地球系统科学时代的海洋地质-地球物理调查展望_韦成龙.pdf

Vol.42，No.3Jun.2023第42卷第3期2023年6月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.03.012地球系统科学时代的海洋地质-地球物理调查展望韦成龙1，2，3，王瑞2，万晓明2，3，裴丽欣2（1.同济大学海洋与地球科学学院海洋地质国家重点实验室，上海200092；2.中国地质调查局海口海洋地质调查中心，海南海口571127；3.自然资源部海底矿产资源重点实验室中国地质调查局广州海洋地质调查局，广东广州510075）摘要：本文基于研究文献搜集和资料统计，总结出海洋地质-地球物理调查具有平台多样化、装备高精化、技术方法系列化、目标综合化的现状特点，并通过分析海洋地质-地球物理调查研究与地球系统科学之间的密切关联性，指出地球系统科学理念对海洋地质-地球物理调查研究范式、方向和内容、技术架构具有宏观全面的指导意义。未来的海洋地质-地球物理调查研究将在调查理念、装备技术、方法手段、合作研究、数据融合交换与共享 5 个方面有显著的改变和新一轮的转型升级。关键词：海洋地质-地球物理调查；地球系统科学；调查理念；装备技术；方法手段；合作研究；数据共享中图分类号：P67；P71文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）03-0101-10收稿日期：2022-12-07基金项目：海南省科技专项基金资助项目（ZDYF2023GXJS011）；广西壮族自治区开放基金资助项目（KFKT2022001）作者简介：韦成龙（1976），男，博士研究生，正高级工程师，主要从事海洋地质调查、探测技术方法与装备研究。E-mail：通讯作者：王瑞（1984），男，硕士，高级工程师，主要从事海洋地质、工程钻探技术研究。E-mail：系统观思想强调研究问题的整体性、结构性、立体性、动态性、综合性等。我国著名地质学家李四光先生早在二十世纪二三十年代及此后数十年的地质研究中，明显地体现出地球系统科学思路，其一生的著述处处闪耀着系统科学的整体观、全局观1。1986 年启动的国际地圈生物圈计划（InternationalGeosphere Biosphere Program，IGBP）对地球系统科学理念和理论的发展起到核心作用。1988 年，美国国家航空航天局地球系统科学委员会出版了 地球系统科学 专著，标志着地球系统科学的问世2。地球系统科学是在系统观思想中孕育，在地球科学分支学科不断交叉融合，观测技术、信息技术发展到一定程度的产物。海洋地质-地球物理作为地球科学研究的重要组成部分，它是一门以观测为基础的学科，其学术思想的创新、研究程度的提升都离不开观测及其数据长期累积。全球海洋地质-地球物理调查发展至今的 150 年间，先后获得了深海软泥、多金属泥、锰结核、块状硫化物、中央海岭、重力负异常、浊流、海底地形地貌图、大洋转换断层、大洋中脊体系与条带状磁异常等调查研究成果，形成了海底扩张说等理论成果，此后地学板块构造理论逐渐占据主导地位。截至 2015 年 9 月，我国已完成管辖海域 16 个 1 100 万图幅区域地质调查全覆盖，综合开展了浅-中-深全方位的地质-地球物理调查，对海底地形地貌、地球物理场、断裂构造及岩浆、环境地质要素和矿产资源等开展研究，探讨区域构造演化、大陆边缘性质、海盆形成和地壳结构等科学海洋技术学报第42卷问题3。当前在重点海域的1 25 万图幅，沿海重点经济带及重点湾区的 1 5 万图幅也已开展调查。随着人类对海洋开发利用需求的增加，全球性资源、环境、生态、灾害等问题的研究解决，涉及地质、海洋、土壤、生物、大气等各类因子，已超出了单一学科研究能力范围，只有从地球系统整体着手，才可能理解全球性问题产生的原因，找到系统的解决方案2，4。自然资源部中国地质调查局明确提出在地质调查指导理论上，要由传统地质科学向地球系统科学转变，是充分评价了全球及区域地学问题的复杂性、认识到全球科技快速发展这一趋势而作出的决策。本文通过文献搜集和资料统计分析，总结海洋地质-地球物理调查的现状特点，评述地球系统科学的研究进展，找到海洋地质-地球物理调查研究与地球系统科学之间的联系，指出地球系统科学理念的指导意义，对关注的问题做了论述。此外，本文还对未来海洋地质-地球物理调查研究方向做了展望，以期对今后的海洋地质-地球物理调查研究工作有一定的借鉴作用。1海洋地质-地球物理调查的现状特点海洋地质-地球物理调查面向的对象是海洋水体、海底及海底岩石圈，依靠多种技术手段对地质体开展多方位观测，当前调查现状呈现 4 个特点。1.1调查平台多样化调查平台主要分四类，即空天的海洋卫星遥感5、航空遥测载人机及无人机平台，海面的调查船、钻探平台、无人船平台、观测浮标网络，海水水体中的海洋潜标、载人/无人潜器平台，海床上的海底观测网络平台。空天平台方面，我国航空物探实现了多型固定翼飞机、直升机、无人机、滑翔机、飞艇平台的对地探测能力、技术装备自主研发、多种装备和方法综合测量，可拓展在深海探测领域应用6。无人水面航行器的测线航迹精度高达 0.3 m 以内，可以开展浅水环境的海洋地质调查，水面无人艇的接口趋向通用性标准化，便于搭载多样化设备7。无人机与无人艇联合可对难以到达的浅水及岛礁区开展海陆一体化地貌调查8。海面平台类型和数量众多。各国将调查船建设视为海洋科学调查研究重要保障，近 50 个国家拥有调查船，总数接近上千艘，我国各类海洋调查船87 艘，大部分为综合性调查船。中国地质调查局在建全球首艘具备天然气水合物勘查试采、大洋科学钻探、海洋油气勘探三大功能的 3 万总吨级钻采船。新建调查船具备无人系统支撑功能，如南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）在建新型智能无人系统母船，广东智能无人系统研究院在建万吨科考船。水下平台方面，潜标是开展海洋动力过程长期连续观测有效手段，可在海水中上下运动、实现自动剖面测量，分为水下绞车式、电机驱动沿锚系缆爬行式和净浮力式三种9；水下可移动/可航行平台有自治式水下航行器（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）、水下滑翔器（Autonomous Underwater Glider，AUG）、无人遥控潜器（Remotely Operated Vehicle，ROV）、载 人 深 潜 器（Human Occupied Vehicle，HOV）、自持式剖面探测系统（Array for real-timegeostrophic oceanography，Argo）等，具有灵活机动特点。海底观测网络平台采集的数据可支持多个海洋学科研究10。如美国通过“海洋观测计划（OceanObservatories Initiative，OOI）”形成东北太平洋的近海-区域-全球三大海底观测系统。加拿大西部太平洋海床上的“海王星”海底观测网，穿过大陆架和深海平原，延伸到活火山脊扩张中心，数据可传到互联网上，以开展板块构造、水气交互与洋流、深海生态系统研究。日本 ARENA（Advanced Real-time Earth Monitoring Network in the Area）海底观测网络跨越板块边界沿着俯冲带海沟建造，DONET（Dense Oceanfloor Network system for Earthquakes andTsunamis）海底观测系统布设在伊豆半岛东南海域监测地震海啸。欧盟的 ESONET（European SeaFloor Observatory Network）海底观测网优选了大西洋、北冰洋、黑海、地中海的 10 个海区布设，为地球物理学、海洋学等科学问题提供长期监测。我国东海浅海海底观测网、南海深海海底观测网试验系统，用于采集海底视频、地球物理、海底动力、102第3期地磁、物理海洋及地球化学数据11，具有综合性立体观测、数据深度应用、多种海底观测计划交叉融合特点。1.2调查装备高精化高精度观测、高分辨率数据采集和精细结构的刻画，是深化理解地球科学中有关壳幔形成、演化问题的深层次内核12，调查装备高精化是实现这一目标的基础，国内外海洋地质调查装备精度在不断提升。浅水多波束测量精度可达 1 cm，7 000 m 级深水多波束测量误差在 2%以内13-14。多波束侧扫声呐设备采用动态波束聚焦技术，提高海底地貌及目标体分辨率15。参量阵浅地层剖面仪对海底 10 m 以浅地层内具有很好分辨率16-17。高分辨率单道地震设备对海域浅表地层划分、岩土工程评价有独特优势18-19。海洋重力仪系统动态重复精度可达 0.25 mgal（2 min 以内）20。海洋质子磁力仪的绝对准确度可达0.2 nT21。海洋拖缆地震装备由二维单缆长度 12 km以上发展到最大拖曳 32 缆的三维四维地震勘探系统22-23，海上及海底的宽频带、多传感器、多分量地震调查，可以显著提高对陆海过渡带、油气储层、海底冻土带之下的沉积物认识程度，逐渐成为海上地震调查的行业标准24-25，在沿海只能航行小船的区域，韩国研发了小型的三维地震采集系统，可以获得 2.5 m 面元尺寸的数据体26。2021 年，我国研发成功适用于全海深（11 000 m）海底地震仪耐压玻璃球舱，节点地震仪性能进一步优化，海底工作的时间和水深得到大幅度提升，智能自动化技术得到应用27。海床式静力触探系统最大贯入深度可达5070 m，作业水深可达 1 500 m28。井下式静力触探系统作业水深可达 1 200 m29。在水深 3 000 m 常规海洋地质钻探取心技术有较大进展30。深水钻探装备将在智能化、无隔水管泥浆闭式循环、钻机绿色节能、高效取心技术及极地环境适应性方面取得突破31。1.3技术方法系列化海洋地质-地球物理调查衍生出更多技术方法手段，朝立体探测体系发展。一是潜水器系列，具备全海深的载人深潜器、无人遥控潜水器、自主式潜水器、水下滑翔机、水下拖曳系统等，形成了潜水器系列的立体探测技术体系；二是海洋遥感系列，航空载人物探/化探飞机及无人机的航空遥感观测；水色传感器、红外传感器、微波传感器、合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）的卫星遥感观测。海洋遥感平台载荷的技术方法应用集中在浅海区域及海岛礁区，包括海岸线监测与变迁、浅海水下地形反演、海岛礁分布等，已形成海洋遥感立体探测体系；三是海洋地质调查取样技术逐步向可视化、集成化、自动化、数字化和水下动力定位方向发展；四是地质地球物理调查技术由近海向深远海探测技术发展，由船载向近海底、原位观测技术发展，由单一探测向集成化、精细化、多方位立体式综合调查发展32-33。总体看来，技术方法系列化，将不断拓展海洋地质-地球物理探测的空间领域，构建“空-天-海-潜”立体探测体系34。1.4调查目标综合化首先，随着调查装备高精化和技术方法系列化，在一轮调查中可对多个要素调查监测，同步对一个海域地质体开展多要素调查，获取多方位数据资料，可提高识别准确度，减少多解性。如在海域区域地质-地球物理调查中，可同步开展海流、水质、温盐深、多波束水体探测及地形测量、重力磁力、地热流、沉积物取样及地层结构构造的单道、多道地震探测等调查观测。其次，各涉海单位各具自身优势和特色，从而对海洋地质-地球物理调查目标各有侧重。如美国伍兹霍尔海洋研究所主要开展海洋深部探测、海岸侵蚀、海洋洋流、海洋污染及全球气候变化调查；美国斯克里普斯海洋学研究所综合性很强，面向海气相互作用，深海锰结核，海岸侵蚀及污染影响，板块构造和海底扩张等 200多个目标；法国海洋开发研究院主要调查研究海洋-岩石圈界面、海洋建模、海洋社会生态系统等；我国自然资源部所属的海洋地质调查研究单位基于公益性质，侧重于海洋基础地质综合调查等。2地球系统科学理念的指导意义2.1地球系统科学研究进展地球系统科学诞生于温室效应等的气候科学研究35，目前在观测、机理、建模与解决方案 4 个方面取得进展。观测方面，美国建立了地球观测系统韦成龙，等：地球系统科学时代的海洋地