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国内外海底探测技术与手段

2017-01-12 10:38:41

[导读] 早期的地质学家认为,海底是由泥质沉积物覆盖的贫瘠、荒芜之地。但是随着遥感技术的进步,对海底的观测越来越精确和全面。具有强烈火山活动的大洋中脊产生了新洋壳,具有频繁地震活动的深海沟过去被认为没有生物存在。

早期的地质学家认为,海底是由泥质沉积物覆盖的贫瘠、荒芜之地。但是随着遥感技术的进步,对海底的观测越来越精确和全面。具有强烈火山活动的大洋中脊产生了新洋壳,具有频繁地震活动的深海沟过去被认为没有生物存在。的确,海底比我们过去想象的要更加复杂。海洋科学研究、海洋探测、海洋资源开发是海洋活动的三大主题。海洋探测为海洋科学研究和海洋资源开发服务,获取海洋环境和资源信息是海洋探测的任务。用地震、重力、磁力及地热等地球物理办法,探测海底各种地球物理场特征、地质构造和矿产资源,有的还利用放射性探测技术探查海底砂矿。

目前,海洋地质调查和技术手段主要有:利用人造卫星导航和全球定位系统(GPS),以及无线电导航系统来确定调查船或观测点在海上的位置;利用回声测深仪,多波束回声测深仪及旁测声纳测量水深和探测海底地形地貌;用拖网、抓斗、箱式采样器、自返式抓斗、柱状采样器和钻探等手段采取海底沉积物、岩石和锰结核等样品;用浅地层剖面仪测海底未固结浅地层的分布、厚度和结构特征。用地震、重力、磁力及地热等地球物理办法,探测海底各种地球物理场特征、地质构造和矿产资源,有的还利用放射性探测技术探查海底砂矿。

 

水下机器人

水下机器人的范畴很广,通常水下的作业机器都可称之为水下机器人。在海洋科学考察工作和工程作业中,常见的水下机器人有以下三种:遥感机器人ROV、自主机器人AUV和载人深潜器DSV。ROV在水下工作时拖着一根长长的电缆,这是用来为ROV输送能量和传输信号的,所以这根电缆就被戏称为“脐缆”。AUV和DSV则没有电缆托着,它们两者之间的区别在于AUV是无人驾驶的,必须具备较高的自主能力,有很好的智能化水平,而DSV是载人的,体积通常较大,耗能也大,要求也高。

海底地形调查

一般采用精密回声测深仪在航行中连续记录与测量海底地形,为产生一张描绘海底地形的等深线图,需要布设许多条平行测线,测线距离由该图的比例尺即要求细致程度来决定。有一种高级数据收集系统,称“海洋声束系统”,它是一种先进的多声束回声探测仪,此系统能发射扇形声脉冲,它可沿测线得到一条带状水深资料,经计算机处理后可直接描绘成等深图。

侧扫声纳调查

侧扫声纳是利用超声波在水中传播和反射的原理,设计制造而成的一种对水下目标进行深测、定位、以图像形式显示并记录信号的探测海底地貌的仪器装置。是专用于显示海底地形和海底物体二维图像的声学探测系统,它用高频声束并用双道记录器来产生与绘制海底的图片或“声纳图谱”,对海底地形做快速的定量研究,其分辨率已经cm级。

多波束测深技术

多波束测深技术是20世纪80年代的高科技产物。多波束测深仪由探头、处理机和工作站三部分组成。探头向海底发射数百束窄波波束,发射波束与测线方向垂直呈扇形分布。通过变换声波发射频率,是测量范围可从数十米到数千米。利用多个波束声波探测海底深度,经计算机运算得到航迹两旁带状区域海底深度、海底地貌。目前国内已有商用化的产品提供;德国、美国、挪威、丹麦、英国较领先。

海洋磁力测量

对于海域的地磁场测量分为航空测磁和海洋测磁两大类。海洋测磁是应用核子旋进磁力仪光泵磁力仪及磁力梯度仪进行海上拖拽测量。

海洋重力测量

最初的海洋重力测量只能在潜水艇上进行。随着科学技术的发展,重力测试仪的不断更新,测量方法从人工记录发展为连续模拟记录。海洋重力测量对研究长短波重力异常、地幔的研究都显得特别重要。

 

多频声学剖面测量技术

1999年,J.A.Dunbar等装置了一台多频海底回声探测仪,这个探测仪系统包括一个200khz的精确回声探测仪和一套海底剖面多频探测系统,并与GPS相连。它同时发射3个或多个频率的声波,使用假彩色记录不同频率的声波反射图像,通过微机处理,对不同层选择最佳波段记录,形成一幅假彩色合成剖面记录,可以通过彩色分割技术准确的划分出不同声学反射层,是一个应用前景非常广阔的浅地层剖面探测技术。

高分辨率单道模拟地震系统

其工作原理与浅地层剖面系统相似,但震源能量较大,常使用电火花震源,频率100~200khz,可以穿透100~500m的海底,分辨率达5m,这对于浅地层剖面系统不能穿透的深度是有效的的探测手段。

深海钻探取样

深海钻探计划,执行期限为1968~1983年。深海钻探船为“格洛玛·挑战者”号。大洋钻探计划,简称ODP。执行期限为1985~2003年。深海钻探船为“决心”号。自2004年开始,执行“综合大洋钻探计划”。执行期限为2004~2014年。深海钻探船为“决心”号(Joides Resolution)、“地球”号(R/V CHikyu,日本,5000吨级)、“MSP”号(特殊钻井平台,属欧洲挪威、丹麦等国家,有几个钻井平台及破冰船组成)。此项计划预算经费为30亿美元。

海底热流调查

应用海底热流计进行海底热调查,全球已经积累了10000多个数据,这对发展海底构造理论起了重要的作用。迄今为止,绝大部分海底热测量集中于大于1000m的深海,浅海工作区很少。在浅海石油探井可以进行地热梯度测量。

 

海底观测系统

亲临海底进行观测是海洋地质学家梦寐以求的。1943年发明了自持式自由潜水器并与1950年首次用于解决地质学问题,到现在为止,又发展了深潜器、水下实验室、海底机器人探测技术,同时还有自动海底观测系统和沉积物捕获器。在对海洋实时监测方面,欧美日本较为领先。

海下实验室

最早的海下实验室是美国海军的“海底实验室Ⅱ号”,它在64m深度上实施得很成功。美国夏威夷大学海下研究中心(NURC)建有一个夏威夷海下研究室(HURL),该中心的任务是研究太平洋有关生物、地质、矿产和环境的研究课题。可在1000m水下操作。

海洋遥感

主要是指海洋卫星的应用。卫星技术在海洋开发中的应用十分广泛,但是应用于海洋地质学的遥感技术却相当有限。当前广泛应用的是对海水温度、盐度、密度、叶绿素、海冰及海洋污染的监测;海洋表层环境因子的测报、渔情测报和灾难性海况监测等。

地质雷达也开始应用于海底勘测。遥感技术将在我国海洋地质调查及海洋地质灾害预测预报方面发挥重要作用,将成为研究全球海洋变化的重要手段。

海洋雷达浮标定位系统

在远离陆基的小范围海域,可使用海底声学脉冲收发两用机进行交叉定位;也可以在浮标上放置雷达应答器,相对于浮标进行走行定位,这两种方法可精确的测量相对位置,但必须有其他方法确定测量区的的经纬度。

水下声学定位系统

包括长基线、短基线、超短基线、组合定位系统化,主要应用于大多海洋工程,如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线路由调查与维护等。

 

我国海底探测技术现状

我国“863”计划在海洋技术领域分别设置了海洋监测技术、海洋生物技术和海洋探查与资源开发技术3个主题,以期为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。以具有90年代海洋勘测国际先进水平的“海域于形地貌与地质构造探测系统”的开发和研制为代表的多项选进的海洋控查与资源开发技术,为我国海洋资源的开发、利用、保护,维护海洋权益,捍卫国家主权提供了高精度的科学依据。

我国的海洋探测起步较晚,但是发展很快,经过着几十年的发展,中国在海洋权益维护、海洋资源开发和技术研究制造方面取得了长足的发展,现在也用有了一大批国际领先水平的技术成果。在陆地资源逐渐匮乏的时代,海洋资源的开发和利用已经上升到重要的经济战略地位,所以未来的海洋世界会是我们今后几代人不断开发和挑战的高地。而国外在技术方面,美国的水平领先于世界。拥有调查船最多的10个国家是:美国、苏联、日本、中国。总的来说,与发达国家相比还有不少差距,我国海洋科研学者仍需努力。

 

[整理编辑:中国测控网]
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