深遠海磁力日變觀測系統設計及應用

杜潤林， 孫建偉， 陳曉紅， 劉李偉,， 李攀峰

(1.青島海洋地質研究所 青島 266071;2.中國石油大學(華東) 257061)

0 引言

在海洋磁力測量中，磁力日變影響是海洋磁力測量的最主要誤差源。但在深遠海區域進行磁力測量時，工區遠離陸地，無法架設陸地磁力日變站，因此現階段，國內已陸續有相關單位開始直接在測區或測區附近布放潛標式海底磁力日變站，并取得了一定成功經驗[1-3]。在已有工作的基礎上，對潛標式海底磁力日變站的設計和布放進行了改進，每套潛標系統至少布設兩個磁力日變站，確保日變數據的完整性，并在關鍵部位進行加固，提高整套系統的安全性。通過在西太平洋海域對該套磁力日變潛標系統進行成功的布放回收，有效驗證了該套觀測系統的安全可靠性，且獲取的日變數據分析對比發現能夠滿足規范要求。

1 潛標式磁力日變站系統設計

潛標日變站系統由銥星信標、打撈浮球(1個)、主浮球(24個)、sentinel磁力日變站(2臺)、釋放器(3臺、其中兩臺并聯)、重力錨、凱夫拉纜繩、錨鏈和卸扣等其他配件串聯組成，潛標系統結構見圖1。海水里，每個釋放器重量為28 kg，磁力日變站為25 kg，凱夫拉繩(5 000 m)為5 kg，卸扣、旋轉環等為8 kg。打撈浮球浮力為30 kg，每個主浮球浮力為25 kg，浮力遠遠大于重量，因此具備上浮條件，而且最下面釋放器配有5個主浮球，釋放后同樣會露出水面。

圖1 潛標日變站系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system structure of submarine beacon day transformer station

安裝Sentinel海底磁力日變站時，若設備兩端直接連接潛標則上下接頭持續受力，在拉力和水壓作用下可能會造成殼體漏水；該套系統采用尼龍夾具將設備固定在纜繩上，并在設備兩端用凱夫拉繩做保險繩，確保儀器持續安全工作[4]。同時潛標系統加長了錨系纜繩，使日變站盡量遠離聲學釋放器和地錨等鐵磁性物質，減少干擾。

為有效提升潛標的回收成功率，降低系統風險，該潛標底部配置了3臺聲學釋放器， 其中2臺釋放器并聯在距海底1 000 m處，另1臺加裝在其上端，視海水深度進行調節。釋放器可實現對潛標的實時測距、定位和回收，回收儀器時，釋放器通過頂部的聲學換能器接收釋放指令，釋放器內的電機將轉動并牽引系留構件打開，鋼鏈從系留環中松脫，整個潛標系統在浮球的作用下浮到水面，任意1臺聲學釋放器的成功釋放均能確保潛標系統的順利上浮。

為了防止重力錨和連接釋放器處扭力過大，該系統在釋放器下端加裝旋轉環，有效釋放海水擾動時產生的扭力。

根據前期收集工區水深地形數據，設計潛標日變站長度，具體要求：由于海底磁力日變站站位水深對地磁有效信息的保留存在一定的相關性，隨著水深增大，其保留的信息量逐漸減少，即海水層對地磁信息有著明顯的衰減作用[5-8]。因此在大洋中，應盡量避免日變站沉放深度超過1 000 m，據此該潛標系統中磁力日變站分別布放至水下200 m和水下500 m處，有效減少海水層對地磁信息的過濾，并避免因日變站因沉放過淺導致其隨海流波動[9]。

潛標布放時最佳速度為船舶對水1.5節～2節，兼顧安全及效率。因此當表層流速低于1.5節時，選擇頂流布放；表層流速在1.5節～2節時，選擇靶心位置原地布放；表層流速高于2節時，選擇船尾對準靶心順流布放[10-11]。

2 海底日變站位置選取

出于安全布放及順利回收的考慮，結合收集的作業區水深地形數據、地磁場數據及潮流數據，選擇地形平坦、潮流較小且地磁場變化較小的區域作為靶心點，并根據靶心點的水深初步設計潛標式海洋磁力日變觀測系統。到達測區后，利用多波束測量靶心點附近地形，根據多波束測量結果，選擇靶心附近地形平坦位置，對靶心點進行微調，使之位于平坦位置的中心[12]。根據調整后的靶心點處水深，對潛標式海洋磁力日變觀測系統初步設計進行調整。

3 潛標日變站精確定位

潛標入水后，重塊在海流的的影響下會發生漂移，在深海海域中漂移的距離隨著深度增大，導致潛標在海中的實際位置與入水經緯度存在數百米的誤差[13]。對于深海海域，潛標整體長度在1 000 m～6 000 m之間，在海流的影響下，潛標姿態往往有一定的傾斜，主浮球與重塊的水平距離可以達到幾百米甚至近千米。為了得到潛標在水中的實際位置，以便后續回收，有必要進行重新定位以降低回收風險。

以重力錨入水點為圓心，半徑為2 000 m的圓上，均勻取三個定位點(呈等邊三角形)A(X1,Y1)、B(X2,Y2)、C(X3,Y3)點。將船靠近定位點，調整船位使右舷朝向重力錨入水點，在右舷對釋放器(D點)進行測距，每個點位測量三次后取平均值，依次得到三個定位點到釋放器的距離分別Dis1、Dis2、Dis3，通過計算就可以得到D在平面ABC上投影點E的坐標(X,Y)及DE的距離(圖2)，首先根據勾股定理得到式(1)～式(3)。

圖2 三點定位示意圖Fig.2 Three point positioning diagram

AE2+DE2=AD2

(1)

BE2+DE2=BD2

(2)

CE2+DE2=CD2

(3)

式(1)減式(2)得式(4),式(2)減式(3)得式(5)，把坐標點帶入，可以求得E點坐標(X,Y)的值，然后帶入到式(8)求得DE，這樣就得到潛標在水中的準確位置，提高了回收效率。

AE2-BE2=AD2-BD2

(4)

BE2-CE2=BD2-CD2

(5)

(X-X1)2+(Y-Y1)2-(X-X2)2-

(Y-Y2)2=Dis12-Dis22

(6)

(X-X2)2+(Y-Y2)2-(X-X3)2-

(Y-Y3)2=Dis22-Dis32

(7)

DE2=Dis12-(X-X1)2-(Y-Y1)2

(8)

潛標回收時應根據現場風流等參數，將船舶?？繚摌它c下流處700 m～800 m處，并將船舷一側對著回收點，將聲學換能器垂直放入水面以下3 m處進行測距工作，當有穩定的測距信號時，對釋放器發送釋放指令，并實時檢測水下釋放器狀態。在找到潛標之前，一直保持測距中，實時檢測潛標距離的變化。

4 實際應用

通過在西太平洋某海域對潛標式磁力日變系統進行布放，首先根據前期收集資料設計潛標投放點位為圖3中黑色圓點位置，此處周圍地磁場較為平穩。到達地磁日變站設計點位后，利用多波束對設計點位附近地形進行掃測。根據實測地形結果對地磁日變站點位進行微調，選擇相對平坦開闊的區域作為地磁日變站觀測點，實際測量中此點位在設計點位偏南1.5 km位置(圖3中紅色圓點)，距工作區最遠約366 km，滿足規范要求，在水深為200 m和500 m各布設一個日變站。 潛標釋放完成后進行三點定位，得到日變站準確位置為圖3紅色五角星位置。

圖3 潛標位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of submarine buoy position

本次潛標釋放速度約為1 m/s，水深為5 100 m，因此全部放完需要約2 h。布放潛標時流速在1節左右，頂流釋放對地0.5節，2 h路程1.8 km，過靶心點為300 m釋放，故靶心點下游1.5 km處開始釋放。

海底日變站從布放入水到完成回收，前后時間長達32 d。安全回收后檢查發現，兩個磁力日變站均無浮游生物附著現象，關鍵連接部件未受海水腐蝕，外觀基本完好。

5 數據分析和討論

對比分析圖4發現，200 m與500 m水深處地磁日變數據走勢基本一致，成周期信號特點，相對變化是以一天為周期而周而復始，每天幅度變化在60 nT左右。一天之內具有明顯的晝夜差異，日間的幅度波動較大，夜間則較為平靜，一般早晨有一個極大值，午后有一個極小值，符合一般地磁日變規律。個別數據有3 nT左右的抖動，推斷為在水中受海流的影響擺動造成；所獲取的地磁日變數整體光滑、連續，未發生磁暴現象，符合規范要求。

圖4 磁力日變曲線圖Fig.4 Diagram of geomagnetic diurnal variation

對兩組地磁日變數據使用式(9)分別求取標準差，得到水深200 m處的地磁日變數據標準差為0.091，水深500 m處的地磁日變數據標準差為0.089，這是由于隨著水深增大，水層對地磁信息有著明顯的衰減作用，其保留的信息量逐漸減少導致的。

(9)

在日變站釋放點位置，還試驗了船載磁力儀方法進行日變測量，利用有人船作為水面平臺垂直吊放一臺磁力儀在水下100 m處進行日變觀測，數據采樣率為1 Hz，以觀測點為圓心5 km半徑范圍內漂航方式進行地磁日變數據采集，當船只超出設置的5 km半徑區域，啟動船只緩慢航行歸位至觀測點。

利用與工區緯度相近的越南大叻地磁臺站日變數據，對潛標、船載和地磁臺站三種數據進行對比分析(圖5)，從圖5可以看出,潛標和船載測量的日變數據走勢基本一致，但潛標數據較光滑，船載方式采集的數據有跳點。船載測量易受天氣和海浪等不可抗拒因素影響，在海面晃動較大，造成磁力儀在水中位置不穩定，因此數據質量比潛標式測量差，但船載方式可以實時觀測日變數據，如有磁暴等能夠及時發現并通知母船，避免不必要的重復測量。

圖5 地磁日變數據對比圖Fig.5 Comparison chart of geomagnetic diurnal variation data

與潛標和船載數據相比，越南國際地磁臺站數據的幅度變化更大，出現這種差異的原因在于海水和陸地對地磁觀測的影響程度不同，海水成分較為單一，而陸地則可能由不同巖性的巖石、泥土、砂礫等物質構成，成分復雜，其頻率成份相對比較豐富,因此對地磁觀測的影響相比海水影響更為復雜[6],而且由于工區位置和越南國際地磁臺站位置相差太遠，數據精度可靠性較低，因此遠離測區的陸地臺站難以反應測區的實際日變化，在測區布設日變站是非常必要的。

綜上所述，本次日變觀測方法選擇合理，日變站位置選擇得當，日變數據采集設備工作穩定正常，取得的地磁日變數據可以滿足地磁日變改正的要求。

6 實測數據校正

根據《海洋調查規范》(GB/T 12763.8-2007)要求[14]，對本次實測磁力數據進行校正，包括拖纜長度校正、日變校正、正常場校正和船磁校正，得到磁力異常值。

ΔT=T-Td-Ts-T0

(10)

式中：ΔT為地磁異常值;T為地磁場總磁場測量值;T0為地磁正常場值;Td為地磁日變偏差值;Ts為船磁影響偏差值。

對比圖6、圖7可以看出，使用這里潛標系統得到的日變數據進行校正，消除了日變對磁場的影響。為了消除系統誤差需要進行測網平差，平差后得到本次工區交點均方差為2.10 nT，符合《海洋調查規范》(GB/T 12763.8-2007)要求，證明了日變數據的準確性。

圖6 日變校正前磁力異常圖Fig.6 Magnetic anomaly map before diurnal variation correction

圖7 日變校正后磁力異常圖Fig.7 Magnetic anomaly map after diurnal variation correction

7 結論

對海底日變站系統進行改進，使其適應在深海行地磁日變測量，從而提高深海日變觀測精度和安全性。

1)通過對浮球、磁力儀、聲學釋放器等裝置進行必要的加固連接和改進，并引入三點定位技術提升定位精度，設計了一套適用于深水的潛標式磁力日變觀測系統，整套觀測系統能夠滿足長時間連續采集和高效回收的需求，并能消除海水層對磁力日變值的衰減，有效提高地磁日變數據的采集精度。

2)在西太平洋某海域利用潛標系統獲取的地磁日變數據平滑穩定，對實測磁力數據進行日變校正，得到的磁力異常結果滿足規范要求，證明了此方法的可靠性和安全性，可以為后續磁力日變校正提供寶貴的基礎數據。