海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展

　　摘 要：海洋地球物理以物理学的思维与方法研究占地球三分之二面积的海洋系统. 20 世纪地球科学迅猛发展, 它 的重大进展是海底扩张说与板块构造说的出现和海底大洋的发现, 以及前者所引发的地球科学思想革命, 从固定论向活动论的思维转变. 海底研究对于20 世纪地球科学发展的贡献极为巨大, 而海洋地球物理是推动海底科学研究的重要原动力. 海洋地球物理在20 世纪地球科学的发展中有过辉煌的成就, 占有十分重要的地位; 在新的21 世纪里, 海洋地球物理研究仍然保持着前沿科学的地位, 继续推动着地球科学的进展.

　　目前的海底探测主要还是依赖于声学探测技术. 水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础. 传统性的海洋地震探测技术是研究海底构造与海洋岩石圈深部结构和寻找海底矿产的主力技术, 它近 年来无论在海上采集技术还是数据处理技术方面都发展得很快. 多波束测深、侧扫声呐测图和海底地层剖面测量等则是近数十年快速发展起来探测海底浅部结构信息的技术. 这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发, 以及海洋军事活动等方面发挥出极其重要的作用.

　　关键词：海洋地球物理, 海底科学, 海底探测声学技术

　　0 引 言

　　20 世纪地球科学迅猛发展, 出现革命性的重大进展, 海底研究对于20 世纪地球科学发展的贡献极 为巨大, 而海洋地球物理则是推动海底科学研究的重要原动力. 所以, 海洋地球物理在地球科学发展中占有十分重要的地位. 它在20 世纪有过辉煌的成就, 推动过地球科学的进展, 引发出地球科学的革命; 在新的21世纪里, 海洋地球物理研究仍然保持着前沿科学的地位.

　　1 海洋地球物理研究的发展

　　地球物理是以物理学的思维与方法研究整个地球系统的一门学科, 而海洋地球物理则以物理学的 思维与方法来研究占地球三分之二面积的海洋系统. 海洋由三个重要的圈层构成: 岩石圈( 海底) 、水圈( 海水) 和生物圈, 这是海洋组成的完整概念. 不可 把海洋简单地等同于蓝色的海水, 完整的海洋概念 有助我们深化认识海洋的系统过程和拓宽获取海洋资源的视野. 海洋地球物理主要是研究海底与海水, 以及海洋各圈层之间和海洋与其它圈层的关系. 海 底研究系统探索海底的自然现象、性质、变化规律与开发利用; 海底研究的对象是海水覆盖的岩石圈, 及其与水圈、生物圈的界面过程; 海底研究的内容为海底形态、组成、结构构造、地球物理场与演化历史, 海 底各圈层间和海底与其它海洋圈层之间的相互作用, 以及它在海洋权益、战略和海底开发利用等方面的应用[1] . 水体研究主要是应用流体力学和数学研 究海洋水体的运动与混合、海洋水体与大气的相互作用, 以及水体对沉积颗粒物、化学溶解物、浮游生物和污染物等的携运与布放; 水体研究近 20 年主要 集中在: 大洋环流总体观测评估环流的通道与时间尺度、赤道海洋与大气耦合关系 认识 El N ino 现象、温跃层理论、大洋水体中尺度变异、水体小尺 度湍流混合、近岸海洋的复杂过程、海底边界层过程等[ 2] . 然而, 海洋水体研究与大气- 气候研究越来越紧密地纠缠在一起的同时, 却忽略了与海底岩石圈的相互关系. 如: 赤道海洋的 El Nino 现象萌发于巨型火成岩区, 区内海洋水体可能受到海底热能传输交换的影响而加温, 成为 El Nino 的源头, 升温的海洋水体在向东运移的过程中才逐步发生与大气的耦合作用, 最终形成异常气候的El Nino 现象. 显然, 海洋地球物理研究的未来发展需要更进一步加强海洋各圈层之间, 以及与其它圈层之间相互作用的系统研究.

　　……

　　海底大洋的发现正深刻改变着人类对于地球形成、海洋演化的认识思维, 要求对海底矿产形成和地球生命起源等重大理论问题提出新的解释与认识, 拓展人类对于地球( 海洋) 形成演化和地球生命起源 认识的新领域. 当前这个新世纪中的海洋地球物理探测与研究必将继续促进人类在发展地球系统科学的理论和产生崭新的学说等方面做出突破性的重大贡献.

　　2 地球物理海底探测声学技术的发展

　　地球科学 20 世纪的成就和 21 世纪的未来前景 源自于海洋地球物理技术的飞速发展. 海洋地球物理中的海底探测技术促进了许多重大科学事件的出现, 推动了科学的进步. 海底探测技术涉面很广, 包括导航定位技术、海底声学探测技术、海洋重磁测量技术、海底光学( 包括激光) 探测技术、海底热流测量 技术、海底大地电磁测量技术、海底放射性测量技术, 以及海底原位( 长期) 观测分析技术和海底钻井地球物理观测技术等等. 海底探测技术的发展不仅具有显著的科学进步意义, 而且在海底资源勘查和水下军事活动中都具有重要的位置[ 4~ 5] .

　　目前的海底探测主要还是依赖于声学探测技术, 因为声波在海水中的传播优于可见光和电磁波[ 5~ 7] . 海洋地震探测及数据处理是传统性的海底 声学探测技术, 是研究海底构造与海洋岩石圈深部结构和寻找海底矿产的主力技术. 水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测 的基础. 多波束测深、侧扫声呐测图和海底地层剖面测量则是近数十年快速发展起来探测海底浅部结构 信息的技术, 这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发, 以及海洋军事活动等方面发挥出极其重要的作用.(相关阅读：noiseXpert 声振测试分析系统 )

　　2. 1 水下声学定位技术

　　高精度的水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础. 水下声学定 位主要测定海底探测系统或水下潜器相对于调查船或潜器母船的位置, 海底探测系统主要有: 侧扫声纳系统、海底照相系统、海底摄像系统、水下拖体系统、 潜航运载器( ROV, AUV 等) , 海底箱式取样器、多管取样器、电视抓斗、潜钻、热液保真采样器, 以及海底原位测试装置等. 将探测系统相对于母船或调查船的位置与水面船只的全球定位数据相结合, 就可将海底探测系统和探测点的准确位置归算到大地坐标系上. 水下声学定位系统主要有超短基线定位系统 ( USBL) 、短基线定位系统( SBL) 、长基线定位系( LBL) , 及超短基线与长基线定位组合系统( SS BL/ LBL) ,