什么是海洋科考中常用的地球物理调查手段

① 　调查方法及其设备

大洋多金属结核矿产资源的勘查需要综合应用各类地球物理勘探方法和地质勘查方法。地球物理勘探方法有：海底地形地貌调查，重力、磁力调查，地震调查；多频探测和海底照相以及深拖和多波束回声测深等先进的勘探系统。各类地质勘查方法有：有缆地质采样、无缆地质采样、温度－盐度－深度测量等。在不同的勘探阶段所采用的方法种类以及工作量要求均有所差别。下面对各种调查设备（图版Ⅱ—2）及其方法作进一步阐述。

3.2.1地球物理勘查方法及其调查设备

1.海底地形地貌测量及其调查设备

海底地形地貌测量是大洋多金属结核调查中必须执行的调查项目之一。通过水深测量，可以了解海底地形特征和海底基本情况，从而为评价和开采矿区提供必须的基本资料。

在区域调查阶段，海底深度测量工作主要采用单波束回声测深仪，以揭示海底地形地貌。传统的做法是运用回声测深仪测量调查区的水深值以获得地形地貌的基本信息。近年来一些先进的测试仪器如SEABEAM等多波束测量装置的运用，使得海底地形地貌测量变得更加精确可靠。有关SEABEAM等仪器设备的性能和有关资料将在下面叙述。这里将阐述运用回声测深仪执行海底地形地貌调查的有关情况。

在区域调查阶段，水深测量常用的仪器为12.5kHz的万米测深仪，其测量精度由航行中船舶的定位精度和测深精度决定。所得的测量数据经过水深校正和声速校正后即可得到相应的水深值，用于绘制海底地形图。这种测深仪的缺点是水深数据采样间距大（1km），难以准确地反映地形地貌形态，常把较小的地形轮廓拉平，使海底起伏平缓化，复杂地区的地形简单化。

2.地震测量及其设备

为了解海底沉积物的分布特征、沉积层的内部结构和基底起伏，在大洋多金属结核勘查工作中往往采用单道地震的声波勘查方法。设备配置方案为NEC-20C单道剖面仪、数字地震仪、气枪、漂浮电缆等，资料以模拟方式记录或者数字化方式记录，炮号以数字方式记录在卫星导航系统的磁带上。工作航速常用6kn。测线首尾端点应有合格的导航定位点，单道地震的数字记录常常和其它声波探测结果综合用于多金属结核的分布状况的解释。

单道地震资料与多频探测资料结合往往能获得较好的解释结果，这项调查常用于多金属结核的初期阶段。

3.多频探测及其设备

多频勘探数据处理系统（multi-frequency exploration system）是一种利用多种频率的声波勘探深海多金属结核丰度和粒度大小的计算机数据处理系统。该系统可以在正常的航行速度（10～12kn）下工作，并可以在船上对已获得的数据进行处理，迅速获得多金属结核的丰度和粒度值。

多频勘探数据处理系统主要由声波发射和接收、模拟信号检测和数据处理三部分组成。在声波发射和接收部分配置有浅层剖面仪（SBP）、测深仪（PDR）和窄波束测深仪（NBS）等装置。模拟信号检测部分的功能是对声波信号进行放大、滤波。数据处理部分则对声波信号进行数字化、存储及数据处理。目前，它采用频率为：SBP——3.5kHz,PDR——12kHz,NBS——30kHz三种不同频率的声波发射和对应的接收仪器。

多金属结核呈席状分布于海底表层，表层沉积物一般为硅质粘土、深海粘土、硅质软泥或钙质软泥。这类沉积物富含孔隙水，质地松软均匀，声速接近于水或比水略低，声波在此层的反射率很低，可以近似地认为不受阻碍地穿透这一沉积层（即透声层），多金属结核连同下伏的沉积层在3.5kHz浅层剖面上表现为一席状披盖的无反射带或弱反射带（即透声层）。沉积速率过高或过低的海域都不利于结核的生长，只有特定厚度的声波透声层才有利于多金属结核的赋存。多频探测系统使用MFES-100B多频勘探数据处理系统与3.5kHz浅层剖面仪和12kHz回声测深仪联机的方式测量结核的丰度，若要测量结核的粒度还需配置30kHz窄波束剖面仪。多频探测与单道地震检测资料相结合往往可以得到更好的解释效果。

多频探测与其它方法结合能得到更完满的结果，这包括用地质采样等多种手段。一些国家利用多频探测系统进行多金属结核调查，其结果与实际抓斗取样结果相比较，相关系数达0.7。

当多频勘探数据处理系统与调查船的其它声波探测器，如回声探测器和深海浅层剖面仪一起使用时，可连续测得海底多金属结核的分布密度和大小等资料。在此种情况下，回声测深仪和深海浅层剖面仪等的频率在理论上应在下列范围：3～5kHz、8～15kHz和25～35kHz。因为所欲探测的结核的大小的直径为几厘米到＞10cm不等，所以多频勘探数据处理系统能与任何一般规格的声波探测仪器结合使用，只要从这些仪器测得的声波输出信号给予线性放大，并加以控制，以避免饱和即可。

多频勘测的具体工作方法与其它物探方法类似，测网的布置要依照不同的调查阶段而定。按不同的精度要求和比例尺选择适当的数据采集时间间隔，通常是每公里采集3～4个点，因而对不同的航速要有不同的采集时间间隔，以保证勘探精度要求。

多频探测系统与无缆式抓斗或有缆抓斗相比较有如下优点：

（1）速度快；

（2）可以获得连续的整条测线的数据；

（3）相关系数为0.7～0.9;

（4）工作方便，安全可靠。

与海底照相和海底电视相比较，多频探测系统成本低、速度快、安全可靠并不受海底地形起伏和海山等障碍物的影响。它适合于在大洋中进行大面积的连续调查。

4.重力、磁力测量及其仪器设备

重力、磁力测量往往在大洋多金属结核调查的初期进行，其目的是了解调查区域的构造特征、岩浆活动以及海底地形、地貌变化的控制因素。我国现有的调查船往往都配置有这类设备，如海洋四号船使用KSS-5型海洋重力仪和G821G型核子磁力梯度仪；向阳红16号船配置有KSS-5型海洋重力仪和CHHK-2型海洋核子磁力仪。

5.海底照相及其设备

通过海底照相，在照片上可直接观察到多金属结核在大洋表面的赋存状态，求得其覆盖率、粒径和丰度，并了解洋底表层沉积物的特征、底栖生物的活动等信息。海底照相通常采用两种方法和设备：

（1）自返式海底照相系统该设备配合自返式采样装置可以拍摄采样点的海底沉积物和多金属结核的分布特征。美国Boathos公司生产的改进型4201自返式抓斗配备有海底照相系统。这种系统把袖珍的135相机装在一高压密封罐中，照相机系有2.0kg的重物，当与海底接触时启动电磁快门。在取样前触发一次照相，拍摄的海底面积最大为2.1m×1.4m。

图3—1海底照相系统

（2）拖曳式海底照相系统该系统的作用是探明海底多金属结核赋存状态，照片供研究人员计算结核覆盖率、推算丰度及其它解释使用。海洋四号采用英国Camera Alive公司生产的CI800和CI256型海底照相系统（图3—1），两系统的结构和原理相同，均由照相机、闪光灯、声脉冲发生器、触发器、直流电源和同步控制器组成。前者可以连续拍摄800张135彩色胶片，后者可以连续拍摄256张135彩色胶片（照相机镜头离海底距离3m，每张胶片的画面最大覆盖面积3.9rn×2.6m）。照相系统工作时，钢缆连结，万米绞车收放，声脉冲发生器和回声测深仪的应答器确定和控制海底照相机到达海底预定深度，每触发一次拍摄相片一张。系统结构合理，性能良好，成功率达到80%左右。

亦有一些国家将海底电视勘查系统用于大洋多金属结核海区海床勘查，当然这些设备的技术性能亦应满足如下要求：①作业深度——6000m；②拖曳速度——2.5kn；③电视离海底距离——3～10m；④像帧数——2×3150；⑤电视系统——慢速扫描标准。

6.先进的勘查系统及其设备

深拖系统和多波束回声测深仪等先进勘探系统是西方国家在多金属结核勘探阶段采用的手段，尤其是带有电视/照相装置的深拖系统，它可用于海底表层多金属结核的直接观察和评价。深拖装置所配备的浅层剖面仪、旁侧声纳以及多波束回声测深仪配置的测深仪、浅层剖面仪和旁侧声纳等均可以快速、精确地提供海底有关地形起伏、成分^[1]、海底结构和构造等信息。这些设备往往在勘查的后期阶段使用。我国现已引进了这类设备，在开辟区内结核勘查的中、后期阶段，可以利用这些勘查系统获得精确可靠的资料。

（1）深拖系统深拖系统主要由声学拖体和光学拖体两部分组成。以美国Simrad公司制作的AMS-60SI型深拖系统为例，该装置的声学拖体配备有浅层剖面仪（4.5kHz）、旁侧声纳（56.7kHz）等测量系统，具有旁侧声纳、条带水深测量和浅地层剖面测量等多种声学测量功能；光学拖体配置有一套电视/照相系统。工作水深可达6000m。该设备还备有为旁侧声纳和浅层剖面资料归位校正的传感器。当作业中因拖鱼深度变化而引起的地形畸变时，可通过联机自动归位校正。拖鱼结构设计最大拖速为8kn，然而，该系统在运用浅层剖面仪（4.5kHz）、旁侧声纳（56.7kHz）等测量系统进行工作时，则将深拖装置置于海底之上50m处，以拖速1.5kn进行航行。

我国购置的深拖设备，包括一套AMS-60SI标准配置的声学拖体和一套电视/照相光学拖体、甲板控制和数据采集工作站、后处理工作站以及Dynacon柴油机－液压绞车系统和万米同轴电缆。在声学和光学拖体中，各种设备的技术指标分别如下：

旁侧声纳

发射频率56.7kHz

发射功率2000W（RMS,Hi设置）150W（RMS,Lo设置）

带宽水平1.5°±0.1°垂直600

最小旁辨压缩20dB

信号带宽.8kHz

磁通门罗经KVHC100,0.10分辨率

横纵摇传感器0.1°分辨率

压力/深度传感器0.01m分辨率

条带水深测量系统为同相干涉测量，增加了一组换能器和相关电路，包括波束寻找和波束正常化特征电路。

海底剖面仪

发射频率4.5kHz

发射功率500W（RMS）

带宽±25°

光学拖体的配置

ColmekTVTM多路传输系统

Simradphotosea5000D照相机

Simradphotosea1500SD闪光灯①成分泛指地层分层、分层结构等。

Ospreysitoe 1323电视摄像机

600TV线5×10^-4LUX

电视照明灯

高度计Simrad Mesotech Mode 1807

电视信号传输速率实时黑白传输30帧/s

这项装置应能满足多金属结核后阶段详查工作的要求。

（2）多波束回声测深仪海底多波束测量系统能提供较高密度和较高质量的地形测量资料。目前在一些先进国家，该设备的使用已经逐渐取代了单波束的深海测深仪。法国从1980年开始在“让·夏尔科”号海洋科考船使用Sea Beam多波束回声测深仪，在认识海底含多金属结核地区的地貌方面取得了重大进展。这个系统发出16束狭窄的声波（每束2°40′），构成一个复杂的系列，能自动补偿船的纵横摇动。在进入船只本身的航行数据后可以得出航道两侧相当于海底深度2/3的长条的海底地形图。在5000m水深的海域其测量的分辨率不大于20～30m。多波束回声测深仪的优点是能在相对较短的时间内进行大面积的探测，在5000m水深的海域内可以在25天内完成面积为3万km²的测区。利用多波束回声测深仪可以显现回声测深仪不能显现的一些地貌和构造特征。但在勘探的最后阶段，仍无法取代高分辨率的深拖系统。

这类测量系统的深度测量范围为10～11000m，最新一代的海底多波束测量系统包括：海底测深系统、旁侧声纳和浅层剖面仪。目前已有德国的ATLAS公司、挪威的SINRAD公司和美国的SEABEAM仪器公司生产制作这类系统。

以SEABEAM仪器公司制作的SEABEAM2100型为例，其主要装置有：发射换能器子系统、水听器子系统、发射机子系统、接受机和声纳处理机子系统、工作站以及绘图处理机和显示储存子系统。

最新一代的多波束测量系统集测深、旁侧声纳和浅地层剖面仪功能于一体，可以同时测量并获得海底宽幅的地形资料、旁侧声纳图像资料、海底浅地层剖面资料，绘制海底等深线图，并揭示有关地形起伏、成分、海底结构和构造等有用信息。

SEABEAM 2100型多波束测量系统的主要技术指标：

深度范围10～11000m

频率2～7kHz

声源电平233dB/（μPa·m）

发射功率30kW（峰值线性）

TX动态范围70dB

TX脉冲射窗口矩形、余弦

3.2.2地质勘查方法及其调查设备

在各个阶段的多金属结核调查中，都必须按测站系统地采集地质样品用于直接的观察、描述和测试研究。研究目的不同，调查要求不同，所采用的采样设备也不同。以下将列举各种样品采集装置及其用途。

1.有缆地质采样器

有缆地质采样的项目包括抓斗、箱式取样器、拖网、重力取样器和重力活塞取样器等多种采样手段。

（1）抓斗抓斗是采集多金属结核或表层沉积物样品最常用的设备。有缆抓斗的配套装置是带钢缆的深海绞车和供取样器投放和回收的倒L型吊架或A型架。在离取样器50～100m处的钢缆上装上声脉冲发生器，它产生的脉冲信号及海底反射信号由测深仪接收，以便操作人员掌握抓斗到达海底的情况，及时进行定位和回收。通常采用的抓斗的开口面积为0.25m²（50cm×50cm）。目前我国大洋多金属结核调查所采用的抓斗多选用中国科学院（青岛）海洋研究所制作的大洋50型抓斗。

（2）箱式取样器箱式取样器（图版Ⅰ—1）用于采集不受扰动的海底沉积物样品，其取样面积为0.25m²（50cm×50cm）。箱式取样器用钢缆连结，由万米绞车释放和回收。在投放海底采集样品时，根据声脉冲发生器发出的信号确认取样器是否已抵达海底。

（3）拖网拖网（图版Ⅰ—2）用于海底拖曳采集多金属结核和岩石样品，其网口为1.2m×0.6m，钢质。网身为尼龙绳编织，网眼一般为1.5cm×1.5cm，长度2m左右。网尾固定一重锤，以维持网身伸展状态。收放及拖曳作业则用钢缆及万米绞车进行，必要时船舶配合以低速移动。

（4）重力取样器重力取样器用于采集柱状沉积物样品，取心直径为7.3cm，长度为3.2m。用钢缆连接，由万米绞车控制释放和回收。重力取样器和其它有缆采样器一样，需要在钢缆上安装一声脉冲发生器，作为取样器到达海底的应答手段，便于操作人员控制释放和回收。目前我国在大洋多金属结核矿产资源调查中常用的重力取样器为美国Benthos公司所产的2175型重力取样器。

（5）重力活塞取样器在采集长柱状沉积物岩心时往往需要采用大型重力活塞取样器（图版Ⅰ—3）。这种取样器的优点是被采集的沉积物样品不被扰动，而且能获得有足够长度的沉积物岩心。Benthos公司生产的2450型重力活塞取心器能获得15.2m长的岩心，经过一定的改装还可获得更长的岩心。岩心的长度取决于研究工作的需要以及调查船工作面的大小。在安装有声脉冲发生器的重力活塞取心器到达海底时，取样器巨大的自重和活塞底局部真空所造成的压差将柱状沉积物压入样管，即可获得这种长柱状沉积物样品。声脉冲发生器和回声测深仪的应答，将保证操作人员能正确了解重力活塞取心管到达海底的时间，以便控制它的收放。

这种取心器只是在对某些地点进行详细勘探时才系统地使用。它既能从沉积物表层，也能从较深的地层采集样品。这些样品不仅能用于土质特性的研究，还可以对这些含结核地区的地质史进行科学研究（例如：沉积学、地球化学、生物学、年代测量等）。

2.无缆地质采样

无缆地质采样包括自返式抓斗和自返式重力取心器等多种采样手段，现分别叙述如下：

（1）自返式抓斗自返式抓斗是取多金属结核的最主要手段。我国采用的是美制4201型自返式抓斗（图版Ⅰ—4），取样面积为0.2m²。自返式抓斗的工作原理为：用载有压载物（铁砂）的抓斗沉入海底后，自动触发装置把装有沉积物样品的抓斗取样网合拢，同时释放压载物。由于浮球的作用，网中的样品被带出水面。依靠导航定位、信号旗、闪光灯、无线电信标等装置的帮助回收自返式抓斗。这种抓斗在5000m左右水深的海域作业时每个站位的作业时间约为3～4h。采用自返式抓斗作业的最大优点是调查船可以在连续航行中采集样品。因此，这是获取多金属结核的主要设备。

装在取样器上的照相机，拍摄的每张照片涉及的海底面积约为1m²，拍摄方向稍微偏离垂直线。样品是在近于拍摄的同一时间取得的，取样的理论面积为0.18m²。

取样系统的采获量随结核的大小而变化，不能将所采结核的重量直接折算为丰度（kg/m²）；这一必要数据是通过对样品和海底照片进行严谨的分析比较而得出的。

这种采样装置在矿床勘查初期用得很多，实践证明，其损失率约为1%，颇为有效。每个采样点算作一个站位。一组站位（通常5～7个）构成一个测站。

（2）自返式重力取心器

自返式重力取心器用于采集海底柱状沉积物样品。其取心直径为7.3cm，最大取心长度为1.22m，其工作原理与自返式抓斗相同。采用自返式重力取心器的优点是获得未被扰动的柱状沉积物样品，以便研究这一深度内沉积物的沉积特征等各类地质信息。采集的沉积物样品回收则依靠导航定位以及取心器上所带的闪光灯的帮助，因此在夜间作业效果较好。

自返式取心器虽然容易操作，但是效果不稳定，在作业的可靠性（它不能用于固结沉积物）和测量有效性方面亦是如此。

图3—2温盐深（CTD）测量系统

3.温度－盐度－深度测量

目前，在大洋多金属结核勘查工作中，对调查站位海水的温度、盐度和水深（简称温盐深）的综合测量，常采用美国EG＆G公司生产的MARK－Ⅲ型温盐深测量系统（图3—2）。其主要功能既满足了部分地质调查项目的要求，亦符合水文调查的需要。测量项目有海水的温度、盐度、深度、电导率、pH值、溶解氧、声速和密度的纵向分布值等，并可以选择12个不同深度水层采集水样。每个水样的体积为500ml，用于不同的研究目的。

3.2.3水文气象观察

水文气象调查工作虽然是一项辅助工作，但其调查结果对于多金属结核的地质成因及分布的探讨，对于调查规划的制定和实施都有重要意义。水文气象观察的内容应包括温盐深的测量、海流的测量和气象观察等项目。在不同的阶段，调查的内容和要求也不同。

1.水文地质调查

水文地质调查包括温度、盐度、水色透明度、海流和海浪的调查。水文地质调查一般采用定点调查的方式，它又可分为断面观测、大面观测和连续观测等几种。

由于水文地质调查往往是定点观测，采用温盐深仪测量系统（CTD）在测量观测点的水深的同时就可以满足温度和盐度的测量要求，因此，选用的设备必须满足工作区适用的水深范围和所测水文要素的测量要求。

海流观测主要是测定海流的流速和流向，辅助测量风速和风向，在测量过程中，对海流流速的准确度不大于±3cm/s；流向准确度不大于±10°。大洋海流的观测多采用声学多普勒剖面仪或自容式海流计，借助于深海测流浮标系统进行测量。近年来，计算机系统的配置，使得海流观测数据可以进行实时处理，处理后的数据可记录在磁盘上或磁带上。

海浪观测需要测量海浪的波高、周期、波向、波形和海况。海浪的观测既可以用目测，也可以用仪器测量。仪器测量一般采用浮标式加速度型测波仪。配有数据处理系统的测波仪，可借助系统的微机对观测资料进行实时处理，求得波高、有效波周期、最大波高和最大波周期；处理后的资料可以在荧光屏上实时地显现出来，也可以记录在磁盘和磁带上，通过回放机和打印机直接打印出来。

2.气象调查

各个航次的大洋调查都需要进行海面气象调查，因为它是为天气预报和水文地质调查目的服务的。大洋勘查中不断积累的气象调查资料亦将为今后对这一海区的多金属结核矿区的开发评价提供气象方面的依据。

海洋气象调查的内容包括海冰、表层气温、天气现象、能见度、云、风、空气的温度和湿度、气压等气象要素。这些项目均属于常规的调查工作，使用常规的设备就可以完成。在当前大洋多金属结核勘查中亦经常可以借助气象卫星发布的资料指导大洋调查工作的实施，然而在大洋多金属结核勘查工作中坚持进行这项气象调查有助于对气象卫星发布数据的正确性进行判别。不断积累的气象资料将有助于对预定的开发区作气象方面的正确评价。

② 地球物理方法对海洋平台场址调查的应用与探讨

马胜中

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

作者简介：马胜中，男，1968生，1990年毕业于中国地质大学（武汉），工程硕士，高级工程师，从事海洋环境地质、灾害地质和综合地质地球物理研究工作。E-mail：sz-m＠163.com。

摘要 海洋石油钻井平台的安全就位和稳定施工，与井场区海底的工程地质条件密切相关。地球物理探测技术作为一门综合性较强的科学技术，在海洋工程地质和海洋灾害地质调查中有着不可替代的作用。实践证明，采用测深、侧扫声呐扫描、浅地层剖面、单道地震、高分辨率2D地震和海洋磁力测量等地球物理探测手段进行综合调查，对钻井平台场址周围海域的地形变化和潜在地质灾害因素，具有很好的揭示作用。

关键词 平台场址调查 海洋地球物理探测 海洋地质灾害

1 前言

随着我国经济的发展和战略储备的需要，我国原油勘探开发的重点由陆地逐渐转向海域。我国近海海底蕴藏着丰富的矿产资源，现已探明石油资源量达246×10⁸ t，天然气15.79×10¹²m³，占全国油气总资源量的23％。然而在油气开发中，屡屡遭到海洋地质灾害的破坏，不均一的持力层多次造成渤海、珠江口盆地钻井平台的倾斜和位移，使国家蒙受重大经济损失。

钻井平台场址灾害调查在石油钻井之前进行，既要探测诸如断层、浅层气地层情况以应对钻井或采油时发生的井架倒塌、井喷、着火和溢油等灾害，又要调查与钻井平台基础有关的土工问题，以避免事故和灾害发生。据资料，1955～1980年间，美国每年发生钻井船基础严重破坏的事故3～4起，经济损失和人员伤亡巨大。海洋结构物场地调查是确定影响固定式平台和海底管线等工程结构物的设计、布局、施工及安全操作的工程地质条件。1969年，卡米尔飓风袭击密西西比河三角洲，引起海底大面积土体滑移，造成3个平台破坏，损失1亿多美元^［1］。可见，海洋石油钻井平台场址调查研究在油井钻探开发中有着重要的作用。我国海洋石油开发工作起步较晚，直到20世纪80年代初，我国才真正开始海洋工程地质勘察工作，近十年来，我们对石油钻井平台场址调查研究做了许多实验工作，随着调查技术的不断进步，研究正向深海挺进。

海洋平台的设计和建造需对平台场地进行包括海底地形地貌、海底表层、浅地层结构等内容的海洋工程地质勘察，从地貌、沉积物特征和地质测年等方面，利用实测的和平台设计用的海洋水文资料以及场地内土的物理力学参数，对海底稳定性进行分析计算，并在分析研究的基础上，进行场地的海底稳定性评价。

2 海洋常见灾害地质类型

海洋常见的灾害地质类型^［2-5］如下：

活动断层、地震和火山等。它们不仅可能对海底构筑物造成直接破坏，而且地震可能诱发滑坡、浊流、沙土液化等其他灾害。

滑坡、崩塌、浊流和泥流等，它们的活动可能对钻井平台、海底管线构成直接破坏。

海底沙丘、海底沙波、潮流沙脊、冲刷槽、凹凸地和浅谷等，属于地貌类型的灾害，其分布和气象水文条件有关。

浅层气、泥底辟、软弱夹层、可液化砂层等。它们呈承压流体、塑性体状态存在于第四纪浅地层中。当海底构筑物基础触及这些地质体时，都有可能发生灾害。

埋藏古河道、埋藏古湖沼、埋藏起伏基岩面、埋藏珊瑚礁等。它们一般是浅地层中的透镜体，当钻井平台桩脚插入不同地质体时，由于持力不均会导致平台歪斜，甚至倾覆。

3 地球物理方法对平台场址调查的应用和研究

3.1 海底地形地貌探测

海底地形地貌探测包括单波束测深、多波束测深和旁侧声呐等，是通过探测声波在水下或岩土介质内的传播特征来研究岩土性质和完整性的一种物探方法，只是它们使用的声波频率和强度有差异，高频能提高分辨率，而低频则能提高声波的作用距离和穿透深度^［6～9］，目前很多探测系统都采用双频或多频探头结构，提高仪器的探测能力。

3.1.1 单波束测深和多波束测深

单波束测深系统是利用其换能器从水面向海底发射一束声脉冲，声波传到水底界面被反射，再回到换能器被接收，通过时间函数的转换，形成一组时间离散的数字量系列，进行实时处理，而在记录纸上直接显示测线上连续起伏变化的海底剖面。反映了海底表面形态的凸凹性质、高差大小和延伸范围（发育规模）。

多波束测深系统是一种由多个传感器组成的复杂系统，在测量断面内可形成十几个至上百个测点点条幅式测深数据，几百个甚至上千个反向散射数据，能获得较宽的海底扫幅和较高的测点密度，它具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点。测深资料反映了海底表面起伏变化、高差大小和延伸范围，利用计算机处理和绘图技术，可制成所测海区海底地形图。

3.1.2 侧扫声呐扫描

侧扫声呐技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态，能直观地提供活动形态的声成像。旁侧声呐是一种高分辨率、多用途的水声设备，在海洋测绘、海底目标探测（如探测沉入水底的船、飞机、导弹、鱼雷及水雷等）、大陆架和海洋专属经济区划界、海洋地质、海洋工程、港口建设及航道疏浚等方面有广泛的应用。

侧扫声呐采用深拖型侧扫声呐系统，使用双频频率100/500 kHz，量程100/200 m，拖体距离海底10～30 m，可以获取海底表面的各种目标探测物，获取的声呐图像质量较高，可以分辨出海底表面的管道和电缆，海底物体的高度可以根据物体的阴影来确定。几种地球物理方法同步作业可以相互印证（图1）。

图1 侧扫声呐和单道地震剖面显示的灾害地质类型

3.2 中、浅地层探测

3.2.1 浅地层剖面测量

浅地层剖面测量系统是探测海底以下30 m内的浅层结构、海底沉积特征和海底表层矿产分布的重要方法之一。浅地层剖面系统的发射频率较低，一般在2.5～23 kHz之间，产生声波的电脉冲能量较大，发射声波具有较强的穿透力，能够有效穿透海底数十米的地层^{［10～11］}，地层分辨率在8 cm以上。它可以提供调查船正下方地层的垂直剖面信息，它可以准确地反映出地层界面及可能存在的浅层气、浅断层和古河道等海底地质灾害因素或其他物体（如管线）。浅地层剖面仪的穿透深度则因工作频率和海底沉积物类型的不同而异。

浅地层剖面测量系统采用德国INNOMAR公司SES-96参量浅层剖面系统，外接涌浪补偿系统，可输出水深数据。采用发射功率18 kw，主频100 kHz，差频4～12 kHz，在平台场址调查中一般使用差频8 kHz，探测到的地层分辨率较高，浅海可以探测管道，可以与磁力探测相互验证。

3.2.2 单道地震剖面测量

单道地震记录系统由单道数据采集处理系统、震源系统、信号接收电缆、EPC记录仪组成。主要用于了解海底以下200 m范围内的中、浅地层结构、沉积特征。

单道地震与油气地震勘探技术具有相同的工作原理。单道地震探测采用的震源能量小、频带宽（几十赫兹到几千赫兹）、主频高（几百赫兹到上千赫兹），一般选用电火花和气枪作为震源，能量从几十焦耳到几千焦耳，地层的穿透深度从几十米到数百米。

海上最常用的震源有空气枪和电火花二种，在平台场址调查中一般使用电火花震源，震源系统由震源控制箱、声源装置（电极、声脉冲发生器）组成。

如英国的CSP1500震源系统，主要包括CSP1500震源控制箱、SQUID500型电极、SQUID2000型电极或AA200型BOOMER组成电火花震源，该震源的激发能量级别为100～1500J，而且重复激发所需的时间较短。法国的SIG800J震源系统，采用120或200极鱼骨型电火花电极，能量输出270J、540 J和800J。在平台调查中一般选择250～800J的激发能量，激发间隔0.5 s（图2）。荷兰的GEO-SPARK 10kJ震源系统，GEO-SPARK2×800型电极能量输出在100～10000 J之间，最大工作水深为4500 m，最大穿透深度为750 ms，可以满足深水井场调查的需要。

我们选用法国的SIG16 4.8.12型和SIG16 12.12.34型水听器，英国的AAE20单道信号接收电缆，荷兰的GEO-Sense信号接收电缆，检波器按0.15～1 m的间隔并联组成，该接收电缆具有较高的灵敏度和较宽的频率响应，适用于高频反射信号的数据采集。

记录仪器与以上震源和水听器配套使用的是DELPHSEISMIC数据采集系统。该系统不仅可以主动控制震源每秒的激发次数，而且通过连接GPS导航系统，能够时时记录每一炮道的经纬度坐标，便于精确定位。该仪器的动态范围90db，16位模数转换，而且具有极高的采样频率，在与BOOMER震源配合使用时，其采样率高达6000～10000 Hz，极高的采样频率更有利于高频有效信号的接收。在海上单道地震数据采集过程中，可以通过控制测量船的速度来调整记录道间的距离，船速越慢，道间距越小，地震波组的连续性越好。在震源每秒激发二次的情况下，测量船体以3.5节的速度航行，地震记录道间的距离小于1 m，可见，该方法更适用于高精度的浅层地震勘探。

在资料处理流程中，采用有效的方法技术对数据进行信噪分离，削弱多次及绕射等干扰波的影响，可进一步提高单道地震记录的信噪比和分辨率，图3（左）清楚显示了浅层气及其沿着断层上升，红色椭圆圈着的反射波为强振幅，反射同相轴反转，具明显的反相特征；图3（右）显示了各种形态的埋藏古河道。

图2 单道地震剖面

图3 单道地震剖面显示的浅层气和埋藏古河道

3.3 高分辨率2D多道地震剖面测量

高分辨率2D地震资料的采集一般使用48道或96道多道地震电缆，为了避免虚反射对高频成分的压制作用，震源和检波器电缆的沉放深度比较浅，一般震源的沉放深度3m，一般电缆的沉放深度4 m，地震震源一般是小容量GI气枪震源或套筒枪组合震源，以保证产生高频率的地震子波。这种方法采集到的地震资料频带可达20～350 Hz，比常规的地震采集资料的频带（20～50 Hz）要高得多，完全可以满足识别薄层及地层结构的需要，提高了精度。

3.4 海洋磁力测量

磁法是利用地下岩矿石或者岩土介质之间的磁性差异所引起的磁场变化（磁异常）来寻找有用矿产，查明地下构造和解决其他地质问题的一种探测方法。磁力是解决工程地质调查中探测含磁性物体的有效手段。在各种调查中，我们使用GS880铯光泵磁力仪和SeaSPY海洋磁力仪，针对不同的研究目的分别采用不同的调查方法，均能获得满意的效果。它的优势在于不仅能够探测暴露于海底的磁性异常体，同时对于覆盖于海底以下的磁性异常体也有效。

在调查中的应用，由于海底光缆路由海域存在着已经敷设过的海缆（包括海底通讯电缆、电力电缆和光缆等），经过岁月的变迁，这些海缆在海域中的坐标有了变化，有的是否还存在也不明确；另外，过去敷设海缆时的定位仪存在较大的误差，为了探明光缆路由线交汇的海底电缆的精确位置，必须对光缆路由进行探测。在平台场址调查中，使用加拿大MarineMagnetics公司生产的SeaSPY海洋磁力仪进行勘察，结合旁侧声呐和浅地层剖面共同进行探测。图4是浅地层剖面探测到的管道，当磁力仪探头穿过电缆时测得的磁异常曲线，旁侧声呐扫描到的电缆和平台，磁异常的幅值一般可达几十到上百nT。

图4 浅层剖面、磁力和侧扫声呐探测到的管道、电缆和采油平台

4 结论与讨论

平台场址地质调查的方法主要有两种：一种为地球物理方法，另一种为地质取样方法。目前地球物理方法应用得比较广泛的是单波束测深或多波束测深、侧扫声呐、浅层剖面探测、单道地震、高分辨率2D地震和磁力测量等，以上六种水下探测系统在高精度的定位系统的支持下配合使用，可使我们获得平台场址内三维的工程地质条件，特别是危害工程建设的各种灾害地质现象的形态、规模、位置及其发展趋势等性质。其优点是比较经济、快速，对各种地球物理勘探方法都有各自解决某一方面地质问题的能力，各有优势和局限性。因此，在调查时要视调查的目的与要求，采用多种方法进行综合调查，使各种方法优势互补，以便取得最佳的成果。根据20多年来的实践经验，采用以高分辨率地震为主的综合浅层物探技术，同时在井位和预计抛锚位置进行2～3 m长的地质重力取样和地质浅钻，物探和地质取样相互结合，是了解海洋地质灾害因素、灾害的类型以及海洋工程地质有关问题的行之有效的调查方法，它能够既经济又快捷地为业主提供资料。

参考文献

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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应用范围

在海洋范围内应用各种地球物理勘探方法研究地质构造和寻找有用矿藏。简称海洋物探。物探是研究海洋地质最基本的调查手段。它以海底岩石和沉积物的密度、磁性、弹性、导热性、导电性和放射性等物理性质的差异为依据，用多种物探方法和仪器，观测并研究各种地球物理场的空间分布和变化规律，进而阐明海洋底的地质构造及其演化，查明各地质年代沉积物的分布，寻找石油和天然气以及固体矿产资源。
海洋地球物理勘探所观测的有地球本身固有的地球物理场，如重力、磁力、热流和天然地震，也有用人工方法激发的地球物理场，如人工地震和电法等。由于海洋水体是运动的，上述观测必须采用一系列不同于陆地地球物理勘探的仪器和方法。海洋地球物理勘探在早期阶段，采取多种密封防水、弹性减震以及获取静态观测的措施。现在则充分利用海洋的特点进行动态观测，不仅可以快速和连续作业，而且适于将几种物探设备和导航定位仪器集中在一条工作船上，实现电子计算机控制的综合观测。

④ 什么是地球物理测量技术

是指运用先进的仪器测量地球某些物理性质的变化，从而得出海底以下的地质构造和矿产分布的一种测量技术。在海上，使用最广的物探方法有地震勘探、重力测量、磁力测量和热量测量等。重力的变化能反映地质或地理位置的变化。
重力测量在海洋矿产资源勘探、天然地震预报和地震灾害预测、卫星空间轨道设计及轨道预报方面都有重要意义。其设备如德国产的KSS25和KSS230型海洋重力仪，其中KSS25型属于杠杆型重力仪，KSS230型属于弹簧垂直荷载型重力仪。
海洋磁力测量是勘测水域磁场的分布和随时间的变化或发现异常磁场。目前海洋磁力勘探主要用核子旋进磁力仪，其中美国森尼维尔大地测量公司G801海洋质子核子旋进式磁力仪应用较多。
海底热力测量不仅可以发现地热资源，而且可以应用其得到的海底地热资料详细考察海底地壳、地幔、板块构造及热过程（如岩浆侵入、热液环流）。海洋有源电磁探测系统测量可以直接测定地壳内熔融物质的存在和温度及岩石的孔隙度，用于热液或岩浆活动的海洋扩张中心的地质作用过程的调查和研究。几十年来，我国先后研制和生产了重力仪、结构核子旋进式磁力仪、质子磁力梯度仪及多种地质取样设备，在国际海洋地质调查和地球物理勘探中发挥了重要作用，尤其是海洋石油地球物理勘探技术和资源综合评价方面已基本达到国际先进水平，并在地震勘探作业方面具备了国际市场的竞争能力。
20世纪80年代以来随着科学的发展，许多新技术包括三维勘探、高分辨率勘探、子波处理和波动理论等反演技术，也逐渐被应用在测量技术上，使信号质量、信息的准确性、分辨能力和穿透力等方面都有了明显的提高，也使得物探技术有了较大的进展。近年来，人们还研究海底声学特征和沉积物理特征之间的直接联系，并通过声速、声吸收、声反射率与海底沉积物类型、颗粒度和孔隙度的关系，建立起海底地质声学模型，从而为判断和分类海底地质结构提供定量分析的依据。其中精密回声测深仪、深浅地层剖面仪、旁侧声呐先进仪器的应用最为广泛。我国在水声技术研制方面也取得重大进展，现已研制成功具有世界先进水平的唯一可在2米浅海作业的高分辨率浅地层剖面仪和彩色双频率垂直鱼探仪，还有走航式声字多普勒海流剖面仪，这些技术广泛应用在海洋科学研究、海洋资源勘探和开发以及军事活动等各个领域。