海底沉积物孔隙压力原位长期观测技术回顾和展望

海底沉积物孔隙压力对海底地质灾害过程反应敏感,是表征海床稳定性的一个重要指标,通过海底沉积物的孔隙压力观测可以判断海床的稳定状态,对于海底地质灾害预测预警具有重要意义。海底沉积物孔隙压力观测存在(1)超高背景压力下的高精度测量;(2)贯入过程传感器超量程破坏;(3)系统长期供电及传感器漂移;(4)深海海底布放和回收等技术难点。国际上海底孔隙压力观测技术从20世纪60年代开始发展,逐渐形成了系列核心监测技术和成熟的商业化设备产品。挪威岩土工程研究所NGI与美国伊利诺伊大学共同研发的NGI-Illinois压差式孔隙压力观测系统,是已知最早的海底沉积物孔隙压力观测设备。此后,美国地质调查局USGS、美国桑迪亚国家实验室、英国牛津大学等相继研发了不同结构的观测设备,覆盖浅海到深海。其中,英国海洋科学研究所研发成功的深海孔隙压力原位长期观测设备PUPPI是一个重要的历史节点,该设备能够在6 000 m水深的环境中连续运行一年,成为当时最成功的海底孔隙压力观测设备,其现代化的设备结构和设计理念被后续的观测设备广为借鉴。21世纪以来,得益于海洋科学技术的整体进步,国际孔隙压力观测技术发展呈现加速趋势。法国海洋开发研究院IFREMER研发的Piezometer系列孔隙压力观测探杆,代表了当今世界的先进水平,可能是目前应用次数最多的海底孔隙压力观测设备。我国在深海探测、观测技术领域起步较晚,在深海沉积物孔隙压力原位长期观测技术方面几乎空白,发展很不成熟。其中,中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所等单位进行了较多的探索性研发工作。近年来,以港珠澳大桥建设、南海天然气水合物试采等为标志的大批国家级海洋建设项目如火如荼,深海油气矿产资源开发、深海天然气水合物开采利用等海洋新兴产业快速起步,深海孔隙压力原位长期监测关键核心技术等“卡脖子”问题仍然突出,严重制约了我国海洋工程产业发展的步伐。因此,迫切需要发展具有自主知识产权和关键核心技术的国产深海沉积物孔隙压力原位长期监测技术。本文回顾了国际、国内海底孔隙压力观测技术的相关研究进展,旨在分析总结孔隙压力观测技术及其应用中涉及的一些核心技术和亟待解决的关键问题,以期为我国该项技术的发展和应用提供借鉴。     

海底滑坡链式灾害研究进展

我国海洋能源开发已步入深远海域,面临的深海地质灾害问题也日益凸显,尤以海底滑坡最为典型,一旦发生将会形成链式灾害,严重危害水下基础设施的安全。本文聚焦“滑坡形成→运动演化→冲击设施”这一链式灾害过程,首先梳理了不同触发因素作用下海底滑坡的形成机制,进而论述了海底滑坡的运动过程及不同演化阶段的判识标准,分析了滑坡运动演化过程中环境水与土体的耦合作用机理,提出了适用于中小尺度运动演化过程的流固耦合分析方法,并探讨了当前海底滑坡运动演化过程试验模拟技术和原位监测手段的适用范畴与技术瓶颈;进一步地,针对滑坡冲击海底管缆等水下基础设施问题,评析了海底滑坡冲击效应的量化评估方法和研究手段。最后,指出当前海底滑坡链式灾害研究存在的不足和未来的发展方向,以期为海底滑坡地质灾害链的模拟、预测和预警等提供重要参考。     

基于“3S”技术的地质灾害监测预警系统在我国应用现状

中国具有地质构造复杂,地貌类型多样,山区面积比例高等特点。近年来,在全球气候变化背景下,大量重大工程建设、不合理的资源开发和人类活动,导致各类地质灾害频发,严重影响了民生改善和小康社会建设进程,为地质灾害风险管控带来了挑战。开展地质灾害监测预警研究,能够为灾害风险管控、监测预警、防治减灾工作提供重要的科学依据。本文由中国地质灾害监测预警研究入手,着重分析讨论了我国地质灾害发育概况、监测预警既有成果和研究现状。然后从地质灾害监测预警的主要内容、主要技术方法和主要监测预警模型的发展和现状三个方面,讨论了"3S"技术在地质灾害监测预警中的研究现状和实践应用;最后详细讨论了目前基于"3S"技术的地质灾害监测预警平台在三峡库区和国家防灾减灾工作中的应用情况。本文最终结论认为,"3S"技术的地质灾害监测预警系统在各行业防灾减灾工作中的应用已日趋成熟,未来的地质灾害监测预警系统将以"3S"技术为基础,集观测、研究、风险评估、预报预警、预防治理为一体,有机结合各相关学科和大数据、人工智能、互联网+技术,通过对地质灾害的过程进行仿真模拟,分析诱发灾害的因素和发生强度,提高地质灾害预报的时间、地点、发生强度的准确性。     

GPRS技术及其在地质灾害监测中的应用

我国是地质灾害多发地区。地质灾害的监测是地质灾害防治的一个重要环节。然而现场监测往往会危及工作人员的生命安全。根据目前的技术状况,利用网络通讯,研究及开发地质灾害远程实时遥控、遥测与数据双向传输已成为可能。这项新技术不仅使灾害监测的管理者、决策者与专家随时观察灾害现场监测参数变化,而且通过监测网络,将处理意见反馈到监测站,对实时观测灾害现场动态提供重要的技术支持。将GPRS技术应用到地质灾害的监测中,可以很好地实现地质灾害的远程自动化监测。从而为地质灾害的防治、预警开辟一条新思路。文章阐述了GPRS技术,并对GPRS技术在地质灾害监测中的应用进行了探讨。     

大鹏湾海洋地质环境与地质灾害综合分析

广州海洋地质调查局在大鹏湾深圳海域开展了海洋地质环境与地质灾害综合调查研究。笔者根据调查所取得的海水化学、海底表层沉积物和海底工程地质条件(包括潜在地质灾害)等方面的资料，结合实测的海底地形地貌背景，对大鹏湾海域的海洋地质环境进行了单因子评价和多因子综合评价，认为大鹏湾的海洋地质环境总体呈良好状况，并对大鹏湾的海洋开发工程建设提出了有益建议。     

复杂深海工程地质原位长期监测系统研发与应用

海底滑坡、浊流等深海底地质灾害严重威胁海洋工程安全,是国家深海开发亟待解决的风险问题。为避免深海海底地质灾害对海底工程造成危害,解决深海海底地质灾害监测预警的难题,我们研发了一套复杂深海工程地质原位长期监测系统。该系统通过声学、电阻率、超孔隙水压力等方法监测深海海底沉积物的物理力学性质变化,实现了对深海海底地质灾害的监测和预警。该系统主要包括海床基搭载平台、监测系统、通信控制系统、供电系统等。其中监测系统主要通过原位长期监测海底沉积物的电阻率、声学、超孔隙水压力等的变化来获取海底沉积物的物理力学性质变化;通信控制系统可以实现海底到海面,再到陆地的双向通信和数据传输。其中供电系统通过独特设计的海水电池工艺,可以满足该系统在海底长期工作一年的电量需求。复杂深海工程地质原位长期监测系统已完成了近海测试,并搭载“海洋地质六号”“东方红三号” “张謇号”等科考船在南海进行了多次远海海试,获取了丰富的实测数据。电阻率监测系统采用温纳法滚动测量,测得的水土界面位置平均电阻率为0.207 Ω·m。超孔隙水压力监测系统采用开放式结构的压差式光纤光栅孔压测量方法,监测到孔压观测的4个标志性阶段:(1)贯入过程引起的超孔隙水压力累计,峰值为34.942 kPa,历时0.182 h;(2)贯入完成后累积的超孔隙水压力衰减,衰减到9.973 kPa,历时为0.810 h;(3)环境应力引起的超孔隙水压力实时响应,超孔隙水压力的变化范围为8.327~14.384 kPa;(4)残余孔隙水压力平均值为11.150 kPa。声学监测系统采用两个一发三收模式,测量的海水平均声速为1 533 m/s,测量的海底沉积物自上而下的平均声速依次为1 586、1 587、1 784、1 735、1 831 m/s。复杂深海工程地质原位长期监测系统的成功研制将显著提升目前海洋工程地质原位长期观测的技术能力,解决复杂深海工程地质评价及地质灾害监测预警的技术难题。     

地灾监测预警传感器网络

我国地质环境复杂,地质灾害频发。近年来发生的比较严重的地质灾害有甘肃舟曲特大泥石流灾害、汶川地震灾区特大泥石流灾害等。灾难到来时,城镇被瞬间淹没,无数鲜活的生命顷刻消失,财产损失更是无法计算。为了及时获取临灾信息,有效避免人员伤亡和财产损失,我国采取了多种有效的措施,如建立群测群防体系、开展汛期巡查、排查灾害隐患点、对重大灾害隐患点实行监测等措施。但很多措施仍沿用人工方式,存在数据收集不及时,信息覆盖面不足等缺点,为了有效避免伤亡,还应加强地质灾害监测预警传感器网络（物联网）技术的研究应用,全面建立地质灾害高易发区滑坡泥石流实时监测系统。为了让读者进一步了解该项技术的有关知识,本刊特意邀请专家撰写文章。     

基于权变理论的滑坡灾害监测预报思路探讨

文章简要评述了地质灾害基础理论与应用技术发展现状、滑坡灾害多种监测预报判据的利弊。利用综合信息处理决策方法,提出了基于权变理论的滑坡灾害监测预报新思路。分析了滑坡成灾的权变特征、环境因素和决策因素,建立了滑坡灾害预报决策概念模型。进一步探讨了在预报决策中应遵循的动态性及满意性原则,为提高地质灾害监测预报理论的科学性提供了新的理论依据与技术途径。     

海洋浮游生物原位观测技术研究进展

原位观测技术在生物海洋学过程研究中的应用,从海洋生物多样性、海洋生物的生理生态响应和宏观的生态过程及其变动机制等方向的研究中得到迅速的发展,极大提高了对海洋生物学、生态学以及不同时空尺度生物地球化学过程的认识.包括原位光学检测技术、水下显微摄像与自动化鉴定技术、水下流式细胞技术、分子生物传感器等新型原位观测技术,拓宽了各类型观测平台的研究对象范围.重点阐述生物海洋学原位观测技术的发展现状、应用实例及其在立体海洋观测系统中的应用前景.     

海洋地质灾害灾情评估进展与方法

对海洋地质灾害进行评估意义重大,但目前对海洋地质灾害灾情评估的研究有待加强。已有研究方法通过建立评估指标体系,运用系统工程理论和层次分析方法,确定灾情等级,为减灾防灾提供依据。灾情评估模型有助于快速地进行灾情评估。本文认为,应该加强对海洋地质灾害的基础性研究工作,包括灾害的成因机制、分布规律、发展趋势、致灾因素、危害程度、预防措施等方面。     

基于新一代信息技术的地质灾害监测预警系统建设

地质灾害监测预警是提升主动应对地质灾害能力的重要手段,特别是对于我国西部地区,地质灾害正随着工程建设和资源开发而日益加剧.但受经济发展等因素制约,能实施工程治理的只是少数,更多的是需要利用合理的监测技术进行科学预防.本文从构建地质灾害实时监测预警系统的主要关键技术入手,通过总结新一代信息技术的主要特征,分别提出了基于物联网、新一代移动通信、云计算等技术解决监测数据采集、远程无线传输、结构优化与集成,以及关键信息快速挖掘的思路和方法.在此基础上,研发了基于新一代信息技术的地质灾害实时监测预警系统,并选取了贵州省开阳县龙井湾滑坡进行应用,结果表明该技术方法可行,系统具备一定的可靠性,能为减灾防灾决策提供一定的技术支撑.     

海洋工程地质进展——国际海洋工程地质学术研讨会（ISMEG 2016）总结

2016年10月20~24日,国际海洋工程地质学术研讨会（ISMEG 2016）在中国青岛顺利召开。本次研讨会是在国际工程地质与环境协会（IAEG）架构下,由海洋工程地质委员会（C34）主办的第一届全球规模的海洋工程地质学术研讨会。研讨会的主题为“海洋工程地质与地质灾害防护”,设置了海洋沉积物工程特性、海洋地质灾害、海岸带工程地质、海洋工程地质勘察技术和数据分析、海洋沉积物-工程结构相互作用、海洋新能源开发过程中的工程地质问题等6个专题。研讨会共设13个会议特邀报告、57个专题口头报告、15个优秀展板报告,还安排了会前短期课程、会后考察等会议内容,为全球海洋工程地质工作者搭建了一个交流学术思想、分享科研进展、促进全球合作的平台。研讨会在中国召开,体现了我国在国际海洋工程地质界的学术地位与号召力。总体而言,我国以及世界海洋工程地质发展迅速,但仍处于初期阶段。我国的海洋工程地质研究应顺应国家战略需求,着力解决海洋工程建设中遇到的新问题。     

基于ANP的模糊贝叶斯网络模型及其在海岸带地质灾害风险评价中的应用

海岸带位于海陆交互地带,其独特的地理、地质和环境条件导致其灾害地质现象发育,地质灾害易发性和危险性高。考虑到海岸带的重要经济和社会属性,开展海岸带的地质灾害风险评价显得极为重要。本文首先建立了基于模糊贝叶斯网络的地质灾害风险评价模型,结合网络层次分析法(ANP)确定模糊贝叶斯网络的条件概率,并简化了贝叶斯网络的结构图谱。在此基础上,以辽东半岛东部海岸带作为研究区,以崩塌、滑坡、地面塌陷、海岸侵蚀和海水入侵等5个主要地质灾害类型作为评价对象,开展了基于ANP-模糊贝叶斯网络模型的地质灾害易发性、危险性和风险性评价,并编制了综合地质灾害风险分布图;结果显示,区内高、较高风险区主要分布于研究区的西南部海岸带,面积为249km2,约占全区面积的9.1%。研究成果可为海岸带国土资源开发、经济建设规划、防灾减灾救灾等提供重要参考,对同类地区的海岸带地质灾害风险评价具有一定借鉴意义。     

基于智能手机的地质灾害群测群防终端

群测群防作为一种有效的地质灾害监测预警手段愈发受到重视,针对目前我国地质灾害群测群防工作存在的监测信息逐级传递不及时、信息失真等弊端,提出了一种基于智能手机的地质灾害群测群防监测系统的设计方法及实现技术。分析了Android系统的Socket无线通信API和位于不同内网节点进行双向通信的条件,设计了基于智能手机的群测群防终端软件架构,采用GPRS无线通信技术,以公网服务器作为信息转发端,设计了基于TCP协议的信息转发机制,实现了智能手机终端-公网服务器-内网PC（监测平台）的3级通信,保证了监测信息的安全性和稳定性。同时对于通信过程控制,在应用层设计了良好的通信机制和数据封装机制,能够大大减少数据传输量和数据传输时间,提高通信效率。实际应用表明:无论是GPRS移动通信还是VPN网络通信,系统能够实现地质灾害群测群防信息的便捷录入与高效稳定传输。     

我国海洋地质分析测试技术

21世纪是海洋开发和利用的新世纪,随着国家对海洋地质调查工作的日益重视,海洋地质分析测试技术迎来了快速发展时期。本文对我国海洋地质分析测试技术的最新进展进行了简要评述:为满足海洋区域调查、海岸带地质调查的需要,建立了以大型分析仪器为主的多元素同时分析海洋地质样品的快速高效分析方法体系;针对新能源天然气水合物样品,开展了异常识别测试技术和应用测试技术研究,建立了用离子色谱法快速测定孔隙水中阴离子Cl^-、Br^-、SO₄^2-和阳离子Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺ 的方法,开发出了以声学、电阻、时域反射(Time Domain Reflectometry, 简称为TDR)三种探测技术为主的适用于天然气水合物模拟实验的探测新技术;对于海洋沉积物中有机污染物样品,采用复合固相萃取净化柱,对海洋沉积物萃取液样品进行净化分离,依次选用正己烷和正己烷－二氯甲烷混合液淋洗固相萃取净化柱,可有效保留基体杂质,实现了海洋环境地质调查中基质复杂沉积物样品的同时净化、分离与测试,可显著提高实验效率;同时在大洋矿产样品分析技术、海洋地质标准物质研制、船载与原位化学探测技术等方面也取得了重要进展。本文还提出在海洋调查和监测的应用中,船载及原位测试技术将愈趋重要,加强海洋化学传感器的性能和检测集成化技术是今后的一个重要发展方向。     

珠江三角洲近岸海洋地质环境与地质灾害调查主要进展及成果

通过遥感、水文和水化学、综合物探、地质取样、钻探以及静力触探等多种调查手段与方法,首次在我国重点经济区——珠江三角洲的近岸开展了1∶10万比例尺海洋地质环境与地质灾害综合调查,对调查区水域的海水化学要素、环境质量、水动力、地形地貌、沉积物、浅地层结构、潜在地质灾害以及海底工程地质条件进行了综合分析与研究,对海洋地质环境进行了综合评价与预警,并对该区海洋开发和工程建设提出了建议。     

深海甲烷电化学原位长期监测技术及其在海洋环境调查和天然气水合物勘探中的意义

深海溶解甲烷浓度数据连续获取的方法技术,对于海洋环境和天然气水合物开发过程中甲烷扩散作用及通量的动态监测,具有重要的科学意义和实际应用价值。本文较详细地介绍了依据"海水脱气、气体样品定量输入、电化学高精度检测"技术思路,采用"增压排液整机系统控制的海水循环、减压稳流、气液分离、烃类组分高精度检测技术改进"方法,研发"深海甲烷电化学原位长期监测技术"的关键环节和技术方法。结合原位传感器在胶州湾港口为期94天底水长期监测实验获取的数据成果,对原位传感器的技术性能、数据质量、地质效果进行了研究评价。结果表明:(1)原位传感器量程甲烷指标达到0.01～10 000 nmol/L,灵敏度达到0.01 nmol/L,对烃类组分检测具有较好的稳定性和选择性;(2)监测水域溶解甲烷数值范围19.01～106.87 nmol/L,正常甲烷背景32.41 nmol/L,局部异常甲烷背景80.60 nmol/L,资料显示异常与污水排放过程对海水环境污染有关;(3)实测甲烷数据成果地球化学特征与胶州湾海域海水环境以往调查研究成果符合,证明了实测数据的客观性和科学性;(4)海试监测试验成果证明,原位传感器测试性能可靠、结构设计合理、设计思路科学,基本具备了海洋科学调查中对海水甲烷浓度数据获取的能力,在未来海洋天然气水合物开发过程中对甲烷扩散作用的动态监测及深海甲烷浓度通量的长期监测中,具有实际应用价值和科学意义。     

我国第四纪地质科学应用的新领域——海底光缆工程路由勘察

文章介绍了第四纪地质学的一个新的应用领域--海底光缆工程路由勘察.该项勘察是在全球经济发展,人类从工业化向信息化社会转变,信息化基础建设蓬勃兴起的时代出现并逐步完善的一个新的海洋工程领域.海底光缆建设在国内外得到迅速发展.我国修建的国内外海底光缆已达20余条.海底光缆工程路由勘察与第四纪地质学关系密切.海洋第四纪地质现象是它进行勘察和研究的主要内容.海底光缆路由勘察使用先进的仪器设备,采集的是数字化信息,能快速准确的成图.该图反映路由区海底所有的自然环境特征.勘察融汇了现代化的高新技术,拓宽了第四纪研究的领域,推动了第四纪地质学的发展.