海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展_金翔龙

第22卷　第4期地　球　物　理　学　进　展V ol.22　N o.4 2007年8月(页码:1243～1249)P ROG RESS　IN　G EOP H YSICS A ug.　2007海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展金翔龙(国家海洋局海底科学实验室,杭州310012)摘　要　海洋地球物理以物理学的思维与方法研究占地球三分之二面积的海洋系统.20世纪地球科学迅猛发展,它的重大进展是海底扩张说与板块构造说的出现和海底大洋的发现,以及前者所引发的地球科学思想革命,从固定论向活动论的思维转变.海底研究对于20世纪地球科学发展的贡献极为巨大,而海洋地球物理是推动海底科学研究的重要原动力.海洋地球物理在20世纪地球科学的发展中有过辉煌的成就,占有十分重要的地位;在新的21世纪里,海洋地球物理研究仍然保持着前沿科学的地位,继续推动着地球科学的进展.目前的海底探测主要还是依赖于声学探测技术.水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础.传统性的海洋地震探测技术是研究海底构造与海洋岩石圈深部结构和寻找海底矿产的主力技术,它近年来无论在海上采集技术还是数据处理技术方面都发展得很快.多波束测深、侧扫声呐测图和海底地层剖面测量等则是近数十年快速发展起来探测海底浅部结构信息的技术.这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发,以及海洋军事活动等方面发挥出极其重要的作用.关键词　海洋地球物理,海底科学,海底探测声学技术中图分类号　P631,P768 文献标识码　A 文章编号　1004-2903(2007)04-1243-07The development of research in marine geophysics andacoustic technology for submarine explorationJIN Xiang-long(Key Lab o f S ubmar ine Geosciences,SOA,Hang z hou310012,China)A bstract　T he marine g eophy sics studie s marine sy stem ov er2/3of Ea rth's surface w ith philo so phy and metho do lo gyof physics.T he geo sciences have been developed vio lently at20th century.T he epoch-making adv ances in geo sciences are the appearance o f seafloo r spr eading―plate tectonics hy po the sis and the disco very of subseafloo r ocean.T he hy-po thesis of seafloo r spreading―pla te tecto nics initiated the ev olution in philosophy o f geo sciences,the transfo rm in ideo lo gy fro m fixism to mo bilism.T he study of submarine geo sciences has g reat co nt ribution to pro g ress in g eosci-ences,and the marine g eophy sics is the mo tive po we r to promo te the re sear ch in submarine geo sciences.M arine g eo-physics has brillia nt achiev ements and takes impo r tant place in the deve lopment of geo sciences a t20th century.In new century,marine g eophysics still keeps the positio n o f fro nt science.T he submarine explo ratio n is depended mainly on the acoustic technique so far.T he underwater acoustic positio ning technique such as ultra-shor t base line,shor t base line,and long baseline is the basis of the precise position fixing for under-water ex plo ratio n system and submarine vehicles.In traditio nal technique of marine seismic exploration as capital technique to study the tectonics of seafloor and the deep structures of o ceanic lithosphere,not only the data-acquisition but the data-pro-cessing techniques also have been prog ressed rapidly.The developed in last few ten years new acoustic techniques fo r subma-rine detecting structures of seafloor upper par t are multi-beam sounding technique,side-scan sonar technique,and sub-bottom profiling technique.All these techniques play impo rtant role in submarine scientific research,submarine reso urces explora-tion,marine engineering,marine exploitation and activities of marine military.Keywords　marine g eophysics,subma rine geo sciences,acoustic technolog y fo r submarine e xplo ratio n收稿日期　2007-04-10;　修回日期　2007-06-20.作者简介　金翔龙,男,1934年生,江苏南京人,1956年毕业于中国地质大学,国家海洋局第二海洋研究所领域研究员,中国工程院院士,主要从事海洋地质与地球物理研究.(E-mail:xljin@m ail.h )地　球　物　理　学　进　展22卷0　引　言20世纪地球科学迅猛发展,出现革命性的重大进展,海底研究对于20世纪地球科学发展的贡献极为巨大,而海洋地球物理则是推动海底科学研究的重要原动力.所以,海洋地球物理在地球科学发展中占有十分重要的地位.它在20世纪有过辉煌的成就,推动过地球科学的进展,引发出地球科学的革命;在新的21世纪里,海洋地球物理研究仍然保持着前沿科学的地位.1　海洋地球物理研究的发展地球物理是以物理学的思维与方法研究整个地球系统的一门学科,而海洋地球物理则以物理学的思维与方法来研究占地球三分之二面积的海洋系统.海洋由三个重要的圈层构成:岩石圈(海底)、水圈(海水)和生物圈,这是海洋组成的完整概念.不可把海洋简单地等同于蓝色的海水,完整的海洋概念有助我们深化认识海洋的系统过程和拓宽获取海洋资源的视野.海洋地球物理主要是研究海底与海水,以及海洋各圈层之间和海洋与其它圈层的关系.海底研究系统探索海底的自然现象、性质、变化规律与开发利用;海底研究的对象是海水覆盖的岩石圈,及其与水圈、生物圈的界面过程;海底研究的内容为海底形态、组成、结构构造、地球物理场与演化历史,海底各圈层间和海底与其它海洋圈层之间的相互作用,以及它在海洋权益、战略和海底开发利用等方面的应用[1].水体研究主要是应用流体力学和数学研究海洋水体的运动与混合、海洋水体与大气的相互作用,以及水体对沉积颗粒物、化学溶解物、浮游生物和污染物等的携运与布放;水体研究近20年主要集中在:大洋环流总体观测—评估环流的通道与时间尺度、赤道海洋与大气耦合关系—认识El Nino 现象、温跃层理论、大洋水体中尺度变异、水体小尺度湍流混合、近岸海洋的复杂过程、海底边界层过程等[2].然而,海洋水体研究与大气-气候研究越来越紧密地纠缠在一起的同时,却忽略了与海底岩石圈的相互关系.如:赤道海洋的El Nino现象萌发于巨型火成岩区,区内海洋水体可能受到海底热能传输交换的影响而加温,成为El Nino的源头,升温的海洋水体在向东运移的过程中才逐步发生与大气的耦合作用,最终形成异常气候的El Nino现象.显然,海洋地球物理研究的未来发展需要更进一步加强海洋各圈层之间,以及与其它圈层之间相互作用的系统研究.地球科学20世纪的重大进展是海底扩张说与板块构造说的出现和它所引发的地球科学革命(落后的固定论向先进的活动论的思维转变),以及海底大洋的发现.20世纪中叶,在半个多世纪海洋地球物理对海底大规模探测和持续研究的基础上,人类发现世界大洋海底存在着星球规模的巨型海底山系(洋脊-裂谷系)和相对于洋脊-裂谷系对称的大洋海底地磁条带.这两个重要的海底发现具有非凡的构造意义,海底形态系统测量与数据编绘所发现的海底山系(洋脊-裂谷系)是新洋壳生长的地方;海洋地磁详细测量所发现的大洋磁条带异常是度量洋壳年龄与探索海底扩张过程的重要依据.它们揭示出洋盆的形成和大洋构造的发育史,从而孕育出海底扩张说-板块构造说-全球构造说,学说引起20世纪轰轰烈烈的地球科学革命.洋脊(张性)、俯冲带(压性)和转换断层(剪切性)构成海底板块的边界.海底扩张-板块构造说的洋底发育观认为,海底扩张促使新洋底在扩张的洋脊处生成发育、驱动大洋板块向两侧迁移,板块最终俯冲与消亡于大洋边缘处.[1]最近十多年来的海洋地球物理探测与研究发现大洋海底之下存在着一个新的海底大洋,新发现的海底大洋可称为黑色大洋,因它存在于黑暗的洋底之下.黑色大洋里不仅没有光线,而且温度相当高(最高可达400℃),充满着流动的流体,流体的化学成份非常复杂,有硫化氢、甲烷和水,以及大量的矿物物质等,热流体的活动范围在这个大洋里可深深达到海底以下约7000米.现在,人类终于认识到地球上存在着两个大洋,蓝色大洋和黑色大洋,蓝色大洋便是人类传统认识上充满着海水的大洋,平均水深近4000米,黑色大洋就是海底大洋.人们还认识到两种大洋具有两种不同的初级生产力和食物链.蓝色大洋中以浮游植物为初级生产力,浮游植物的光合作用将无机物转化为有机物,它吸收阳光获取能量,从空气或水中吸收二氧化碳,利用光的能量将二氧化碳转化为有机的碳水化合物,并释放出氧气;黑色大洋中以热液细菌为初级生产力,耐高温的热液微生物从热液(水)中汲取硫化氢、烃类(甲烷等)、二氧化碳和氧,通过化学合成作用,分解硫化氢等获得能量,将无机碳转化为有机的碳水化合物,释放出硫和水.研究海底热液活动是了解黑色大洋的突破口,黑色大洋富含矿物质的热液流体驱动着矿物质的传递和圈层界面的交换,形成各类大洋矿产、维持着极端生物所组成的深部生物圈.海底高温热液喷12444期金翔龙:海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展口是蓝色大洋和黑色大洋之间能量与物质输运的通道,是海底岩石圈与大洋水圈两个圈层之间能量与物质交换的窗口.热液喷口及其“烟囱”产物是了解地球系统圈层间热能收支和化学物质循环与平衡,以及海底成矿作用等过程的天然实验室.研究海底热液活动有助于理解地质历史上地球系统的演化过程、海洋的形成和地质记录中各类金属矿床的成矿机制与模式,对于揭示洋壳与海水演化历史、探讨海底成矿过程和异常气候形成、验证板块构造运动等具有重要的科学理论意义.海底深部、海底热液喷口及周围所发现的极端环境生物群落构成了深部生物圈,它们揭示生物可以充分利用地球内部的热能与热液,通过热液细菌的化学合成作用过程取代海洋真光层中的光合作用过程来制造维持生命生存所需要的有机营养物质,这对地球(海洋)早期生命体起源与演化的认识有重大意义[1,3].海底大洋的发现正深刻改变着人类对于地球形成、海洋演化的认识思维,要求对海底矿产形成和地球生命起源等重大理论问题提出新的解释与认识,拓展人类对于地球(海洋)形成演化和地球生命起源认识的新领域.当前这个新世纪中的海洋地球物理探测与研究必将继续促进人类在发展地球系统科学的理论和产生崭新的学说等方面做出突破性的重大贡献.2　地球物理海底探测声学技术的发展地球科学20世纪的成就和21世纪的未来前景源自于海洋地球物理技术的飞速发展.海洋地球物理中的海底探测技术促进了许多重大科学事件的出现,推动了科学的进步.海底探测技术涉面很广,包括导航定位技术、海底声学探测技术、海洋重磁测量技术、海底光学(包括激光)探测技术、海底热流测量技术、海底大地电磁测量技术、海底放射性测量技术,以及海底原位(长期)观测-分析技术和海底钻井地球物理观测技术等等.海底探测技术的发展不仅具有显著的科学进步意义,而且在海底资源勘查和水下军事活动中都据有重要的位置[4～5].目前的海底探测主要还是依赖于声学探测技术,因为声波在海水中的传播优于可见光和电磁波[5～7].海洋地震探测及数据处理是传统性的海底声学探测技术,是研究海底构造与海洋岩石圈深部结构和寻找海底矿产的主力技术.水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础.多波束测深、侧扫声呐测图和海底地层剖面测量则是近数十年快速发展起来探测海底浅部结构信息的技术,这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发,以及海洋军事活动等方面发挥出极其重要的作用.2.1　水下声学定位技术高精度的水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础.水下声学定位主要测定海底探测系统或水下潜器相对于调查船或潜器母船的位置,海底探测系统主要有:侧扫声纳系统、海底照相系统、海底摄像系统、水下拖体系统、潜航运载器(ROV,AUV等),海底箱式取样器、多管取样器、电视抓斗、潜钻、热液保真采样器,以及海底原位测试装置等.将探测系统相对于母船或调查船的位置与水面船只的全球定位数据相结合,就可将海底探测系统和探测点的准确位置归算到大地坐标系上.水下声学定位系统主要有超短基线定位系统(USBL)、短基线定位系统(SBL)、长基线定位系统(LBL),及超短基线与长基线定位组合系统(SS-BL/LBL),目前短基线定位系统已很少使用[8].超短基线定位系统(USBL)———系统由声基阵、声标、主控系统和外部设备等组成.声基阵一般由两对正交的水听器和一个发射器组成,基阵孔径几厘米至几十厘米;声标内置电源、收发电路、换能器和压力传感器等;外部设备主要包括高精度航向、横摇-纵倾运动改正单元(M RU)和声速剖面测量仪等.声基阵置于船底或船舷,声标装在水下探测系统上,测定声标与声基阵不同水听器之间的距离和声脉冲到达的相位差来确定声标相对于声基阵的位置.超短基线定位系统有声学应答、电信号触发和同步钟等三种方式.该系统可以进行长距离海底目标连续跟踪定位,操作简单;但定位精度较低,作用距离较短,作业水深较浅.我国在“九五”期间研制过工作水深1000m、作用距离2000m左右的超短基线定位系统,“十五”期间研制工作水深与作用距离更大的系统.长基线定位系统(LBL)———系统在海底设置3～4个声标,组成基阵,基阵之间一般距离几千米,船底安装发射器.测定母船与声标的距离、水下设备与母船的距离,以及水下设备与各声标的距离,最终确定水下设备相对母船的位置.系统的定位精度高,适于在小范围内(几十平方公里)精确测定出水下设备系统(如ROV等)的位置.超短基线与长基线定位组合系统(USBL/ LBL)———在海底设置3～4个声标情况下,其高频1245地　球　物　理　学　进　展22卷系统定位精度小于1m,低频系统定位精度2～5m.水下全球定位系统(Unde rw ater GPS)———水下GPS系统包括水下应答器、GPS智能浮标(G IB)及控制站.应答器置于水下运载器上,可发出声波信号.智能浮标由四组浮标构成基阵,下挂水听器,可精确探测500米范围内的声波信号;浮标通过水面天线与控制系统链接.控制站与浮标之间通过无线传输交换定位数据.在差分GPS对浮标精确定位的基础上,测定应答器发射与水听器接收声脉冲信号的时间差,测算浮标与水下目标(载体)间的相对位置,获到水下目标(载体)的大地坐标位置.法国于2001年开发出水下全球定位系统,我国目前正在研究开发中.2.2　海洋地震探测技术海洋地震勘探主要利用地震波在海底地层岩石中的传播规律,来研究海底以下地质构造,推断岩体物性,勘查海底资源.地震勘探法是目前海底探查应用最广、成效最高的地球物理技术.自1936年首次在海洋中开展地震探测以来,海洋地震探测经历了近70年的发展与进步,具体表现在采集系统的集约化,观测技术的多样化、探测技术的多元化,以及数据处理解释技术的飞速发展.采集系统的集约化.采集系统从50年代的光点系统、模拟磁带系统,发展到目前的数字地震系统[9],动态范围扩大十多倍,采集总道数多达1000道以上,可记录下地震探测的全部信息,使动力学特征的研究和岩性的判定成为可能.研发出遥测数字地震仪、声纳浮标和海底地震仪(OBS),解决极浅海和海陆交接区地震数字采集和横波信息采集的困难等.非爆炸震源技术日益重要,声波频率一般在5～500H z.上世纪60年代以来,相继出现气枪震源(Air Gun)、电火花震源(Sparker)和水枪震源(Wa-ter Gun)等,为消除二次冲击波,还出现了套筒枪震源(Sleeve Gun).海洋地震探测信号的接收依赖于组合的检波器(水听器)阵,每个组合为一个地震接收道,若干个地震道构成一条海洋地震拖缆(Streamer),信号收到后通过电线或光纤传递至采集系统的记录储存部分;实际测量中,常使用120道或240道地震拖缆,光缆可以实现200～500道地震,超万道的也在投入使用[10];出现不久的海洋数字光缆,在水下已将数字信号滤波、放大等调制完成.拖缆上装有深度传感器和“水鸟”或深度自动控制器(ADCD).多维地震探测需用多条拖缆,构成多缆多道地震采集技术.上世纪80年代末至今,随着三维、四维、高分辨率和多波多分量地震探测技术的发展,出现了三分量检波器、四分量检波器、涡流检波器、高性能压电检波器等.观测技术的多样化.海洋地震数据采集的观测技术从最初的三船法、双船法发展到目前主要采用的单船法.双船扩展排列观测技术可采集大偏移距的反射、折射波信号,海底地震观测系统可接收被高阻抗层或海水层屏蔽的横波信号等.探测维数也从最初的二维发展到目前的三维地震探测,甚至时移探测,即四维地震探测.水下定位技术(初至波定位系统和声波定位系统)和海底电缆地震采集技术的迅速发展,促使测量从海面转入海底,为多波多分量的全波场海底地震探测奠定了基础[11～13].探测技术的多元化.海洋地震探测技术从反射探测技术、折射探测技术发展到目前的多波多分量地震探测技术.多波多分量地震探测与通常采用的单一纵波探测技术相比,所能提供的地震属性(如时间、速度、振幅、频率、相位、偏振、波阻抗、吸收、AVO、复分量等)信息成倍增加,并能衍生出各种组合参数(如差值、比值、乘积、几何平均值、弹性系数等).利用这些参数估算地层岩性、孔隙度、裂隙、含气性等,较之单波探测具有更高的可靠性[11].数据处理解释技术飞速发展.勘探地震数据的处理包括数值计算和对地壳结构的(声学)成像;地震数据的解释则趋向于可视化技术和虚拟现实技术的运用.发展较突出的有以下几方面:(1)现场处理技术.可及时发现海上探测中出现的现场操作问题,评估探测效果的理想程度,缩短数据处理的周期[14].(2)并行计算机处理技术.从七十年代开始,地震资料数字处理经历了阵列机时代、向量机时代、大规模并行计算机时代,目前已经发展到高端计算机时代.尽管如此,还是难以满足处理海量地震数据的要求,对此,有学者提出更好的海量数据处理技术路线,如微机集群并行计算技术,基于TCP/IP协议的地震资料网络并行处理方案、基于网络技术的分布式地震数据处理方案、Internet地震数据处理方案,以及可实现远程数据和资源共享的网格计算方案等等[15～17].全新发展地震数据体,特别是三维地震数据体的解释技术,通过人机交换发展3D可视化解释技术和虚拟现实解释技术.3D可视化技术将把描述物理现象的数据转化为图形图像,运用颜色、透视、动画和观察视点实时改变等视觉表现形式建立3D图像,构筑沉浸式虚拟现实系统[10],使人们能够12464期金翔龙:海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展观察到不可见的对象,洞察事物的内部结构.2.3　海底浅层声探测技术海底浅层声探测有多波束测深、侧扫声纳和浅层剖面探测等,工作原理基本相似,只是由于探测目标的不同而有所区别.使用的声波频率和强度也有差异,一般高频用于探测中、浅海水深或侧扫海底形态,低频用于探测深海水深或浅层剖面结构.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[18～20],目前有很多系统采用双频或多频探头结构,以提高全海域的探测能力.2.3.1　多波束测深技术多波束测深技术可满足海洋经济发展和海洋管理对海底地形测量的新需求[21～23].国际海道组织(IH O)在1994年9月摩纳哥会议上制定了新的水深测量标准,规定高级别的水深测量必须使用多波束全覆盖测量技术[21～23].多波束测深技术萌芽于上世纪50～60年代,70～80年代迅猛发展,90年代进入商业应用.多波束测深系统是一种由多个传感器组成的复杂系统.它不同于单波束测深系统,在测量断面内可形成十几个至上百个测点的条幅式测深数据,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,极大地改进了海底数据采集的速度;由于测量波束较窄,并采用先进的检测技术和精密的声线改正方法,系统可确保探测精度和波束测点(Footprint)坐标归位计算的精度.因而,多波束测深系统具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点,在海底探测的实践中发挥着越来越重要的作用,多波束测深系统日益受到海底测量同行的认可.按设计的工作原理,多波束测深系统可以分为声反射-散射和声相干两种类型,大部分多波束系统基于声反射-散射原理,少数基于声相干原理.目前后者的波束总数较多(1000～4000束),具有较大的覆盖率(10～20倍),但探测频率较高(>60 kHz),测量水深较浅(<600m);前者的波束数一般在120个左右,覆盖率为3～7.5倍.在浅水区,声相干多波束系统的性能指标明显优于声反射-散射多波束系统,但目前在深海勘测中主要还是使用声反射-散射多波束系统.多波束测深技术尽管只有短短三十年的发展历史,但其研究和应用已达到较高的水平,特别是近十年来,多波束测深技术取得了突破性的进展,主要表现为:(1)全海洋测量技术.多波束系统现已能适用于河道测量、港湾测量、浅海测量、深海测量等,并出现全海洋多波束系统.(2)发展高精度测量技术.采用振幅和相位联合检测技术保证测量扇面内波束测量精度的大体一致;应用等角和等面积的多种发射模式,设计新型多波束系统,使中央波束测点面积与边缘波束基本相近、测点距基本一致,保证中央波束和边缘波束分辨率的一致性;后处理校正从横摇-纵倾实时校正技术,发展到偏航(YAW)实时校正技术;海水温度实时传感器的应用改进了声速校正的精度.(3)高度集成先进技术.多波束系统是计算机技术、导航定位技术以及数字化传感器技术等多种技术的高度组合.高精度的光纤陀螺系统、DGPS、运动传感器等系统的集成提高了系统测量的精度和实时性.体积集成,向小巧便携式发展,便于与AUV、ROV、深拖等系统的工程化集成,开发可供AUV、ROV、深拖使用的深水多波束系统.(4)数据后处理技术进步.引入三维立体显示和虚拟现实技术提高成图质量,结合声速校正与滤波技术发展精细图像处理技术.(5)海底底质分类技术.反向散射是多波束系统可识别海底底质类型的重要参数,多波束数字信息与侧扫声纳图像信息的融合可在得到海底地形的同时获得海底沉积物的特征信息.2.3.2　侧扫声呐技术侧扫声呐技术起源于上世纪50年代末,现在已成为广泛应用的海底成像技术.自60年代推出第一套实用型侧扫声呐系统以来,各种类型的侧扫声呐系统[19～20,24～27]纷纷问世.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,侧扫声呐技术能直观地提供海底形态的声成像,得到广泛应用.根据声学探头安装位置的不同,侧扫声呐可以分为船载和拖体两类.船载型声学换能器安装在船体的两侧,该类侧扫声呐工作频率一般较低(10kH z以下),扫幅较宽.探头安装在拖体内的侧扫声纳系统根据拖体距海底的高度还可分为离海面较近的高位拖曳型和离海底较近的深拖型两种.高位拖曳型侧扫系统的拖体在水下100m左右拖曳,能够提供侧扫图像和测深数据,航速较快(8kn);大多数拖体式侧扫声呐系统为深拖型,拖体距离海底仅有数十米,位置较低,航速较低,但获取的侧扫声呐图像质量较高,侧扫图像甚至可分辨出十几厘米的管线和体积很小的油桶等,最近有些深拖型侧扫声呐系统也开始具备高航速的作业能力,10kn航速下依然能获得高清晰度的海底侧扫图像.现在的侧扫声呐技术有两个缺点,首先它的横向分辨率取1247。