深海油气勘探中的海底地形勘测技术

在简述船载多波束测深系统、三维地震、AUV搭载的多波束系统测量深水水深原理的基础上,利用实测数据,从勘测结果的分辨率、精度以及勘测成本方面比较了这三种深海油气海底地形勘测方式,并根据比较结果给出了在深海油气勘探的不同阶段海底地形勘探的方式。总体和初步勘探阶段可以使用效率和精度都较高的船载多波束和地震勘探,在大比例尺详查阶段,使用AUV搭载的多波束系统。这样,既能发挥各自的长处,又能使深海油气勘探经济有效的实施。     

水下激光扫描成像系统及其在冷泉研究中的应用

利用深潜器及其搭载光学设备获得重点调查区的高分辨率影像资料是深远海调查的重要内容,对于研究冷泉、热液等特殊海底环境及其生态系统的组成、空间规模、分布特征以及演化规律具有重要意义。主要介绍了搭载于"发现"ROV的4 500m级L1000型图像和激光扫描系统及其应用实例。利用该系统拍摄并带有位置信息的海底高清照片,首次获得了台西南冷泉区的高清全幅海底拼接图像,并根据该拼接图像对台西南冷泉区的海底特征、空间分布规律和规模进行了直观分析和量化研究,有效地提高了我国深远海近海底测绘的能力。     

JFR 海底热液区多波束声纳数据处理与分析

基于收集到的东太平洋海隆北段Juan de Fuca Ridge热液活动区的高精度多波束声纳数据,应用加权移动平均算法, 生成典型的高精度海底DTM;应用声纳图像处理技术,生成高分辨率海底声纳镶嵌图,并对其海底地形及海底声学图像进行 处理和分析。通过处理与分析,对JFR热液区海底地形地貌特征有了初步认识,对于我国大洋调查和海底热液区探测具有一 定的借鉴作用。     

高分辨率波束形成器在多波束测深系统中的应用

对于海底地形测量,基于FT波束形成的幅度检测法空间分辨率较低,只能较准确给出有限测点的水深信息;平坦海底前提下,分裂子阵检测法或多子阵检测法可以得到连续测点的水深信息,复杂海底地形条件下,这两种方法均难以应用。能否利用高分辨率波束形成器来提高测深系统的空间分辨率是一个值得研究的问题。使用ESPRIT波束形成器处理了多波束测深系统的试验数据,并就其性能与FT波束形成器进行了比较与分析。     

基于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉调查中的应用

随着海洋调查技术的发展和海洋研究的深入,基于深潜器平台的近海底调查在海洋调查与研究中的综合应用日趋常态。基于这一背景,本文介绍了搭载于"发现"号缆控水下机器人(remotely operatedvehicle,ROV)的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉区的应用实例。基于"发现"号ROV平台的近海底综合声学调查系统主要由R2Sonic2024多波束测深系统,模块一体化的侧扫声纳-浅地层剖面系统和水下综合定位与导航系统构成。该系统的配置极大地扩展和完善了"发现"号ROV的近海底调查能力,实现了近海底多波束、侧扫和浅剖等声学数据的同步采集和快速融合处理。基于本套系统在南海冷泉区的综合应用,本文对其工作流程进行了介绍,并对所获得一系列成果进行了初步分析。结果表明,近海底综合探测系统的应用为南海冷泉区的识别、海底地形地貌特征分析以及空间规模量化研究等内容提供了不可或缺的基础资料。本套系统的配置和成功应用,有效地提高了我国的近海底调查和作业能力。     

台湾岛西南海域福尔摩沙海脊冷泉区地形地貌特征分析

利用水深数据和ROV近海底影像资料,对福尔摩沙海脊冷泉区的海底地形地貌和冷泉系统的海底表征进行了描述和分析,并讨论了二者之间的响应关系。结果表明,相对于船载多波束数据而言,近海底多波束测深系统所获得的数据能更高精度地反映冷泉区海底地形地貌特征,是研究冷泉系统不可或缺的基础资料。基于ROV近海底观测影像资料,福尔摩沙海脊冷泉系统整体表现为局部被化能自养生物群落覆盖并有流体喷口零星分布的巨大自生碳酸盐岩岩丘,海底表征主要包括形态各异的自生碳酸盐岩结壳或岩体、化能自养生物群落、流体喷口、还原性沉积物等几种形式。研究表明,福尔摩沙海脊冷泉区的地形地貌特征与冷泉系统海底表征具有良好的响应关系,并且该区的地形地貌特征主要受控于出露于海底的自生碳酸盐岩的形态特征及规模。首次揭示了福尔摩沙海脊冷泉区地形地貌特征与其海底表征之间的响应关系,以期为后续的冷泉研究提供必要的背景资料支持。     

现代海底典型热液活动区地形环境特征分析

对现代海底热液活动区地形环境特征的分析有助于增进对现代热液活动及其矿产资源分布规律、热液活动成因机制等的了解.在冲绳海槽热液活动区实测水深资料的基础上,广泛收集了其他典型热液活动区的水深、多波束、地震剖面等资料,据此绘制出主要典型热液活动区的三维地形图.通过对典型热液区地形环境特征的系统分析和对比研究发现尽管现代海底热液活动广泛分布在大洋中脊、转换断层、弧后扩张盆地等各种不同的张性构造环境及现代海底火山活动区,但也仅出现在特殊的地形环境条件下.     

基于多源水深数据融合的海底高精度地形重建

本文在研究多源水深数据构建技术的基础上,分析了张力样条插值算法和“移去-恢复”法的多源水深数据融合处理技术,基于该方法选取实验区,利用多波束、单波束、历史海图等多源水深数据进行高精度海底地形融合试验,并针对多源水深融合技术缺少误差评估的现状,利用split-sample方法对融合结果进行水深不确定性评估,形成融合结果的可靠性空间分布。结果表明该方法无论是在数据稀疏区还是高密度区都达到了较好的融合效果,既保留了高分辨率水深数据的细节信息,又较真实的反映了研究区海底地形特征,且构建的海底地形精度可靠,误差百分比集中在0.5%。本文整套数据融合和结果评估方法可为多源水深数据融合的海底高精度地形构建提供借鉴和参考。     

冲绳海槽中部热液区地形复杂度研究

基于中国科学院海洋研究所“科学”号综合考察船在冲绳海槽中部热液区采集的高分辨率海底地形数据,建立地形复杂度综合分析模型,利用窗口序列分析法以及均值变点分析法,分析了冲绳海槽中部热液区的地形复杂度。结果发现,研究区内平均地形复杂度指数为1.74,热液活动区地形复杂度指数在1.4～3.2之间,热液活动区地形相对复杂。这为计算全球海底热液区地形复杂度和寻找热液活动区位置提供了新的思路。     

基于回波时间的多波束测深与声纳数据匹配方法

以多波束精确的水深数据为参照源,采用原始回波时间对多波束测深数据与其同源声纳数据进行匹配,从而获得高精度和高分辨率的海底影像数据,并避免了传统声纳图像处理过程中斜距改正所带来的几何形变。匹配结果采用光照图输出,并与三维水深图、原始声纳图像和CARIS处理后的声纳图像进行比较分析。该方法有效地提高了多波束数据的利用率,增强了对海底地形的探测分辨率。     

Fault inference and boundary recognition based on near-bottom magnetic data in the Longqi hydrothermal field

Near-bottom magnetic prospecting, which provides useful information to study shallow geological structures, is an efficient method for investigating active and inactive hydrothermal fields and researching the structure of hydrothermal systems. We collected near-bottom magnetic data in the Longqi hydrothermal area on the Southwest Indian Ridge using the Autonomous Benthic Explorer in 2007 and set up a processing system for magnetic data calibration. By removing the influence of terrain on magnetic anomalies and using the intensity of the spatial differential vector (ISDV) method, we inferred the presence of an N–S-trending fault and estimated its crush zone to be about 120 m wide and >2 km long along the known hydrothermal vents. This inferred fault is consistent with the precise topography mapped during the ABE 201 dive. The fault may be connected to a known detachment fault and form part of a hydrothermal channel. We delineated the hydrothermal alteration zone using the ISDV method and conclude that demagnetization was induced by hydrothermal alteration.     

基于长基线系统深海采矿ROV精确定位

对于深海采矿集矿机ROV的定位,采用传统的长基线水声定位系统通常存在较大误差。对此提出了一种新的算法模型,首先通过比较集矿机测量位置与前一次修正位置的几何关系,对当前集矿机的位置进行修正,然后利用新的集矿机位置修正声速的数值,并得出重新修正后的集矿机测量位置。这样反复的多重迭代使得在某一时刻集矿机ROV的测量位置逐步趋近其理想位置,实现长基线系统的水声精确的三维立体定位。通过数值仿真分析,结果显示与传统的长基线水声定位方法相比,通过该方法获得的集矿机行驶轨迹能更好地趋近其理想行驶曲线,表明该算法的有效性。     

复杂地形结构下瞬变电磁三维正演模拟

如何确定海底多金属硫化物的空间分布并对其进行资源量评价至关重要。瞬变电磁法是陆地金属矿床勘探的重要手段,但海底的崎岖地形、硫化物的复杂结构以及不稳定的近底观测条件为瞬变电磁在海洋中的应用提出了挑战。为验证瞬变电磁方法对热液区硫化物的勘探应用潜力,本文采用了有限元方法,结合大西洋洋中脊TAG热液区实测地形数据和硫化物深部剖面进行三维正演模拟,通过对比仪器在不同位置、姿态、离底高度的正演模拟结果发现:重叠回线探测装置在离底高度小于60 m时,可以有效探测到TAG丘体的高电导率异常。海底复杂地形以及仪器拖曳方式都会对二次场早期响应产生干扰,同时仪器姿态变化也会改变所探测到的响应,这表明,应结合研究区域的海底地形、仪器海底定位以及姿态数据才能更好的对实测瞬变电磁数据进行合理解释。     

Underwater Terrain Positioning Method Based on Least Squares Estimation for AUV

To achieve accurate positioning of autonomous underwater vehicles, an appropriate underwater terrain database storage format for underwater terrain-matching positioning is established using multi-beam data as underwater terrainmatching data. An underwater terrain interpolation error compensation method based on fractional Brownian motion is proposed for defects of normal terrain interpolation, and an underwater terrain-matching positioning method based on least squares estimation(LSE) is proposed for correlation analysis of topographic features. The Fisher method is introduced as a secondary criterion for pseudo localization appearing in a topographic features flat area, effectively reducing the impact of pseudo positioning points on matching accuracy and improving the positioning accuracy of terrain flat areas. Simulation experiments based on electronic chart and multi-beam sea trial data show that drift errors of an inertial navigation system can be corrected effectively using the proposed method. The positioning accuracy and practicality are high, satisfying the requirement of underwater accurate positioning.     

Underwater Terrain Positioning Method Based on Least Squares Estimation for AUV

To achieve accurate positioning of autonomous underwater vehicles, an appropriate underwater terrain database storage format for underwater terrain-matching positioning is established using multi-beam data as underwater terrain-matching data. An underwater terrain interpolation error compensation method based on fractional Brownian motion is proposed for defects of normal terrain interpolation, and an underwater terrain-matching positioning method based on least squares estimation (LSE) is proposed for correlation analysis of topographic features. The Fisher method is introduced as a secondary criterion for pseudo localization appearing in a topographic features flat area, effectively reducing the impact of pseudo positioning points on matching accuracy and improving the positioning accuracy of terrain flat areas. Simulation experiments based on electronic chart and multi-beam sea trial data show that drift errors of an inertial navigation system can be corrected effectively using the proposed method. The positioning accuracy and practicality are high, satisfying the requirement of underwater accurate positioning.     

海底观测网深水设备精准定点布放方法研究

海底观测网因其实时、长期、连续、高精度时钟同步及原位等优势而逐渐成为人类研究海洋的新型平台,建设规模和应用水深都在不断扩大。海底观测网系统建设中,深水设备的精准定点布放及湿插拔作业是施工的难点。针对国内海底观测网精准定位布放作业存在的困难和问题,结合国内现有施工条件,提出一种大深度海底设备精准定点布放安装方法,实现南海深海海底观测网试验系统深水设备精准定位布放与ROV湿插拔作业,对未来大规模海底观测网及其它深水工程中设备的精准定点布放和安装,具有参考和借鉴意义。     

软体动物腹足纲分类学研究进展——从近海到深海

随着科学技术的不断进步和研究的不断深入,我国关于海洋的研究已由浅海逐步向深海发展,不断取得新的发现和认知。自2014年4月起,中国科学院海洋研究所依托先进的"科学"号海洋科学综合考察船,搭载"发现"号水下机器人（remotelyoperated vehicle,ROV）,先后对冲绳海槽热液区、南海冷泉区、雅浦海山区以及马努斯热液区等深海区域进行了综合性科学考查,采集到了大量深海腹足纲（Gastropoda）标本,其中有一些为未经发现和描述的新种,极大地推动了我国关于深海软体动物物种多样性研究,实现了深海环境和软体动物资源的新认知。本文对近年来从深海采集到的腹足类标本进行了整理分类,对其中的11属13种进行描述,并对深海特殊环境中腹足纲物种多样性进行了总结,对中国软体动物腹足纲从近海至深海的分类现状进行研究论述。     

基于地形的海底热液区沉积物分布趋势预测方法研究

热液区沉积物接受了大量热液物质的输入,其矿物组成及地球化学空间分布特征是多金属硫化物勘探的有效指标。由于重力作用,洋中脊区域沉积物主要分布于低洼和平坦地形区。为了探索地形因素对热液区沉积物分布的影响规律,本文通过ArcGIS提出了一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布趋势预测方法,并对西南印度洋中脊龙角区地形数据进行了分析,包括沉积物重力搬运方向提取、沉积物汇集量估算、海底沟谷提取和沉积物源区划分。通过与研究区底质解译结果进行对比验证发现,预测结果与研究区内沉积物的实际分布范围较为吻合,表明本方法在一定程度上可以有效地指示地形影响下海底热液区沉积物的分布情况。本方法对海底硫化物矿产勘探工作具有一定指导意义,可为海底沉积物取样站位设置与海底硫化物成矿远景区圈定提供参考依据。     

Supervisory control system for the JASON ROV

A prototype supervisory control system for a remotely operated vehicle (ROV) is described and several key elements demonstrated in simulation and in-water tests. This system is specifically designed to fill the needs of JASON, a new ROV under development that will perform scientific tasks on the seafloor to depths of 6000 m. JASON will operate from the ARGO towed imaging platform, which is currently operational. Supervisory control is a paradigm for combined human and computer control. Several key elements of the supervisory control system are presented. These include the closed-loop positioning system based on a high-resolution acoustic navigation system, a monitoring capability for assessing performance and detecting undesirable changes, and an interface that allows the human operator and the computer system to specify the desired vehicle trajectory jointly.     

深海遥控潜水器多体系统非线性耦合动力特性模拟

建立带缆遥控潜水器(TROV)系统空间运动模型,探讨支持船-吊缆-中际站-脐带缆-潜水器多体之间的强非线性耦合运动机理。潜器的运动考虑为六自由度,缆索分段的三维动态方程中采用了"凝集参数"模型与平均切向量非线性流体动力载荷处理技术,通过计算非均匀缆索的动张力和瞬态构型,预报导致脐带缆保护层及其内部光电传输芯线结构破坏的巨大瞬间突变载荷,对避免谐振,延长缆索寿命和最大限度地扩大ROV系统安全操作的范围,确保潜水器安全入坞和回收,节约试验费,避免作业事故都具有重要意义。