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制的船舷重力儀、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，并繪制海底地形地貌圖。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，對于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：①船載地球物理探測，依托科學考察船(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。②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征，具有廣闊的應用前景。③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，推斷地下巖石層性質、形態及海洋水團結構的一種探測方法。但是由于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，主要是采用衛星導航定位、激光定位和水下聲吶定位等?，F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采集的定位精度，改進了地震采集的質量。

       海上地震勘探的特點是在水中激發、水中接收。由于海上環境的特殊性，震源多采用非炸藥震源(包括空氣槍震源、蒸汽槍震源、電火花震源等，其中空氣槍震源占95%以上)，接收采用壓電地震檢波器，一般采用一艘作業船拖著等浮電纜在海上航行，接收地震波的傳感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采集系統。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巖性和構造的主要手段。據單道地震剖面可繪制水深圖、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制區域構造圖和大面積巖相圖(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于海底進行觀測，以確定海底地殼各種巖層質量分布的不均勻性。由于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、地殼結構和沉積巖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后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采集，進行海洋磁力觀測。將觀測值減去正常磁場值并作地磁日變矯正，即得磁異常。通過分析海底巖石和礦石磁性差異所產生的磁異常場，探索區域地質特征，如結晶基底的起伏、沉積的厚度、大斷裂的展布和火山巖體的范圍等。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巖石和礦物物理學特征的不同，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，沿著鉆井井筒(或地質剖面)測量巖石物性等各種地球物理場的特征，從而研究海底地層的性質，尋找油氣及其他礦產資源。由于環境的特殊性，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復雜，具有技術高度密集和高難度的特點。海上測井平臺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) 電阻率測井是以巖礦石電性為基礎的一組測井方法，在鉆孔中通過測量在不同部位的供電電極和測量電極來測定巖礦石電阻率。目前的新技術有電阻率成像、高分辨率陣列感應及三分量感應。

       （2) 聲波測井是利用巖礦石的聲學性質來研究鉆井的地質剖面，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、巖性、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。

       （3) 核磁測井是利用物質核磁共振特性在鉆孔中研究巖石特性的方法?，F代核磁測井儀則主要采用自旋回波法。由于氫原子核具有最大的磁旋比和最高的共振頻率，是在鉆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，并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巖石圈結構研究、海上油氣能源勘探一直發揮著積極作用。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。這三種技術工作原理相似，但由于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。由于低頻的探測深度較深，高頻的分辨率較高，一般低頻用于探測深海水深和海底淺地層剖面，高頻用于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于20世紀70年代發展起來。多波束測深系統是由多個傳感器組成的，不同于單束波，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征(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。