海洋地球物理导论

海洋地球物理导论中国地质大学（武汉）地空学院2009教材：“海洋地球物理”国家海洋局海底科学重点实验室绪论世界海洋总面积占地球表面积的71％。海洋中蕴藏着极其丰富的自然资源。●海洋地球物理学的研究成果曾为现代地球科学的发展做过重大贡献，极大地促进和推动了地球板块的理论研究。

●自从地球的板块构造理论提出后，海洋地球物理研究日益发展，●科学家们试图用各种地球物理方法(重力、磁力、电法和地震等)及深海钻井方法进行海洋地壳的构造研究，以提高人类对地球的认识和海洋资源的开发利用。1.1

介绍海上地球物理学观测的目的是为了测定海底和地球内部的性质及其行为。这种观测不仅能满足我们对于我们这颗行星组成和运行规律的自然好奇心，而且它还具有非常实际的应用价值；通过这些测量可以让我们找到和开发那些为现代工业社会所赖以生存的矿物资源。

随着现代科学技术的飞速发展，我们现在已经可以测量下列几项内容∶1.

地球重力加速度2.

地磁场3.

由于爆炸或地震而引发的海底地震位移和水柱中的压力变化4.

海底热量的传输率5.

海底电势6.

通过海底的电流7.

海底的放射性通过把仪器直接放于海底或者放在钻孔中来认识这个固体地球最重要的是记录海底的地面位移、热流和电流。对地震压力波动及地球重磁场的观测，我们能在移动船上进行，并且用这种方法收集空间信息要远比用海底传感器收集快得多。

尽管通过飞机和卫星能更快速地测定重磁场且覆盖面积大，但其分辨率较低。

随着测点与海底间距离的增加，地球物理特性小尺度变化的影响逐渐减小，以至于我们无力解决单个地质特征的问题。为了能够获得更好的构造细节，我们最好能够把测量仪器放在海底或拖在海底之上，或者干脆放在钻孔里面。

海洋地球物理学家所采用的方法与陆地上的有很多相似之处，例如海底热流传输率的大小主要取决于温度梯度和热传导。

由于海底的热结构往往要比陆地上的稳定得多，所以这种测量在深海中确实是要显得更为直接一些。然而海洋环境却给地球物理学家提出了更为尖锐的问题。由于大部分的测量和试验是在相隔很远的区域中进行的，所以需要一个精确的全球覆盖的导航系统；如果连测点位置都不精确的话，那么测量得到的物理参数就会变得无意义。在移动船上进行重力测量时，所测得的合加速度里面包含了较大的外来加速度，我们必须把它给剔除掉。当我们要对地磁场进行记录时，无论是在船上、潜艇上、飞机上还是卫星上，传感器必须远离记录平台的磁感应。当我们用压敏水听器探测地震波在海水中的传播过程时，观测是在诸如船震动或水运动引起的压力波动条件下进行的。自由漂浮的仪器也会由于风或流的作用而发生相应的漂移。由于仪器是浸没在海水中的，所以其要求特殊的数据记录和数据传输到海面的方式，并且在设计时也得考虑到其要能经受得起外界的流体静压力、侵蚀、拖应力和在海况恶劣时投放和回收的粗暴处置。同时我们也必须记住，海水是一种电介质，因而海底的电流、时变磁场和电场都会受到其传导率的影响。然而，虽然由测量平台和海底之间传导性良好和扰动的巨厚水层造成很多困难，但实际上在海洋中的许多地球物理测量往往要比陆地上的容易而且也要快一点。

1.2海底地貌：地球物理观测的框架

很多地球物理测量关心的是研究海洋中主要地形形态的结构、起源和演化等等。最早对海底地形进行测量是在18世纪开始的水文测量和19世纪的海洋探险中采用的重锤单点水深测量。

1855年M.F.Maury测量得到的墨西哥和西非之间的北大西洋水深图和测深剖面。虽然当时测得的深度点很少，但已能清楚地揭示出毗邻大陆的浅台地、通往深海的陡坡、中大西洋的较浅区域及加勒比海边缘的深海沟。一个世纪后对该区应用电子测深技术得到的详细的水深图，它给出了Maury测深图勾画的大尺度地形特征的复杂性。从图上可知有四种海底地形：1、大陆边缘；2、深海盆；3、大洋中脊；4、深海沟。图上分别给出了这四种海底地形的剖面图。大陆边缘位于大陆和水深大于3500-4000米的海盆之间。邻近海岸区域而相对平坦的台地构成大陆架，其坡度十分平缓。陆架向外延伸到陆架坡折处，海底在此变陡，陆坡也开始于此。但在海底峡谷处却发现了近垂直的坡度，如美国东部峡谷深深地切入了陆坡。在某些地区诸如佛罗里达和几内亚，深度为800-1000的边缘海台位于陆架和陆坡之间。在北大西洋，陆坡延伸到水深4000米处。坡脚处出现陆隆。在一些地区，大的海山和海山群破坏了陆隆的平滑度，有一些海山岛如百慕大群岛、佛得角群岛、加那利群岛、马德拉群岛等都露出了海面。

穿过该区的深海峡使海底局部变陡。在西北非和其它一些地区陆隆延伸了几百公里而在有些地区譬如佛罗里达、几内亚等地却缺失陆隆。在波多黎各及其相邻岛屿也同样缺失陆隆，但在这儿出现了另外一种重要的地形：即水深超过7600米的深海沟。这个在Maury绘制的剖面中就已经能看出来了，这一点在用电子测深数据绘制的图中看得更清楚。沿着大西洋边缘，陆隆和深海平原（地球表面最大面积的平坦地区）混在一块。

大西洋中脊占据了北大西洋中部的三分之一，该中脊高出两侧的深海平原2公里以上。在脊顶有宽约50公里的深裂谷。除了脊轴被长的横切断裂带错断，表现为深峡谷和陡峭海脊以外，脊翼的地形基本上都是平行于脊顶呈线性排列。

全球规模的洋中脊在中脊一些的地方还分布着几个大的孤立海山和海山群，其中有些还高出了海平面如亚速尔群岛。在一些地区，宽的大洋隆起从大西洋中脊向外延伸，构成深海平原之间的隔障。位于大西洋赤道的塞拉里昂隆起就是这样一个地区。

1.3海洋地球物理学的发展为了得到固体地球的一些信息，进行磁偏角、罗盘指针与地理北极之间的夹角的测量是海洋地球物理测量一个首要任务。最早的世界海洋等偏图是由SirEdmondHalley在1698-1701四年间用Paramore号进行三次科学考察后于1702年发表的。

作为以等值线形式发表的第一个地球物理测量成果图，它是当时在天文定位和地物目测不可能时进行航海的基础。然而磁偏角随时间而变这一点是众所周知的。Halley认为这与地球深部相对于其外壳向西旋转有关，这是动态行星的思想，至今仍为现代地磁学的核心思想。为了不断更新世界大洋等偏图，对海洋磁偏角的测定一直从Halley时代延续到这个世纪，给人们提供很多关于地磁场长周期变化及其起源的信息。在海洋上进行地球重力场的测量开始于19世纪后期，C.W.Siemens（1876）用重力测深计进行水深测量的实验。但由于其测量精度还不如使用铅锤测深的精度因而没有得到推广使用。第一个研究海底的重力测量实际上始于约50年以后，即F.A.VeningMeinesz于1948年在潜艇上用摆测定重力。他的这个测量揭示了与构造过程有关的洋底密度的侧向变化。在二十世纪三十年代人们把陆用电法和地震法应用于海洋测量。C.Schlumberger、M.Schlumberger和E.G.Leonardon为了能从电流差和势能差中得到基岩的深度于1934年在阿尔及利亚沿岸铺设了电缆。与此同时，M.Ewing、A.P.Crary和H.M.Rutherford于1937年在美国东部的浅水区进行了开创性的地震测量；E.C.Bullard和T.F.Gaskell于1938年在不列颠西南部的浅水区也进行了地震测量。通过测定水下爆破产生的弹性波的传播过程，确定了大陆架以下低速沉积厚层的位置，并为后来近海石油工业的发展奠定了基础。

自第二次世界大战后海洋地球物理发展很快。野外勘探调查已远超出近岸区进入深水，甚至大洋。这彻底改变了我们对于整个地质过程、海底特性和我们星球发育的认识。同时它也明显改变了我们发现和开采海底资源的方法。下面我们详细讨论一下海洋地球物理在近几年之所以会如此欣欣向荣的几个原因。1.3.1海洋地球物理对全球地质的主要贡献直到20世纪50年代我们对地球的演化史和组成还主要来自于对大陆的研究。以陆地为基础的研究给我们留下了许多不能回答的地质问题。其中主要有以四个基本问题：1.从地质意义上来看大陆和大洋有啥不同？2.大洋是怎样形成的？3.洋盆的年龄究竟是多少？4.在整个地质历史时期洋盆及其边缘是怎样演化的？

早在20世纪初，F.B.Taylor和A.Wegener就认为海洋是很年轻的，它是通过大陆块的漂移分裂而形成的，其实这一想法最初的提出距今已有2个世纪(Romm,1994)。证据主要来自于对化石的研究、对岩石层序中气象指示的研究和对山带结构的研究。除了少数几个以外，大多数地质学家认为大陆漂移理论没有说服力，也不能改变他们以为海洋在地球历史上一直都是存在的认识。海底扩张----洋中脊两侧磁异常条带对称分布，离中脊越远年龄越老。

20世纪五、六十年代的地球物理研究推翻了以往有关海陆演化史的思想。海洋调查结果清楚的说明海洋要比大陆年轻,而且两者在结构上也有很大的不同。洋壳是通过火成作用形成的，在这儿组成地球外壳的这些刚性块体或岩石圈板块发生分离。板块构造理论很好的概括了岩石圈板块的相互作用及其演化史。

1.3.2对军事科学的影响二战期间进行的军事性质的海洋研究，在1945年以后对地球物理的发展产生了重要的影响。它为在恶劣海洋环境下进行地球物理测量提供了专门的技术和一些基本仪器设备。战争时期必需迅速改进探测潜艇和其它水下目标的技术。

他们主要根据声波的检测和地磁场中的摄动，制造了一些海洋地球物理仪器：高精度的地磁仪、水听器和可频繁进行水下爆破的仪器。为了扫除声学和磁性水雷，使其在安全的地方引爆，设计出拖曳式声源和产生高强度磁场的电缆。为着战术上的考虑，有必要很好地了解海洋中声波的传播过程，尤其是水层变化和海底特性对声传播的影响。

1945年以后，许多致力于这些问题研究的科学家纷纷进入了大学、研究所和勘探公司工作，这在文明生活更加开放的环境下给地球物理的发展提供了巨大的推动力。在冷战时期海洋地球物理的军事目的更加突出，这主要体现在调查研究船只的提供和给予海底特性及起源研究的经济资助上。来自军事的资助仍在继续，并且现在开始开放以前的保密海洋信息，譬如水深测量数据、用于极地研究的核潜艇的使用和用于检测地震的近海底水听器阵列(Langsethetal.,1994;Foxetal.,1995)。

1.3.3石油和其它矿物资源的需求随着战后工业的快速发展，为满足人类对石油和其它矿产资源需求的增加早在20世纪60年代就开始快速发展海洋地球物理。然而，值得我们重视的是许多海洋地球物理的经济利益获得,不是来自于特殊目的的调查而是来自于受好奇心驱使而进行的研究上。世界上原油产量的20％多来自于近岸区，据估计海洋中蕴藏着大约40％的未开发石油。二战后的一些年来海洋上商业性质的地球物理勘探主要局限于沿岸水域，如墨西哥湾附近地区。众所周知，陆地上的厚层产油沉积层序一直延伸到了大陆架。最初使用改装过的战时的地磁仪在飞机上进行地磁测量。由于沉积物的磁性要比其下基岩的磁性小很多，所以同其它勘探方法相比，磁场空间变化提供了一种既快又便宜的技术，它能很好地评估发现含油沉积层的远景。到20世纪60年代早期每年都要飞行800000多公里的测线。同样，为探测低密度沉积盆地而设计了能放于海底的仪器，这种仪器能进行地球重力场的点测。尽管观测速度很慢，但也已经探测到了很多诸如北海和美国东部的沉积盆地。20世纪40年代中期很多商业公司利用地震的方法在墨西哥湾和加利福利亚的浅水区域寻找油气资源(Sheriff&Geldart,1995)。野外技术几乎和陆地上的一样。据报道，在1953年大约有100个地震队在近岸工作。在记录每个炮点时为了保证海底地震接收器稳定，测量数据获取的速率非常慢。为了加快野外操作，并且将勘探扩展到深水区，必须把重点放在从行进船上获取地震剖面图的方法上。目前海洋地球物理在这方面已经取得了很大的进步，由最初的二维地震图发展到最近的三维地震图。关于海底的几千米的详细的地震图不仅使我们发现了大量的石油而且通过结合钻孔资料使我们对大陆边缘的演化有了更进一步的了解。非石油矿产资源的勘探只是近岸地球物理作业的一小部分。然而，各类水深大范围的测量大大的促进了高分辨率地球物理技术的发展，这种技术能用于探测海底或近海底的精细地质构造。深海底的矿物资源包括铁锰结核、金属硫化物和富含铁、铜、锌、银和金的热液堆积等。在大陆架现已经应用海洋地球物理方法对砂石料、磷矿、热液矿床和含石英、锡、金、铂、钛和锆矿物的砂矿等进行了勘探调查。这些沉积矿床一般来说只有几米厚。从开采量来看，由沙子、砂砾和珊瑚、贝壳碎屑组成的砂石料是目前在大陆架上最重要的非石油矿物资源。在40年前要进行深海开采几乎是不可能的，但现在这在技术上已经是可行的了。由于很多勘探依赖于市场情况和专属经济区以外矿物勘探的法律条文，因而对商业勘探活动的评价常常会发生一定的变化。

1.3.4、调查船和其它平台的使用海洋地球物理的进步与调查船只和平台的使用密切相关，他们有效的扩大了调查范围、检测了新的仪器并且开展了新的实验。20世纪五、六十年代由于政府对海洋调查的大力支持并且给了科学家充分的空间开展他们的研究，因而海洋地球物理在这期间取得了前所未有的进步。战后大洋磁条带、热流和地震构造的发现对板块构造理论的发展起到了重要的作用。到了六、七十年代为了繁荣经济、发展科学，大量的多学科调查船、大洋钻探船（Glomar挑战者号）和商业地震勘探船开始执行任务。同时为了获得地球的重磁场和进行精确的导航定位，发射了好几颗卫星。用于海洋调查的仪器不仅用在上述这些平台上而且还用于破冰船、核潜艇、驳船、飞机、载人潜艇和遥控潜水器上。那些漂动的冰岛对于极区的研究是非常重要的。一般来说气垫船和SWATH船（小水面线双体船）主要用于浅水区的调查。

诸如USSPargo这样的核攻击潜艇对于基础研究非常的有用。这些设备大大的拓宽了地球物理勘探的领域，由于他们的运行速度是普通船的二倍以上，而且声学上是安静的，并不受海况和冰况的影响。

1.3.5导航系统的发展从地球物理勘探这个角度出发我们对海洋的认识主要依赖于精确的定位。在过去40年里导航技术上的巨大发展有利于改变海洋地球物理勘探的方式。他们大大促进了实验作业的发展，同时允许我们在远离大陆的地方进行详细的勘探。传统上船只的航行是通过天文定位或者是根据已知地物进行目视定位或者是用指南针定位。这些定位方法一直使用到1945年出现军事应用的电子导航系统为止。电子导航系统是基于无线电脉冲信号和连续无线电波传输基础上制成的，它大大的提高了导航精度，尤其是在那些远离海岸并且有云层覆盖的地区。在60年代中期卫星传输信号首先被应用于调查船的导航(Talwanietal.,1966)。最初，运行于极轨道上的卫星能给大部分海域进行间歇定位。这些卫星后来又被同步卫星群给替代了，它们是美国GPS导航系统和前苏联GLONASS导航系统的基础，当前这两种导航系统能进行连续定位并且其精度达到了100米甚至更好。同时几千米范围内的精确定位能由已知位置的海底声传输器网络上得到。

1.3.6海洋学的国际化尽管海洋地球物理的许多发现是来自于研究组的活动，或是独立地进行、或是以松散合作的方式进行。但很多重大发现还是来自于国际间的合作，这是由它自身的性质决定的，它要求大范围的调查，不管是在空间域还是在时间域。国际合作促进了无数考察和新实验技术的开发、大洋区的研究和多学科的交叉研究。同时它也促进了存储和转换数据的研究网络中心的建立。1957－58年的国际地球物理年会特别提高了地球物理在地球科学中的重要性。尽管在国际地球物理年期间海底研究相对少些，但后来国际海洋地球物理勘探变得越来越受重视。

包括1962－63年的国际印度洋考擦、1963－70年的上地幔计划、国际海洋十年研究计划、70年代的国际岩石圈计划、1968－83年的深海钻探、1984年开始的大洋钻探在欧洲，MAST海洋科学与工程计划在研究大陆边缘时广泛使用了地球物理方法。

1.3.7新技术概述海洋地球物理的发展主要依赖于仪器的进步。和其它科学一样，海洋地球物理上的许多创新也来自于材料学的发展。在无数贡献中，材料学的发展给我们提供了许多用于海底仪器的海洋环境传感器、微电子装置、高性能计算机、地球轨道卫星、高强度的电缆和光纤缆和抗腐蚀合金、陶瓷、玻璃、塑料等等部件，以及远距离长期安置所需的先进电源(Lynch,1989)。

用来测量重磁场、热流和地震构造空间变化的仪器不但阐明了海底的特性及其资源而且还给出了用于建立大陆边缘和海洋盆地过程的详细信息。系统存储容量的增大和数据传输、处理及成图的加快对我们进行海量地球物理资料的收集、分配和分析产生了很大的影响。当前的计算机技术允许我们一得到海量野外数据就可对他们进行处理和显示。同样也可以通过互联网和其它网络相互交换数据(Menkeetal.,1991)。20世纪四、五十年代商业公司发明在录音钢丝上或磁盘上以模拟或连续时间形式记录地震信号的方法。现在采用了磁带记录，先把它用模拟信号的形式记录，然后再把它存储为离散的数字信号。

尽管模拟信号记录仍用于数据质量监测，但大多数海洋地球物理观测资料都是以数字信号的形式记录的，因为数字信号记录系统的动态范围比较大而且易于分析处理提高地球物理信号质量。目前很多地球物理计算都是在高性能的独立计算机和交互式工作站上进行的，它们使操作员可处理数据量大的资料。

1.3.8提高人类影响海洋环境的意识随着对海洋开发程度的加大，人们开始注意到了人类对近岸海洋环境产生的严重影响(Laughton,1994)，这不仅体现在化学污染上而且还延伸到了很多领域，如海底扰动和地震勘探的高强度声波对海洋生物会产生有害影响(Richardsonetal.,1995)。在过去的五十年里海底产油区已经从近岸水域逐渐延伸到了大陆坡。1977年美国“阿尔文”号深潜器潜入东太平洋中隆2500米处的加拉帕戈斯裂谷，发现了正在喷出热液的洋底“黑烟囱”和独特的热液生物群。“黑烟囱”高达十米，富含硫化物矿物质，反映了“活”矿床的形成过程。它是由于海水沿裂隙渗入洋中脊的新生地壳，与数千公里深处上涌上来的地幔物质发生交换后再从海底喷出而造成的。深海热液活动与深部生物圈在深海大洋之下，一般曾认为不仅是黑暗无光的世界，而且毫无生机，但热液生物群和深部生物圈的发现表明存在“黑暗食物链”。尤其引人注目