海底探测技术调研报告.docx

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海底探测技术调研报告

海底探测技术调研报告

课程名称海洋地质概论

课程学期12-13第1学期

课程教师广雪徐继尚马妍妍

学生专业2010级信息与计算科学

学生文波

学生学号1

2012年12月02日

海底探测技术调研报告

文波1

摘要：

人类用科学方法进行海洋科学考察已有100余年的历史，而大规模、系统地对世界海洋进行考察则仅有30年左右。

海底探测技术汇集了各科领域的最高技术成果，它包括了调查平台、海上定位、海底地形探测、地球物理探测、海底取样、海底观测、遥感技术等几大类。

一艘先进的海洋地质考察船实际上是一个综合海底探测系统。

本文主要总结现代海底探测技术以及其分类，国外海底探测技术的对比，并进行总结分析。

关键字：

调查平台科学考察船海上定位海底地形探测地球物理探测海底取样海底观测遥感技术

0引言

探索海底对人类而言是如此神秘而又诱人，只有发展了海底探测技术，这种渴望才能变成现实。

人类对海底认识的每一次飞跃，都必然得到新技术和新方法的支持。

回声探测技术的应用导致对海底认识的第一次飞跃；用于反潜作战的磁力仪改装成的海洋磁力仪之后，发展了海洋磁测技术，终于识别出洋中脊两侧互为镜像的线性地磁异常带，为海地扩找到了证据，吹响了地质学革命的号角；集现代石油钻探之大成及海洋定位与船舶稳定性于一体的深海钻探技术，全面证实了板块学说，保证了地学革命的成功；采用深海钻探技术和长柱状岩芯新技术，揭示了海洋沉积物中包含的丰富古海洋环境信息，导致了新兴的交叉学科----古海洋学的形成，成为世纪之交地球科学中最有活力的领域，是“全球变化研究”的重要组成部分。

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。

1调查平台

包括科学考察船、HOV、AUV、ROV等，这里主要介绍科考船。

海洋科学调查船担负着调查海洋、研究海洋的责任，是利用和开发海洋资源的先锋。

它调查的主要容有海面与高空气象、海洋水深与地貌、地球磁场、海流与潮汐、海水物理性质与海底矿物资源（石油、天然气、矿藏等）、海水的化学成分、生物资源（水产品等）、海底地震等。

其中极地考察和大洋调查等活动，为世界各国科学家所瞩目。

大型海洋调查船可对全球海洋进行综合调查，它的稳性和适航性能好，能够经受住大风大浪的袭击。

船上的机电设备、导航设备、通讯系统等十分先进，燃料及各种生活用品的装载量大，能够长时间坚持在海上进行调查研究。

同时，这类船还具有优良的操纵性能和定位性能，以适应各种海洋调查作业的需要。

建造专用科学调查船始于1872年的英国“挑战者”号，从1872年起，历经4年时间环绕航行，观测资料包括洋流、水温、天气、海水成分，发现了4700多种海洋生物，并首次从太平洋上捞取了锰结核。

我国的红2号（中国海洋大学）、科学3号；日本的地球号，“浦岛号”等，美国也拥有数量众多的海洋科学调查船。

（图为我国的红2号、科学3号科考船）

2海上定位

准确的导航定位对于建立海底地形、沉积物正确的空间关系和准确的动图是必不可少的，目前，常用的方法有下面几种。

1）卫星导航定位系统

欧盟、中国参与合作的伽利略系统是现今为止最先进的当行定位系统，美国的军民两用的GPS定位系统；俄罗斯的全球导航卫星系统，中国的北斗

2号卫星系统后。

其中，中国的技术较为领先。

在海洋考察方面，主要运用GPS定位系统，整个GPS系统由空间卫星、地面监控和用户接收设备三部分组成。

船舶上安装GPS导航定位仪接收GPS空间卫星（全球24颗卫星组成）的发送的信号，经过数据处理，将船舶位置显示出来。

这种定位准确而且不受海域和气象条件的限制。

2）无线电导航系统

20世纪60年代以来，中国曾研制30多种导航定位系统，其中无线电导航定位系统占主要位置。

到目前为止，以Argo和Maxiran为主的高精度系统基本能覆盖全国近岸350km的海域，精度可达5-10km。

3）海底声学脉冲及海洋雷达浮标定位系统

在远离陆基的小围海域，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。

（如电影《超级战舰》中在关闭GPS后，就是利用海洋雷达浮标来确定外星战舰的相对位置）

4）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。

3海底地形探测方法

主要包括声学测深技术（回声测深、多波束测深、旁侧扫描声纳等技术）和卫星遥感测深技术、电磁测深等。

利用电磁、激光、遥感、声学原理，来测量海底深度。

卫星遥感测深技术方面：

我国起步晚，水平低。

1）回声测深技术

通过声脉的发射和接受之间的行程记录，在船航过程中，如果不间断地发声并接受回声，就可绘制出一条海底地形曲线。

如果将大量等间距的海底地形曲线组合起来，通过计算处理就可以获得海底立体图像。

20世纪20年代，德国“流星”号考察船在南大西洋首次使用回声测深仪，才使海底地形测量成为可能。

2）多波束测深技术

多波束测深（multibeamechosounder）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。

目前国尚无商用化的国产系统；德国、美国、挪威、丹麦、英国较领先。

3）旁侧扫描声纳

20世纪60年代用于海底地形测量的重要手段。

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。

分辨率cm级。

（图为旁侧扫描声纳扫描到一艘沉船）

4）海底电磁探测技术

利用相关电磁探测仪器在海底采集海底自然电场数据，对海底构造与资源进行物理探测。

我国拥有世界领先水平的成果和海底电磁探测仪器。

4地球物理学方法

对海洋底部地球物理场性质的测量，应用物理学的测量手段，可调查海洋的地质构造和矿产分布。

1）浅地层剖面测量技术

它与回声测深工作原理相同，只不过用低频声脉代替高频声脉，浅底层

剖面测量以图解的方式记录地质剖面，根据这些剖面可以判断沉积层在剖面上的分布及特征。

旁侧扫描声呐与浅地层剖面联合应用，可获取海底浅部的三维图像。

（图为德国SES-2000，世界上第一套便携式的参量阵浅地层剖面仪）

2）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。

3）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。

4）高频多道数字地震系统

这是海洋石油探测的主要方法。

利用地震波在海底地层中的传播规律，来研究在海底以下的地质构造。

海洋石油探测所采用的地震系统，是近年来地球物理领域发展最快，最先进的技术。

这项技术，美国较领先。

5）地震折射法

从一艘前进的船上按规定间距发射震源信号而在另一艘船上或浮标上安置检波器，随着震源与接收点的距离变动，，将信号记录下来。

从检波器接收到的信号曲线可以显示海底弹性波速度跳跃式增大的不连续深度。

这个方法由于还不能达到很深的层位，因此在研究岩石圈构造时经常采用人工地震折射测量和天然地震研究。

6）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。

7）

地磁测量

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和磁力梯度仪进行海上拖拽测量。

（图为海洋测磁工作船）

8）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。

5海底取样

1）表层取样器

常用的表层取样器有蚌式取样器和拖网取样器。

蚌式取样方法现在仍在广泛使用。

而拖网取样所取样品混乱而且受到冲洗，只适合采集锰结核、砾石和岩块。

（下图左为蚌式取样器，右为拖网取样器）

（蚌式取样器）（拖网取样器）

2）柱状岩芯取样管

取样管种类很多，大致可以分为重力取样管、重力活塞取样管、振动活塞取样管、液压活塞取芯系统等。

重力取样管以其小巧、灵活的操作，是浅海取较短岩芯的有效工具。

缺点是无法从致密的砂质表面取到沉积物的岩芯，因此在陆架大部分地方采用振动活塞取样管，但又容易将岩芯震碎。

20世纪70年代，采用液压活塞取样系统，能得到理想无扰动的长柱状岩芯。

例如1982年，DSDP92航次利用液压活塞取样取得了575m的岩芯。

3）相式取样器

将一个20cm

20cm

100cm的上下开口的金属方箱用重锤击入海底，然后用旋转铲刀封箱底并将其提出海面，这是当前获取原状样品的最佳方法。

但是取得的样品不超过1m。

4）

电视抓斗

将机械抓斗与电视摄像、照明、传输、遥控装置结合起来，便于海底取样，我国自行研制电视抓斗。

（见图）

5）浅海钻探

在浅海区由于地层结构复杂，岩性交替变化，所以现在使用的柱状岩芯取样管不可能活得长岩芯，因此仍须借助浅海钻探。

石油海洋地质局成功应用的大口径钻杆全孔跟进馆绳索全取芯技术，已经获得良好的效果，是可进一步发展和改进的技术。

6）深海钻探

深海钻探在技术上有两项关键性的难题：

一是无法采用锚固定位船舶，使其在整个钻探作业过程中保持位置不变；二是提起钻具更换钻头时如何使钻具重新返回原孔。

（右图为日本地球号，可进行深海钻探）

7）激光拉曼光谱仪海底甲烷探测技术

6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。

欧洲：

地中海观测网计划；

美国：

2007年东太平洋海底（至地壳深部）-水层的“海王星”观测网；

日本：

西太平洋海底地震观测网；

国：

“21世纪海洋国计划”；济州岛东南，建成全球最大的海上观测平台。

（见上图）

1）自持式潜水器

即通常所谓的“软浅”，潜水员背负呼吸瓶下潜到50m围进行海底观察、采样、海底摄像等。

主要用于考察海底活动的地质体、海底陡崖等。

2）深潜器

深潜器是指能在4000多米的深海海床上呆上几个小时的潜水器，包括常压载人深潜器（ADS）、无人遥控深潜器（ROV）和无人深潜器（AUV）。

目前世界上有5台可用的载人深潜器：

日本的“深海6500”号、美国的“阿尔文”号、法国的“鹦鹉螺”号、俄罗斯的“和平”号及“密斯特”号。

它们的最大深潜深度只有6500米。

我国拥有世界上最先进的载人深潜器蛟龙号（7000米，试验中，上图）

4）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。

5）海底机器人探测技术

通过互联网进行远程操控机器人完成海底探测，并传回了大量宝贵的实时探测图像和数据。

德国、加拿大、日本在这方面处于世界领先水平。

（图为海底机器人作业）

6）海底摄像技术

运用摄像技术与通讯技术，对海底进行实时摄像、监测。

7）水下自动观测与沉积物捕获

海底自动观测系统是获取动力学资料和沉积动态资料的重要手段。

最常使用的是海底底流测量、海底底床压力、孔隙水压瞬时变化观测及埋没海底声学应答器以及观测海底沉积物的蠕动等。

7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。

8我国海洋探测技术

我国海域辽阔，是发展中的海洋大国。

我国海域面积约300万平方公里，有着丰富的海洋资源，为实现从海洋大国跨入海洋强国的目标，“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，捍卫主权提供了高精度的科学依据。

在“863”计划的推动下，我国沿海周边地区已经在全球海洋观测系统框架下，初步建立起了从航天、航空、海监船体监测体系，从整体上提高我国海洋环境观测监测和预测预报能力。

“863”计划及时增加并大力发展海洋领域的高技术，为我国走可持续发展道路起到了积极的示作用。

参考文献：

[1]子赓.海洋地质学.：

教育出版，2004,1-1

[2]田纪伟.海洋监测高技术论坛.：

海洋，2004,12-1

[3]时清.海洋地质学.：

海洋，2004,11-1

附注：

老师，您好！

我是按照标准论文格式写的，所以字体统一为宋体而没有采用其他字体，为了方便老师阅读，并没有按照标准的字体大小来写，而是统一将字体变大了，希望老师理解。

老师！