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    徐行:我國海洋地球物理探測技術發展現狀及展望
    青島海洋發展網
    2021-07-13 00:09 | 閱讀次數:14100

    地球物理學是研究地球整體和其組成部分(包括大氣圈、水圈、地殼及其以下各部分)性質、狀態、結構,與其中所發生的各種物理過程的學科。地球物理學根據物理學的基本原理,利用觀測儀器來觀測各種地球物理場,采用地球物理正演和反演技術,揭示地球內部深不可及物質的物理性質和物理參數。地球物理探測可揭示各種地球物理場屬性的時空特征(如重力場、地磁場、地電場、地溫場和地震波場等),可應用于礦產資源勘探、防震減災、國防軍事和地球系統科學研究等領域。其中,“探測”包含了“觀測”、“測量”和“勘探”等含義。利用天然場源可獲得的地球物理特征,可展示大尺度地球的圈層結構、物質組分及其物理作用過程;而利用激發人工場源的地球物理特征,則能刻畫小尺度、更精細的地球圈層的信息。前者大多數歸屬于“地球物理觀測”和“大地測量”技術的范疇,而后者更多隸屬于“地球物理勘探”領域。本文提及的海洋地球物理探測,指探查海域的地球物理特征的理論、技術與方法。

    海洋約占地球面積70%,蘊涵豐富的水、生物、礦產和能源資源。系統地揭示海洋地球物理特征及時空變化規律,進而深入開展地球系統科學研究,必須依靠高精度、高分辨率地球物理探測數據支撐,這需要海洋地球物理探測高新技術的強力支持。與陸域地球物理探測及其研究工作相比,海洋地球物理探測的目標被海水覆蓋,具有無參照物,易受水文氣象等環境因素影響等特點,工作開展難度大。如今的“深?!碧綔y僅局限定于局部海域的洋殼和上地幔的巖石圈,因而,“深?!碧綔y技術水平不如“深地”探測。同樣,與我國航天技術、太空探測技術及其研究進展相比,“深?!碧綔y技術能力也不及“深空”探測。向地球深部進軍是解決地學重大戰略科技問題的突破口,是人類認識所居住地球的重要依據。因此,海洋地球物理探測技術方法及其應用研究的探索,任重而道遠。

    現今的海洋地球物理探測及研究已從陸地走向海洋,從淺海拓展到深遠海,同時進軍南北極,挑戰世界深淵。這不僅涉及大氣圈、水圈和巖石圈等“深空、深地和深?!钡榷嗳拥牡厍蛳到y科學研究,還與滿足國家戰略、國民經濟與國防建設、資源環境發展需求等多個領域密切相關。針對新時期海洋地質工作思路和工作領域轉變,海洋科技工作者面臨著海洋地球物理探測技術發展的挑戰。本文通過對國內外海洋地球物理發展現狀調研,需求分析,梳理現狀及其存在的問題,展望“十四五”期間我國海洋地球物理勘探的發展方向,以實現人類向地球深部進軍的目標和夢想。

    一、技術發展的態勢

    地球物理學的基礎是位場、波動物理學和電磁學等學科理論。位場理論包涵地球重力場、地磁場、溫度場、自然電場及直流電場,水深測量與地震測深涉及到了波動物理學,電磁探測則與電磁學密切相關。常規的海洋地球物理探測技術方法包括海底水深測量、海洋地震勘探、海洋重力測量、海洋磁力測量、海洋電磁探測、海底熱流探測和一些海底地球物理觀測等,它是多學科交叉和多技術手段融合的產物。其中一部分技術繼承了陸域的傳統地球物理探測工作原理和技術方法,通過海洋技術的水密封裝和防腐處理,結合海上工作特點,移植到海洋調查中;另一部分則來自海洋軍事技術轉化應用。例如,聲吶技術的發展,可追溯到第一次世界大戰時期船舶航行所需的導航技術;聲吶浮標技術來自反潛技術,而現代海洋磁測技術來自第二次世界大戰時期水雷中的“引信”技術等?,F今地球物理探測技術與海洋技術、計算機技術、高性能集成電路技術、大數據技術與人工智能技術等深度融合發展,進一步推動了海洋地球物理探測技術的創新與進步。

    ⒈海洋地球物理探測的發展歷史

    海洋地球物理探測技術的發展,與海上導航定位技術進步密切相關,后者是決定地球物理數據質量的重要影響因素。海上導航定位技術發展歷史可大致分為四個階段:

    ⑴傳統大地測量和天文測量階段:二戰之前,水面船只的導航定位技術方法主要采用天文定位、地物定位方法。例如,用六分儀測定陸上地形標志或航標,再根據幾何學原理標出航船的位置,其特點是操作簡便,但精度較差、工作效率低和作用距離近,而且還不適合用于走航式的海洋地球物理探測。

    ⑵無線電導航定位技術階段:二次大戰前后,無線電導航定位技術的誕生,促成了現代海上導航定位技術方法的初級階段。它利用船臺接收機和多個岸臺發射的無線電信號進行“雙曲線交會”(或“圓圓交會”)定位,其最大的導航定位有效距離遠達八百多公里,受氣象條件和環境限制,它僅適用于近岸區或大陸架海域,但可用于走航式的地球物理探測工作。

    ⑶衛星導航定位技術階段:20世紀60年代起,子午衛星技術應用到海上船只只能做“間斷”導航定位,但配備多普勒聲納、陀螺羅經和無線電定位等技術協同互補技術之后,可在海上連續作業,大大提高了船位測定的精度和工作效率,取得了良好的效果。20世紀80年代后,全球定位系統技術(GNSS)出現。該技術利用一組衛星的偽距、星歷、衛星發射時間等觀測值,在地球表面或近地空間的任何位置提供三維坐標和速度,以及時間信息的空基無線電導航定位系統,其特點是“全天候、實時和連續”的導航定位服務,可覆蓋全球海域,精度高達分米級。例如,美國的GPS系統有“21+3”個衛星所組成。截止2020年10月,中國北斗導航系統有55個衛星,這個系統目前還在發展之中。

    ⑷綜合導航定位技術階段:將全球導航定位系統、水下定位系統和慣導系統組合成綜合導航定位工作模式。其中,結合水面船只的全球定位數據,利用聲吶技術和水下聲學測量技術測定水下測量平臺相對水面母船的位置,可將水下探測系統的準確位置歸算到大地坐標系上。水下定位系統可分超短基線定位模式(USBL)、短基線定位模式(SBL)與長基線定位模式(LBL)。再結合慣導系統,可展示水下測量平臺的三維姿態信息,組成綜合導航定位工作模式,進而開展水下導航定位。其中,SBL模式在海上作業中已較少使用,而USBL模式的水下定位精度通常為斜距(水下平臺換能器與船底換能器之間的距離)的2‰,LBL模式水下定位精度可達分米級。在無線電導航定位技術階段中,海洋地球物理探測從濱海調查往外拓展到近海、大陸架,乃至深海海域。而在衛星導航定位技術應用之后,海洋地球物理探測實現了全天候、連續實時、和全球范圍內海域的信息采集,并且,導航定位精確度大幅提高。

    國外海洋地球物理探測工作可追溯到二十世紀三十年代,以美國哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測所第一任所長莫里斯·尤因(MauriceEwing)教授為代表先驅,率先開展大陸架海底地形地貌精細測量,并在墨西哥灣用人工震源開展海上地震調查[8]。英國劍橋大學的瓦因(VineFJ)和馬修斯(MatthewsDH.)用大洋的磁測資料識別出海底磁異常條帶,提出與之相關的海底擴張理論[9]。美國海洋地質學家瑪麗·薩普(MarieTharp)和布魯斯·希森(BruceHeezen)在收集整理海洋測深和地質資料基礎上,委托澳洲畫家海因里?!へ愄m(HeinrichBerann)于1977年繪制成“全球海底地形圖”,它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關聯,進一步推動了板塊構造學說,對整個地球科學的發展作出了重大的貢獻。這是地質思想上的突破,被稱為與“哥白尼革命”相比肩的一次偉大革命。1974年,為紀念加拿大地質學家威爾遜提出的“威爾遜旋回”(WilsonSwirled),指的是大陸巖石圈由崩裂開始、以裂谷為生長中心的雛形洋區漸次形成洋中脊,擴散出現洋盆進而成為大洋盆,而后大洋巖石圈向兩側的大陸巖石圈下俯沖(見俯沖作用)、消亡,洋殼進入地幔而重熔,從而洋盆縮小,或發生大陸漸次接近、碰撞,出現造山帶,遂拼合成陸的過程。

    我國海洋地球物理勘探始于新中國成立后的第一次海洋普查。1958年,原地質部、石油部和中國科學院海洋所組成了聯合海洋地震隊,以渤海為基地,向海洋進軍。進入20世紀60年代,海洋地震隊在中國近海大陸架地區系統開展了地球物理調查,包括海底重力觀測與船舷重力觀測、航空磁測與海洋磁測、反射地震多次覆蓋觀測和回聲測深;其后在七十和八十年代初期,由原國家海洋局和原地質部系統完成了黃海和東海大陸架、南海北部大陸架及中央海盆的第一輪地球物理調查,首次出版了1:100萬和1:200萬比例尺的地球物理基礎圖件。20世紀80年代初期,地質部南海地質調查局指揮部和美國哥倫比亞大學拉蒙特海洋研究所開展二度國際科學合作,在大陸架以外的深海海域完成了一些路線測量,實行了海上雙船地震擴展排列剖面(ESP)、雙船地震合成排列剖面(SAP)、地震聲吶浮標和48道24次疊加的多道地震、海底熱流探測[16]和海洋重、磁、水深測量等調查工作。南海地學研究的中美合作成果,是我國海洋地球物理探測及研究史上的一個里程碑,開啟了我國海域地球深部探測的新征程。

    ⒉國內外海洋地球物理探測的技術現狀

    世界上早期海洋地球物理探測技術主要以“重磁震”技術方法為主。例如:①第二次世界大戰之前,在美國南部墨西哥灣海域,美國科學家用人工震源開展海洋地震勘探;②海洋重力儀測量技術始于20世紀,荷蘭地球物理學家范寧·梅尼茲(F.A.VeningMeinsz)于1920年提出海洋擺儀理論,并制作出可消除干擾加速度影響的三擺儀。1920至1930年,他在分析所獲取的大量海洋重力資料中,發現在海溝處有明顯的負重力異常。1950年,其團隊相繼制造了可連續觀測的船載重力儀。至20世紀60年代中期,彈簧式儀器日臻完善,觀測精度提高,使用簡便,逐漸取代了擺儀;③海洋磁力測量技術始于20世紀初,在弱磁性的木帆船上,用磁通門磁力儀進行觀測。然而,因該技術方法精度低、效率低,故未能大規模普及與應用。1956年,海洋調查啟用了質子旋進磁力儀,又得益于其測量方法簡便、精度高、傳感器不用定向,從而得到發展和推廣。至20世紀50年代末,國外海上磁力測量蓬勃發展,當時航跡已遍布全球海域;④國外的海洋電磁探測技術發軔于20世紀60年代末,至1984年,已進行了包括MODE實驗在內的的海洋MT多項科學研究。⑤海底熱流探測始于二戰后的英國科學家在大西洋上科學考察,科學家們在海上用熱流探針測量發現海底的熱流密度值要遠高于陸地的熱流密度值。

    與國外一樣,我國海洋物探發展早期主要是“重磁震”技術階段。①海洋勘探初期,我國海洋工作者以“自力更生”的方式,解決了海上地球物理觀測儀器和工作方法。1959年,我國最早的海洋地震隊將陸地地震檢波器密封防水后沉放到海底接收地震波,用西安產24道光點地震儀來記錄地震振動。1965年,所在地南京的原地質部海洋地質研究所(搬遷湛江后,改名為“第二海洋地質調查大隊”)與上海的第一海洋地質調查大隊聯合攻關,采用酒石酸鉀鈉晶體制成壓電傳感器,再組裝成水聲器組,將其懸浮于海面之下7~8m的深度,接收TNT炸藥爆炸激發的反射波,工作中使用簡單連續觀測系統并在船只行進中觀測。此項工作在當年被國家科委列為重大成果之一;②海洋重力測量始于第二海洋地質調查大隊在北部灣的調查工作,此后與西安地質儀器廠和北京地質儀器廠等單位合作,用工業電視觀測海底重力場(精度0.5~1.0mGal);在1975年又合作試制的懸線重力儀,取得1.7mGal的觀測精度。前者效率低,后者工作效率得到了明顯改善。海底重力測量技術延續到1979年,直至被船載重力測量技術所取代;20世紀80年代,國家地震局和中科院測量與地球物理研究所,相繼成功研制斜拉彈簧式和直立彈簧式海洋重力儀;③我國早期的海洋磁測基于黃渤海的航空磁測,嚴格意義上的海洋磁測則始于20世紀70年代,北京地質儀器廠生產的CHHK??蘸俗有M磁力儀在空中和海中的地磁場總場測量推廣應用。作者在八十年代使用過的“磁法”探頭,是用環氧樹脂將玻璃鋼罐粘合封裝的,探頭與電纜之間的連接是用高壓膠布包扎,但包括芯片在內的電路板和器件均是國產的??上部少R的是,使用我國自行研制的萬米回聲測深儀、海洋重力儀和海洋磁力儀完成了我國首次(1984/1985年)南極考察的南大洋地球物理調查和航行安全保障任務。

    自20世紀80年代后,“巴黎統籌委員會”對我國海洋調查技術出口管控開始部分解禁,我國引進了一批具有國際先進技術水平的無線電導航定位系統、衛星導航定位系統、海洋質子旋進磁力儀,船載相對重力儀、以大容量電火花、氣槍和氣槍陣列為震源的海上多道地震勘探先進裝備(圖1)。新技術、新方法使我國海洋地球物理探測在技術方法研究水平朝西方國家先進水平靠攏,并在南海珠江口盆地油氣資源勘探上取得了重大的突破。八十年代中后期和九十年代,我國開展了太平洋海底多金屬結核調查和南極的科考,我國海洋地球物理探測走向全球海域。1994年起,我國首次引進型號為SEABEAM2112多波束測深系統,安裝在海洋四號調查船上,并于1995年5月在南海北部陸坡“北坡海山”附近首次開展了高精度全覆蓋海底地形地貌測量的試驗調查,該成果成為了“九五”期間啟動我國及經濟專屬區高精度海底地形地貌測量的技術示范,相關的技術方法研究是國家“九五”期間啟動的863計劃海洋技術領域的首批科研項目。我國開展海洋大地電磁測深研究起步較晚,1997年在遼河油田灘海區的MT研究是最早的研究成果。在海底地熱流原位探測技術方面,早期的中外合作項目均使用了國外設備并聯合采集數據,直至2004年,廣州海洋地質調查局首次在中國南海北部陸坡海域獨立開展了海底熱流數據的采集工作。

    圖1  常規的海洋地球物理探測的工作場景圖

    20世紀末以來,在國家高科技發展計劃(863)海洋技術領域資助下,具有自主知識產權的海洋地球物理探測高新技術不斷涌現。例如,海底大地電磁測深、小道距多道地震勘探系統、長排列大震源的地震勘探技術方法推廣應用研究,主動源高頻OBS研發與應用,被動源寬頻帶OBS研發與應用、海底熱流探測的系列技術和近海底高精度高分辨磁測等。我國自主研發海洋地球物理探測新技術方法,推動我國海洋地學研究水平不斷提高,與此同時,具有國際影響力的研究成果也越來越多。因此,海洋地學領域研究與礦產資源勘查取得的重要突破和成果,在很大程度得益于采用高新技術及各種高分辨、高性能、高精度探測儀器。

    ⒊石油工業的發展推動了海洋地球物理探測技術進步

    隨著海洋油氣資源需求的增加,全球油氣勘探開發投資規模日益擴大,海洋油氣勘探與開發從淺海向深海邁進。目前參與海洋油氣資源勘探的國家越來越多,海洋鉆井遍布世界各地,而海洋地球物理探測技術成為海洋油氣勘探中不可或缺的手段。在油氣資源勘探不同階段,針對勘探目標不同,遵循“物探工作,重磁先行”的原則,調整和更新海洋地球物理技術方法。在油氣勘探的初級階段,以重磁勘探和較稀疏的地震測網為主,開展區域性構造和盆地“探邊摸底”的研究,建立盆地的地層與沉積層序,劃分盆地構造單元,計算盆地的遠景資源量,做出是否繼續勘探的評價。在油氣勘探的詳勘階段,主要通過加密二維地震測線與三維地震勘探技術方法進行精查,結合海洋電磁探測,評價勘探區塊,鎖定有利圈閉,優選鉆探井位,獲得油氣藏發現。

    海上油氣勘探引領了現今海洋地球物理探測的主流技術發展方向,也導致了各種海洋地球物理手段在探測技術層面的不平衡發展。相比之下,那些屬于詳勘階段中需采用的探測技術則發展較快,尤其是海洋地震勘探技術的突出進步:從單純的縱波勘探向多波勘探發展,從淺水海域向深水區發展,從窄方位角勘探向寬方位角勘探發展,從常規二維向三/四維勘探發展。在地震資料處理技術方面,從疊后成像向疊前成像處理發展;從時間域向深度域發展;從各向同性向各向異性發展;從疊后地震反演向疊前彈性反演發展。為開展復雜地形地貌海域、深海和深層盆地的勘探需求,還開發了OBN技術、大容量震源和長排列拖纜的地震采集新方法。國內海上地震勘探的排列長度超過了10km。無論是在震源技術中的可變陣列震源的能量激發,還是在接收系統中的主頻帶控制,檢波器技術、道間距、排列長度和數字采集信號處理能力等技術組合均取得較強的突破,海洋地震勘探激發和接收技術越來越成熟。

    此外,海洋大地電磁測深和海底可控源電磁探測技術也得到迅速的發展;不僅突破了從無到有的局面,而且還被運用于海上油氣勘探項目之中。通過研究海底以下不同深度上介質導電性的分布規律,實現了解地下不同深度地質情況的目的。與海洋地震勘探與電磁探測技術相比,海上的位場勘探技術發展速度相對緩慢,但現今的海洋重磁測量在技術性能上不斷提高,尤其是在儀器研制國產化、重磁測量數據的誤差處理和融合處理領域,同樣取得了較大進步。在海底熱流測量方面,我國的海底熱流的原位探測技術實現了零的突破,形成了一批具有自主知識產權的研發技術;通過科技創新,不再局限于瞬態的海底地溫場探測與研究工作,而且也開始做非穩態的地溫場探測。我國自主研發海底熱流探測設備在海洋油氣與天然氣水合物資源勘探、基礎地質調查和深部探測研究中發揮了積極作用。

    海洋地球物理探測的技術進步也促進了海上導航定位技術發展。傳統的海洋地球物理探測以調查船作為科考平臺,相應的科學載荷主要是為母船配備的。但水面的全球導航定位系統、水下導航定位技術和慣導技術協同作業,加快了海洋地球物理探測的平臺多樣化建設發展步伐。船用直升機飛行平臺、萬米鎧裝光電復合電纜、船用絞車和多功能的甲板收放支撐裝置裝備成為先進海洋地質-地球物理科考船的標配,衛星、航空、船載、深潛器、深拖和海底觀測系統等多樣式調查平臺及科學載荷技術取得了新突破,構建“深空-深海-深地”立體探測系統的條件已經成熟(圖2)。

    圖2  海洋地球物理立體探測體系場景圖


    二、技術發展的需求

    探索海洋奧秘,認識浩海,是開發海洋的一個重要環節。早在公元前500年,古希臘海洋學者狄米斯·托克利在帆船時代就預言:“誰控制了海洋,誰就控制了一切”。在社會文明和科技高度發達的今天,人類的使命就是要科學地、合理地開發海洋,造福于人類。當今的海洋地球物理探測技術是海洋高新技術的一個重要“元素”,其技術發展程度不僅代表了國家科技發展水平,也是體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標志。海洋高新科技發展是以需求為導向的,而發展海洋地球物理探測技術不僅是國家戰略的需要,也是科學研究和技術發展的內需,更是時代發展的需求。

    我國擁有約19058km的大陸岸線,約16775.4km的島嶼岸線,約300萬km2的管轄海域面積。伴隨海洋強國戰略的實施,我國社會經濟已高度依賴向海經濟的發展,對海洋資源開發和國家權益維護等需求不斷增強。維護海域權益、海洋利益,和加強海防安全,現已成為國家海洋科學技術領域的重要問題。黨的十八大報告提出“提高海洋資源開發能力,發展海洋經濟,保護海洋生態環境,堅決維護國家海洋權益,建設海洋強國”的重點部署。這是黨中央正確把握國內外形勢和世界海洋經濟發展潮流,符合中國國情、海情的睿智決策。習近平總書記在2016年兩院院士大會上指出“深海蘊藏著地球上遠未認知和開發的寶藏,但要得到這些寶藏,就必須在深海探測、深海開發方面掌握關鍵技術”。在十九屆五中全會提出的“十四五”規劃和2035年遠景目標建議中,總書記再次強調要“強化國家戰略科技力量”,并把“深空、深地、深?!弊鳛樾枰闇实陌舜箢I域之一。因此,海洋科技發展可有效地支撐服務國家資源安全、生態文明建設和海洋強國戰略。這也是歷史賦予我們的使命。

    海洋是地球系統的重要組成部分,海洋系統的動力過程和演變規律在地球系統演化和全球變化中的關鍵作用逐漸得到認識,與地球科學其他學科的交叉融合成為海洋學科發展的新趨勢。其中的海洋地球物理探測涉及到了眾多的地球系統科學中的基礎地質內容。例如“跨越地質學和行星科學各自科學領域的界限”、“涉及永恒性的問題(如地球和生命起源)”和“與對人類福祉具有重要影響的現象存在聯系”。無論從時間尺度,還是從空間尺度角度來看,地球系統科學研究對地球物理場的信息需求越來越高。這不僅需要獲取高精度、高分辨率的海域地球物理探測信息,而且亟需高效率探測技術支撐。海洋學科面臨著前所未有的歷史機遇。海洋的開發和利用勢必依靠高科技推動,而海洋科技發展又迫切依賴海洋學科的建設與發展。因此,當今“信息時代”的海洋地球物理探測技術發展既要在傳統的海洋地球物理探測技術方法上做系統的技術升級,不斷地完善技術性能,又要積極拓展其它學科交叉和多種技術手段融合研究,科技創新,方可滿足日益增長的科學研究需求。

    從海洋地球物理探測的自身技術發展分析而言,現今探測平臺不再只局限于調查船,已經拓展到航天衛星、航空飛行器、深潛器和海底觀測等多樣式探測平臺。在這種多樣化的探測平臺中,既不可缺乏高性能傳感器技術發展,也離不開大數據和人工智能的技術支撐。如何增強各個海洋地球物理探測平臺的科考能力?如何合理配備高精度高分辨率的科學載荷?如何解決多源多場數據融合中的關鍵技術方法?如何有效地構建“空-天-海-潛”海域地球物理勘探的立體探測體系?這不僅是海洋高新技術發展的需要,更是未來時代發展的需要。


    三、技術發展的挑戰

    海洋地震勘探、海洋重力測量、海洋地磁測量、海洋大地電磁探測、海底熱流探測和地形地貌測量等海洋物探手段還可細分多種技術方法。在海洋地球物理探測技術發展現狀與需求分析兩者之間,存在著一定的差距。主要體現以下幾方面:

    ⒈與國家需求的差距

    隨著“一帶一路”戰略構想的提出,亟需從全球或大區域角度,發展高效率、高精度、高分辨率和大尺度的海洋地球物理探測技術。同時,未來的海洋調查將走向全球,涉及到遠離中國大陸的深遠海、南北兩極在內的極端環境、地形復雜的島礁區以及有爭議的政治敏感海域。針對特殊環境下的地球物理探測技術和遠程技術服務與支持等復雜問題,一方面要加速完善常規的海洋調查技術性能,加快技術升級和國產化的進程,積極開展科技創新,來適應新時期海洋調查和研究工作的需要;另一方面,則需加大力度開發無人機、無人艇和長航程的AUV等人工智能技術的探測平臺,開展集群式人工智能技術與調查船的協同調查的技術方法,為產出高效率、高精度和高分辨率的海洋地球物理調查數據提供技術保證。因此,發展多樣式探測平臺技術,拓寬探測領域,這是當下需求的勢必所在。

    海洋油氣和天然氣水合物資源的勘探,是國家能源戰略的安全保障,也是探索海底的最大經濟動力。隨著世界海洋能源資源的逐漸枯竭,海洋資源勘探區域從淺海轉移到深海、復雜地質構造的海域。針對我國深水、深層、復雜構造的地震資料精確成像、天然氣水合物勘探區的高分辨率成像等技術難題,最大限度地解決了地層分辨率和探測深度的矛盾,要堅持加速發展海洋地震勘探、海洋電磁探測和其它地球物理探測技術,重點發展海洋油氣和天然氣水合物資源勘探技術方法和相關理論的研究。同時,要開展海底地熱流探測技術和海底熱力學理論的應用研究,為海洋油氣和天然氣水合物成藏動力學研究提供技術支撐。

    ⒉與科學技術發展需求的差距

    在海洋科學研究及其相應的海洋地球物理探測技術發展水平上,我國與歐美發達國家之間還存在很大的差距。近幾十年來,在海洋技術和地球科學領域方面,由于我國加大海洋開發與基礎理論研究等方面的支持力度,并積極推動對外交流和合作,科學研究水平得到迅速的提高,探測技術在“引進、吸收、消化和創新”中發展提升,有些領域已達到世界先進水平,差距逐漸減小。在基礎科學研究方面,又因側重追蹤和研究國際海洋地學熱點和發展動向,缺乏科技和理論原始創新,在科學技術方面上尚無突破性成果,至今沒有提出過類似于“海底磁異常條帶”的重大發現,或“板塊擴張”之類被國際公認的重要學術觀點。在探測技術方面,盡管技術裝備的國產化進程取得了一定成效,但大多數關鍵技術裝備仍然依靠進口;或是在進口基礎上的二次開發,儀器裝備的穩定性與可靠性有待改進。其原因歸咎于在科學儀器裝備中的傳感器、芯片、聲吶、材料和設備制作工藝,與國外先進的相關技術之間存在較大差距,原始創新成分相對較低。例如,在海洋重力測量技術,國產的海洋重力剛剛商業化,其加速度傳感器的測量精度、零點偏移等核心技術指標不及國外同類設備。海洋磁測技術中總場測量傳感器,國產設備的測量分辨率、靈敏度、精度、梯度容忍度和穩定性與國外先進水平依然存在差距。海洋電磁探測與海上地震勘探設備中的許多傳感器技術、設計工藝和穩定性也有待提高。因此,必須加強傳感器技術開發,著力于技術創新。

    地球物理勘探技術自身的技術壁壘亟需解決。例如,在海洋地震勘探中,勘探技術中穿透能力和分辨率是一對技術矛盾。高分辨率地震剖面,其穿透能力受到限制;而穿透能力較深的地震勘探技術,其分辨率不高。在海洋重力測量和地磁測量中,距離場源近的探測方法雖測量精度高,但工作效率比較低;而遠離場源的探測方法雖工作效率較高,但測量精度低。例如,用USBL技術支持下的深拖地磁場測量,雖可獲得高分辨率磁異常特征信息,但其采集資料的工作效率很低,按2~2.5節速度計算,一天只能獲得80~90km的測量數據。若用調查船與單無人機協調作業的方式采集地磁資料,一天可采集完成約2000km測線長度信息的數據。水面和在海域的航空地磁測量的效率雖高,但所揭示的磁異常特征的分辨率相對較低。要克服自身的技術壁壘,解決這些問題,要開展方法創新,積極推進多學科交叉、多技術融合的技術方法研究。

    技術發展要適應科學研究的需求。地球系統科學正處于快速發展階段,多時空尺度、多學科交叉融合等研究工作不斷推進。目前地球物理探測所獲得的各種地球物理場信息,不只是局限應用于地球的圈層結構識別,而且還涉及到物質組分和流體活動性的研究。此外,一些前沿的地球系統科學研究需要深入認識地球科學的發展規律及成因機制,更好的探索符合地球科學發展規律,以此適應科學前沿和時代發展的共同需求。具體而言,要求地球物理探測信息不僅是多樣化和高精度,而且從空間和時間尺度上需要更豐富的、高品質的信息。例如,在空間分辨率方面,對于不同尺度的地球物理場研究,均要求采集具有較高空間分辨率的信息。這意味著需要更多的數據支持。在時間尺度方面,一方面是由于人類科學觀測地球物理場特征變化的歷史非常短暫,早期的觀測技術水平或觀測資料質量與現今相比差距很大;另一方面,在地球物理觀測過程中,精準的時間分辨率帶來較高的技術要求,缺少精準授時輔助系統的支持,觀測技術難以產出高質量的記錄信息。

    ⒊構建海洋立體探測體系需求的差距

    “深空”與“深?!笔侨祟惸壳啊安豢捎^測”區域,利用衛星、深潛器、海底觀測潛標和網絡等不同觀測平臺,使“深?!钡牡厍蛭锢硖綔y能力大為增強。我國的張衡電磁衛星,潛龍號AUV和蛟龍號HOV等載體、東海與南海海域的海底網絡等觀測平臺的投入使用,標志著在“空天海潛”不同觀測平臺建設已取得突破性的進展(如圖2所示)。因此,開展海洋地球物理探測,和“空天海潛”不同觀測平臺上的技術方法研究時機已經成熟,構建海洋地球物理探測技術的“空-天-海-潛”立體探測體系是技術發展的必然趨勢,這也是我國海洋科技工作者在科技創新中的歷史使命。

    由于不同觀測平臺的工作環境與技術資源受限,相應的科學載荷研發和應用研究存在著一定的局限性。例如,在航天和航空觀測平臺上,用于地球物理探測的科學載荷主要是“衛星測高”和“地磁測量”等儀器組成;其技術要求是:高精度、精細、小巧和低功耗等。而在深海觀測平臺上,相應的科學載荷的技術要求是:具備較好的耐壓防腐能力、高靈敏度、低功耗和高鐘控精度等特點。其中,作為“AUV”和“深拖”上的有效載荷主要是:“高分辨的地形地貌測量”、“淺地層剖面探測”和“地磁探測”等設備;作為海底觀測平臺上有效科學載荷,除“地震觀測”設備之外,又添加了“海底地磁場觀測”、“海底大地電磁探測”和“海底熱流觀測技術”等。在科學載荷技術方法和應用研究領域中,由于我國相關研發工作起步稍晚,與國外同類技術還存在一定差距。針對深海探測技術發展現狀,開展探測平臺及其科學載荷技術的科技創新、提高技術性能,并且要以適應科學前沿和時代發展的需求,充分利用“物聯網”和“區塊鏈”等信息技術,開展新技術、新方法的研究。

    ⒋海洋地球物理探測與信息技術融合的差距

    隨著現代科學技術發展與進步,人們通常用“信息充斥”、“信息爆炸”和“信息海洋”等語匯來表述現今的時代特征。我國已經開展了近六十年的海洋調查,與其他海洋學科一樣,海洋地球物理調查已取得海量數據,而多樣式觀測平臺正在源源不斷地產出地球物理探測信息,傳統的數據存儲、管理、分析和應用手段已不能滿足當今信息時代發展的需求,海洋科學的大數據時代已經到來。

    海洋地球物理探測技術與大數據、互聯網和人工智能技術等技術融合,可解決從“數據庫信息與實時采集數據”到“傳輸、存儲、管理、加工處理、共享、分析”過程中的一系列技術需求,它們正在改變著海洋科技工作的方式,逐步形成海洋智慧化高級形態[48]。由于海洋地球物理探測是認識海洋的主要科學手段之一,然而,相應大數據開發利用程度卻不高。如何從海上采集“重、磁、震、熱、電和水深”等海量數據,并從中發現知識、獲取信息,尋找隱藏在大數據中的模式、趨勢和相關性,揭示海底地球結構、組分和流體活動信息和發展規律,以及在資源勘探、國防軍事、防災減災和基礎研究領域,開發其潛在應用前景。這亟需新技術方法來開展深層次的信息挖掘,從中發現新認識,創造新價值。

    海洋地球物理探測的大數據(Bigdata)技術中的“數據獲取”主要來自“空-天-海-潛”海洋地球物理立體探測體系產出的數據,以及已有數據庫的信息?!皵祿鎯εc管理”指的是如何來管理復雜類型的多源、多場與多維的海量信息?!皵祿幚矸治觥笔峭ㄟ^虛擬化的技術,計算機能夠高效、安全完成數據信息的整合處理工作,它包括“數據挖掘”、“機器學習”、“批處理”和“流處理”等處理與分析方法?!拔锫摼W”是實現信息空間與物理空間的互聯互通?!霸朴嬎恪笔谴髷祿脚_中,分析應用方面的重要部分,也是處理技術的核心;它將太空、海面、水體和海底的多元化信息集成到一個海洋地理信息服務平臺(圖3)?!皡^塊鏈”是大數據平臺技術的安全保障,也是大數據技術中的信任基礎,在數據調用和交換方面體現出巨大的價值性?!叭斯ぶ悄堋笔茄芯?、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。它與大數據、云計算、物聯網和區塊鏈等信息技術融合發展,以其獨特的發展魅力吸引著人們不斷尋求技術突破和理念革新,將科學研究轉化為實際應用,并將對海洋地球物理探測及其相關研究產生著深刻的影響。

    圖3  四維海洋地球物理探測示意圖(以海底熱流探測為例)

    在大數據技術應用推廣中,亟需解決來自技術、管理、政策和科學研究需求等多個層面上的問題。而在數據獲取過程中,數據標準與質量控制的問題則較為突出。例如,多源數據中的異構性、數據量大小與分布不勻如何解決?數據準確性和可靠性如何來驗證?這些因素直接影響了數據挖掘、分析過程,易導致結果偏離。在數據挖掘的過程中,不但需要結合相應的數據庫和地理信息系統,還需綜合性的開發應用,智能化的分析與研判,科學性的決策預警。在人工智能技術開發和應用研究中,不僅是無人艇、水下機器人、船載垂起無人機和測控技術等方面得到發展和推廣,也在地球物理資料處理中得到廣泛地應用?;诤Q蟮厍蛭锢硖綔y的大數據,利用物聯網、云計算、區塊鏈和人工智能可實現海洋地學研究的智能化處理。這種海洋地球物理探測技術與信息技術中的多學科交叉、多技術融合是一種科技創新,更是當今信息時代中海洋領域的發展趨勢。人工智能亟需要解決從“弱”人工智能向“強”人工智能的轉變過程。又由于因果推理與模型理解處在初級階段,沒有足夠基礎數據能滿足模型訓練需求;而且,貼合產業發展要求、兼具統治位置的開源計算機框架尚未出現,能適用于各種領域應用場景的通用智能芯片還需要較長時間的探索。這些技術問題影響了人工智能的推廣應用。

    綜上所述,大數據技術早已滲入到我國的海洋地球物理探測與應用研究之中。海量的數據庫建立、GIS在海洋調查中推廣應用、浮標與海底觀測網絡及其信號的實時傳輸、在調查船上通過網絡將調查信息傳輸到陸地處理中心,利用AUV在深海近海底采集地球物理信息和人工智能在地球物理資料處理中應用等,這些技術都是以不同的視角,體現著大數據、物聯網、區塊鏈、云計算和人工智能技術在海洋地球物理探測領域中不同研究方向上的應用。必須指出的是,我國海洋地球物理探測的大數據技術及應用研究,依然處在起步階段,或許是處在技術突破的醞釀進程之中。因而,技術開發和應用研究,任重道遠。

    四、總結與展望

    自“九五”以來,在國家863計劃、國家重大儀器研發專項、國家自然科學基金科學儀器研發項目和行業基金的資助下,我國海洋地球物理探測技術方法的研究力度正在不斷加大。海洋地震勘探、海底地震觀測、海底電磁探測、海底熱流測量等一批海洋地球物理探測技術方法逐漸形成了獨特的優勢領域。隨著我國海洋科技人員對地球系統科學的深入研究,國家高速發展所需的海洋油氣與天然氣水合物資源供給保障,海洋地球物理探測工作更加注重對不同尺度的地球深部構造,與地球動力學研究的信息獲取。正因如此,海洋地球物理探測技術在海洋調查平臺、科學載荷和數據處理等研究層面,均得到長足的發展。但是,由于我國海洋地球物理探測工作起步較晚,在探測技術、方法研究和應用研究等方面與歐美國家之間還存在著明顯差距。

    面對國家、科技發展和時代發展的需要,對照國內外海洋地球物理探測進展及差距,分析存在問題及其原因,我國海洋地球物理探測技術方法的發展既要繼承,又要創新。以下是本文對未來的技術方法發展做以下幾點展望,在此拋磚引玉,以期打開相關研究領域的新局面。

    ⒈優化傳統的海洋地球物理勘探技術

    堅持發展傳統海洋地球物理勘探技術,加快技術裝備的國產化進程,加強研發傳感器技術和關鍵材料技術,重點開展與能源資源勘探密切有關的勘探技術裝備研發和推廣應用。其中,海洋地震勘探技術將從縱波勘探向多波勘探發展,從窄方位角勘探向寬方位角、全方位角勘探發展,從完善常規二維海上地震勘探,兼容三維、四維地震勘探。海底地層分辨率和探測深度的矛盾解決方法將取得巨大的進展。海底電磁探測技術將定點觀測和拖曳探測協調作業,揭示不同尺度的海底電性結構和流體活動的信息。海洋重力測量技術從原先相對測量方式為主導,拓展為絕對重力的測量技術;海洋地磁測量不再局限于地磁場總場測量,將拓展到海洋地磁場矢量觀測;海洋重-磁的梯度測量、張量測量技術將獲得突破,將使得傳統位場勘探技術在海洋調查中重新得到關注;海底熱流測量技術不局限于現今瞬態地溫場測量,將擴展到揭示海底非穩態地溫場時空變化特征,去研究海底深部傳導熱、對流熱的時空變化關系;從更深層次去研究熱力學與動力學相關的地球系統科學問題。

    ⒉加速并完善多樣式探測平臺的建設和科學載荷的研究

    堅持獨立自主,積極開展具有我國知識產權的海洋地球物理探測平臺的技術探索,拓展海洋地球物理探測的新領域。加大研發基于HOV、ROV和AUV等深潛探測平臺及其科學載荷的力度,基于此,在高分辨近海底地球物理探測成果將取得明顯的突破。另外,改善和提高不同時間尺度的海底定點觀測、臺陣觀測或海底觀測網絡等探測平臺中技術資源環境與輔助技術(包括布放與回收,求援,中途的數據監控-數據讀取-能量補充及設備運維等),使其早日成為深海海洋地球物理探測技術的常規手段,在海洋地球物理學研究中發揮積極作用。

    ⒊構建“空-天-海-潛”海洋地球物理立體探測體系

    不斷拓展海洋地球物理探測的空間領域,積極開展多學科交叉多技術融合的技術方法研究。由于各類海洋地球物理探測平臺,涉及海洋、空間、地震、地電、地磁、重力和地熱流等多個學科,每個領域的觀測物理量都有自己的特點和局限性。在分析研究多源多場探測信息的異同點的基礎上,發揮多手段優勢互補,將解決數據融合平臺中的模型、拼接、誤差分析等關鍵技術問題,構建海洋地球物理探測的“空-天-海-潛”立體探測體系。同時,多類技術的融合還能形成支撐大數據及其平臺開發的相關技術體系,從而進一步突破“重、磁、電、震和熱”多地球物理場不同屬性的地球物理數據聯合反演等關鍵技術,在地球系統科學研究和資源勘探等領域得到更廣泛的推廣應用。

    ⒋海洋地球物理探測技術與“大數據”和“人工智能”等技術深度融合

    海洋地球物理探測技術必將與“大數據技術”和“人工智能”等深度融合,進而得到全面的發展。是以,與海洋地球物理探測技術直接關聯的“大數據”及其平臺技術和“人工智能”技術水平將得到大幅提高?;凇按髷祿?,利用“物聯網”、“云計算”和“區塊鏈”等平臺技術,將人工智能技術應用于海洋科學研究領域中與地球物理學相關的學科的應用場景中去,為我國資源勘探、防災減災、國防軍事和海洋地球科學的基礎研究,帶來新機遇和新突破。

    本文來自《華南地震》(2021年第2期)

    【作者簡介】文/徐行,二級教授級高工,國家注冊測繪師。自1983年起就職于中國地質調查局廣州海洋地質調查局。主要從事海洋地質-地球物理調查技術方法、空間地球物理和地球動力學等研究工作。

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