海洋地球物理探測

海洋地球物理探測

海洋地球物理探測，簡稱「海洋物探」，是通過地球物理探測方法研究海洋地質過程與資源特性的科學。廣義的海洋地球物理探測應用于海洋地質、海洋物理、海洋生物和海洋化學等學科研究。通常情況下，海洋地球物理探測主要用于海底科學研究和海底礦產勘探。海洋物探包括海洋重力、海洋磁測、海洋電磁、海底熱流和海洋地震等方法。海洋物探的工作原理和陸地物探方法原理相同，但因作業場地在海上，增加了海水這一層介質，故對儀器裝備和工作方法都有特殊的要求。船載地球物理探測需使用裝有特製的船舷重力儀、海洋核子旋進磁力儀、海洋地震檢波器等儀器進行工作，還裝有各種無線電導航、衛星導航定位等裝備。海底地球物理觀測需要克服高壓、供電、防腐等特定要求。

海洋地球物理探測歷史

人類對海洋的探索，離不開地球物理技術的發展。近年來對海底探測的研究推動了海洋地球科學技術的發展，海洋地球物理探測在前沿科學中一直保持著重要的地位。高精度的導航定位技術、海洋重力測量系統，海洋地磁測量技術、海底地震探測等探測技術在當今海底資源勘查、海洋科學研究、海洋工程及海洋戰場環境等方面發揮著不可取代的作用。眾所周知，海洋蘊藏著豐富的資源，如石油、天然氣水合物、多金屬結核結殼、熱液硫化物、深海稀土等礦產資源。因此，各國特別是發達國家對海洋資源的爭奪日趨激烈，海洋地球物理調查是研究海洋地質學的一個非常重要手段，應密切關注它的發展趨勢。

海洋地球物理探測發展至今已有一個半世紀之久，早在20世紀50年代初期，Ewing等利用剛出現的精密回聲探深儀進行連續水深探測，並繪製海底地形地貌圖。Heezen和Tharp(1967)在廣泛搜集詳細的連續回聲測深資料和圖件基礎上，編繪出世界海底地形圖，揭示出海底的地貌形態有大陸架、大陸斜坡、深海平原、海溝、大洋中脊、洋中脊裂谷和轉換斷裂等。其中，作為全球系統的大洋中脊及在大洋中脊上分布的裂谷和轉換斷裂系統的發現，對於當代地球科學的發展具有重要意義。

在20世紀，海洋地球物理有著輝煌的成就，海洋地球物理的發展推動了地球科學的進展，地球物理探測方法在海底探測上的應用引發了地球科學的革命。

海洋地球物理探測分為三個階段(表1-1)，即初創階段、發展階段和成熟階段。

表1-1 海洋地球物理學的發展階段

海洋地球物理探測方法

地球物理學是用物理學理論和方法研究地球內部結構、構造和動力過程，包括位場理論和波動理論。位場理論包含地球重力場、磁場、溫度場、自然電場及直流電場，相應科學分支有重力測量、磁力測量、地熱流測量和電法測量；波動理論包括聲學理論、地震波理論和電磁波理論，相應的科學分支有水深測量、地震測量和電磁測量。水深測量包含單波束、多波束水深測量和旁側聲吶測量，地震測量則包含淺地層剖面測量、單道地震測量、多道地震測量、三維地震測量、四維地震測量和折射地震測量。

按照特定探測手段、設備和目的，通常分為：船載地球物理探測，依託科學考察船(或搭乘載人潛水器、ROV)開展多種地球物理調查，如海洋地震探測方法(反射、折射)、海洋重磁測量方法、海洋地熱測量方法、海洋水深測量方法(側掃聲吶技術、多波束)、海洋電磁測量方法，海洋深拖式γ射線能譜儀等。海底地球物理測量，如海底攝像、五分量海底大地電磁儀寬頻帶大動態三分量數字記錄海底地震儀(OBS)等先進的海底探測儀器。把這些海底地球物理設備投放在洋底形成海底地球物理探測系統，其中海底攝像系統應用最為普遍，可以直接觀測海底地形地貌和地物特徵，具有廣闊的應用前景。井筒地球物理測井，如聲波測井、放射性測井、電阻率測井、成像測井等。下面簡單介紹以下6種常規的海洋地球物理探測方法。

(1) 海洋地震探測方法

海洋地震探測是利用海洋與地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析海洋和大地對天然或人工激發地震波的響應，研究地震波的傳播規律，推斷地下岩石層性質、形態及海洋水團結構的一種探測方法。但是由於海洋這一特殊的勘探環境，海上地震探測與陸地上有所區別，主要表現在定位導航系統、震源激發和對地震波的接收排列方面。在海上地震勘探中，必須選擇精確度較高的導航定位系統。目前來說，主要是採用衛星導航定位、激光定位和水下聲吶定位等。現在在海上地震勘探的導航定位系統已經發展成一整套的專門技術，可隨時確定震源和檢波器的精確位置，極大地提高了海上地震採集的定位精度，改進了地震採集的質量。

海上地震勘探的特點是在水中激發、水中接收。由於海上環境的特殊性，震源多採用非炸藥震源(包括空氣槍震源、蒸汽槍震源、電火花震源等，其中空氣槍震源佔95%以上)，接收採用壓電地震檢波器，一般採用一艘作業船拖著等浮電纜在海上航行，接收地震波的感測器按一定排列方式分布在拖纜中。目前，已經發展形成了一套完整的水下拖纜地震波數據採集系統。海上地震探測與陸上地震探測相比，還具有勘探效率高、勘探成本低和地震數據信噪比高等優點。

海洋地震探測是獲取海底岩性和構造的主要手段。據單道地震剖面可繪製水深圖、表層沉積物等厚度圖和基底頂面等深線圖。據多道地震剖面可繪製區域構造圖和大面積岩相圖(Mcquilin，1985)。在海洋油氣資源勘探、海洋工程地質勘查和地質災害預測等方面也得到了廣泛應用。

(2) 海洋重磁測量方法

海洋重磁測量在海洋調查中有著十分重要的位置，是海洋地球物理調查的常規地球物理手段之一。

海洋重力測量是將重力儀安放在調查船上或經過密封后放置於海底進行觀測，以確定海底地殼各種岩層質量分布的不均勻性。由於海底存在不同密度的地層分界面，這種界面的起伏都會導致面重力的變化。通過對各種重力異常的解釋，包括對重力異常的分析與延拓，可以獲取地球形狀、地殼結構和沉積岩層中某些界面的界面異常資料，進而解決大地構造、區域地質方面的任務，為尋找金屬礦藏提供依據。

海洋磁力測量是利用拖拽工作船後的質子旋進式銫光泵磁力儀或磁力梯度儀，對海洋地區開展地磁場強度數據採集，進行海洋磁力觀測。將觀測值減去正常磁場值並作地磁日變矯正，即得磁異常。通過分析海底岩石和礦石磁性差異所產生的磁異常場，探索區域地質特徵，如結晶基底的起伏、沉積的厚度、大斷裂的展布和火山岩體的範圍等。利用海底地質填圖可尋找磁性礦物。

(3) 海洋地球物理測井

海洋地球物理測井是利用岩石和礦物物理學特徵的不同，運用各種地球物理方法(聲、光、電、磁、放射性測井等)，使用特殊儀器，沿著鑽井井筒(或地質剖面)測量岩石物性等各種地球物理場的特徵，從而研究海底地層的性質，尋找油氣及其他礦產資源。由於環境的特殊性，投資大，風險度高，海洋地球物理測井對測井儀器功能和性能要求特殊而複雜，具有技術高度密集和高難度的特點。海上測井平台大多分為叢式井或多分支井，表現為大斜度、大位移或水平井。裸眼測井方法主要是解釋油氣、水層，以及儲層孔隙度、滲透率和含油飽和度，為完井和射孔提供資料，針對不同儲層和地質要求，可提供不同測井技術。常用的有電阻率測井、聲波測井、核磁測井等。

1) 電阻率測井是以岩礦石電性為基礎的一組測井方法，在鑽孔中通過測量在不同部位的供電電極和測量電極來測定岩礦石電阻率。目前的新技術有電阻率成像、高解析度陣列感應及三分量感應。

2) 聲波測井是利用岩礦石的聲學性質來研究鑽井的地質剖面，判斷固井質量的一種測井方法。聲波測井可以用來推斷原始和次生孔隙度、滲透率、岩性、孔隙壓力、各向異性、流體類型、應力與裂縫的方位等，評價薄儲層、裂縫、氣層、井周圍附近的地質構造等，主要代表儀器有DSI、Wave Sonic、SonicScanner及MAC(張向林等，2008)。

3) 核磁測井是利用物質核磁共振特性在鑽孔中研究岩石特性的方法。現代核磁測井儀則主要採用自旋迴波法。由於氫原子核具有最大的磁旋比和最高的共振頻率，是在鑽孔條件下最容易研究的元素。氫元素是孔隙液體中的主要成分，因此核磁測井是研究孔隙流體含量和存在狀態的有效方法，可以提供不同尺寸孔隙分布，包括自由流體孔隙度、毛細管孔隙度，以及束縛水飽和度、滲透率等重要參數，因此成為石油測井的重要方法。

(4) 海洋地熱測量方法

海洋地熱測量是利用海底不同深度上沉積物的溫度差，測量海底的地溫梯度值，並測量沉積物的熱傳導率，來求得海底的地熱流值，直接反映出地球內部的熱狀態的一種方法。海洋地熱測量成果對提升地質地球調查資料綜合研究成果至關重要。

海洋地熱流測量對海洋地質中岩石圈結構研究、海上油氣能源勘探一直發揮著積極作用(姚伯初，1999)。與其他海洋地球物理手段相比，具有耗資少、方法簡單、見效快、數據直觀等優點。因此，海洋地熱流測量以及相關的研究工作越來越被人們關注。

(5) 海洋水深測量方法

海洋水深是用回聲探測儀測量的。我們在研究海水深度和海底地形地貌時所用的探測技術為海底聲波探測，有多波束測深、側掃聲吶和海底地層剖面測量技術(李家彪，1999；金翔龍，2007)。這三種技術工作原理相似，但由於探測目標不同還是有許多區別，使用的聲波頻率和強度也有差異。由於低頻的探測深度較深，高頻的解析度較高，一般低頻用於探測深海水深和海底淺地層剖面，高頻用於側掃海底形態和淺海水深。

多波束測深技術在回聲測深技術的基礎上於20世紀70年代發展起來。多波束測深系統是由多個感測器組成的，不同於單束波，在測量過程中能夠獲得較高的測點密度和較寬的海底掃幅，因此它能精確快速地測出沿航線一定寬度水下目標的大小、形狀和高低變化，從而比較可靠地描繪出海底地形地貌的精細特徵(圖1-1)。與單束波測深技術相比，多波束測深技術具有高精度、高效率、高密度和全覆蓋的特點，在海底探測中發揮著重要的作用。

圖1-1 多波束測量原理

側掃聲吶技術源於20世紀60年代，是利用海底對入射波反向散射的原理來探測海底形態的一種新興技術。通過發射聲波信號，並接收海底反射的回波信號形成聲學圖像，以反映海底狀況，包括目標物的位置、現狀、高度等。與其他海底探測技術相比，側掃聲吶技術能夠直觀地提供海底形態的聲成像，且其具有形象直觀、解析度高和覆蓋範圍大等優點，因此在繪製海底地形地貌、水下考古、目標物探測和海洋生物數據調查等領域都有廣泛的應用。

海底地層剖面測量技術是基於水聲學原理來探測海底沉積特徵、海底淺層結構和海底表層礦產分布的重要手段，其工作原理與以上兩種相似，區別在於淺層剖面系統的發射頻率較低，產生聲波的電脈衝能量較大，發射聲波具有較強的穿透力，能夠有效地穿透海底數十米至幾百米的地層(Dybedal，2003)。實踐表明，此方法適用於探測海底地層變化的界面信息和沉積結構。其應用範圍包括海洋地質研究和水上工程勘察等諸多領域。

(6) 海洋電磁測量方法

海洋電磁測量法是研究海洋特別是海底的重要手段之一，適用於地震方法不易分辨而電磁方法擁有優勢的區域，如岩丘、海底永久凍土帶、碳酸鹽礁脈等。而且，海洋電磁測量方法適應性強，探測深度的範圍大，可以應用于洋中脊的構造、海地擴張帶的形成，以及石油、天然氣和各種礦產等的調查。海洋電磁測量方法涉及的技術繁多，不同空間、不同波段和不同成因的人工電磁場，天然電磁場均可探測，海洋地殼和地幔的電導率結構模型已經從電磁場觀測數據中獲取。

海洋地球物理探測現狀

近年來，隨著科技的發展，海洋地球物理探測技術取得了巨大的進步，探測精度不斷提高，各種技術也逐漸成熟，在各個領域都有新的應用，並取得了成功。在21世紀，西方發達國家的海洋探測向深水領域推進，鑽探水深從淺水、深水擴展到3000ｍ深海區。為了滿足深海海洋地球物理探測的需要和資料質量的高要求，海洋探測船、海洋地球物理探測技術及探測設備都得到了長足的發展。

海洋地球物理探測技術未來的發展

海洋地球物理探測技術未來的發展有以下幾個方面的趨勢:

(１) 海底地球物理探測技術

我國海洋地球物理探測技術研究開發取得了重要成果。一些技術已經非常成熟，比如高精度遠距離差分GPS技術、海底地形地貌電子數字化成圖技術、海底地形地貌人工智慧解釋技術、水下拖曳式多道伽瑪能譜儀、海底大地電磁探測技術、地球化學快速探查技術等，應組織推廣轉向產品化；一些技術比較成熟，但需要進一步優化，如多波束全覆蓋高精度探測技術、海底地震儀及其觀測技術、綜合地球物理快速探查技術、海上油氣區域綜合快速評價技術等，可進一步技術集成，提高它們的實用化程度。目前，國內急需而又無此項技術的有天然氣水合物保壓取芯技術、海底直視採樣技術、海底多參量填圖技術等，應適當引進，並組織力量研發。

深海技術隨著多學科的綜合運用，表現出空中、海面、海底「三位一體」的綜合觀測。海面有綜合科考船和浮標技術，空中有飛機和衛星遙感技術，水下有深潛器和水聲技術等。如美國正在計劃發展的「綜合海洋觀測系統」就是一種先進的海洋立體探測系統。該系統由水上、空中和空間的不同探測平台組成，每種平台上感測器收集到的信息將通過海底光纖電纜和衛星傳輸到陸上進行集中處理，從而形成對全球海洋環境的觀測網路，最終達到為海洋環境預報、海洋資源開發、海上交通運輸以及國家安全服務的目的。深海觀測系統也由單點的觀測向網路化發展，表現為站—鏈—網路的建設。觀測站的特點是區域針對性強，但可承擔的任務有限，可觀測的要素較少。在站與站之間，增加無線通訊的功能，就構成了觀測鏈，觀測鏈適用於深海區域的長期連續觀測，可實現現場數據的「准」實時傳輸。網路是目前技術含量最高的海底觀測系統，可集成多種海底觀測裝置，功能齊全，觀測時間長。隨著技術的不斷進步，發達國家將建立覆蓋地球全海域的立體海洋觀測網路。

( ２) 基於深潛技術的海洋地球物理感測器

深海金屬礦產資源的開採由多金屬結核單一資源開發技術，向多種資源開採公用技術擴展，是當前深海採礦技術研究的一個顯著特點，並成為一些工業發達國家的研究熱點，海底熱液硫化物是當前金屬礦產資源勘查的重點。保持深海領域技術優勢，擴大海底資源佔有量，積極勘查和研究全球海底其他戰略性金屬資源，是發達國家的海底礦產資源勘查開發技術的總體發展戰略。因此改進基於深潛技術的海洋地球物理感測器在未來仍是重點。

目前擁有探測深度可達6000ｍ以上的國家，只有美國、日本、俄羅斯、法國和中國。深潛器技術還有很大的發展前景，目前發達國家正在研製多功能和混合型的深潛器。深潛器技術向重量輕、長航程、多功能、高續航、混合型等方向發展。

(３) 預測海洋地質災害的地球物理監測技術

近年來，海上鑽井勘探引起的地質災害頻發，海洋地球物理探測技術在海洋地質災害調查方面有著不可替代的作用，前期的地球物理調查可以探查施工海域存在的潛在地質災害因素，為施工設計及施工進程提供地質依據，保證海上安全施工順利開展。如何防治海洋地質災害是對海洋地球物理探勘技術的又一挑戰。加強海洋工程地質和海洋地質災害的調查研究，在海底地質活動活躍區域進行常態海洋地球物理監測是地質災害實時動態監測與防治的新手段。

(４) 海洋信息大數據時代

近年來互聯網產業蓬勃發展，數據量猛增，雲計算、大數據等信息技術在時刻影響著我們的工作。在這樣的時代背景下，如何借鑒大數據浪潮帶來的思維與技術，採取切實可行的措施，加快實現公益性海洋地質調查成果社會共享，挖掘海洋地質數據在未來國民經濟和社會發展過程中的應用價值，滿足社會各界對海洋地質信息日益增長的需求，是海洋地質信息化建設未來的發展趨勢。海洋地質信息化建設應擺脫以「單純數據量」論成效的價值觀，重視數據的信息服務價值，創建數據有效增值模式，實現數據的再利用價值；同時，借鑒大數據思維，探索海洋地質大數據挖掘與可視化技術，提升信息價值洞察力，增強海洋地質信息化軟實力，實現數據價值的最大化。

總之，在海洋科學研究和海洋經濟發展中，海洋地球物理技術具有巨大的應用前景。隨著國內外對海洋的大規模開發，海洋地球物理探測技術必將得到更廣泛、更深入的應用。

本文摘編自吳時國等編著《海洋地球物理探測》第1章，內容有刪減。

海洋地球物理探測

吳時國 張 健 等 編著

責任編輯：周 傑

北京：科學出版社 2017.06

ISBN 978-7-03-052449-2

《系統動力學前沿與應用》本書根據多年的教學實踐和科研經驗, 綜合近5 年國內外海洋地球物理探測技術及其應用的最新進展, 重點講述海洋重、磁、電、震、熱和放射性等探測方法的基本概念、基本原理, 系統闡述海洋地球物理探測資料採集、數據處理、綜合解釋等方面的基本理論和領域前沿技術, 如多波束測深技術、旁側聲吶技術、海底電磁儀技術、垂直纜和海底地震儀等, 以及如何應用這些理論和技術去解決具體的海洋科學問題。同時, 結合海底地質構造與岩性特點、海洋礦產與能源類型、科學研究熱點與發展前景,介紹國內外海洋地球物理探測典型案例和最新進展, 為廣大讀者提供借鑒。

（本期編輯：安 靜）

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