聲學(xué)深拖系統(tǒng)在海底冷泉調(diào)查中的應(yīng)用

馮強(qiáng)強(qiáng),溫明明,牟澤霖,萬(wàn) 芃，郭 軍，王愛(ài)學(xué)

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760;2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院， 湖北 武漢 430079;3.武漢大學(xué) 海洋研究院， 湖北 武漢 430079)

海底冷泉是指來(lái)自海底沉積地層的氣體以噴涌或滲漏方式逸出海底的一種海底地質(zhì)現(xiàn)象，是判斷天然氣水合物成藏的一個(gè)重要特征，其發(fā)育和分布一般與天然氣水合物分解及海底天然氣及石油分解運(yùn)移密切相關(guān)，目前已成為指示現(xiàn)代海底發(fā)育及尚存天然氣水合物最有效的標(biāo)志之一[1-3]。冷泉在世界各大洋中廣泛分布，目前在北海、波羅的海、北大西洋、墨西哥灣、印度洋、西南太平洋等海域都有發(fā)現(xiàn)[4-7]。我國(guó)從20世紀(jì)90年代以來(lái)在南海北部陸坡區(qū)開(kāi)展一系列的天然氣水合物調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)以“海馬冷泉”為代表的多個(gè)冷泉滲漏活動(dòng)區(qū)以及由冷泉活動(dòng)形成的碳酸鹽巖區(qū)[8]。

依托這些調(diào)查項(xiàng)目和冷泉區(qū)“滲漏性”和“擴(kuò)散性”天然氣水合物的具體特點(diǎn)，研究一系列冷泉探測(cè)手段和數(shù)據(jù)后處理分析方法，如淺地層剖面探測(cè)技術(shù)、ROV(Remote Operated Vehicle)、海底可視化技術(shù)、聲學(xué)水體探測(cè)技術(shù)等。2016年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海某海域?qū)β晫W(xué)深拖系統(tǒng)進(jìn)行海試，在冷泉區(qū)開(kāi)展深拖試驗(yàn)性的作業(yè)，獲取冷泉區(qū)近海底的側(cè)掃聲吶、淺地層剖面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、多波束水體數(shù)據(jù)。

1 調(diào)查設(shè)備

本次海上調(diào)查使用的深拖系統(tǒng)為美國(guó)Teledyne Benthos公司生產(chǎn)的Teledyne Benthos TTV-301聲學(xué)深拖，該設(shè)備主要由甲板單元、壓載器、拖體、光電復(fù)合纜及絞車等部分組成，如圖1所示。拖體作為設(shè)備的主要載體，集成側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒計(jì)程儀、溫鹽深傳感器、水下定位信標(biāo)等，如圖2所示。其中，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、多波束系統(tǒng)及淺地層剖面系統(tǒng)是深拖聲學(xué)數(shù)據(jù)采集的3種主要技術(shù)手段，其作業(yè)如圖3所示。

圖1 Teledyne BENTHOS TTV-301系統(tǒng)

圖2 TTV-301拖體實(shí)體

圖3 TTV-301深拖系統(tǒng)作業(yè)示意圖

1.1 聲學(xué)系統(tǒng)

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)采用Klein UUV3500，該系統(tǒng)由美國(guó)L-3公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，適用于AUV(Autonomous Underwater Vehicles)及UUV(Unmaned Underwater Vehicles)系統(tǒng)。其采用L-3公司獨(dú)有的最新寬條帶技術(shù)，可提供非對(duì)稱性的側(cè)掃掃幅寬度；真雙頻作業(yè)，可獲得最佳的沿航跡分辨率；耗電低，輕便緊湊，非常適合搭載于拖體中。

多波束系統(tǒng)采用的是丹麥RESON公司生產(chǎn)的RESON 7125多波束系統(tǒng)，其具有超高的分辨率，波束數(shù)達(dá)512 個(gè)，具有等角等距功能，條帶覆蓋角度及測(cè)量角度實(shí)時(shí)可調(diào)，最大工作深度為6 000 m。

淺地層剖面系統(tǒng)采用由美國(guó)Teledyne Benthos 公司生產(chǎn)的Chirp III，該系統(tǒng)使用雙通道，雙頻率，采用Chirp和常規(guī)連續(xù)波(CW)技術(shù)，可生成高分辯率的淺地層剖面；同時(shí)該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可搭配不同的拖魚和船體安裝。

1.2 導(dǎo)航定位系統(tǒng)

綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng)由Hypack綜合導(dǎo)航軟件、GPS接收機(jī)和Rangrer2 Pro超短基線水下定位系統(tǒng)組成。

Hypack導(dǎo)航軟件系統(tǒng)具備強(qiáng)大的測(cè)量導(dǎo)航與成圖功能，它能接收多種定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并能連接包括測(cè)深儀、運(yùn)動(dòng)傳感器、潮汐儀、羅經(jīng)系統(tǒng)等多種外部設(shè)備，為這些設(shè)備傳送導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，并可選擇性記錄部分測(cè)量數(shù)據(jù)(如水深、船姿態(tài)等)。

GPS采用Veripos LD4S接收機(jī)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。Veripos系統(tǒng)由Subsea7公司建立，在全球建立超過(guò)80個(gè)參考站，并在英國(guó)Aberdeen和新加坡?lián)碛袃蓚€(gè)控制中心。控制中心監(jiān)控Veripos通訊系統(tǒng)的整體性能，也能為用戶提供有關(guān)系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)信息，且具有開(kāi)啟和關(guān)閉Veripos增強(qiáng)系統(tǒng)(augmentation system)的權(quán)限。所提供的定位服務(wù)有以下幾類：Veripos Apex，Veripos Ultra，Veripos Standard Plus，Veripos Standard，Veripos Glonass。Veripos在76oN to 76oS 之間可以獲得10 cm(95%)的水平精度。海試中使用的Veripos LD4S DGPS接收機(jī)購(gòu)買了Veripos Apex，Veripos Ultra服務(wù)，定位精度可達(dá)10 cm。

Ranger2 Pro是一種超短基線水下聲學(xué)定位系統(tǒng)，由英國(guó)Sonardyne公司生產(chǎn)，定位精度達(dá)到斜距的0.15%，最大作業(yè)水深達(dá)到6 000 m，最大斜距達(dá)到8 000 m。

2 聲學(xué)數(shù)據(jù)獲取

本次調(diào)查試驗(yàn)區(qū)域位于南海某海域，根據(jù)歷史調(diào)查資料顯示該區(qū)域存在一些冷泉疑似點(diǎn)，本次調(diào)查主要是在這些疑似點(diǎn)附近開(kāi)展深拖作業(yè)，獲取冷泉疑似點(diǎn)附近的聲學(xué)數(shù)據(jù)，并對(duì)不同的聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析，進(jìn)行綜合判斷。

調(diào)查作業(yè)測(cè)線布設(shè)如圖4所示，共布設(shè)測(cè)線7條，總計(jì)長(zhǎng)度90 km。作業(yè)方式為拖曳式，纜長(zhǎng)保持在2 000 m左右，壓載器離底高度為80 m左右，拖體離底高度為100 m左右。船速保持2節(jié)左右，側(cè)掃聲吶采用雙頻發(fā)射接收，單側(cè)作業(yè)量程300 m；淺剖系統(tǒng)使用2～7 kHz頻帶脈沖發(fā)射信號(hào)；整合sonardyne USBL系統(tǒng)、DVL多普勒計(jì)程儀、PHINS6000慣導(dǎo)系統(tǒng)為拖體提供精確導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，定位精度可達(dá)m級(jí)。

圖4 測(cè)線布設(shè)位置示意圖

3 聲學(xué)數(shù)據(jù)分析

氣泡羽狀流是冷泉區(qū)的一個(gè)標(biāo)志性現(xiàn)象，天然氣水合物通過(guò)空隙、裂縫等海底運(yùn)移通道泄漏到海水之中形成氣柱，這些氣柱的高度可以從幾十米到幾百米，這些噴溢的氣泡和海水之間形成一個(gè)明顯的波阻抗界面，阻擾聲波向海底傳播。

本次調(diào)查共獲取3種數(shù)據(jù)，包括側(cè)掃聲吶、多波束水體數(shù)據(jù)和淺地層剖面測(cè)量數(shù)據(jù)。其中側(cè)掃聲吶是一種探測(cè)水體目標(biāo)物和海底表面地形地貌的手段；多波束水體數(shù)據(jù)可探測(cè)水體中存在的異常和目標(biāo)物，并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位[9]；淺地層剖面調(diào)查基于聲學(xué)反射原理獲取反映地層聲學(xué)特征的剖面，主要用于探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造[10-13]，如天然氣水合物探測(cè)、近岸海洋地質(zhì)環(huán)境調(diào)查。

3.1 側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)分析

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)海底成圖分辨率高、面狀覆蓋作業(yè)效率高[14-16]，其發(fā)射的聲學(xué)波束在遇到氣泡與海水形成的強(qiáng)波阻抗界面時(shí)發(fā)生散射，被氣泡遮蔽的海底在側(cè)掃聲吶圖像上就會(huì)形成代表高能量的亮斑異常。

本次調(diào)查在測(cè)線2、測(cè)線3、測(cè)線6、測(cè)線7上都觀測(cè)到氣泡羽狀流在側(cè)掃聲吶圖像上形成的亮斑異常(見(jiàn)圖5—圖8)。圖5中大部分的亮斑異常出現(xiàn)在左舷換能器，右舷可見(jiàn)一點(diǎn)異常，圖7中在水體里觀測(cè)到氣泡逸散的特征，說(shuō)明拖體穿過(guò)冷泉點(diǎn)1和冷泉點(diǎn)3形成羽狀流的邊緣。圖8中，在沿測(cè)線3進(jìn)行測(cè)量時(shí)，除在右舷圖像觀測(cè)到冷泉點(diǎn)3形成的亮斑異常外，在左舷圖像斜距250 m左右觀測(cè)到另一個(gè)異常，疑似發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的冷泉點(diǎn)。

圖5 冷泉點(diǎn)1形成的亮斑異常(測(cè)線7)

圖6 冷泉點(diǎn)1和冷泉點(diǎn)2形成的亮斑異常(測(cè)線6)

圖7 冷泉點(diǎn)3形成的亮斑異常(測(cè)線2)

圖8 新發(fā)現(xiàn)冷泉點(diǎn)形成的異常(測(cè)線3)

3.2 多波束水體數(shù)據(jù)分析

多波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件采用專業(yè)的處理軟件CARIS 8.0,具體處理流程為：設(shè)置船配文件、設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)、導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)；進(jìn)行潮汐、聲速、吃水改正，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理；建立水深曲面，設(shè)置濾波參數(shù)對(duì)測(cè)線進(jìn)行自動(dòng)處理，剔除異常數(shù)據(jù)；設(shè)置曲面參數(shù)，對(duì)曲面進(jìn)行自動(dòng)曲面濾波處理，剔除異常跳點(diǎn)；再用人機(jī)交互，對(duì)水深曲面進(jìn)行檢查，恢復(fù)誤刪除數(shù)據(jù)，清理殘余跳點(diǎn)；檢查無(wú)誤后，輸出水深曲面。

多波束系統(tǒng)在采集水深數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以記錄換能器至海底之間的水體信號(hào)，形成一個(gè)類似扇形的回波信號(hào)，將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為影像，即為多波束水體影像。多波束水體數(shù)據(jù)處理采用自主研發(fā)的WCI(Water Column Image)處理軟件，處理流程為：導(dǎo)入原始水體數(shù)據(jù)，設(shè)置變換參數(shù)，提取掃面線數(shù)據(jù)，扇形信號(hào)矩陣化處理，時(shí)間剖面顯示，消除圖像畸變，信號(hào)插值處理，扇形圖像生成。

圖9展示了此次調(diào)查獲取的多波束水體影像，其中紅色框標(biāo)記的為檢測(cè)到的天然氣水合物羽狀流所形成的氣柱，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析得出，其為細(xì)長(zhǎng)圓柱狀，直徑約為26 m，底部與頂部高差約為600 m。

圖9 多波束水體影像顯示的疑似冷泉

3.3 淺地層剖面數(shù)據(jù)分析

搭載在深拖上的另一聲學(xué)設(shè)備淺剖主要用來(lái)獲取冷泉區(qū)淺部結(jié)構(gòu)特征，圖10精細(xì)刻畫了調(diào)查區(qū)的淺部地層結(jié)構(gòu)，其中紅色區(qū)域?yàn)槁晫W(xué)空白帶，對(duì)應(yīng)天然氣水合物向上的運(yùn)移通道。根據(jù)氣泡共振頻率研究以及野外的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，表明探測(cè)羽狀流氣柱的最佳淺剖頻帶為10～20 kHz。

圖10 冷泉點(diǎn)3附近淺地層剖面(測(cè)線2)

4 結(jié) 論

利用新的聲學(xué)深拖設(shè)備在冷泉區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)性的調(diào)查，獲取冷泉區(qū)的地形地貌以及海底淺地層剖面數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)天然氣水合物羽狀流在側(cè)掃聲吶圖像上形成的亮斑異常，不僅驗(yàn)證了以前發(fā)現(xiàn)的一些冷泉溢出點(diǎn)，還發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的疑似冷泉噴口；在獲取的淺地層剖面數(shù)據(jù)上也可見(jiàn)天然氣水合物的運(yùn)移通道；多波束水體影像非常直觀的檢測(cè)出了羽狀流氣柱的具體幾何形狀，有利于進(jìn)一步估算天然氣的溢出量。

在冷泉探測(cè)中，結(jié)合使用船載式設(shè)備和聲學(xué)深拖設(shè)備，首先利用船載式設(shè)備進(jìn)行大范圍的勘察，再使用深拖設(shè)備在目標(biāo)區(qū)開(kāi)展詳查。綜合淺剖、多波束、側(cè)掃聲吶、水體探測(cè)等聲學(xué)方法以及ROV、光學(xué)可視化等探測(cè)手段，多種數(shù)據(jù)綜合解釋，互相印證，形成一套海底冷泉綜合探測(cè)技術(shù)，可以有效提高冷泉識(shí)別的可信度。

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