隨著深水工程地質(zhì)勘察技術(shù)的發(fā)展，深水工程地質(zhì)勘察技術(shù)為深水工程建設(shè)與開(kāi)發(fā)工作提供了保證,。作為技術(shù)人員,，在研究深水工程地質(zhì)勘察技術(shù)過(guò)程中，要結(jié)合具體工程實(shí)際,，科學(xué)制訂更加完善的勘察技術(shù)方案,，確保勘察工作質(zhì)量,，有效地為深水工程工作開(kāi)展奠定基礎(chǔ),。

水下聲學(xué)定位可通過(guò)水聲設(shè)備對(duì)位于水下的設(shè)備等的位置,、距離進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量,，實(shí)現(xiàn)精度較高的水下定位。在實(shí)施海底勘探工作期間,，通常會(huì)應(yīng)用聲脈沖群定位,，結(jié)合聲基線的位置或者聲學(xué)單元的距離對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分類，如超短,、短或長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)等,。其中超短基線的優(yōu)勢(shì)在于成本較低，操作難度不高,，所需的換能器較少,，但測(cè)量的精度更高。短基線的優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格合理,，操作簡(jiǎn)便，換能器的占地面積較小,，安裝較為方便,。長(zhǎng)基線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在定位的精準(zhǔn)性較強(qiáng)，換能器體積小,，安裝也較為便利,。我國(guó)的聲學(xué)定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到成熟階段,，但在對(duì)長(zhǎng)距離的定位方面還具有更寬廣的發(fā)展空間。國(guó)際上對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)較早,，且應(yīng)用范圍面積較大,，精度較高，通常多用于軍事方面,，如圖1所示,。

圖1  長(zhǎng)基線定位示意圖

該項(xiàng)技術(shù)能夠利用聲學(xué)高分辨的發(fā)聲系統(tǒng)，通過(guò)不同頻率和振幅對(duì)海底的淺層進(jìn)行勘測(cè),。該技術(shù)主要有單波束,、多波束探測(cè)、淺層剖面探測(cè)等多種技術(shù)類型,，高頻通常應(yīng)用到探測(cè)海水深度等情況,，低頻主要用于探測(cè)深海深度同時(shí)獲得海底的剖面圖。

⑴聲成像技術(shù)

在聲成像技術(shù)中,，側(cè)掃聲吶技術(shù)較為關(guān)鍵,，通常會(huì)用于深水勘測(cè)。實(shí)施深拖作業(yè)時(shí),，拖體與海底的高度距離會(huì)受到海底起伏的直接影響,，通常需將高度控制在50～100m范圍內(nèi)。

潛器搭載的高度控制難度不大,，可保持與海底的距離在50m以內(nèi),。近期，側(cè)掃聲吶技術(shù)主要表現(xiàn)出下述技術(shù)特征：①結(jié)合高速側(cè)掃聲吶技術(shù),，深入優(yōu)化多脈沖與多波束聲吶技術(shù),；②應(yīng)重視結(jié)合三維測(cè)深技術(shù)，有效地分析深海形態(tài)與深度,，進(jìn)而掌握準(zhǔn)確數(shù)據(jù),；③科學(xué)地發(fā)展合成孔徑技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展具備高分辨率的優(yōu)點(diǎn),，橫向分辨率指標(biāo)可達(dá)聲吶陣長(zhǎng)度的50%,，同時(shí)不會(huì)因距離的變化而產(chǎn)生變化。海底淺層聲探測(cè)圖如圖2所示,。

1—垂直深度,；2—聲探扇面；3—斜面深度,；4—底部長(zhǎng)度,；5—海平面距離；6—聲探夾角,；7—橫向距離

當(dāng)前使用頻率較高的側(cè)掃聲吶技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出下列弊端：①精度方面還需進(jìn)一步提升,，主要原因在于橫向分辨率與聲吶陣的水平寬度直接相關(guān),，分辨率會(huì)在距離提高的同時(shí)隨之提升；②無(wú)法形成精準(zhǔn)的海底高度指標(biāo),，目前只有兩種聲吶可形成海底的三維圖像,。其中等深線成像可廣泛應(yīng)用于大面積測(cè)量工作，反向散射聲成像主要用于對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)度更高的測(cè)量,。

合成孔徑聲吶是分辨率更高的水下成像聲吶技術(shù),，其分辨率指標(biāo)與距離和所使用的聲波頻段并無(wú)直接關(guān)系，這也可作為合成孔徑測(cè)試聲成像的明顯優(yōu)勢(shì)特征,。當(dāng)前國(guó)際上的SAS探測(cè)技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入成熟階段,，行業(yè)內(nèi)多數(shù)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，如Kongsberg等均已陸續(xù)推出了自己的SAS產(chǎn)品,。不同產(chǎn)品在技術(shù)方面還存在一定的差異,，分辨率通常在2.5～10cm范圍內(nèi)，測(cè)繪寬度為500～600m,。我國(guó)也有部分科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了SAS技術(shù)及其產(chǎn)品的研發(fā)工作,，主要有哈爾濱工程大學(xué)等院校，其中中科院在“九五”計(jì)劃中便已經(jīng)研發(fā)出湖試樣機(jī),，并于2012年對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定型,，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)推廣階段。而蘇州桑泰海洋儀器研發(fā)有限責(zé)任公司和中科探海(蘇州)海洋科技有限責(zé)任公司均有較為成熟的市場(chǎng)化合成孔徑聲吶產(chǎn)品面世,。

⑵地層剖面技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)可用于海底淺層結(jié)構(gòu)和對(duì)沉積特征的探測(cè)工作,。主要應(yīng)用原理與側(cè)掃聲吶等技術(shù)相似，區(qū)別為淺層剖面系統(tǒng)的發(fā)射頻率更低,，形成聲波的脈沖量更大,，發(fā)生聲波的穿透力更強(qiáng)，能夠穿透海底幾十米的地層進(jìn)行探測(cè),。當(dāng)前應(yīng)用頻率較高的海底淺層剖面系統(tǒng)主要為下述2種類型,。

①線性調(diào)頻聲吶淺地層剖面系統(tǒng)。該類技術(shù)屬于寬頻帶主動(dòng)聲吶,，最早產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代末,。線性調(diào)頻聲吶的脈沖重復(fù)性較高，由于其頻帶更寬,，因此所承載的信息量也更大,，推動(dòng)了該項(xiàng)技術(shù)廣泛的應(yīng)用。但其換能器的體積更大,，因此一般情況下會(huì)安裝在專門用于深水勘探的船底,，形成窄波束多陣元發(fā)射系統(tǒng)，一般的工作頻率可依據(jù)水下作業(yè)的深度確定使用2～8kHz或者8～23kHz,，從而迎合不同地層分辨率的需求,。

②非線性調(diào)頻聲吶（參量陣）淺地層剖面系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理為在同一換能器上增加兩個(gè)頻率各異的聲波,。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中形成差頻波,，通過(guò)對(duì)差頻波進(jìn)行控制，形成更低的聲波,，進(jìn)一步加強(qiáng)勘察深度,，提高該技術(shù)的穿透力。原頻頻率較高,，便可盡量壓縮換能器的體積,，波束的開(kāi)角也更窄，差頻聲波具有與原頻主瓣相同的指向性,，且不存在旁瓣,，這樣便不會(huì)受到差頻的影響，因此參量陣聲吶可在海底探測(cè)工作中發(fā)揮出更為明顯的特征,，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①換能器的體積更小,，便于攜帶和使用；②波束更窄,，同時(shí)加強(qiáng)了分析過(guò)程的數(shù)據(jù)分辨率,，通過(guò)準(zhǔn)確的推斷海底地形，降低差頻,，提高穿透力,，利于加強(qiáng)深積層的數(shù)據(jù)分析能力；③差頻頻率達(dá)到可控水平,，能傳輸大量的信息內(nèi)容,，方便對(duì)沉積層進(jìn)行科學(xué)的識(shí)別。見(jiàn)圖3所示,，為探測(cè)掩埋電纜的聲圖,。

圖3  參量陣淺地層剖面系統(tǒng)探測(cè)掩埋電纜聲圖

隨著深海勘探需求的不斷提升,，運(yùn)用一般性的船載設(shè)備進(jìn)行勘探和調(diào)查已經(jīng)難以達(dá)到理想的效果,，此時(shí)深拖調(diào)查系統(tǒng)便可彌補(bǔ)上述不足。該系統(tǒng)從根本上講,，是拖曳于船后的地質(zhì),、物理觀測(cè)系統(tǒng)，需在拖曳式航行設(shè)備上使用,，組合成精度更高的定位系統(tǒng),，主要包括地層剖面儀、連續(xù)測(cè)溫裝置等,。

深拖調(diào)查系統(tǒng)可對(duì)海底的地磁,、地?zé)岬惹闆r進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè),，同時(shí)完成海底的攝影和取樣等工作內(nèi)容。在作業(yè)水深逐漸提升的背景下,，后拖距離也會(huì)隨之提升,，導(dǎo)致超短基線無(wú)法獲得更為準(zhǔn)確的定位，此時(shí)便可應(yīng)用雙船作業(yè)形式來(lái)優(yōu)化探測(cè)的精度,。潛器勘探技術(shù)還包括AUV系統(tǒng),，主要是無(wú)纜自帶動(dòng)力作業(yè)的航行設(shè)備。我國(guó)的AUV調(diào)查系統(tǒng)可達(dá)到的最大探測(cè)深度為3000km,，西方高技術(shù)水平的調(diào)查系統(tǒng)探測(cè)深度可達(dá)到6000km,。運(yùn)用AUV調(diào)查系統(tǒng)深水工程物探調(diào)查，加強(qiáng)了深?？辈煨?，能準(zhǔn)確的獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，這也標(biāo)志了我國(guó)自主研發(fā)能力的提高,。隨著潛器勘探技術(shù)的廣泛應(yīng)用,，必然會(huì)加強(qiáng)深水工程地質(zhì)勘察能力，從而保證深水工程的開(kāi)發(fā)與建設(shè)質(zhì)量,。圖4為中科院聲學(xué)所的6000米聲學(xué)深拖系統(tǒng),。

圖4  6000米聲學(xué)深拖系統(tǒng)

⑴長(zhǎng)管柱狀取樣技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)通常應(yīng)用于海底的淺表取樣作業(yè),，能夠獲得柱狀沉積物作為樣本,。結(jié)合不同的觸底方式，又可分為重力柱狀取樣和重力活塞取樣兩種設(shè)備類型,。其中前者又由重錘和取樣管組成,，后者包括重錘、釋放器系統(tǒng)等,。在實(shí)施作業(yè)期間,，需運(yùn)用纜繩將取樣管置于水下，以自由落體的形式進(jìn)入海底,，通過(guò)纜繩將內(nèi)置的活塞拉回取樣器的頂端,，海底的沉積物便會(huì)隨著活塞的上升進(jìn)入取樣設(shè)備。我國(guó)在“十一五”規(guī)劃期間已經(jīng)研發(fā)出重力活塞取樣設(shè)備,，最大作業(yè)深度可達(dá)3000m,，水深取樣器的長(zhǎng)度可達(dá)25.5m，其技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,。

圖5  科考隊(duì)員在布放重力柱狀取樣設(shè)備

⑵原位測(cè)試技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)需基于巖土原本的位置,，以原狀態(tài)和應(yīng)力對(duì)巖土的性質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。通常可應(yīng)用原位測(cè)試手段,，主要為載荷試驗(yàn)及波速測(cè)試等,，能夠有效避免在取樣期間受到應(yīng)力釋放的影響，同時(shí)其影響范圍更大,，具有更高的典型性特征,。其缺陷主要體現(xiàn)在能夠影響原位測(cè)試結(jié)果的因素較多,，原位測(cè)試對(duì)應(yīng)條件不同等問(wèn)題上,。國(guó)際上的原位測(cè)試技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到成熟水平，能夠結(jié)合不同的水下深度運(yùn)用相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備,，我國(guó)對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)較為滯后,，且普遍存在設(shè)備缺乏穩(wěn)定性和靈活性等方面的問(wèn)題。

⑴浮船式深水工程地質(zhì)鉆探技術(shù)

運(yùn)用浮船式方式進(jìn)行地質(zhì)鉆探,，仍然可作為當(dāng)前深水探勘的慣用手段,，通常在深度較高的地層沉積物提取方面應(yīng)用。國(guó)外在船載深水地質(zhì)取樣方面的技術(shù)研發(fā)起步較早,，且技術(shù)水平相對(duì)成熟,，已經(jīng)具有30年以上的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可滿足深度在3000m以內(nèi)的勘探要求,。浮船式地質(zhì)鉆探技術(shù)設(shè)備需運(yùn)用門市雙塔型井架,，同時(shí)配置大通徑的定驅(qū)裝置，有效提升鉆井的效率,。我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)的研究中較為滯后,，目前已經(jīng)研究出“海洋石油708船”，其鉆探深度可達(dá)3000m,，見(jiàn)圖6,。

圖6  海洋石油708船

⑵深水海底工程鉆探技術(shù)

當(dāng)前我國(guó)在深海鉆探技術(shù)的研發(fā)方面已經(jīng)獲得了較大的成功，國(guó)外深海工程的鉆機(jī)設(shè)備多使用雙管及繩索進(jìn)行取樣,，但在作業(yè)的能力方面還存在一定的差別,。其中日本設(shè)備可達(dá)到的作業(yè)水深為6000m，歐美設(shè)備可達(dá)到的作業(yè)深度為2000～3000m,。國(guó)內(nèi)的鉆機(jī)深度可達(dá)3000m,。鉆探已經(jīng)表現(xiàn)出較高的自動(dòng)化等特征。

當(dāng)前我國(guó)的深水探測(cè)技術(shù)研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期,，功能性和精準(zhǔn)度日益提升，這與我國(guó)的海洋戰(zhàn)略關(guān)聯(lián)度較高,。高精度的多波束技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各勘測(cè)作業(yè)中,，可有效提升物探的實(shí)施效率，同時(shí)可為海底地貌勘測(cè)提供更為準(zhǔn)確的參考。深水災(zāi)害是油氣勘探的主要威脅因素,。對(duì)此國(guó)際上已經(jīng)達(dá)成共識(shí),，積極嘗試對(duì)油氣勘探相關(guān)技術(shù)進(jìn)行融合實(shí)施。

工程勘察可對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估,，未來(lái)可廣泛應(yīng)用工程物探與檢測(cè)等多項(xiàng)行業(yè)前沿的技術(shù)手段,。無(wú)人潛器的體積會(huì)逐漸縮小，且兼容性更高,，具有更高的續(xù)航能力,，可持續(xù)優(yōu)化定位的精準(zhǔn)度。此外,，應(yīng)用具有更高分辨率的二維系統(tǒng)實(shí)施三維地震采集等技術(shù)能夠直接對(duì)巖土的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,，并通過(guò)系統(tǒng)對(duì)作業(yè)的可靠性進(jìn)行優(yōu)化，以海底模式為基礎(chǔ)的工程鉆探可在不遠(yuǎn)的將來(lái),，成為水深在1500m以上的作業(yè)鉆探取樣的主要應(yīng)用手段,，同時(shí)起初用于電纜測(cè)井與隨鉆測(cè)井的技術(shù)手段也會(huì)在深水淺層地質(zhì)和水合物鉆探的調(diào)查中獲得更為頻繁的應(yīng)用。

深水工程勘察技術(shù)向著更加高效,、安全的方向發(fā)展，為全面加強(qiáng)深水工程勘察技術(shù)應(yīng)用效率,，技術(shù)人員要通過(guò)工作實(shí)踐,，不斷創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用方式，科學(xué)的制訂更加完善的勘察技術(shù)體系,，從而保證深水工程勘察技術(shù)水平不斷提高,。