基于剖面声呐的海底微地貌观测研究*

海底地貌是海水覆盖下的固体地球表面形态的总称。海底地貌巨变往往与海底地质灾害息息相关,会对海底管线和海上平台等海洋工程设施造成危害,因而对海底地貌进行原位观测具有重要意义。本研究基于前人研究成果和团队常年自主研发仪器经验,研制出了剖面声呐海底微地貌原位观测系统,详细介绍了观测系统的组成、功能、工作原理和工作模式,并提出了观测数据的处理分析方法;然后,使用观测系统进行了标志物检验实验,通过将观测系统测量数据与其他设备测量数据相对比,验证了观测系统的可行性和数据准确性;最后,使用观测系统在舟山海域朱家尖滑坡区进行原位观测,进一步验证了观测系统的可行性。观测结果进一步表明剖面声呐观测系统可以用于海底微地貌的观测研究。     

海洋拖曳式γ能谱仪在渤海的应用

为了加快我国海洋矿产资源勘探与开发, 研制了中国第一台海底拖曳式多道γ射线能谱仪, 并在渤海地区进行了初次用于勘查油气田的测量试验, 结果表明: 仪器可以在现场测量海底沉积物、岩石等的天然放射性核素铀、钍、钾(40K) 的含量, 在已知油气田上方放射性核素的含量出现相对低值异常, 本方法具有现场、快速和经济的特点.      

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。     

固体潮理论值计算及其应用

引言日、月引力对海水作用形成海洋潮汐,这是众所周知的,但是它对陆地上固体物质的作用只是近几十年才引起人们的注意。随着各种观测仪器(重力仪、地倾斜仪等)的灵敏度不断提高,固体潮的作用越来越显得重要。在进行重力静态观测、重力流动测量、地形变测量、地下水位观测以及有关仪器研制等方面,都需要考虑到固体潮的影响。     

大湾区珠江口海上高密度电法探测

海域环境对高密度电阻率法在仪器设备、测量技术和反演解译等方面提出了更高要求,开展海上高密度电法的数值模拟和实测研究将进一步丰富近岸海域地质、资源和环境等问题的勘查手段.基于数值模拟和野外实测,深入研究了偶极-偶极、温纳、斯贝等不同装置对近岸海域典型地电模型的分辨能力和空间定位效果,并详细分析了海水导电性的影响,最后在珠江口伶仃洋海域开展了国内首次2条长剖面的实际测量.结果表明海水电导率对不同测量装置在探测深度和精度方面存在差异化影响,井中电缆利用浮力材料固定后,进行水面拖缆式偶极-偶极测量能大幅降低海底沉缆式测量的施工风险,实现复杂海域环境下高密度电法探测效果、深度与效率的优化折中.      

全拖曳式深海直流电阻率法三维任意各向异性正演模拟

高精度、高效率的深海勘探是当前国家海洋资源勘探开发的研究热点之一,设计观测效率高、勘探成本低的探测方式,开发可精确计算海底复杂电性环境的正演模拟算法有助于推进该研究的进展。本文基于前人的研究经验,引入了全拖曳式深海直流电阻率观测方式,同时考虑到海底沉积环境的电各向异性,开发了基于非结构有限元方法的三维任意各向异性深海直流电阻率正演算法,实现了对海底任意电各向异性情况的仿真模拟。本文算法与层状一维模型半解析解的对比验证了算法的精度。对典型各向异性电性模型的仿真模拟和分析,证明了全拖曳式深海探测方式对海底沉积层和矿产资源电各向异性的高分辨率。在此基础上,总结了电导率各向异性主轴沿笛卡尔坐标旋转时视电阻率分布也发生同方向旋转的视电阻率分布特征,并根据海底地形对各向异性探测的影响进行了简单探讨。     

MicrOBEM:小型海底电磁接收机

海底电磁接收机主要用于海底大地电磁与可控源电磁信号高精度观测。针对现有海底电磁接收机(OBEM-Ⅲ型)体积大、功耗大、成本高等不足,开展了小型化、低功耗、低成本方面的技术研究。MicrOBEM小型海底电磁接收机开发了新的低功耗控制单元、低功耗前置放大器,配置了低功耗磁通门传感器,采取先进的电源管理技术,使得整机功耗由现有海底电磁接收机(OBEM-Ⅲ型)的1 600 mW下降至500 mW(搭载感应式磁传感器配置)以内。针对传统的声学释放器昂贵、笨重(需要匹配更多的浮力材料)等问题,通过集成水声通讯模块,并增加外置的电腐蚀释放装置方式实现释放回收,MicrOBEM仅需一个直径为17 in(1 in=2.54 cm)的玻璃浮球作为浮体,大幅降低仪器的体积和硬件成本,提升了设备的集成度和作业效率。MicrOBEM的体积(不含测量臂等)相比OBEM-Ⅲ减少3/4,功耗减少2/3,成本降低1/2,并于2021年3月在南海南部开展了深水大地电磁试验,其大地电磁测量功能得到初步验证,具有小体积、低功耗、低成本的优势。     

深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

海底电磁接收机陆地测试方法

海洋可控源电磁法已成为海底油气资源勘查中重要的地球物理方法之一,海底接收机作为重要的海上装备,其性能对勘探效果具有决定作用,因此有必要对接收机的各项性能进行详细摸底。新研制的接收机在进行海上作业之前,需要先进行一系列对比测试,以检验其应用效果和可靠性。由于海上对比测试工作成本高、难度大,故设计了一套陆地条件下的对比测试方案,借助现有陆地MT观测系统对新研制的海底电磁接收机进行对比测试,主要完成了仪器通道间一致性、仪器间的一致性以及测量结果重复性三项测试工作。对测试数据进行了分析处理,获得的结果可以为海底电磁接收机的性能评价提供依据。     

海洋科学研究15年回顾与展望

1　海洋科学的研究对象和主要任务海洋科学是一门认识海洋的科学。海洋科学不仅研究巨大的海洋水体部分 ,也研究 :海岸带、河口和滨海湿地———通过这里淡水连续不断地进入海洋 ;海洋与大气界面———这里发生着海气间物质和能量的交换 ;海水和沉积物界面及海底岩石圈等。由于海洋的观测难度大且花费高 ,海洋学家始终致力于大力发展快速、高效和先进的观测仪器和技术 ,并且依托海洋科学调查船、卫星和自动观测系统 (如锚系浮标等 )实施海洋观测。海洋科学主要研究海洋中的物理过程、生物过程、化学过程和地质过程及其相互作用。其分支学科…     

贵州金沙安洛勘探区北段煤中硫及其控制因素

根据地质勘探资料和煤心煤样的分析结果,对贵州金沙安洛区北段煤中硫的时空分布以及煤中硫与沉积环境的关系进行了研究。结果表明,该区形成于以潮坪为主的过渡相环境,由于沉积过程中受海水影响,煤中硫的质量分数总体偏高;但由于海水对煤层作用的强度不一,使不同煤层或同一煤层不同部位硫的质量分数差异很大,而且煤中硫的质量分数变化与煤层顶底板的古地理环境有关。      

海上勘探海水造浆装置设计

在海上进行工程地质钻探作业时,对砂粒、松散岩、风化岩等地层需采用泥浆护壁,采用淡水配置泥浆才能达到最佳效果。创建一种海水造浆双流程模型,一级流程装置输出的初纯水满足高性能泥浆用水标准;二级流程去除水中残存的盐类,制成适于饮用的超纯水。设计的实用海水造浆装置,包括海水预处理、反渗透装置、EDI分离器及维护控制系统等,从而突破了海上勘探受制于平台空间、载荷、淡水成本等因素制约,有效地降低了勘探成本。     

TEM一维反演技术在老窑水勘查中的应用

近年来,瞬变电磁法已成为煤矿水文地质勘查方面首选的物探手段,但受勘探精度所限,在以巷采方式为主的老窑积水勘查中应用较少。利用瞬变电磁法多年来所取得的探测经验,通过对OCCAM反演技术进行深入研究,应用该反演方法对探测资料进行解释,在宁夏盐池某煤矿成功探测了老窑积水的位置及分布范围,并得到了后期钻探验证,勘查成果为矿井防水系统的设立和综合防治水体系的构建提供有力的依据和基础资料。采用瞬变电磁法探测以巷采方式为主的老窑积水,选取有效的反演方法予以解释,可以在浅、中埋深地区取得较好的勘探效果。      

瞬变电磁法在地下金属物体探测中的应用

一种无损高分辨率电磁探测技术（TEM）－瞬变电磁法，它不同于探地雷达。它应用探测的电导率数据成图，可提供解释出地下埋藏的金属物体及相关信息，主要用于地下环境工程、市政工程、考古、军械遗弃场地的普查探测等领域，在设计、开挖、施工过程中，能够充分了解地下金属物体（金属管线等）的分布及地质情况，也能充分利用探测成果在盲区做集中、具体的工作。由高分辨率瞬变电磁技术所得的信息是非常重要的。     

聚合物海水泥浆的研制

以天然海水为分散介质,研制了一种新型、操作简便、无毒性、无污染的低成本高性能泥浆液。该泥浆液具有优良的护壁、防塌和流动性,能有效地抑制粘土水化膨胀与分散,起到孔壁稳定、提高海上勘探施工质量和效率的作用。它既可节约大量淡水资源,又可大幅降低我国岩土工程海上地质勘探之成本。     

磁源瞬变电磁法在铁路隧道勘察中的应用

在铁路建设中,对长大深埋隧道的勘察,需要对各种不同深度的地质体进行探测,采用磁源瞬变电磁法工作前必须通过实地试验工作,合理地选取工作装置、设置仪器参数。从方法原理特点出发,结合实例总结出了一组适合瞬变电磁仪进行浅、深部探测的工作参数及需注意的问题,实践表明磁源瞬变电磁法在铁路隧道勘察中具有很大的应用潜力。     

高性能瞬变电磁仪的研制及应用

瞬变电磁勘探法是目前在地球物理勘探领域里新兴的1种很有前途的测量方法,它简单实用,能测量从浅地表到深层的地质结构。本文介绍了利用工控机组成高性能瞬变电磁仪的方法,并就其应用作了简要介绍。     

中国富钴结壳合同区海水的稀土元素特征及其意义

通过对西太平洋34件海水样品的稀土元素（REY:REE+Y）测试及其与研究区富钴结壳稀土耦合特征分析,揭示了海水稀土特征及其成因.海水的稀土含量随水深呈现逐渐增加的趋势,∑ REY范围为14.0×10-12~65.5×10-12,平均值为31.9×10-12,其中Y的绝对值（均值为6.0×10-12~24.1×10-12）和相对值（（Y/Ho）_N均值为1.98）均较高,La含量次之（均值为1.8×10-12~11.6×10-12）,Ce含量相对较低（均值为2.4×10-12~8.8×10-12）,δCe范围为0.33~1.03（均值为0.66）,（La/Yb）_N平均值为0.71.海水稀土元素北美页岩标准化后显示左倾模式,具有显著的Ce负异常、Y正异常和无明显的Eu异常特征.研究区普遍发育水成成因的富钴结壳,即其稀土元素和其他组分均源自海水.富钴结壳的稀土含量相对海水富集6~7个数量级,其Ce正异常和Y负异常的稀土模式与海水构成良好的耦合关系,指示富钴结壳类组分对海水稀土清扫具有选择性,是造成海水稀土模式的重要因素.海山上发育的磷块岩以及周围盆地深海泥中的磷酸盐组分,它们具有较高的稀土含量和类似于海水的稀土模式,指示海洋磷酸盐消耗稀土时并未分馏而是继承海水模式.海水独特的稀土模式特征是补给与消耗平衡作用的结果,铁锰氧化物和海洋磷酸盐是两种典型的海洋自生组分,它们对海水稀土特征的形成至关重要.      

A simulation‐optimization model to control seawater intrusion in coastal aquifers using abstraction/recharge wells

Seawater intrusion is one of the most serious environmental problems in many coastal regions all over the world. Mixing a small quantity of seawater with groundwater makes it unsuitable for use and can result in abandonment of aquifers. Therefore, seawater intrusion should be prevented or at least controlled to protect groundwater resources. This paper presents development and application of a simulation‐optimization model to control seawater intrusion in coastal aquifers using different management scenarios; abstraction of brackish water, recharge of freshwater, and combination of abstraction and recharge. The model is based on the integration of a genetic algorithm optimisation technique and a coupled transient density‐dependent finite element model. The objectives of the management scenarios include determination of the optimal depth, location and abstraction/recharge rates for the wells to minimize the total costs for construction and operation as well as salt concentrations in the aquifer. The developed model is applied to analyze the control of seawater intrusion in a hypothetical confined coastal aquifer. The efficiencies of the three management scenarios are examined and compared. The results show that combination of abstraction and recharge wells is significantly better than using abstraction wells or recharge wells alone as it gives the least cost and least salt concentration in the aquifer. The results from this study would be useful in designing the system of abstraction/recharge wells to control seawater intrusion in coastal aquifers and can be applied in areas where there is a risk of seawater intrusion. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于瞬变电磁法的陇东煤矿采空区水文地质勘探技术研究

煤矿开采会破坏地层地质结构,造成采空区地表断裂、下沉塌陷等危害。为避免这一问题,需准确探测煤矿采空区水文地质,为此提出基于瞬变电磁法的煤矿采空区水文地质勘探技术。该方法以甘肃省陇东煤矿采空区水文地质为主,分别分析了甘肃省煤矿采空区的地形地貌、地层岩性、水文地质特征,根据分析结果估算瞬变电磁法在水文地质勘探时的最大勘探深度,确定瞬变电磁法的工作参数。依据勘探结果确定煤矿采空区水文地质的异常范围,以此实现煤矿采空区水文地质勘探研究。在实际应用中有效探测出了地层塌陷位置发生高阻半闭合异常现象,且除高压线外煤矿采空区其余位置的干扰电压较小。