聲學深拖系統在海底冷泉調查中的應用

馮強強,溫明明,牟澤霖,萬 芃，郭 軍，王愛學

(1.廣州海洋地質調查局 國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510760;2.武漢大學 測繪學院， 湖北 武漢 430079;3.武漢大學 海洋研究院， 湖北 武漢 430079)

海底冷泉是指來自海底沉積地層的氣體以噴涌或滲漏方式逸出海底的一種海底地質現象，是判斷天然氣水合物成藏的一個重要特征，其發育和分布一般與天然氣水合物分解及海底天然氣及石油分解運移密切相關，目前已成為指示現代海底發育及尚存天然氣水合物最有效的標志之一[1-3]。冷泉在世界各大洋中廣泛分布，目前在北海、波羅的海、北大西洋、墨西哥灣、印度洋、西南太平洋等海域都有發現[4-7]。我國從20世紀90年代以來在南海北部陸坡區開展一系列的天然氣水合物調查工作，發現以“海馬冷泉”為代表的多個冷泉滲漏活動區以及由冷泉活動形成的碳酸鹽巖區[8]。

依托這些調查項目和冷泉區“滲漏性”和“擴散性”天然氣水合物的具體特點，研究一系列冷泉探測手段和數據后處理分析方法，如淺地層剖面探測技術、ROV(Remote Operated Vehicle)、海底可視化技術、聲學水體探測技術等。2016年廣州海洋地質調查局在南海某海域對聲學深拖系統進行海試，在冷泉區開展深拖試驗性的作業，獲取冷泉區近海底的側掃聲吶、淺地層剖面實測數據、多波束水體數據。

1 調查設備

本次海上調查使用的深拖系統為美國Teledyne Benthos公司生產的Teledyne Benthos TTV-301聲學深拖，該設備主要由甲板單元、壓載器、拖體、光電復合纜及絞車等部分組成，如圖1所示。拖體作為設備的主要載體，集成側掃聲吶、淺地層剖面儀、INS慣性導航系統、多普勒計程儀、溫鹽深傳感器、水下定位信標等，如圖2所示。其中，側掃聲吶系統、多波束系統及淺地層剖面系統是深拖聲學數據采集的3種主要技術手段，其作業如圖3所示。

圖1 Teledyne BENTHOS TTV-301系統

圖2 TTV-301拖體實體

圖3 TTV-301深拖系統作業示意圖

1.1 聲學系統

側掃聲吶系統采用Klein UUV3500，該系統由美國L-3公司設計生產，適用于AUV(Autonomous Underwater Vehicles)及UUV(Unmaned Underwater Vehicles)系統。其采用L-3公司獨有的最新寬條帶技術，可提供非對稱性的側掃掃幅寬度；真雙頻作業，可獲得最佳的沿航跡分辨率；耗電低，輕便緊湊，非常適合搭載于拖體中。

多波束系統采用的是丹麥RESON公司生產的RESON 7125多波束系統，其具有超高的分辨率，波束數達512 個，具有等角等距功能，條帶覆蓋角度及測量角度實時可調，最大工作深度為6 000 m。

淺地層剖面系統采用由美國Teledyne Benthos 公司生產的Chirp III，該系統使用雙通道，雙頻率，采用Chirp和常規連續波(CW)技術，可生成高分辯率的淺地層剖面；同時該系統采用模塊化設計，可搭配不同的拖魚和船體安裝。

1.2 導航定位系統

綜合導航定位系統由Hypack綜合導航軟件、GPS接收機和Rangrer2 Pro超短基線水下定位系統組成。

Hypack導航軟件系統具備強大的測量導航與成圖功能，它能接收多種定位系統數據，并能連接包括測深儀、運動傳感器、潮汐儀、羅經系統等多種外部設備，為這些設備傳送導航定位數據，并可選擇性記錄部分測量數據(如水深、船姿態等)。

GPS采用Veripos LD4S接收機提供衛星導航信號。Veripos系統由Subsea7公司建立，在全球建立超過80個參考站，并在英國Aberdeen和新加坡擁有兩個控制中心。控制中心監控Veripos通訊系統的整體性能，也能為用戶提供有關系統性能的實時信息，且具有開啟和關閉Veripos增強系統(augmentation system)的權限。所提供的定位服務有以下幾類：Veripos Apex，Veripos Ultra，Veripos Standard Plus，Veripos Standard，Veripos Glonass。Veripos在76oN to 76oS 之間可以獲得10 cm(95%)的水平精度。海試中使用的Veripos LD4S DGPS接收機購買了Veripos Apex，Veripos Ultra服務，定位精度可達10 cm。

Ranger2 Pro是一種超短基線水下聲學定位系統，由英國Sonardyne公司生產，定位精度達到斜距的0.15%，最大作業水深達到6 000 m，最大斜距達到8 000 m。

2 聲學數據獲取

本次調查試驗區域位于南海某海域，根據歷史調查資料顯示該區域存在一些冷泉疑似點，本次調查主要是在這些疑似點附近開展深拖作業，獲取冷泉疑似點附近的聲學數據，并對不同的聲學數據進行對比驗證分析，進行綜合判斷。

調查作業測線布設如圖4所示，共布設測線7條，總計長度90 km。作業方式為拖曳式，纜長保持在2 000 m左右，壓載器離底高度為80 m左右，拖體離底高度為100 m左右。船速保持2節左右，側掃聲吶采用雙頻發射接收，單側作業量程300 m；淺剖系統使用2～7 kHz頻帶脈沖發射信號；整合sonardyne USBL系統、DVL多普勒計程儀、PHINS6000慣導系統為拖體提供精確導航定位數據，定位精度可達m級。

圖4 測線布設位置示意圖

3 聲學數據分析

氣泡羽狀流是冷泉區的一個標志性現象，天然氣水合物通過空隙、裂縫等海底運移通道泄漏到海水之中形成氣柱，這些氣柱的高度可以從幾十米到幾百米，這些噴溢的氣泡和海水之間形成一個明顯的波阻抗界面，阻擾聲波向海底傳播。

本次調查共獲取3種數據，包括側掃聲吶、多波束水體數據和淺地層剖面測量數據。其中側掃聲吶是一種探測水體目標物和海底表面地形地貌的手段；多波束水體數據可探測水體中存在的異常和目標物，并對其進行準確定位[9]；淺地層剖面調查基于聲學反射原理獲取反映地層聲學特征的剖面，主要用于探測水下淺部地層結構和構造[10-13]，如天然氣水合物探測、近岸海洋地質環境調查。

3.1 側掃聲吶數據分析

側掃聲吶系統海底成圖分辨率高、面狀覆蓋作業效率高[14-16]，其發射的聲學波束在遇到氣泡與海水形成的強波阻抗界面時發生散射，被氣泡遮蔽的海底在側掃聲吶圖像上就會形成代表高能量的亮斑異常。

本次調查在測線2、測線3、測線6、測線7上都觀測到氣泡羽狀流在側掃聲吶圖像上形成的亮斑異常(見圖5—圖8)。圖5中大部分的亮斑異常出現在左舷換能器，右舷可見一點異常，圖7中在水體里觀測到氣泡逸散的特征，說明拖體穿過冷泉點1和冷泉點3形成羽狀流的邊緣。圖8中，在沿測線3進行測量時，除在右舷圖像觀測到冷泉點3形成的亮斑異常外，在左舷圖像斜距250 m左右觀測到另一個異常，疑似發現一個新的冷泉點。

圖5 冷泉點1形成的亮斑異常(測線7)

圖6 冷泉點1和冷泉點2形成的亮斑異常(測線6)

圖7 冷泉點3形成的亮斑異常(測線2)

圖8 新發現冷泉點形成的異常(測線3)

3.2 多波束水體數據分析

多波束系統數據處理軟件采用專業的處理軟件CARIS 8.0,具體處理流程為：設置船配文件、設置項目參數、導入原始數據；進行潮汐、聲速、吃水改正，對上述數據進行合并處理；建立水深曲面，設置濾波參數對測線進行自動處理，剔除異常數據；設置曲面參數，對曲面進行自動曲面濾波處理，剔除異常跳點；再用人機交互，對水深曲面進行檢查，恢復誤刪除數據，清理殘余跳點；檢查無誤后，輸出水深曲面。

多波束系統在采集水深數據的同時，可以記錄換能器至海底之間的水體信號，形成一個類似扇形的回波信號，將回波信號轉換為影像，即為多波束水體影像。多波束水體數據處理采用自主研發的WCI(Water Column Image)處理軟件，處理流程為：導入原始水體數據，設置變換參數，提取掃面線數據，扇形信號矩陣化處理，時間剖面顯示，消除圖像畸變，信號插值處理，扇形圖像生成。

圖9展示了此次調查獲取的多波束水體影像，其中紅色框標記的為檢測到的天然氣水合物羽狀流所形成的氣柱，通過對數據進行深入分析得出，其為細長圓柱狀，直徑約為26 m，底部與頂部高差約為600 m。

圖9 多波束水體影像顯示的疑似冷泉

3.3 淺地層剖面數據分析

搭載在深拖上的另一聲學設備淺剖主要用來獲取冷泉區淺部結構特征，圖10精細刻畫了調查區的淺部地層結構，其中紅色區域為聲學空白帶，對應天然氣水合物向上的運移通道。根據氣泡共振頻率研究以及野外的實際測量結果，表明探測羽狀流氣柱的最佳淺剖頻帶為10～20 kHz。

圖10 冷泉點3附近淺地層剖面(測線2)

4 結 論

利用新的聲學深拖設備在冷泉區開展試驗性的調查，獲取冷泉區的地形地貌以及海底淺地層剖面數據。通過對數據進行分析，發現天然氣水合物羽狀流在側掃聲吶圖像上形成的亮斑異常，不僅驗證了以前發現的一些冷泉溢出點，還發現一個新的疑似冷泉噴口；在獲取的淺地層剖面數據上也可見天然氣水合物的運移通道；多波束水體影像非常直觀的檢測出了羽狀流氣柱的具體幾何形狀，有利于進一步估算天然氣的溢出量。

在冷泉探測中，結合使用船載式設備和聲學深拖設備，首先利用船載式設備進行大范圍的勘察，再使用深拖設備在目標區開展詳查。綜合淺剖、多波束、側掃聲吶、水體探測等聲學方法以及ROV、光學可視化等探測手段，多種數據綜合解釋，互相印證，形成一套海底冷泉綜合探測技術，可以有效提高冷泉識別的可信度。

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