海洋地震探测技术是海洋地质与资源调查的重要手段。现代地震探测技术兴起于第一次世界大战之后,其间对地震仪的研究和能源需求的增加直接导致了战后陆地地震探测技术的飞速发展。相较而言,海洋地震探测技术起步较晚,第二次世界大战期间首次在墨西哥湾开展海上商业地震采集试验。1947年,海洋地震拖缆技术的问世显著提高了数据采集效率并降低了勘探成本,标志着现代海洋地震探测技术进入快速发展阶段
[1-2]。20世纪六七十年代,海洋地震探测技术迈向高分辨率阶段。1967年,美国内政部、地质调查局和矿务局联合在阿拉斯加诺顿湾开展了高分辨率地震探测试验,采用450 J多电极等离子体震源和11个基元水听器拖缆。探测结果清晰揭示了海底埋藏河道和浅层断裂构造,并划定了6个砂金潜在富集区,为高分辨率海洋地震技术的应用奠定了技术基础
[3]。
高分辨率地震探测技术可根据频带宽度与分辨率能力分3个层次:常规高分辨率(high-resolution seismic survey, HR)、超高分辨率(ultra-high-resolution seismic survey, UHR)和极高分辨率(ultra-ultra-high resolution seismic survey, UUHR)
[4-5]。常规高分辨率(HR)地震探测技术主要应用于油气资源勘查与地质结构的精细刻画,震源通常为气枪或气枪阵列,主频范围为75~300 Hz,地层探测深度一般超过1 000 m,分辨率为1~7 m
[6-8]。超高分辨率(UHR)和极高分辨率(UUHR)在中国一般统称为“超高分辨率地震探测”,多采用高宽频脉冲等离子体震源,主频范围为250~2 000 Hz,探测深度通常为数百米以内,分辨率可达亚米级,特别适用于海底浅层复杂构造和天然气水合物矿床等精细地质目标的探测
[9-11]。
进入21世纪,作为油、气、矿产和水资源的地球物理勘测新方法,全球地球物理勘测技术面临新的资源需求与深海开发挑战,也孕育着巨大的技术创新机遇
[12]。中国的海洋超高分辨率多道地震探测技术从第十个五年计划(“十五”计划)起步,在国家重大科技计划和专项的持续支持下,自然资源部第一海洋研究所联合浙江大学等单位组成科研团队,历经20余年攻关,先后突破了高宽频等离子体震源研制、高密度多道接收采集以及不间断连续传输与记录等关键技术瓶颈
[13-16]。依托上述技术突破,该团队成功研制出具有自主知识产权的系列化海洋超高分辨率多道地震探测装备,形成了从二维到三维、从海面到6 000 m水深的全海域探测能力。产品包括数百至数万焦耳能量输出的等离子体震源系统、高灵敏度-宽频带水听器阵列及拖缆控制系统、千米级深拖多道地震探测系统,构建了具有中国特色的多维度、多场景超高分辨率地震探测体系。该体系显著提升了纵向与横向分辨率,实现了海底浅层结构的高精度成像,为中国重大海洋工程建设、深海能源与矿产资源勘探提供了坚实的技术支撑和装备保障。
1 等离子体震源技术创新与突破
高宽频等离子震源是实现海洋超高分辨率地震探测的核心技术基础。常规地震探测多采用气枪震源,其主频低,激发间隔长,导致其时间分辨率和空间分辨率受限
[17-18]。针对这一瓶颈,该团队自主研发了高宽频等离子体震源技术,通过优化放电参数与电极结构等,形成了覆盖数百至数万焦耳激发能量、主频范围200~2 000 Hz的系列化产品,显著提升了震源信号的宽频特性与激发速率,实现了高能量、高稳定性的地震信号输出
[19-21]。此外,还突破了深海高静压对震源激发能力的抑制,在国际上首次实现了等离子体震源在千米级深海环境下的稳定应用
[22],标志着中国在深海高分辨率地震探测领域取得了实质性技术突破。
1.1 高重频脉冲电源技术
为满足高宽频等离子体震源对高激发频率、宽频谱和高稳定性需求,提高海洋地震探测覆盖次数和作业效率,科研团队攻克了高重频(high repetition rate, HRR)脉冲电源关键技术,研制出能够在亚秒级时间内完成千焦级能量积蓄与释放的脉冲电源系统
[21]。该系统采用全固态功率器件取代传统气体开关或机械触发装置,实现了高可靠性、高重复频率和可精确控制的脉冲能量输出,是中国海洋高分辨率地震探测装备的重要技术突破之一。
在脉冲重要结构方面,针对海上作业电力供应的稳定性问题,自然资源部第一海洋研究所联合浙江大学等单位创新设计了中频绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)恒功率充电拓扑结构,通过多级储能电容阵列实现千焦至数十千焦级能量的快速充放。该拓扑结构能够有效提高充电效率与功率因数,显著降低充电过程对调查船电力系统的冲击,使震源系统在复杂海况和不稳定电源条件下仍可保持长期稳定运行。工程测试表明,在10 kJ能量水平下的脉冲重复频率(pulse repetition frequency, PRF)可超过1 Hz,能够与短排列、小道距高密度接收拖缆形成激发-接收协同作业,实现横向高覆盖密度与纵向高分辨率的同步提升。在高压开关技术方面,系统采用全固态高压脉冲开关阵列,并引入雪崩型续流抑制及放电回路阻尼优化设计,有效抑制高压放电过程中可能产生的电磁振荡与二次回击电流。如
图1所示,通过对电路参数和回路结构的系统优化,显著提高了等离子体放电过程可控性和重复性,使震源子波在长时间连续作业条件下保持稳定的幅值和频谱特性,从而提升了地震数据的一致性和可解释性。
与传统电火花震源相比,全固态开关脉冲等离子体震源在可靠性、维护成本和工程适应性方面具有明显优势。目前,该技术已形成覆盖1~50 kJ能量等级的系列化产品。
1.2 低损耗多电极布阵技术
多电极发射阵是调控等离子体震源子波形态、声辐射效率和工程寿命的关键部件。针对高能等离子体震源在长期海上作业过程中普遍存在的电极损耗快、能量利用率低等问题,项目团队系统开展了低损耗多电极布阵技术研究,形成了兼顾声学性能与工程可靠性的发射阵设计方案
[19]。
Pei等
[23]通过数值模拟与水池实验相结合的方法,系统研究了电极数量、直径及空间分布对放电等离子体形态和声脉冲特性的影响规律。结合Zhang等
[24-25]建立的多电极阵列等离子体震源电声性能评估模型,通过合理的多电极空间布置,有效提升了放电能量向声能的转化效率,改善优化了子波初泡比,从而提高了地震数据信噪比与分辨率,为浅地层精细成像提供了更加有利的声源条件。
放电极性控制方面,Huang等
[26]、Zhang等
[27]对正极性与负极性放电的声学特性和工程代价进行了系统对比分析。如
图2所示,不同放电极性在子波时域形态和频谱分布上存在显著差异。正极性放电产生的震源信号具有更高的能量转换效率和更丰富的低频成分,但电极烧蚀速度较快。负极性放电有利于延长电极使用寿命,但声源效率和低频能量相对降低。针对这一矛盾,提出了双极性协同放电的低损耗多电极布阵技术,通过正负极性同步激发,实现了多路声脉冲协同叠加,在保证声源性能的同时显著降低单根电极的热-电损耗。
同时,等离子体震源采用了新的放电配置(脉冲电晕放电),仅在多电极阵列的尖端产生等离子体,以高导电性海水作为回路电极,有效避免了电极的快速烧蚀,大幅延长了电极的使用寿命(可达数年)。通过对放电电路的设计和脉冲调宽调制(pulse width modulation, PWM)技术的应用,能够精确控制放电脉冲的宽度,如实现约70 μs的电流半宽脉冲,从而优化声脉冲波形,降低气泡脉冲影响,实现高能宽频的激发效果
[28-29]。
工程应用结果表明,该技术在提升震源声辐射效率和信号稳定性的同时有效延缓了电极阵列的损耗,使第四代50 kJ级等离子体震源在单次60 d航次中实现免维护连续运行,最大声源级达240 dB,显著增强了震源系统在高强度工程勘察中的实用性和可靠性。
1.3 深海高静压高能宽频激发技术
深海大厚度海水对声波的衰减作用显著,尤其对高频成分影响更大。巨厚的海水和复杂的海洋地质环境,成为科学家认识海底地质结构的屏障
[30]。在深海近底激发震源,可显著降低声能高频成分在水体中的传播损耗,提高信号穿透力与成像分辨率。然而,根据文献[
31-
33],深海高静压环境会对等离子体震源子波产生极为不利的影响,主要表现为子波能级的降低和脉宽的压缩。在400 m水深条件下,震源源级下降可达40 dB,脉宽压缩至0.1 ms以内,主频升高至10 kHz以上,严重影响探测质量。这一现象表明,深海高静压环境下有效辐射高能宽频信号成为发展深海高分辨率地震探测技术的关键。
针对这一关键难题,裴彦良等
[34-35]提出了一种在深海营造常压透声放电激发环境构建技术方案,通过设计透声舱和气体舱结构,实现深海高静压环境下放电空间的常压维持与声波高效辐射,如
图3所示。碳纤维透声舱具有低声阻、高强度、耐腐蚀等特性,能够在深海高压环境下保持舱内常压状态,同时有效传导放电能量并抑制声波损耗。气体舱结构则提供等离子体气泡膨胀空间,并容纳等离子体电离海水产生的微量气体,从而保障放电过程的稳定性与重复性。此结构设计使得等离子体震源的激发不再受到水深的影响,实现了震源子波在不同深度环境下的一致性控制。在此基础上,Wang等
[36]开展了受限放电气泡脉动机制研究,揭示了“受限水下放电-气泡脉动-高速涡环”之间的流体动力学耦合机制。该机制源于受限界面强化的流速-压力双梯度耦合,使气泡脉动过程具备独特的调频、调幅潜力,可显著拓展声源的有效频带范围。实验结果表明,在3 000 J激发能量条件下,透声舱-气体舱结构震源的源级稳定在215 dB以上,主频控制在2 kHz以内,显著提高了深海震源信号的穿透力与分辨率,为深海超高分辨率地震探测提供了坚实技术支撑。
2 高密度多道地震采集技术创新与突破
高密度多道地震采集技术是实现海洋超高分辨率地震探测的关键。传统油气海洋地震勘探中,采集缆长度常超过10 km,道间距多为12.5~50 m,与气枪阵列激发技术相匹配,适用于中深层构造的地震成像。然而,这类系统难以满足浅层精细结构探测所需的高密度空间采样和高时间分辨率要求,存在道间距过大、采样率不足等局限。
针对这一瓶颈,自然资源部第一海洋研究所联合华陆洋地球物理勘探(三亚)有限公司等单位组成科研团队研制了短排列、小道距高密度多道地震采集系统(业界简称“小多道”),其道间距可缩小至3.125 m,采样率可达16 kHz,与高重频脉冲等离子体震源短炮距激发特性匹配,实现了高密度空间采样和高时间分辨率成像的同步提升。同时,针对国外“特供”中国的多道采集拖缆内置深度锁、拖深受限(≤22 m)的技术封锁问题,该团队自主研发了深拖型高密度多道地震采集系统
[35-36],最大作业深度可达6 000 m,打破了国外技术封锁,显著扩展了中国在深海超高分辨率地震探测领域的自主能力。
2.1 小多道接收拖缆技术
小多道接收拖缆技术的核心在于紧凑型水听器阵列设计与高精度同步采集能力。拖缆采用“水听器-水听器道-数字包-数传包”一体化结构,显著提升系统稳定性和信号一致性
[37-40]。包括:①阵列结构设计。4~8个水听器串并联形成1个水听器道;每个数字包内含1个主控制器,可接入4个水听器道,为每个水听器道提供独立的信号调理与32 bit数字化处理,确保各通道的高一致性与低噪声水平;每个数传包可以管理4~8个数字包,即16~32个水听器道。②分布式架构与信号传输。拖缆可按需划分多个工作段,每段包含8~32个水听器道,根据需求灵活配置使用。水听器和数字包置于拖缆工作段内部,数传包则位于各个工作段之间,既作为数据传输的中继节点,又起到机械连接和供电分配的作用,这种分布式架构提升了系统的可靠性和可维护性,如
图4(a)所示。数字包与数传包之间的短距离数据传输采用RS485全双工通信设计方式,数传包与数传包之间的长距离数据传输则采用LVDS高速传输技术,有效保障了多道地震数据的实时传输与同步处理能力,如
图4(b)所示。③深海适应性设计。对于深海深拖超高分辨率探测需求,将水听器升级为耐压型水听器,可承受6 000 m水深的极端压力环境,并优化了拖缆内数字包和缆间数传包的密封结构设计,拖缆性能满足深海近底作业的严苛要求。
2.2 缆-源协同控制技术
海洋多道地震数据采集系统的核心在于其高效稳定的海缆采集控制技术,实现对震源激发、拖缆采集、数据记录三者间的精准同步与协调运作。该技术采用主从式控制系统架构,结合卫星导航定位信息输入与炮距设置,自主计算激发时刻与采集窗口开启时序,确保地震采集实际作业符合观测系统设计。卫星导航定位信息输入仅包含位置坐标参数,不需输入秒脉冲时间基准信号,简化了系统复杂度。主控制器通过高精度时钟恢复模块实现系统内部时间基准统一,确保震源激发与各通道地震数据采集的同步精度达到微秒级。数据记录系统采用分布式存储架构,拖缆数传包独立完成数据缓存与初步处理,通过高速LVDS链路将原始地震数据实时传输至中央记录单元。系统默认工作模式为触发采集记录,可根据实际作业需求切换为连续采集模式,连续采集模式数据存储量较大、数据处理稍复杂,但能够完整保留拖缆在作业过程中的全部地震波场信息,适用于高精度成像与特殊地质结构分析。同时,配套开发了远程监控终端及软件,船载控制终端通过千兆网络可以实时调整采集参数与工作模式,实时显示各道数据质量、系统状态及异常报警信息,提升了现场工作效率。
2.3 三维采集与深拖采集技术
针对超高分辨率三维地震探测需要,自然资源部第一海洋研究所联合华陆洋地球物理勘探(三亚)有限公司组成科研团队在缆-源协同控制技术基础上,开发了多缆协同作业模式,实现多条拖缆与多个震源的高精度同步激发与数据采集控制。超高分辨率三维地震探测系统拓扑设计如
图5所示,每个拖缆控制中心(OCC)接口模块可连接4条拖缆,多个OCC可以级联扩展,形成结构灵活、可拓展性强的多缆采集网络,支持多达16条拖缆的同步协同作业。在三维模式下,系统集成了等离子体震源多子阵控制模块。该模块通过精确控制多个震源子阵的激发时序,实现复杂观测系统条件下的高密度覆盖与宽方位数据采集,显著提升了三维地震成像的分辨率与覆盖精度。
针对深海深拖超高分辨率地震探测的特殊工况,该科研团队将缆-源协同控制系统与远程监控终端间的通信方式由传统电缆升级为光纤通信链路,通过万米光电复合缆实现远程监控终端与主控系统之间的高速、稳定数据传输,确保深海作业环境下数据链路的高可靠性和低时延
[41],如
图6所示。同时,为适应深海高压、低温等极端环境,系统关键部件采用全密封、防腐蚀设计,并增加了外围传感器输入接口,可实时监测深拖拖体的深度、高度、姿态等关键参数
[42-44]。这一设计不仅提升了设备在复杂海底地形中的运行稳定性,也为高精度地震成像提供了可靠的姿态与位置保障,确保深拖设备在长时间连续作业中保持高可靠性与高数据质量。
3 海洋超高分辨率多道地震探测应用案例
在海洋超高分辨率多道地震探测系列设备研发与技术迭代过程中,科研团队注重与实际需求相结合,持续推进系统在海洋工程勘察、海洋资源勘查、海底地质灾害评估等关键领域的工程化应用。除在自然资源部第一海洋研究所牵头应用外,该系列技术与装备还得到了中国海洋大学、广州海洋地质调查局、青岛海洋地质研究所等多家科研机构的大力支持,先后开展了多轮实海区试验和工程化验证。依托该系列设备,科研团队已成功开展隐伏断层精细刻画、海底滑坡体内部结构解析
[45-46]、深海水合物资源勘查
[21-22]、海底浅层精细结构成像
[47-48]等研究工作,获取了大量超高分辨率地震剖面数据,充分验证了系统在不同海域环境下的稳定性和适应性。
3.1 滨海核电、海上风电及跨海通道厂址路由评估
海洋超高分辨率多道地震探测是工程场地地震安全性评价的现场工作内容之一,可有效查明地表附近断层的空间展布特征和最新活动时代,为地震危险性评价、工程避让或采取抗断措施等提供依据
[49]。海洋超高分辨率多道地震探测系统是中国海洋工程急需的设备,自“十五”计划期间初步研发成功以来,揆洋系列设备便开始服务于国家重点海洋工程建设项目
[50]。历经“十五”计划至“十三五”规划,其间多轮技术升级迭代,系统在滨海核电厂址、海上风电场址、跨海通道路由等工程可行性勘察评估中获得应用(
图7),展现出卓越的应用价值。在山东石岛、浙江苍南、福建漳州、广东粤西、海南昌江等10余个沿海核电厂址海域隐伏断层勘察中,在海南东方、儋州、万宁以及北部湾沿海地区的多个海洋风电场址勘选中,自然资源部第一海洋研究所科研团队应用揆洋10 kJ脉冲等离子体震源(
图8)、揆洋48道拖缆(
图9)系列设备获得了高质量的超高分辨率多道地震剖面。以某滨海核电厂址地震安评为例,利用国产1 000 J等离子体震源和高密度多道地震采集系统,在2006年完成了183 km多道地震剖面探测。对获得的多道地震剖面对比分析,利用地震地层学方法可识别出3个主要地震反射界面R1、R2、Rg,并由此划分出3个地震层序U1、U2、U3。R1界面为海底之下第一个可全区追踪的区域性强烈的剥蚀面,延伸较为平缓,代表了一次较为强烈的区域性剥蚀夷平过程,推断为全新世沉积。R2界面上部以平行反射为主,呈半透明状震相,厚度稳定,向岸侧与下部地层呈上超接触,推测为海相沉积,代表了上更新统与中更新统的界限。Rg界面起伏较大,其下部地震层U3为以弱振幅的杂乱反射为主的基岩,其上部地震层U2为晚更新世和早期的第四纪沉积。部分调查区海底沉积物中存在浅层气,多道地震剖面有明显的显示,受浅层气屏蔽的区域,沉积层内部及基岩面的反射突然变得模糊,使地震同相轴难以追踪、识别,并且出现“相位反转”和“下拉效应”现象。典型剖面可见明显的基岩隆起及两侧10余条断层、断层带的宽度约3 km,断层密度较大。各断层的倾角近直立,隆起西侧各断层倾向为NW,东侧为SE。断层的断距较小,介于1~2 m,断层未错动全新世底界(R1反射面)。推测该断点可能属于一条NEE向断裂,其最新活动时代为晚更新世末。探测结果清晰揭示了厂址附近海域的断点、断层及构造特征,为核电厂址地震安全性评估提供了关键地质参数与基础资料。此滨海核电基地从规划、选址至2023年底示范工程投入商业运行,历经十余载,目前已安全稳定运行两周年,累计发电超11亿kW·h。
此外,该系统还在港珠澳大桥、青岛胶州湾大桥及隧道勘察、琼州海峡跨海通道勘察、渤海海峡通道勘察等工程中,获得了高质量地震数据,清晰地揭示出路由区海底松散沉积层的精细结构、基岩顶面起伏以及断裂分布等特征,为相关工程设计和安全性评价提供了可靠的地质资料。以渤海海峡通道勘察工程为例,20世纪90年代中国提出开展渤海海峡跨海通道工程建设的设想,随着社会经济的迅速发展,渤海海峡跨海通道工程建设的呼声日益强烈
[51]。为查明渤海海峡拟建桥隧通道第四系沉积层厚度和断裂分布特征,中国铁路设计集团有限公司应用海洋超高分辨率多道地震探测揆洋号系列化产品,于2022年7月在渤海海峡区域开展了小道距高分辨率多道地震采集
[47,52]。为了确定最佳的震源发射能量,在北隍城岛以北海域开展了不同震源、不同能量的探测效果对比试验。试验表明,随着电火花震源能量增加,深部的有效反射信号逐渐增强,等离子体震源在5 000 J能量档激发采集的地震资料能够有效穿透地层深度大于200 m,有利于探测深部地层构造和基岩面,对比图件参看文献[
47]。项目组进行了等离子体震源和Mini G气枪震源采集对比试验,等离子体震源能量为5 000 J,气枪震源容量为24 in
3( 1 in=2.54 cm)。测试结果表明,等离子体震源采集剖面[
图10(b)]浅部沉积层分辨率较高,深部反射波同相轴能量连续,基岩面清晰可辨;Mini G气枪震源采集剖面[
图10(a)]可追踪到较为明显的深部地层反射波同相轴,但是浅部的分辨率较低。此外,项目组抽取了单道地震数据与多道数据进行了对比,可以看出由于多次覆盖技术的引入,与单道剖面[
图11(a)]相比多次叠加处理后的多道剖面[
图11(b)]信噪比明显提升。测试和作业表明国产震源和采集系统获得的地震剖面具有较高的信噪比,可清晰地反映渤海海峡区域的沉积地层展布和基岩起伏特征,理论垂向分辨率优于1.0 m,探测结果为后期渤海海峡跨海通道的设计提供了参考依据。
3.2 深拖地震系统用于南海水合物勘查与灾害地质科学考察
能源、资源是国家赖以生存和发展的物质基础,随着陆地资源的不断消耗,海底矿物已成为一种重要的替代资源。深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏。作为世界各国合作的新疆域,具有资源丰富、空间广阔、神秘未知等特点。天然气水合物因其环保和高效能的特点,被誉为“21世纪绿色燃料”。在广阔的海底区域中,可燃冰的储量占据了全球储量的显著部分,显示出其巨大的潜力和价值
[53-55]。在南海水合物勘查中,广州海洋地质调查联合自然资源部第一海洋研究所等单位,利用揆洋ST2000深拖多道系统(
图12)成功获取了水合物赋存区的超高分辨率地震反射数据,探测成果清晰识别出BSR(似海底反射)、气烟囱构造及多期次流体运移通道,揭示了水合物成藏的深部气源供给机制与浅层富集规律
[56-57],如
图13所示,其局部放大细节如
图14所示,在神狐海域深水区获得的典型深拖超高分辨率多道地震剖面,显著体现了其高信噪比与高分辨率的优势。该剖面不仅能够清晰刻画不规则海底界面之下的古滑坡面,还能精准揭示年轻沉积体内部的精细结构。
目前国家自然科学基金委员会共享航次计划项目“南海北部海床流体迁移致灾机理重大科学考察实验研究(批准号:42349302)”正在实施。海床流体迁移是指海底液体、气体和海水在海床内外的传输运移,该过程对海底断层、泥火山和滑坡等地质灾害的孕育、发展和演化具有重要的影响。南海地质灾害与海床流体迁移系统广泛发育,然而仍缺乏流体迁移作用下典型灾害的孕育、发展、演化过程高精度探测及长期监测数据,严重制约了海底地质灾害风险的有效防控。为此,该共享航次计划项目选取海床流体迁移致灾发育显著区,综合运用深拖多道地震、自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)近底探测等高精度探测手段和深海工程地质环境原位长期观测方法,并辅以遥控式水下航行器(remotely operated vehicle, ROV)等先进的调查技术,研究深部高压流体向上迁移、天然气水合物分解、内孤立波对灾害孕育过程的影响。成果将揭示南海北部陆坡海床流体迁移规律特征和地质灾害孕育演化规律,阐明海床流体迁移对地质灾害的控制作用,建立海床流体迁移-地质环境-人类活动耦合作用下海底灾害风险防控理论方法。该共享航次计划项目安排了利用自主研发集成的设备,建立南海北部地质灾害探测、监测、防控技术体系,具有显著的创新性。该项目使用最新研发的揆洋ST5000深拖多道系统(
图15),计划开展约200 km深拖地震测线,目前已经完成了69.1 km测线。已完成的数据处理表明,揆洋深拖系统对海底浅层气、天然气水合物分解引发的多期次海底滑坡等灾害地质体进行了精细成像,明确了灾害体的空间展布与内部结构特征,为南海海底稳定性评价提供了关键依据。该系统在复杂海洋环境下的高分辨率探测能力,进一步支撑了中国深海资源开发与海洋安全战略的实施。
3.3 三维地震系统用于南海水合物勘查与渤海浅表断层探测
为进一步提升空间成像精度,自然资源部第一海洋研究所联合广州海洋地质调查局等单位研制的揆洋三维多道地震系统在南海水合物赋存区成功实现了高精度三维地震勘探。系统采用双子阵各25 kJ等离子震源与2条各240道接收拖缆的三维宽方位采集方式,面元尺寸为1.6 m×1.6 m,获取了水合物富集区精细的三维地震数据体,精细刻画了水合物储层的立体展布与内部结构特征,显著提升了复杂地质体的空间识别能力
[58-59]。
在渤海浅表断层探测中,揆洋三维多道地震系统采用双子阵各1 kJ等离子震源与6条各16道接收拖缆的三维宽方位采集方式(
图16),面元尺寸1.0 m×3.0 m,成功获取了连续、清晰的浅层反射信号,有效识别出多个隐伏断层的延伸范围与活动性特征。这些成果为区域地质灾害风险评估和油气田开发提供了重要支撑。揆洋三维多道地震系统在南海与渤海应用的作业参数如
表1所示,其高密度采样与宽方位角覆盖的技术优势,有力推动了中国海洋地球物理探测向精细化、立体化方向发展。
4 未来发展
中国启动的深海、深空、深地“三深”专项的基础共性需求之一是高精度仪器装备
[60]。Deen等
[61]研究表明在海洋环境4 500 m的海底,其环境的低噪声特点与法国吕斯特雷低噪声地下实验室(LSBB)的518 m深地环境类似。中国超高分辨率地震探测技术从“十五”计划期间的初步探索,到如今实现了从二维到三维、从浅水到深水、从近海面到近海底的跨越式发展,为中国的工程勘察、资源开发与地质灾害预警提供了坚实技术支撑。随着“三深”策略的推进,深海科学前沿需求日益凸显,对深海科学设备提出了新的更高的要求。中国超高分辨率地震探测技术基本成熟,但深远海领域与世界先进水平仍有差距。未来超高分辨率地震探测装备必须走向深远海,以支撑深海油气、海底矿产、深海风电等产业发展。
展望未来,中国超高分辨率地震探测技术将在震源幅频特性的精准调控、6 000 m水深全海深探测系统的集成优化、深海海底多波地震数据采集与处理技术的协同突破方面持续发展,实现全海深、宽频带、多参数融合的地震探测新体系,进一步提升对深海复杂地质目标的精细分辨能力。
4.1 开发多路叠加震源子波幅频控制技术
脉冲等离子体震源激发等离子体通道的可控性直接影响震源子波的幅频特性。等离子体震源激发产生声波的原理,在于高压大电流放电过程中形成瞬态高温高压等离子体通道,使电极周边海水瞬间汽化并产生剧烈膨胀,从而激发高强度声波。通过精确控制多组电极的放电时序与空间分布,可实现震源子波的频谱形态调控,进而优化地震探测的地层穿透深度和分辨率。浙江大学科研团队提出“能级调整-时间延迟-多路叠加”控制技术路径,通过对多路等离子体放电路径进行时序调控,预期可实现对震源子波频带宽度与能量分布的精确控制,通过多路放电的微秒级异步控制,可以根据实际作业需求灵活调整子波声源级与脉冲宽度,从而适配不同地质目标的探测需求。作为此技术的一个变种,科研团队将进一步研发多电极发射阵/Boomer发射阵混合激发技术,将Boomer发射阵与多电极发射阵的发射响应互为补充,可有效拓展震源子波的频带宽度,进一步提升地震剖面的分辨率与地层穿透能力,特别适合于要求高分辨率与深部探测兼顾的复杂地质条件。该技术的突破将显著提升海洋浅层气藏、断裂带及海底滑坡等隐蔽性地质灾害的识别能力,为深水油气勘探与海洋工程安全提供更为精确的数据支撑。
4.2 深拖技术实现6 000 m深海稀土探测并拓展至全海深应用
揆洋ST2000深拖系统已在南海水合物富集区成功开展试验性探测,验证了其在复杂海底地形下的稳定拖曳能力与高精度数据采集性能。基于该技术积累,自然资源部第一海洋研究所联合浙江大学等单位已经完成5 000 m级深拖平台的震源激发、低噪声采集与实时监控等关键技术攻关和验证样机的研制(
图15),并正在开展6 000 m级深拖系统的工程化设计与关键部件耐压测试,预计2026年内开展西太平洋深海稀土资源勘探应用示范。该深拖平台集成高能效脉冲等离子体震源与宽频水听器阵列,具备在深海条件下稳定作业的能力,结合地形自适应拖曳控制算法,可实现对深海富稀土沉积层的亚米级成像。未来将进一步研发全海深深拖地震探测技术,通过优化拖体流体力学结构与智能绞车收放系统,提升深海环境下姿态稳定性和近底作业能力,将作业能力拓展至万米海沟探测,支撑稀土、白氢等深海资源精细评估与环境基线调查,助力中国深海战略资源布局与深海生态文明建设
[62-64]。
4.3 从深拖“近底”地震到真正的深海“海底”地震探测
多波地震勘探技术通过捕捉地震纵波、横波以及转换波的丰富数据,不仅能提供比传统纵波勘探更高的分辨率,清晰识别小断层和复杂构造,还能提取更多的物性参数信息,通过振幅分析识别海底矿床。此外,多波地震勘探对地下介质的各向异性高度敏感,有助于探测裂隙体系,这对于理解油气的运移和储集至关重要
[65-66]。由于在海水中不能激发横波,也不能接收横波,近海底拖曳式地震探测和传统的海面拖曳地震探测均不能进行多波地震勘探。OBS地震探测的激发源位于海面,不能激发横波,接收装置(OBS)位于海底,可以接收到微弱的转换横波,因此同样不能进行“真正的”多波地震勘探。唯有将震源与接收系统同时布设于海底,才能实现横波的激发与接收,开展真正意义上的多波地震探测。随着深海爬行器等水下机器人(UUV)技术的逐渐成熟,水下平台逐步走向智能化与自主化、载荷与续航能力增强、成本降低
[67-68]。在已有的近海底深拖地震技术基础上,研发基于有缆/无缆深海爬行器或其他UUV水下平台的海底地震探测系统已成为可行路径。通过将震源集成于水下平台上,拖曳或搭载多分量水听器阵列,结合精准定位与同步控制技术,实现震源与接收系统的海底协同作业,可突破海水介质对横波传播的限制,显著提升地震探测对深海复杂构造带介质物性、裂隙发育及流体分布的感知能力
[69]。此外,将重力仪与磁力仪集成于深海爬行探测系统,实现多物理场同步观测,进一步增强对海底地质结构的综合判识能力
[70]。通过融合地震、重力与磁法数据,构建高精度联合反演模型,为海洋地质基础研究提供多维数据支撑,推动深海地球物理探测由“近底”向“海底”跨越,为深海矿产资源精细勘探与长期地质过程监测提供核心技术支撑。
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