溪流笔谈▏海洋地球物理勘探技术与设备分类

海洋地球物理勘探，简称海洋物探，它是利用地球物理勘探技术来研究海洋及其地质现象的手段，主要应用于石油和天然气构造的勘探，同时也可用于探索海底沉积矿床。海洋物探涵盖了海洋重力、海洋磁测以及海洋地震等多种方法。它依据海底岩石和沉积物在密度、磁性、弹性、导热性、导电性及放射性等方面的物理特性差异，运用多样化的物探技术和仪器，对地球物理场的空间分布及变化规律进行观测与研究，可揭示各种地球物理场属性的时空特征(如重力场、地磁场、地电场、地温场和地震波场等)，应用于矿产资源勘探、防震减灾、国防军事和地球系统科学研究等多个领域。

尽管其工作原理与陆地物探相似，但海洋环境的特殊性要求使用专为海上工作设计的仪器装备，如特制的船弦重力仪、海洋核子旋进磁力仪和海洋地震检波器等。此外，海洋勘探船还配备了先进的无线电导航和卫星定位系统，以确保在广阔的海洋上能够精准地进行勘探工作。

在20世纪50年代初期，尤因（W.M.Ewing）等人率先采用新出现的精密回声测深仪进行连续水深探测，并成功绘制出海底地形图。到了1967年，希曾（B.C.Heezen）和撒普（M.Tharp）在广泛搜集并分析了大量的连续回声测深资料和图件后，编绘出了一份世界海底地形图。这份地图揭示了海底的丰富地貌形态，包括大陆架、大陆斜坡、深海平原、海沟、洋脊等，同时还发现了洋脊脊峰处的裂谷和同洋脊横交的断裂带等重要特征。其中，全球系统的洋脊及其上的裂谷和横大断裂带的发现，对当代地球科学的发展产生了深远的影响。

海洋约占地球面积70%，蕴涵丰富的水、生物、矿产和能源资源。要系统地揭示海洋地球物理特征及时空变化规律，进而深入开展地球系统科学研究，必须依靠高精度、高分辨率地球物理探测数据支撑，这需要海洋地球物理探测高新技术的强力支持。

在20世纪50年代，精密回声测深技术应用于海底地形测绘，发现大洋与大陆地壳结构差异。在20世纪70年代，反射地震技术结合计算机处理，提升油气勘探精度。2023年，中国自主研发的“海脉”节点采集系统实现渤海海域三维勘探，核心部件100%国产化，低频分辨率达国际领先水平。

海洋物探技术原理的核心，是通过观测和分析地球物理场（如重力、磁力、地震波等）的分布和变化规律，来研究海底地质构造和资源分布。简单来说，就是给海底做“CT扫描”，只不过用的是物理场数据而非医学影像。常规的海洋地球物理探测技术方法包括海洋水深测量、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋地震勘探、海洋电磁探测、海底热流探测和一些海底地球物理观测等，它是多学科交叉和多技术手段融合的产物。

⒈海洋水深测量：是根据超声波能在均匀介质中匀速直线传播，遇不同介质面产生反射的原理设计而成的。回声探测仪作为现代水深测量的关键设备，其工作原理基于声波的发射与反射。仪器发出特定频率的声波，这些声波在触及海底后会反射回仪器。通过精确测量声波在水中的传播时间，仪器能够推算出海底的深度。由于低频声波具有强大的穿透力，能够穿透海底的松散沉积物，直达坚硬的基岩，因此，这种方法不仅能够揭示海底的起伏变化，还能精细地描绘出海底基岩的形态，为海底地形图的绘制提供详细信息。

⒉海洋重力测量：海洋重力测量是海洋地球物理测量方法之一。重力测量以牛顿万有引力定律为理论基础，以组成地壳和上地幔各种岩层的密度差异所引起的重力变化为前提，通过专门仪器测定地球水域的重力场数值，给出重力异常分布特征和变化规律，进而研究地质构造、地壳结构、地球形态和勘探海底矿产等。地球重力场测量对推动地球物理学、地球动力学、大地测量学、海洋测量学、空间科学等学科的发展具有重要作用。

⒊海洋磁力测量：地磁场，这一随时间和空间不断变化的矢量场，对海洋地球物理及海洋地质研究至关重要。其矢量要素包括地磁分量X、Y、Z、H，以及地磁偏角D、倾角I和总强度F，共同构成了地磁场的完整图景。在海洋环境中，地磁场不仅是海洋环境的重要组成部分，还承载着海底地质、矿产资源、沉船打捞搜救等多方面的信息。海洋磁力测量不仅在海洋地球物理调查中扮演重要角色，在军事方面它对于探潜、反潜、目标探测等具有重要意义；而在海洋工程领域，磁法勘探已广泛应用于光缆调查、海底油气管线探测、沉船打捞等多个方面。目前海洋磁力探测目标识别技术、磁补偿技术、数据处理技术等的发展，进一步拓宽了海洋磁力测量的应用范围。

⒋海底热流测量：通过对不同深度沉积物的温度差异进行测量，以确定海洋底部的地温梯度及地热流值。不同数值的变化及其空间分布，能够揭示地球内部的热状况。这项测量技术为地球动力学研究、油气资源勘探及天然气水合物调查提供了关键数据支持，其分布特征直接关联板块构造活动，如热流自洋中脊向两侧递减的规律符合岩石圈冷却机制。

⒌海洋地震测量：海洋地震测量是地球物理学中通过分析地震波在海底地壳中的传播规律，探测海洋地质结构和资源分布的关键技术。其核心原理基于弹性波在不同介质中的反射、折射特性：当人工或天然震源激发地震波时，波在遇到岩性界面会形成反射波或折射波，通过记录这些波的运动学（如传播时间）和动力学（如振幅、频率）特征，可推断地层构造、岩性和厚度。海洋地震测量直接支撑了海底扩张说和板块构造理论的验证，例如通过大洋磁异常带和俯冲带研究提供了关键证据。

海洋物探设备种类繁多，海洋物探设备分类的核心是探测平台和测量对象，通常可按测量的物理场类型及其搭载的平台类型进行划分，分述如下：

⒈按技术原理分类

⑴声学设备：

①多波束测深声呐：通过阵列传感器同步形成多个独立波束的水声探测设备，核心组件包含声呐阵列、波束形成器与数字信号处理模块。采用宽覆盖声波发射与窄波束信号接收技术，单次探测即可获取密集测深点数据，覆盖效率较单波束声呐提升数倍且具备毫米级深度精度。

②侧扫声呐：是通过向侧方发射声波来探知水体、海面、海底（包括上部地层）声学结构和介质性质的仪器设备，其探测原理是利用海底表面物质背散射特征的差异来判断目标物的沉积属性或形态特征。擅长探测海底地貌和水下目标，对特殊外形目标识别能力强。

③浅地层剖面仪：浅地层剖面仪是在测深仪基础上发展起来的，只不过其发射频率更低，声波信号通过水体穿透床底后继续向底床更深层穿透，结合地质解释，可以探测到海底以下浅部地层的结构和构造情况。采用的技术主要包括压电陶瓷式、声参量阵式、电火花式和电磁式4种。

④合成孔径声呐：合成孔径声呐（SAS）通过声基阵与目标的相对运动构建虚拟合成孔径，采用大时间带宽积线性调频信号配合脉冲压缩技术，在距离向和方位向实现二维高分辨率成像。其横向分辨率与工作频率和距离无关，较常规侧扫声呐提升1～2个量级，可通过多子阵结构优化和运动误差补偿技术进一步提升成像质量。

⑵磁力设备：

海洋磁力测量是以海底岩层磁性差异产生的磁场变化为原理，通过磁力仪测定地球磁场强度的地球物理探测方法。该方法使用质子旋进磁力仪、光泵磁力仪等设备采集数据，一般需进行正常场校正、日变校正和船磁校正以消除干扰，主要应用于推断海底构造、沉积盆地分析、泥下埋藏铁磁性目标、海底管线、矿产勘探及军事导航校正等领域。

⑶重力设备：

海洋重力测量是海洋地球物理测量方法之一。重力测量以牛顿万有引力定律为理论基础，以组成地壳和上地幔各种岩层的密度差异所引起的重力变化为前提，通过专门仪器测定地球水域的重力场数值，给出重力异常分布特征和变化规律，进而研究地质构造、地壳结构、地球形态和勘探海底矿产等。海底重力仪结构与陆地重力仪相似，水下单元包含重力传感器、平衡装置及密封容器。

⑷地震设备：

海洋地震勘探是通过勘探船在海洋中激发人工地震波，利用拖曳式检波器接收反射信号以探测海底地质结构的调查方法，主要用于石油、天然气等资源勘探。单道地震技术用于海底地形测绘，多道地震技术应用于区域构造分析。近年来，三维地震、代理波成像及电磁法等新技术提升了地质建模精度与勘探维度。中国自主研发的“海经”拖缆系统突破超深水作业限制，实现3000米水深勘探及高精度三维成像，双船宽方位采集、节点勘探等创新方法进一步优化了数据覆盖密度与分辨率。

⒉按运载工具分类

⑴水面作业平台：

涵盖大型科考船、自升式勘测平台、水面无人艇、无人滑翔器及特殊设计的观测平台，它们在海洋科学研究、资源勘探和环境监测中发挥关键作用。

①大型科考船：船载地球物理探测平台包括科考船、调查船等，搭载多波束测深系统、单/多道地震探测系统（震源、拖缆）、海洋重力仪、海洋磁力仪、地热流探测系统等，是最重要的移动观测平台，可同步开展大面积走航式测量，主要服务于海底地形测绘、海洋油气资源勘查、地质构造研究等。如我国首艘大洋钻探船“梦想”号，具备11000米钻探能力、DP-3级动力定位系统和多功能船载实验室，可在全球海域进行深海钻探和综合科学实验。

②自升式勘测平台：例如中国电建中南院520海上勘测试验平台，采用四腿自升式结构，设计水深75米，集成数字孪生和AI技术，支持海上风电场勘察、地球科学研究及装备试验验证。

③无人水面艇（USV）：是一种无人操作的水面舰艇，作为海上无人系统最为典型的无人智能平台系统，利用其吃水浅、机动性强等优点，可以进行海洋测绘，提供海洋地理信息、数据和基础图形，对海洋气象要素、海洋水质要素、海洋生物要素等进行监测。

④波浪滑翔器：波浪滑翔器是一种典型代表，利用波浪能与太阳能驱动，搭载温盐深仪、声学传感器等，可自主航行执行海气界面监测、水下目标探测等任务，适用于广域海洋环境观测。

⑵水下智能巡航探测平台：

水下智能巡航探测平台主要包括自主水下航行器（AUV）、遥控水下航行器（ROV）、载人深潜器（HOV）等，搭载多波束、侧扫声呐、浅地层剖面仪、CTD温盐深仪等传感器，具有高机动性和自主性，可进入复杂或危险水域，进行精细化地形扫描、近海底观测、定点取样等任务。深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是国际上激烈竞争的焦点之一。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。

⑶海底原位探测平台：

海底原位探测平台包括海底观测网、潜标、海床基，其核心设备为海底地震仪（OBS）、海底电磁仪、海底边界层观测系统，这些设备长期固定在海底，进行长期、连续、实时观测，主要用于监测海底微震、结构变化、海洋动力过程等。

⑷海洋浮标：

海洋浮标是以锚定在海上无人观测平台为主体，通过浮体、桅杆、锚系等组件搭载传感器，长期连续采集水文（波浪、海流、温盐深）、水质（溶解氧、叶绿素）及气象（风速、气压、湿度）等数据的自动化设备。

⑸海洋遥感：

海洋遥感是以海洋及海岸带为监测对象的遥感技术，通过传感器接收海面电磁波辐射或散射能量获取海洋数据，分为主动式和被动式两种观测方式，包含物理海洋学、生物海洋学、化学海洋遥感及海洋光学遥感、微波遥感等分支。该技术利用卫星、飞机等平台实现大范围同步观测，应用于海洋环流监测、海冰动态分析、水质评估（如叶绿素浓度检测）及海岸带环境监测等领域，可获取海面温度、海浪场等关键参数信息。

⒊按操作方式分类

⑴投弃式仪器：

投弃式仪器是海洋探测中用于快速、机动获取水下环境参数的重要工具，主要包括投弃式温深仪（XBT）和投弃式温盐深仪（XCTD）等。这些仪器以一次性使用为特点，通过船载平台投放，能实时测量海水温度、盐度、深度等剖面数据，广泛应用于海洋调查、科学研究、国防安全及环境保障等领域。未来，投弃式仪器正朝着多参数集成（如结合流速测量）、小型化及多平台适配（如无人机或浮标搭载）方向发展，以满足更广泛的海洋观测需求。

⑵自返式仪器：

一是自返式海洋探测器，从船上投入海中，到达预定深度或触底后释放压载物，借助浮力返回海面，数据通过微波或内部磁带记录；二是自返式取样管，触底后抓取沉积物，释放压载物上浮，由船回收；三是自返抓斗取样器（无线抓斗取样器），触底时抓斗合拢，释放压载物后上浮，由船回收；四是自返重力取芯器（无线重力取芯器），触底时靠重力扎入海底，取芯完成后外壳遗弃，上浮回收，适用于深海岩芯采样，无需复杂设备。这些仪器在深海探测中非常实用，能高效完成采样和测量任务，而且操作相对简单，成本也较低。

⑶悬挂式仪器：海洋勘测中使用的悬挂式仪器主要通过船只上的设备从舷旁送入海中进行观测。这类仪器包括用于测量海底地形、温度、盐度、波浪、海流、营养盐、重力、磁力、底质以及生物分布等多种参数的装置。例如，测温仪器和测盐仪器用于获取海水的物理特性数据；测波仪器和测流仪器则专注于海面波动和水流运动的监测；此外，还有专门用于分析营养盐含量、重力场变化、海底地质结构以及浮游生物和底栖生物分布的仪器。

⑷拖曳式仪器：海洋勘测中使用的拖曳式仪器种类繁多，主要用于从船体后方拖曳至水中，对水下环境、地质结构或目标进行探测和采样。一是深拖系统，它集成了多种传感器如旁侧声呐、回声测深仪、磁力仪和照相机等，可同时进行地形、地磁、地震等多参数探测，适用于深海地质调查；二是拖曳式声呐，通过缆绳拖曳于舰船或科考船后方，利用声学原理探测水下目标，其低频阵列设计能有效识别静音目标，广泛用于反潜作战和海洋监测；三是拖曳式海洋磁力仪，专门用于测量海洋地磁场异常，帮助探测海底地质构造、矿产资源或沉没物体，是地球物理勘探的重要工具；四是拖曳式脉冲定位仪，能够探测水下信号源（如黑匣子），工作深度可达6000米，通过接收声波信号并进行三角定位，用于水下搜索与救援；五是拖曳缆模式地震勘探装备（如“海经”系统），通过拖曳电缆发射地震波，对海底地层进行“CT扫描”，高效识别油气储层结构，是海洋油气勘探的核心工具；六是光学拖体，搭载高清摄像机、照相机和传感器等，用于深海底拖曳式快速作业，可实时获取海底高清影像和环境数据，适用于热液区调查等任务。这些仪器通常与绞车、导航系统等协同工作，实现高效、精准的海洋数据采集。