海洋地形、地貌、地质与地球物理调查课件

1、 第十二章 海洋地形、地貌、地质与地球物理调查 12.1 海水深度、海底地形、地貌测量 12.2 海底浅层结构探测 12.3 底质采样器 12.4 海洋重力测量仪器 12.5 海底热流测量 12.6 海洋地磁测量仪器 12.7 海洋地震测量仪器 12.8 调查的基本方法和图件1h12.1 海水深度、海底地形、地貌测量 研究意义： 海洋深度的观测，同时根据侧扫声纳、海底照相、海底电视、浅地层剖面仪测量和底质取样等所提供的海底沉积物、基岩和地质构造等资料，可编制海底地貌图及其他相应的图件，以反映海底地貌特征，划分地貌类型并研究其生成年代。2h12.1 海水深度、海底地形、地貌测量 一、多波束测深系

2、统 1. 类型： 按性能特点分类，有数字型和相干型多波束 2. 特点：优点：覆盖范围广，水深点密度大，平面位置表示准确合理，定位精度高，发现目标物能力强； 制约因素：安装需稳，校准需准，抗干扰差，个别地形特点易被过滤。3h12.1 海水深度、海底地形、地貌测量 一、多波束测深系统 3. 系统组成：以Sea Beam 2112.360为例水下部分：由12kHz发射阵和接收阵、36kHz发射阵和接收阵组成；发射阵平行船纵向(龙骨)布设，接收阵垂直船龙骨方向安装；联接箱由一个发射阵接线箱和两个接收阵接线箱组成；控制工作站：控制联接箱开关电路使12kHz和36kHz频率自动转换 适应于换能器以下501

3、1000m海域的水深测量。4h12.1 海水深度、海底地形、地貌测量 一、多波束测深系统 3. 系统组成：以Sea Beam 2112.360为例声纳：有一个弧形换能器阵构成，换能器以纵向1.5，横向170的扇形发射波束；波束经海底返回换能器后，以横向100个1.5波束角方式予以结束，形成100个1.51.5的横向波束；两侧留有10的扇形余地，可有效保证150的扫描范围；在波束发射过程中，可同时采集扇区两侧各40的旁扫数据，因此兼具旁扫功能。5h12.1 海水深度、海底地形、地貌测量 一、多波束测深系统 3. 系统组成：以Sea Beam 2112.360为例信号处理器：接收返回信号；对海底返

4、回信号的邻近波束及其强度进行比较，获取标准偏差达到一致的4个相邻水深值；声纳处理器通过振幅检验和相位检测，并用统计方法，以最合适的参考值作为波束角的函数，使1.5波束转变为3波束，保证浅水域100%的覆盖。声纳视频监视器：用于显示每次扫海获得的100个波束的彩色图像、回波信号强度及各波束的测深数据。6h12.1 海水深度、海底地形、地貌测量 二、海底测量的相干声纳(ISIS)系统 1. 基本原理 利用多声板接受回波的振幅、时间和相位差，来对海底各点进行准确定位，并快速处理大量数据。 集水深探测技术和成像技术于一体。不仅给出水深数据，而且给出海底三维立体图、等深图和侧扫声图。 可对海底地貌高密度

5、、高精度测量。7h二、海底测量的相干声纳(ISIS)系统 2. 基本结构相干仪：从左右两个换能器轮流发射声波，覆盖角达300，声波遇海底后反射；测量覆盖宽度是换能器距海底水深的15倍；回波经换能器的底声板与顶声板的时间不同，回波相位差被测量记录下来；利用回波角结果可对海底进行点位和深度测量；回波达到相干换能器时，其相位被测量；换能器由1个发射声板和至少2个接受声板组成，发射波束的水平开角很小(1)，但垂直开角很宽。8h二、海底测量的相干声纳(ISIS)系统 2. 基本结构ISIS成像过程：从左右两个换能器轮流发射声波，通过对返回信号的采集记录，测量垂直于航线的一条剖面的深度分布值；一系列的发射

6、脉冲得到一系列的测量剖面，构成一个测量覆盖区带；一系列的这种边部重迭的区带覆盖构成一幅底貌图。9h二、海底测量的相干声纳(ISIS)系统 2. 基本结构换能器测量过程：换能器发射间隔可在400100ms之间调节；如对于200ms的发射间隔，300m的覆盖宽度，每次发射对反射声波信号进行40000组相位样值及相应的振幅、时间采样测量；经滤波处理得到大约2000个回波角（或距离）的值。10h二、海底测量的相干声纳(ISIS)系统 2. 基本结构数据采集和处理过程：数据采集时，将测量剖面沿剖面方向以一定的长度(7.5cm左右)划分为若干方块；通过数值取舍(通过地下连续性对比，滤除不合理读数)，记录方

7、块上的一个深度值；尽最大程度地避免多声波出现的远离换能器因波束发散、覆盖面积大而测量数据分辨率下降的弊端；测量剖面的疏密程度是由测量船航行速度和发射间隔共同决定，200ms的间隔发声，航速4节，则两条剖面的距离约0.4m。11h三、侧扫声纳 0. 概述基本含义：别称：又称旁侧声纳、旁视声纳、侧扫声纳等：测试原理：利用声波在海底散射的原理，扫描海底的一种观测仪器；测量原理示意图：图12.1.1a，1b；特点：是目前常用的海底目标(如沉船、水雷、管线等)探测工具；可显示微地貌形态和分布，可获得连续的有一定宽度的二维海底声图；可做到全覆盖而不漏测。12h三、侧扫声纳缺点：易出现侧扫速度与扫测宽带相矛

8、盾；不能提供水深数据；分辨率不高；不能自动检测和判别小目标等。13h三、侧扫声纳 1. 用途在探测海底固有目标（如礁石）、突发事故沉降物(如水下沉船、导弹、鱼雷及水雷等)等方面有广泛用途：多用于探测水下沉船、海洋地质探测、海底电缆铺设、港口建设及航道疏浚等方面；对大陆架和海洋专属经济区划界、海洋地质、海洋工程、港口建设及航道疏浚等方面有广泛应用。类型：根据发射频率：高频、中频和低频侧扫声纳；发射信号形式：CW脉冲和调频脉冲；其它：舷挂式和拖曳式，单频和双频，单波束和多波束14h三、侧扫声纳 2. 基本工作原理见图12.1.1a，1b 和图12.1.2：左右两条换能器具有扇形指向性；声波发射与回

9、收过程与海底地形地貌的关系：P233；成像过程：回波幅度变化。 3. 侧扫声纳发展趋势高速侧扫声纳： 8波束、4脉冲等已应用，12波束和多脉冲也在研制三维侧扫声纳：15h12.2 海底浅层结构探测 一、拖曳式浅地层剖面探测 0. 浅地层剖面仪浅地层剖面仪是在超宽频海底剖面仪基础上改进，对海洋、江河、湖泊底部地层进行剖面显示的设备，结合地质解释，可以探测到水底以下地质构造情况。该仪器在地层分辨率和地层穿透深度方面有较高的性能，并可以任意选择扫频信号组合，现场实时地设计调整工作参量，可以在航道勘测中测量河（海）底的浮泥厚度，也可以测量在海上油田钻井中的基岩深度和厚度。因而是一种在海洋地质调查，地球

10、物理勘探和海洋工程，海洋观测、海底资源勘探开发，航道港湾工程，海底管线铺设广泛应用的仪器 16h12.2 海底浅层结构探测 一、拖曳式浅地层剖面探测 浅地层剖面仪工作原理（1）探测船在走航过程中，设置在船上或其拖曳体上的换能器向水下铅直发射大功率低频脉冲的声波，抵达水底时，部分反射，部分向地层深处传播；（2）由于地层结构复杂，在不同界面上又都有部分声波被反射，这样，依这些反射界面的特性和深度不同，在船上接收到回波信号的时间和强度也不同；（3）通过对回波信号的放大和滤波等处理后，送入记录器，就可以在移动的干式记录纸上显现不同灰度的点组成的线条，清晰地描绘出地层的剖面结构 17h12.2 海底浅层

11、结构探测 一、拖曳式浅地层剖面探测 1. 技术指标浅水型浅地层剖面仪工作水深：100m以内；探测记录深度：海底面以下(垂直)3050m；记录分辨率：2030m。深水型浅地层剖面仪：工作水深：6000m以内；探测记录深度：海底面以下(垂直)200m；记录分辨率：35m。18h12.2 海底浅层结构探测 一、拖曳式浅地层剖面探测 1. 技术指标主测线方向应与海底地形等深线的总趋势方向垂直，或者与区域地质构造走向垂直，联络测线方向与主测线垂直。 2. 测量仪器 主要由声源、换能器阵和接收记录器三部分组成。声源：浅水型和深水型技术指标，包括声源级和频谱；接收换能器：包括灵敏度和接收带宽的水听器技术指标

12、；接收、记录设备：4个功能。19h12.2 海底浅层结构探测 一、拖曳式浅地层剖面探测 3. 仪器安装和使用测量方式：船尾拖曳式(主)，舷挂式(浅水型)发射机和接收机应接地良好，接收记录设备应安置在船尾部实验室；调查船应匀速、直线航行；转测时，大角度转弯；浅水型：航速不大于6节；深水型：航速不大于3节。20h12.2 海底浅层结构探测 一、拖曳式浅地层剖面探测 4. 资料整理干扰信号的识别：背景噪声呈雪花，属宽带；海况、生物、尾流及螺旋桨等；电噪声呈特殊条带，属窄带；机械振动、接地不良等；混响噪声使回波模糊，分辨率降低；常在浅水区出现大功率声源情形。21h12.2 海底浅层结构探测 一、拖曳式

13、浅地层剖面探测 4. 资料整理地层剖面反射界面划分的原则：同一层组波反射连续、清晰、可区域性追踪；层组内反射结构、形态、能量、频率等基本相似，与相邻层组有显著差异；主测线与联络线剖面相同层组的反射界面应能闭合。剖面解释：6个方面加以解释：P23622h12.2 海底浅层结构探测 二、船载式浅地层剖面探测 1. 技术指标浅水型：与拖曳式相同。深水型：工作水深：6000m以内；探测记录深度：海底面以下(垂直)30150m；工作频率：线性调频扫描高频段1510kHz，低频段：2.2 6.6kHz；输出至换能器基阵的功率：峰值3kW。23h12.2 海底浅层结构探测 二、船载式浅地层剖面探测 2. 测

14、量仪器以深水型浅地层剖面探测为主要内容，可兼测水深；设备硬件：主机、两组换能器基阵及连接电缆组成。 3.海上测量以不大于10节航速匀速航行；船沿测线偏离不大于100m；调查船进入和离开测线时，中途停驶或改变航速时均要通告仪器操作室。24h12.3 底质采样器 一、海洋底质表层采样 1. 拖网采样适用于基岩或砾石底质；筐式拖网结构：图12.3.1。 2.QNC-5型箱式拉力采泥器主要用于采集海洋、河流、湖泊、海上养殖场等表层泥样；结构及组成：工作原理：QNC-6型不锈钢挖泥斗：图12.3.225h12.3 底质采样器 一、海洋底质表层采样 3. DYC3-1型自返式锰结核取样器主要特点：一种无缆

15、绳取样后自动返回海面的6000m深海获取锰结核样品的的装置；使用时，自动下沉，触底取样后，自动上浮海面；取样速度快、省时、省力、不需要昂贵的绞车和长钢缆；主要结构与工作原理：结构：图12.3.3；工作原理：P23826h12.3 底质采样器 一、海洋底质表层采样 3. DYC3-1型自返式锰结核取样器其他同类型取样器：深海用4200型自返式取样器：带有深海照相机的4200型自动自返式取样器：27h12.3 底质采样器 二、海洋底质深层采样 1. CH-1型重力活塞取样管主要用途：活塞式取样设备；在水深大于10m的水域中可采集210m长且基本保持原状的沉积物可用于海洋、港湾和湖泊沉积物的采集。2

16、8h12.3 底质采样器 二、海洋底质深层采样 1. CH-1型重力活塞取样管仪器结构：主要有：提管加重系统，释放装置和取样管三部分；提管加重系统：释放装置：取样管：29h12.3 底质采样器 二、海洋底质深层采样 1. CH-1型重力活塞取样管工作原理：图12.3.5取样管下放配重球触底杠杆失去平衡活动吊环脱落取样管自由下落钢丝绳拉直取样管钻进沉积物；活塞始终停留在贴近海底的位置；通过活塞和取样管的相对运动产生局部真空，有利于沉积物的抽吸作用。30h12.3 底质采样器 二、海洋底质深层采样 2. DDC-1型振动活塞取样管用途：用于水深150m以内的浅水区和岸边采集沉积物柱状样品；在沙质沉

17、积区也能采集到满意的样品。31h12.3 底质采样器 二、海洋底质深层采样 2. DDC-1型振动活塞取样管仪器结构和工作原理：仪器结构：振动器、偏心锤、交流电机、取样管等；工作原理：利用振动作用降低取样管周围沉积物与管壁的摩擦力，使砂质沉积物因振动而稀释，使取样管钻进沉积物中，在利用活塞的抽吸作用，增加取样长度和取样率。32h12.3 底质采样器 二、海洋底质深层采样 3. 4000m自返式取样管用途：无缆取样装置；适用于漂泊的船上采集海底表层1m左右的柱状样品。33h12.3 底质采样器 二、海洋底质深层采样 3. 4000m自返式取样管仪器主要原理和结构：工作原理：当取样管插入沉积物中的

18、同时，释放机构浮体，浮体带着装有泥样的塑料衬管浮出海面；装在浮体内的信标机发出信号，指示船上进行打捞、回收；结构：压载体、浮体、信标接收机及辅助设备等部分。34h12.4 海洋重力测仪器量 、概述 1. 地球重力场海洋重力测量是测量海区重力加速度的工作；是反映地球物质分布与运动的基本物理场，它制约着地球及其外部空间所有物体的运动，在地球科学及其相关学科的研究中极其重要的作用；传统的地面静态重力测量主要用于测定陆地局部区域的地球重力场，由于受地形、地貌、交通以及军事等因素的影响，这种作业效率低，而且在人迹罕至地区难以施行。35h12.4 海洋重力测仪器量 、概述 2. 船载重力测量技术是一种动态

19、重力测量方法，其特点是载体运动速度低，且行驶在一个平均海面上，仅靠测量系统硬件方面的阻尼和合适的低通滤波技术，便可达到所要求的精度；由于测量速度慢且只限于海面作业，仍是一种低效的重力测量方法。36h12.4 海洋重力测仪器量 、概述 3. 航空重力测量技术借助于卫星测量技术，能够测定全球重力场，但仍只能测定地球重力场的中长波分量；航空重力测量是以飞机为载体，综合应用重力仪(或加速度计)、INS、GPS和测高、测姿设备，测定近地空中重力加速度；特点：测量速度快，能够对一些特殊区域进行作业，对于获取中高频重力场信息仍具有无法替代的作用。37h12.4 海洋重力测仪器量 一、基本要求 1. 测量准确

20、度 2. 仪器的安装 3. 仪器的调试 4. 海上测量 5. 正常重力场计算和重力基点系统38h12.4 海洋重力测仪器量 二、海洋重力仪简介 1. KSS-5型海洋重力仪 2. KSS-30型海洋重力仪 3. 拉科斯特S型重力仪39h12.5 海底热流测量 一、技术要求 1. 设置环境测点应布设在沉积物松软、沉积层厚度大的地区，沉积物厚度小于200m或基岩海底不能布设热流测点；在水深小于1000m的海区，应收集该海区的底层水温资料，无历史资料时，应测量工作前二个月连续观测底层水的温度变化，供资料处理用。40h12.5 海底热流测量 一、技术要求 2. 剖面测量的测线、测网布设热流测量剖面应垂

21、直于地质构造走向，并尽量与其他地球物理剖面相重合，剖面上测定间距一般为35km；大区域的平均热流测量时，常以11或55为网格，均匀布设34个测点，每个格网至少布设一个测点，测量热导率；热流细测时，以3737km划为一个区块。41h12.5 海底热流测量 二、仪器设备 主要测量地温梯度和热导率两部分，地温在海底直接测得，热导率可在海底测得，也可采集海底沉积物岩芯样在室内测得。 1. 数字地温探针不锈钢探针内装热敏元件，要求耐压；探针样管尺寸要求；探针安装要求。瞬时热导率探针探针内安装加热细金属丝及热敏元件；加热丝电阻50，电热丝的电功率为0.51W。42h12.5 海底热流测量 二、仪器设备声波

22、遥测海底热流探针调查船设备要求船尾应装有可变螺距推进器，可以0.51m/s慢速航行；甲板上绞车钢缆长度应满足测量最深水域的需要，末端负载应大于5t，绞车应能变速，最高下降速度应大于2.5m/s；热流测量时，调查船停船定点作业，要求每1015min测定一次船位；测量时船位保持在测点上方，船移位半径不得超过测点水深的10%。43h12.5 海底热流测量 三、海上测量海底地温测量根据已知或估算的底层水温调整好“零”电阻值及参考电阻值，确保实测的地温在测量范围内；探测装置入水后，至离海底100m左右时测量海水底层水温值，然后迅速施放钢缆，使装置的铁管插入海底沉积物中，待探针与周围沉积物温度达到热平衡后

23、，测一组地温数据；探针入海后，视海流和海况，要多放出钢缆3050m；海底现场地温测量的同时，进行沉积物柱状取样，沉积物柱状样取样管收回到船上后，应立即卸出柱状芯样放置入船上实验室。44h12.5 海底热流测量 三、海上测量海底热导率测量 有现场测定和实验室室内测定两种方法；现场测量与地温测定同时进行。现场测定探测装置插入海底沉积物中后，首先测量海底地温梯度（如何测定？）；采集沉积物热导率数据：数据的记录与发射：热导率的求算：45h12.5 海底热流测量 三、海上测量海底热导率测量室内测定从海底取得的沉积物柱状芯岩应无扰动、保湿、恒温且内部一致；将探针插入岩芯内，通电加热，测量周围沉积的温度变化

24、：沿岩芯变更测位，得到多个热导率数据，最后用最小二乘法求出合适的平均热导率。46h12.5 海底热流测量 四、资料整理沉积物温度与深度的关系；热导率与深度的关系；温度与布拉德深度的关系；区间地温梯度与深度的关系；热阻与深度的关系；区域热流密度与深度的关系；各测点的平均热流密度等。 剔除收到明显干扰的数据，把那些与平均值偏差大于标准差1.5倍的数据舍掉。47h12.5 海底热流测量 四、资料整理平均地温梯度估算 用数字地温探测进行海底地温观测时，对观测数据，用最小二乘法求得曲线的平均斜率，即为平均地温梯度。室内测定的热导率校正温差校正值计算式：压差校正：热导率计算：48h12.5 海底热流测量

25、四、资料整理测点平均热流密度计算 热流测量数据的质量评价探针全部插入沉积物，未受任何扰动，测得地温梯度有两组或两组以上是相同的，热导率测量准确度也高，可认定该热流密度完全可信，定位级；探针全部或部分插入沉积物，几组地温梯度比较接近， 该热流密度完全可信，定位级；只有一个探针插入沉积物，估算地温梯度与预想值相接近，有热导率资料，该热流密度可用，但可信度较差，级；49h12.5 海底热流测量 四、资料整理热流测量数据的质量评价不能使用的热流密度定为级；海底地形起伏大，沉积盖层极薄区，测得的热流密度常不准确，可信度低，应降其等级，或将其报废。50h12.6 海洋地磁测量仪器 、概述地磁：地球所具有的

26、磁性现象，又称地球磁场或地磁场；罗盘指南和磁力探矿都是地磁的利用；海洋地磁测量：在海洋地区进行的地磁场要素的测量和勘探工作简称海洋地磁测量；目前，常用质子(核子)旋进磁力仪（含欧弗豪塞磁力仪）、光泵磁力仪或海上梯度仪(包括水平梯度仪和垂直梯度仪)等进行连续测量；意义：用于海底矿产资源的普查勘探、水下铁磁性障碍物的探寻，以及水下武器的布防等。 51h12.6 海洋地磁测量仪器 一、工作原理质子旋进式磁力仪工作原理：在传感器内装有少量富质子(氢原子核)的液体(如煤油或甲醇)，在这些富含氢原子核的液体中，其它分子的电子轨道磁矩和自旋磁矩、原子核自旋磁矩都成对地彼此抵消，只有氢原子核的自旋磁矩没有抵消

27、，并显示微弱的磁矩；在外磁场为零时，氢原子磁矩是任意取向的；如果在液体的周围加有强大的人造磁场(由线圈产生)，此磁场引起液体内大多数质子自旋方向偏向以防，自旋轴都将转至人造磁场方向上定向排列；52h12.6 海洋地磁测量仪器 一、工作原理质子旋进式磁力仪工作原理：如果人造磁场突然消失，这时氢原子将在原有的自旋惯性力和地磁场力的共同作用下，以相同相位绕地磁场方向进动，即质子旋进；质子旋进初始阶段因相位相同，显示出宏观的磁性；它周期性地切割在容器外的线圈，产生电感应信号，其频率和质子旋进频率相同；质子旋进频率与地磁场有如下关系：53h12.6 海洋地磁测量仪器 一、工作原理质子旋进式磁力仪工作原理

28、：欧弗豪塞磁力仪：通过电子质子耦合现象达到质子极化的目的；电子质子耦合过程：P251；重要性：在于欧弗豪塞磁力仪最大输出信号取决于欧弗豪塞化学试剂的设计，而不是取决于输入传感器的能量大小；只需12W能量磁力仪传感器就能产生清楚的强大进动信号，而标准质子磁力仪需数百瓦能量；其传感器的极化可和进动信号测量同时进行，提供的信息多54h12.6 海洋地磁测量仪器 一、工作原理光泵磁力仪工作原理：原理：建立在塞曼效应基础之上的仪器，P252；核心部件：装有碱金属蒸气的容器(吸收室)；由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定频率的交变电磁场的作用下，又将产生共振吸收作用，打乱原子的排列情况；发生共振吸收现象的电磁场的频率(拉莫尔频率)与样品所在点的外磁场强度成精确的比例关系，故测定这一频率就可以测出外磁场的值；常用的工作元素有；钾(39K)；铷(87Rb，85Rb)；铯(133Cs)；氦(4He，3He)等。 55h12.6 海洋地磁测量仪器 二、G801型海洋质子磁力仪用途：用于测量海洋地质磁场强度；工作原理和结构：传感器及其壳体：海洋拖曳电缆：图12.6.1主要测控电路： 56h12.6 海洋地磁测量仪器 三、G880-G铯光泵