由高密度磁异常测量数据分析南海海盆的扩张年龄与扩张模式

南海是西太平洋最大的边缘海,地处欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块的交汇处.过去通过磁异常条带对比分析南海扩张年龄的研究很多,但是所依赖的资料有限.本文对南海海盆高密度大批量磁异常测量数据进行了系统分析,实现了平面2D磁异常数据的带通滤波处理,消除了短波长噪音和由深部下地壳和上地幔顶部磁源体引起的长波长背景信息,因此突出了海底扩张所引起的磁异常条带.利用CK95地磁倒转模型和Talwani磁异常正演方法,对南海东部和西南次海盆内的重点磁异常测线进行了正演分析.通过对不同测线之间、不同海盆之间以及同一条测线中的正演磁异常与实测磁异常之间进行对比分析,进一步验证了南海东部次海盆的扩张年龄为32～16.5 Ma;西南次海盆可能的扩张年龄仍具有较大不确定性,可能为42～33 Ma或者24～16 Ma.不同的时间模型所依赖的扩张速率的变化情况不同,全扩张速率随时间变化明显,但主要在40～80 km/Ma之间.单纯根据目前的磁异常资料很难确定西南次海盆与东部次海盆之间的扩张次序.单期次扩张模式很难解释中南断裂两侧的构造物理差异,这种差异可能主要受控于其基底岩石成分、岩石磁化率、岩浆活动、扩张速率以及深部物质冷却磁化的影响,基底深度的变化也对观测磁异常的强度有所影响.相对地,大部分扩张后玄武岩海山的存在对观测的磁异常的影响不明显,针对目前磁异常解释中不可避免的多解性问题,需要运用其他不同的手段和方法,譬如大洋钻探和深拖高分辨率磁异常测量等,来实现对南海不同次海盆扩张年龄的精确估计.我们目前的工作是通向对深拖高分辨率磁异常、船测和航测磁异常、以及卫星磁异常综合解释的第一步.     

A Data Management Method for Remote and Long-Term Seafloor Observation System

Abstract

The deep seafloor is closest to the Earth’s interior and there are complicated interactions in the physical and biological processes of the seafloor. Oceanographic parameters such as temperature, salinity, and ocean current can provide support for climate prediction. Therefore, the long-term observation of the deep seafloor is critical to the study of global climate change and the biodiversity in complex environments. For the requirements of long-term observation and remote data transmission in the deep sea of the South China Sea, a seafloor observation prototype system is designed in this paper as a stand-alone observation platform. We then proposed a date management method based on Controller Area Network to ensure the data quality. Distributed data management can be performed through system layering, and strict data transmission standards are established between each layer. At the same time, aiming at the difficulty of seafloor video data transmission in real-time, a new solution based on satellite communication technology, object detection technology, and high-efficiency compression coding technology of video images is proposed to provide support for seafloor biodiversity research. The observation data from the experiment are given, and these results show that the system can meet the requirements of long-term observation and remote real-time data transmission, and the reliability of the system is verified.     

在轴向应力-应变下海底沉积物声速及其变化

对南海南部海域海底浅表层沉积物短柱状样进行轴向应力-应变/声学测量,结果表明沉积物纵波声速有三种不同的变化结果:(1)声速从应变过程开始随应力-应变曲线变化,在最大应力时声速同时也是最大值,结束时可能高于或低于开始时的声速;(2)声速从应变过程开始逐渐减小,结束时是最小值;(3)声速从应变过程开始逐渐增大,最大值出现在结束时.这些结果与海底浅表层沉积物的物理力学性质、颗粒接触状态、颗粒的微结构等特征有关.研究结果可为深入认识南海南部各种海底沉积物作为承载界面的可靠性、声遥测遥感海底沉积物的工程力学性质等科学目的提供理论依据.     

温度变化下海底沉积物声学测量的信号处理和频谱分析

本文针对温度差异对沉积物的声学特性的影响,研究不同温度下沉积物的频谱特征规律。把南海深海沉积物的人工样品置于温控环境中,采集经历沉积物的超声信号,对其进行快速傅里叶变换获得频谱特征,分别从主频漂移、主频幅值、主频频宽、接收能量等方面归纳出温度影响下的海底沉积物超声信号的频谱特征规律：如温度变化影响频谱特征,但可重复性低;温度增加使沉积物对声信号的衰减增大;频宽与频率幅值呈负相关,但温度-幅值的关系明显于温度-频宽的关系。因此,温度改变导致沉积物超声信号频谱的规律性变化。     

海底沉积物声衰减同轴差距衰减测量法与其他测量方法的对比研究

以精度较高的现场测量Hamilton的原位测量所得数据为标准,对比研究了钱正明的直立同轴衰减测量法、刘强的垂直轴差距衰减测量法和我们课题组的同轴差距衰减测量法等3种研究海底沉积物声衰减的实验室测量方法。通过3种实验测量方法所得数据跟Hamilton原位测量所得数据进行对比,分析了以上实验室方法的优缺点,并分析了声衰减与样品长度和测量频率的关系。同轴差距衰减测量法与直立同轴衰减测量法相比,前者在消除测量仪器和耦合衰减误差方面,以及在实验样品长度方面更合理。同轴差距衰减测量法与垂直轴差距测量法相比,同轴差距衰减测量法在原理上保证了声波传播能量接收的同轴性和同指向性,其实验数据比利用相同实验仪器的垂直轴差距测量法的数据更准确。     

基于主元分析技术的海底沉积物声速预报方程

通过应用主元分析技术建立预报海底沉积物声速的经验方程,将前人研究报道的经验方程进行分析研究,指出其计算误差,运用南海南部大陆架和大陆坡数据,建立了主元回归计算模型。从理论上研究了如何在众多影响声速的物理参数中,排除相互关联的参数,优选出相互独立的、且对声速有显著影响的少数几个物理参数,用优选后的物理参数建立了南海南部海域大陆架及大陆坡沉积物的3参数（孔隙度n、颗粒中值粒径Ma、塑限W,）声速预报方程：Cp=1774-5．0944n＋12．499Md＋0．9985Wp,该方程的相对预报误差仅为-4．48％-3．77％。     

白云深水崎岖海底区时深转换方法探讨

深水已经成为世界范围内油气勘探开发的热点领域.南海北部深水区石油地质条件优越,勘探潜力巨大.但由于陆坡区水深急剧变深,峡谷纵横,水道复杂,形成了海底非常崎岖的地形地貌,这种崎岖海底严重影响了其下覆地层的地震成像,并造成了构造形态的严重崎变,时间构造图无法反映构造的真实形态.本文提出了两种消除崎岖海底影响的方法.叠前深度偏移技术是解决复杂地质问题,实现复杂构造准确偏移成像的有效途径;移动平均时深转换方法直接对时间构造图进行转换,方法简单实用.实际应用表明,两种方法相互验证,是目前最佳方案,可以达到目前勘探精度的要求.     

应力-应变过程中海底沉积物微结构变化对其声速的影响

本文阐述了对海底沉积物样品在应力-应变过程中进行同步声学测量的实验工具和方法,分析了采自南海45个站位的海底沉积物样品的实验数据资料,结果表明,沉积物颗粒越粗、孔隙越小、无侧限抗压强度越大,声速越高。沉积物样品在受力应变过程中,声速具有明显的随应力而变化的特征。进一步探讨了不同应变阶段沉积物的声学特征以及应力所导致沉积物微结构变化对其声速的影响过程,这一研究将在石油地质测井和海底工程基底稳定性评价等方面具有重要的应用意义。     

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。     

Numerical Simulation of Waves Generated by Seafloor Movements

Waves generated by vertical seafloor movements are simulated by use of a fully nonlinear two-dimensional numerical wave tank. In the souree region, the seafloor lifts to a designated height by a generation function. The numerical tests show that the linear theory is only valid for estimating the wave behaviors induced by the seafloor movements with a small amplitude, and the fully nonlinear numerical model should be adopted in the simulation of the wave generation by the large amplitude seafloor movements. Without the background surface waves, many numerical tests on the stable maximum elevations η0^max are carried out by beth the linear theory and the fully nonlinear model. The results of two models are compared and analyzed. For the fully nonlinear model, the influences of the amplitudes and the horizontal lengths on η^max are stronger than that of the characteristic duration times. Furthermore, results reveal that there are significant differences be- tween the linear theory and the fully nonlinear model. When the influences of the background surface waves are considered, the corresponding numerical analyses reveal that with the fully nonlinear model the η0^max near-linearly varies with the wave amplitudes of the surface waves, and the η0^max has significant dependences on the wave lengths and the wave phases of the surface waves. In addition, the differences between the linear theory and the fully nonlinear model are still obvious, and these differences are significantly affected by the wave parameters of the background surface waves, such as the wave amplitude, the wave length and the wave phase.