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海洋地球物理勘探

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海洋地球物理勘探簡稱「海洋物探」,是通過地球物理勘探方法研究海洋和海洋地質的新方法之一。目前,用此種方法主要勘探石油和天然氣構造及一些海底沉積礦床。海洋物探包括海洋重力、海洋磁測和海洋地震等方法。海洋物探的工作原理和地面物探方法相同,但因工作場地是在海上,故對於儀器裝備和工作方法都有特殊地要求,需使用裝有特製的船弦重力儀、海洋核子旋進磁力儀、海洋地震檢波器等儀器的勘探船進行工作,海洋勘探船還裝有各種無線電導航、衛星導航定位等裝備。

1簡介

在海洋範圍內應用各種地球物理勘探方法研究地質構造和尋找有用礦藏。簡稱海洋物探。物探是研究海洋地質最基本的調查手段。它以海底岩石和沉積物的密度、磁性、彈性、導熱性、導電性和放射性等物理性質的差異為依據,用多種物探方法和儀器,觀測並研究各種地球物理場的空間分佈和變化規律,進而闡明海洋底的地質構造及其演化,查明各地質年代沉積物的分佈,尋找石油和天然氣以及固體礦產資源。
海洋地球物理勘探所觀測的有地球本身固有的地球物理場,如重力、磁力、熱流和天然地震,也有用人工方法激發的地球物理場,如人工地震和電法等。由於海洋水體是運動的,上述觀測必須採用一系列不同於陸地地球物理勘探的儀器和方法。海洋地球物理勘探在早期階段,採取多種密封防水、彈性減震以及獲取靜態觀測的措施。現在則充分利用海洋的特點進行動態觀測,不僅可以快速和連續作業,而且適於將幾種物探設備和導航定位儀器集中在一條工作船上,實現電子計算機控制的綜合觀測。

2簡史

20世紀50年代初期,尤因(W.M.Ewing)等人利用剛出現的精密回聲測深儀進行連續水深探測,並繪製海底地形圖。1967年希曾(B.C.Heezen)和撒普(M.Tharp)在廣泛搜集詳細的連續回聲測深資料和圖件的基礎上,編繪出世界海底地形圖,揭示出海底的地貌形態有:大陸架、大陸斜坡、深海平原、海溝、洋脊等,還有洋脊脊峰處的裂谷和同洋脊橫交的斷裂帶等。其中,作為全球系統的洋脊及其上的裂谷和橫大斷裂帶的發現,對於當代地球科學的發展具有重要意義。 
與此同時,尤因等用雙船進行地震折射觀測,測定大洋地殼的厚度和構造,發現大洋地殼同大陸地殼有明顯的差異。大陸地殼的平均厚度約35公里,而大洋地殼僅5~10公里厚,它們都是從縱波速度約為8.0公里/秒的莫霍間斷面開始計算的。在同樣測量的基礎上,後來又發現在大陸地殼中,上層10~20公里是由縱波速度約6.2公里/秒的花崗岩質層組成,下層是由縱波速度約7.2公里/秒的玄武岩質層組成。還發現較薄的大洋地殼為3層結構:層Ⅰ具有縱波速度約2.0公里/秒的固結和半固結的沉積物;層Ⅱ中速度變化範圍很寬,約為4.0~6.0公里/秒,可能屬玄武岩熔岩、某些類型的變質岩和石灰岩;層Ⅲ的縱波速度為6.7公里/秒,被認為是輝長岩類。梅納德 (G.L.Maynard)於1970年證明此層是由兩個分層組成的。莫霍間斷面以下為上地幔,其中的縱波速度為7.9~8.2公里/秒。
50年代中期質子旋進式磁力儀的出現,不僅使海洋磁力測量成為可能,而且提供了廣泛進行連續測量的精密儀器。1958年,梅森(R.G.Mason)在東北太平洋的磁測中發現明顯的條帶狀磁異常分布圖案。隨後,瓦奎爾(V.Vacquier,1961)、梅森和拉夫(A.D.Raff,1961)等分別證實了條帶狀磁異常在大洋地區廣泛存在,對海底擴張假說給予了強有力的支持。
60年代廣泛的國際合作使海洋地球物理調查與深海鑽探相結合,對海底擴張說進行了大量的驗證。在世界各大洋地區普遍進行了海洋磁測,進行了地震面波、地震震源分佈和震源機制、海洋重力以及海底熱流的觀測和研究。
中國於1960年開始在渤海灣施行以尋找油、氣資源為主要目的的海洋地球物理勘探,隨後在北部灣、南黃海以及珠江口和東海進行了綜合海洋地球物理調查,先後發現渤海、北部灣、南黃海、珠江口、瓊東南和東海等6大沉積盆地,並分別查明了一系列局部構造。鑽探結果,在南黃海外的各個海底沉積盆地中發現了工業性油、氣藏。

3勘探方法

海洋地球物理勘探主要使用重力、磁力、地震和熱流測量 4種方法。電法和放射性測量在海洋地區現仍處於理論探討和方法試驗階段,沒有投入實際應用。
海洋磁力測量
利用拖曳於工作船后的質子旋進式磁力儀或磁力梯度儀,對海洋地區的地磁場強度作數據採集,進行海洋磁力觀測。將觀測值減去正常磁場值並作地磁日變校正後,即得磁異常。對磁異常的分析,有助於闡明區域地質特徵,如斷裂帶的展布、火山岩體的位置等。詳細磁力調查的結果,可用於海底地質填圖和尋找鐵磁性礦物。世界各大洋地區內的磁異常,都呈條帶狀分佈於大洋中脊的兩側,這種條帶狀磁異常被看成是大洋地殼具有的特徵,由此可以研究大洋盆地的形成和演化歷史。
海洋地震測量
根據震源產生的形式分為天然地震和人工地震兩大類。
海洋地區的天然地震測量,是通過布設在島嶼上或海底的地震台站,觀測天然地震所產生的體波、面波和微震,來研究海洋底部的構造活動、地殼厚度和低速層的展布等。
海洋地區的人工地震測量,是利用炸藥或非炸藥震源激發地震波,觀測在不同波阻抗界面上反射,或在不同速度界面上折射的地震波。折射波法主要用來研究地殼深部界面和上地幔的結構,也稱為深地震測深。它要求有強大的低頻震源(例如使用大炸藥量爆炸或使用大容積的空氣槍激發),在運動中依次產生地震波,而在相當的距離之外觀測地殼深部界面上的折射波和廣角反射波(動爆炸點法)。至於淺層折射,除利用聲吶浮標獲取沉積層中速度資料之外,現已很少使用。反射波法在近海油氣勘探中獲得廣泛的應用。
現代海洋地震勘探廣泛採用組合空氣槍作震源,用等浮組合電纜裝置在水下接收地震波,通過數字地震儀將地震波記錄於磁帶上。這樣不僅能夠在觀測船行進中實現快速和高效率的共深點反射的連續觀測,而且能夠使用電子計算機充分利用所獲取的地震信息,精確地查明沉積岩不同層位的產狀、構造及其岩性,以闡明沉積盆地及其中的局部構造和沉積環境,甚至給出烴類顯示,為直接尋找油氣提供依據。而根據反射地震波傳播方案,採用高頻頻段觀測的回聲測深儀、地層剖面儀和側掃聲吶等,則是現代調查海底地形、地貌、淺層沉積物結構及其工程地質性質的重要手段。
尋找油氣
海底油氣勘探用重力、磁力、反射地震和回聲測深對沉積盆地作區域性調查,用詳細的反射地震面積測量深入研究局部構造及其沉積環境。隨著反射地震勘探儀器設備的不斷完善,70年代以來,瞬時浮點增益數字地震儀能在寬闊的動態範圍 (84~120分貝)內無畸變地記錄反射波。應用電子計算機處理反射地震資料,不僅能夠獲得反映地質構造形態的時間剖面,而且還可以提取各種動力學信息,如振幅、相位、頻率等,為研究岩性或沉積環境、直接尋找油氣顯示開闢了道路。寬線剖面和三維地震的應用,為詳細研究複雜構造,發現隱蔽油藏提供手段,對於減少深鑽井,提高勘探油氣田的經濟效益,具有十分重要意義。

海底工程地質調查

亦稱海底不穩定性或災害性調查,是開發海洋的前期工程。通過回聲測深、側掃聲吶、地層剖面儀以及高解析度地震調查,結合海底取樣和淺鑽,提供基礎資料。同樣內容的觀測和資料,也是海洋沉積、海底地形地貌、第四紀地質和固體礦產調查所需要的。

4展望

海洋地球物理勘探存在著幾個基本問題:①海洋地球物理探測的深度範圍同觀測儀器的解析度成反比,即所研究對象(場源體)的深度愈大,在海面上觀測到的場的分辨能力就愈低。例如,在反射法地震勘探中,使用的頻率範圍高,將獲得良好的解析度,而這種觀測的勘探深度卻很少。為了獲得深部的資料,只有使用低頻範圍,則勢必喪失分辨能力。為此,要根據實際課題的具體情況,探討所應採用的最佳觀測技術。②各種海洋地球物理勘探方法的反演問題都具有多解性,即使構成地球物理場的因素是明確的,對場的觀測值的解釋卻可能是多樣的。只有綜合各種地球物理資料和地質資料,互相補充,互相驗證,才能逼近唯一正確的解答。③各種海洋地球物理勘探方法,都是以海底岩層的某一種物理性質的差異為基礎,從不同的角度去認識海底的結構和岩性。為了對勘探成果取得較全面的認識,應儘可能利用測區內的鑽孔資料和各種地球物理測井資料,合理而準確地確定岩石的各種物性參數。由此進一步完善各種勘探儀器、設備和觀測技術,繼續加強對各種地質、地球物理資料的綜合研究,才能不斷提高海洋地球物理勘探解決實際問題的能力。

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