中探測含磁性物體的有效手段。在各種調查中，我們使用GS880銫光泵磁力儀和SeaSPY海洋磁力儀，針對不同的研究目的分別採用不同的調查方法，均能獲得滿意的效果。它的優勢在於不僅能夠探測暴露於海底的磁性異常體，同時對於覆蓋於海底以下的磁性異常體也有效。

在調查中的應用，由於海底光纜路由海域存在著已經敷設過的海纜（包括海底通訊電纜、電力電纜和光纜等），經過歲月的變遷，這些海纜在海域中的坐標有了變化，有的是否還存在也不明確；另外，過去敷設海纜時的定位儀存在較大的誤差，為了探明光纜路由線交匯的海底電纜的精確位置，必須對光纜路由進行探測。在平台場址調查中，使用加拿大MarineMagnetics公司生產的SeaSPY海洋磁力儀進行勘察，結合旁側聲吶和淺地層剖面共同進行探測。圖4是淺地層剖面探測到的管道，當磁力儀探頭穿過電纜時測得的磁異常曲線，旁側聲吶掃描到的電纜和平台，磁異常的幅值一般可達幾十到上百nT。

圖4 淺層剖面、磁力和側掃聲吶探測到的管道、電纜和採油平台

4 結論與討論

平台場址地質調查的方法主要有兩種：一種為地球物理方法，另一種為地質取樣方法。目前地球物理方法應用得比較廣泛的是單波束測深或多波束測深、側掃聲吶、淺層剖面探測、單道地震、高解析度2D地震和磁力測量等，以上六種水下探測系統在高精度的定位系統的支持下配合使用，可使我們獲得平台場址內三維的工程地質條件，特別是危害工程建設的各種災害地質現象的形態、規模、位置及其發展趨勢等性質。其優點是比較經濟、快速，對各種地球物理勘探方法都有各自解決某一方面地質問題的能力，各有優勢和局限性。因此，在調查時要視調查的目的與要求，採用多種方法進行綜合調查，使各種方法優勢互補，以便取得最佳的成果。根據20多年來的實踐經驗，採用以高解析度地震為主的綜合淺層物探技術，同時在井位和預計拋錨位置進行2～3 m長的地質重力取樣和地質淺鑽，物探和地質取樣相互結合，是了解海洋地質災害因素、災害的類型以及海洋工程地質有關問題的行之有效的調查方法，它能夠既經濟又快捷地為業主提供資料。

參考文獻

［1］顧小芸.海洋工程地質的回顧與展望［J］.工程地質學報，2000，8（1）：40～45.

［2］金慶煥，李唐根.南沙海域區域地質構造［J］.海洋地質與第四紀地質，2000，20（1）：1～8.

［3］劉光鼎，陳潔.中國前新生代殘留盆地油氣勘探難點分析及對策［J］.地球物理學進展，2005，20（2）：273 ～275.

［4］陳潔，溫寧，李學傑，南海油氣資源潛力及勘探現狀［J］.地球物理學進展，2007，22（4）：1285～1294.

［5］劉錫清，劉守全，等.南海災害地質發育規律初探［J］.中國地質災害與防治學報，2002，13（1）：12～16.

［6］Spiess F N.Seafloor research and ocean technology［J］.MTS Journal，1987，21（2）：5～17.

［7］Wille Peter C.Sound Images of the Ocean in Research and Monitoring ［M］.Berlin：Springer，2005.

［8］Fish J P，Carr H A.Sound Reflections（Advanced Applications of Side Scan Sonar）.Oreans：Lower CapePublishing，2001.

［9］金翔龍，海洋地球物理研究與海底探測聲學技術的發展.地球物理學進展，2007，22（4）：1243～1249.

［10］Dybedal J.Kongsberg Defence ＆Aerospace AS.Training Course TOPASPS 018 Parametric Sub-bottom Profiler System，2003.

［11］Dybedal J .Kongsberg Defence ＆Aerospace AS.TOPASPS 018 Operator Manual，2002.

Marine Geophysical Survey Techniques and Their Applications to Well Site Survey

Ma Shengzhong

（Guangzhou Marine geological Survey，Guangzhou，510760）

Abstract：The safety of marine oil drilling platform is closely related to the submarine engineeringgeological conditions of the well site.Geophysical technique has an irreplaceable role in marineengineering and hazard geological survey.Practice proves that，using geophysical instruments in-cluding echo sounder，sidescan sonar，sub-bottom profiler，single-channel seismic，high resolu-tion 2D seismic and marine magnetometer etc.to carry out a comprehensive survey can efficientlyreveal the topography and potential geo-hazards of the well site area.

Key words：Well site survey Marine geophysical survey Submarine geo-hazards

③ 海洋地球物理勘探的應用范圍

在海洋范圍內應用各種地球物理勘探方法研究地質構造和尋找有用礦藏。簡稱海洋物探。物探是研究海洋地質最基本的調查手段。它以海底岩石和沉積物的密度、磁性、彈性、導熱性、導電性和放射性等物理性質的差異為依據，用多種物探方法和儀器，觀測並研究各種地球物理場的空間分布和變化規律，進而闡明海洋底的地質構造及其演化，查明各地質年代沉積物的分布，尋找石油和天然氣以及固體礦產資源。
海洋地球物理勘探所觀測的有地球本身固有的地球物理場，如重力、磁力、熱流和天然地震，也有用人工方法激發的地球物理場，如人工地震和電法等。由於海洋水體是運動的，上述觀測必須採用一系列不同於陸地地球物理勘探的儀器和方法。海洋地球物理勘探在早期階段，採取多種密封防水、彈性減震以及獲取靜態觀測的措施。現在則充分利用海洋的特點進行動態觀測，不僅可以快速和連續作業，而且適於將幾種物探設備和導航定位儀器集中在一條工作船上，實現電子計算機控制的綜合觀測。

④ 什麼是地球物理測量技術

是指運用先進的儀器測量地球某些物理性質的變化，從而得出海底以下的地質構造和礦產分布的一種測量技術。在海上，使用最廣的物探方法有地震勘探、重力測量、磁力測量和熱量測量等。重力的變化能反映地質或地理位置的變化。
重力測量在海洋礦產資源勘探、天然地震預報和地震災害預測、衛星空間軌道設計及軌道預報方面都有重要意義。其設備如德國產的KSS25和KSS230型海洋重力儀，其中KSS25型屬於杠桿型重力儀，KSS230型屬於彈簧垂直荷載型重力儀。
海洋磁力測量是勘測水域磁場的分布和隨時間的變化或發現異常磁場。目前海洋磁力勘探主要用核子旋進磁力儀，其中美國森尼維爾大地測量公司G801海洋質子核子旋進式磁力儀應用較多。
海底熱力測量不僅可以發現地熱資源，而且可以應用其得到的海底地熱資料詳細考察海底地殼、地幔、板塊構造及熱過程（如岩漿侵入、熱液環流）。海洋有源電磁探測系統測量可以直接測定地殼內熔融物質的存在和溫度及岩石的孔隙度，用於熱液或岩漿活動的海洋擴張中心的地質作用過程的調查和研究。幾十年來，我國先後研製和生產了重力儀、結構核子旋進式磁力儀、質子磁力梯度儀及多種地質取樣設備，在國際海洋地質調查和地球物理勘探中發揮了重要作用，尤其是海洋石油地球物理勘探技術和資源綜合評價方面已基本達到國際先進水平，並在地震勘探作業方面具備了國際市場的競爭能力。
20世紀80年代以來隨著科學的發展，許多新技術包括三維勘探、高解析度勘探、子波處理和波動理論等反演技術，也逐漸被應用在測量技術上，使信號質量、信息的准確性、分辨能力和穿透力等方面都有了明顯的提高，也使得物探技術有了較大的進展。近年來，人們還研究海底聲學特徵和沉積物理特徵之間的直接聯系，並通過聲速、聲吸收、聲反射率與海底沉積物類型、顆粒度和孔隙度的關系，建立起海底地質聲學模型，從而為判斷和分類海底地質結構提供定量分析的依據。其中精密回聲測深儀、深淺地層剖面儀、旁側聲吶先進儀器的應用最為廣泛。我國在水聲技術研製方面也取得重大進展，現已研製成功具有世界先進水平的唯一可在2米淺海作業的高解析度淺地層剖面儀和彩色雙頻率垂直魚探儀，還有走航式聲字多普勒海流剖面儀，這些技術廣泛應用在海洋科學研究、海洋資源勘探和開發以及軍事活動等各個領域。