海洋地球物理探测

本书重点讲授海洋重、磁、电、震等探测方法的基本概念、基本原理，系统阐述海洋地球物理探测资料采集、数据处理、综合解释等方面的基本知识，以及海洋地球物理探测方法解决具体的海洋地质学问题。同时，结合海底地质构造与结构特点、海洋矿产资源与能源类型，介绍靠前外海洋地球物理探测典型案例和近期新进展，促使读者深入了解学科前沿与发展方向，培养分析、解决实际问题的能力。

第1章绪论1
1.1海洋地球物理探测的历史与现状1
1.1.1海洋地球物理探测历史1
1.1.2海洋地球物理探测方法3
1.1.3海洋地球物理探测现状7
1.2海洋地球物理探测的目的与任务11
1.2.1矿产资源探测12
1.2.2海洋科学研究12
1.2.3国家海洋安全14
1.3海洋地球物理探测展望14
1.3.1海洋地球物理探测存在的问题14
1.3.2海洋地球物理探测技术未来的发展15
1.4习题16
参考文献17
第2章海底地形地貌探测20
2.1概述20
2.2声波测深基本原理22
2.2.1海水中声波传播的基本概念22
2.2.2利用声波确定海底地形地貌30
2.3常用方法与技术33
2.3.1回声测深法33
2.3.2旁侧声呐测深法38
2.3.3多波束测深法44
2.3.4具有旁侧声呐和多波束组合功能的多波束测深法53
2.3.5多换能器测深法53
2.4应用实例55
2.4.1冲绳海槽中部热液区地形地貌55
2.4.2台湾浅滩海底沙波地形地貌57
2.4.3西北太平洋琉球岛弧Miyako-Sone台地暗礁地形地貌59
2.4.4墨西哥Ipala海底峡谷地形地貌60
2.5习题61
参考文献62
第3章海洋地震探测66
3.1概述66
3.2海洋地震探测方法与原理67
3.2.1地震波的传播67
3.2.2海洋反射地震探测70
3.2.3海底折射地震探测85
3.2.4海洋多波多分量地震探测94
3.3海洋地震数据采集与资料处理103
3.3.1数据采集104
3.3.2资料处理134
3.4应用实例150
3.4.1海洋多道反射地震资料处理150
3.4.2OBS数据处理161
3.4.3热液硫化物矿区垂直缆探测技术167
3.5习题173
参考文献173
第4章海洋重磁测量180
4.1概述180
4.1.1海洋重力测量发展历史180
4.1.2海洋磁力测量发展历史182
4.2基本原理183
4.2.1海洋重力测量的基本原理183
4.2.2海洋磁力测量的基本原理207
4.3数据处理采集技术与处理方法215
4.3.1海洋重力数据采集技术与处理方法215
4.3.2海洋磁力数据采集技术与处理方法225
4.4应用实例229
4.4.1海底扩张的磁条带229
4.4.2洋陆过渡带构造反演234
4.5习题250
参考文献251
第5章海洋电磁与放射性测量253
5.1海洋电磁法概述253
5.1.1基本概念253
5.1.2发展历史254
5.2海洋电磁法原理255
5.2.1海洋电磁勘探环境255
5.2.2控制方程258
5.2.3海洋大地电磁法260
5.2.4海洋可控源电磁法262
5.2.5仪器装置265
5.2.6数据处理268
5.2.7三维反演算法269
5.3海洋放射性测量273
5.3.1概述273
5.3.2方法原理274
5.3.3仪器装置275
5.4应用实例276
5.4.1东太平洋海丘北部被动地幔上涌的电磁学证据276
5.4.2墨西哥湾Gemini勘探区的海洋MT三维反演278
5.4.3HaigFras地区的放射性地质填图281
5.5习题282
参考文献282
第6章海洋地热测量286
6.1概述286
6.2海洋地热测量原理286
6.2.1地球内热286
6.2.2岩石的热传递290
6.2.3大地热流密度296
6.2.4岩石圈热结构302
6.3海洋地热测量原理304
6.3.1海底热流测量步骤305
6.3.2地温梯度的测量306
6.3.3沉积物热导率的测量313
6.3.4海底热流影响因素与校正316
6.4应用实例317
6.4.1拉张盆地构造热演化317
6.4.2地热与天然气水合物322
6.4.3俯冲带的热流326
6.5习题330
参考文献330
第7章海洋地球物理测井336
7.1概述336
7.1.1地球物理测井的发展历程336
7.1.2测井的分类338
7.2基本原理339
7.2.1电法测井340
7.2.2声波测井346
7.2.3放射性测井353
7.2.4核磁共振测井360
7.2.5成像测井361
7.3随钻测井367
7.3.1随钻测量与随钻测井367
7.3.2随钻测井的仪器构成367
7.3.3随钻测井技术368
7.3.4随钻测井技术在地质导向中的应用370
7.3.5随钻测井技术的发展趋势371
7.4海洋地球物理测井现场采集和处理解释372
7.4.1测井仪器系统372
7.4.2测井资料采集372
7.4.3测井资料处理373
7.4.4测井资料解释373
7.5应用实例374
7.5.1成像测井资料在Shatsky海隆构造研究中的应用374
7.5.2IODP随钻测井技术的应用——以南海海槽孕震区实验为例376
7.5.3成像测井资料在古潜山构造研究中的应用380
7.5.4随钻测井在水平井钻探中的应用382
7.6习题384
参考文献384
第8章海底资源地球物理探测386
8.1海底资源概况386
8.1.1海洋油气386
8.1.2天然气水合物387
8.1.3多金属结核389
8.1.4海底热液硫化物矿床390
8.2深水油气地球物理探测392
8.2.1深水油气储层地球物理识别技术392
8.2.2深水油气储层地球物理识别399
8.3天然气水合物地球物理探测423
8.3.1天然气水合物系统423
8.3.2天然气水合物储层地球物理识别430
8.3.3天然气水合物储层资源评价444
8.4海底多金属结核地球物理探测449
8.4.1海底多金属结核的声学探测技术449
8.4.2海底多金属结核覆盖率探测451
8.4.3海底多金属结核的电磁探测展望454
8.5习题455
参考文献455

    **章 绪论

    海洋地球物理探测，简称“海洋物探”，是通过地球物理探测方法研究海洋地质过程与资源特性的科学。广义的海洋地球物理探测应用于海洋地质、海洋物理、海洋生物和海洋化学等学科研究。通常情况下，海洋地球物理探测主要用于海底科学研究和海底矿产勘探。海洋物探包括海洋重力、海洋磁测、海洋电磁、海底热流和海洋地震等方法。海洋物探的工作原理和陆地物探方法原理相同，但因作业场地在海上，增加了海水这一层介质，故对仪器装备和工作方法都有特殊的要求。船载地球物理探测需使用装有特制的船舷重力仪、海洋核子旋进磁力仪、海洋地震检波器等仪器进行工作，还装有各种无线电导航、卫星导航定位等装备。海底地球物理观测需要服高压、供电、防腐等特定要求。

    1.1 海洋地球物理探测的历史与现状

    1.1.1 海洋地球物理探测历史

    人类对海洋的探索，离不开地球物理技术的发展。近年来对海底探测的研究推动了海洋地球科学技术的发展，海洋地球物理探测在前沿科学中一直保持着重要的地位。高精度的导航定位技术、海洋重力测量系统，海洋地磁测量技术、海底地震探测等探测技术在当今海底资源勘查、海洋科学研究、海洋工程及海洋战场环境等方面发挥着不可取代的作用。众所周知，海洋蕴藏着丰富的资源，如石油、天然气水合物、多金属结核结壳、热液硫化物、深海稀土等矿产资源。因此，各国特别是发达国家对海洋资源的争夺日趋激烈，

    海洋地球物理调查是研究海洋地质学的一个**重要手段，应密切关注它的发展趋势。海洋地球物理探测发展至今已有一个半世纪之久，早在20世纪50年代初期，Ewing等利用刚出现的精密回声探深仪进行连续水深探测，并绘制海底地形地貌图。Heezen和Tharp(1967)在广泛搜集详细的连续回声测深资料和图件基础上，编绘出世界海底地形图，揭示出海底的地貌形态有大陆架、大陆斜坡、深海平原、海沟、大洋中脊、洋中脊裂谷和转换断裂等。其中，作为全球系统的大洋中脊及在大洋中脊上分布的裂谷和转换断裂系统的发现，对于当代地球科学的发展具有重要意义。

    在20世纪，海洋地球物理有着辉煌的成就，海洋地球物理的发展推动了地球科学的进展，地球物理探测方法在海底探测上的应用引发了地球科学的革命。20世纪初，魏格纳根据大西洋岸线的形状及古地磁证据，提出了大陆漂移学说，挑战传统的洋陆格局固定论。但由于保守势力的阻挡，大陆漂移说遭到冷遇，*终被遗忘掉。然而在50年代中期质子旋进式磁力仪的出现，不仅使海洋磁力测量成为可能，而且提供了广泛进行连续测量的精密仪器。Mason(1958)在东北太平洋的磁测中发现了明显的条带状磁异常分布图案。随后，Vacquier(1963)、Mason和Raff等(1962)分别证实了条带状磁异常在大洋地区广泛存在，对海底扩张假说给予了强有力的支持。60年代广泛的国际合作使海洋地球物理调查与深海钻探相结合，对海底扩张假说进行了大量的验证。研究人员在世界各大洋地区开展了海洋磁测，进行地震面波、横波、纵波、海洋重力及海底热流的观测和研究。从而使魏格纳的大陆漂移学说得以认同，进而推动了整个地球科学的革命，显然这是海洋地球物理理论和应用发展的结果(Jones，1999)。第二次世界大战期间进行的军事性质海洋研究，也大大促进了海洋地球物理的发展。战争期间由于水中作战的需要，探测潜艇和其他水下目标的技术取得迅速发展。一些科学家根据声波探测和地磁场的变化，制造了一系列的海底地球物理军事仪器，如高精度的地磁仪、水下窃.听器等。第二次世界大战之后，很多致力于这些仪器研究的科学家纷纷进入了大学、研究所和勘探公司工作，在开放的研究环境中大力促进了海洋地球物理的发展。

    第二次世界大战之后随着工业的迅速发展，人类对石油和矿产资源的需求大大增加。为了满足能源和矿产的需求，各国的开采从陆地走向了海洋。20世纪40年代初期，美国一些勘探公司就已经在墨西哥湾和加利福尼亚的浅水区域寻找油气资源(Sheriff and Geldart，1995)。20世纪50年代末期，我国**个海上地震队，由中国科学院、地质部及石油工业部组成，并在渤海湾进行了海上人工地震勘探方法的技术试验，1964年我国在渤海建成了**个海洋油气平台，并于1967年建成了**个海上油田。为了推动海上勘探的发展，勘察队很快由浅水区扩展到了深水区，进而发展了在科考船上获取地震剖面的方法(吴时国和喻普之，2015)。海上勘探技术由原来的单一二维地震勘探发展到三维地震勘探，再到现在的重磁电震综合海洋地球物理勘探。目前海洋地球物理勘探技术已经相当成熟。

    海洋地球物理探测分为三个阶段(表1-1)，即初创阶段、发展阶段和成熟阶段。

    表1-1 海洋地球物理学的发展阶段

    1.1.2 海洋地球物理探测方法

    地球物理学是用物理学理论和方法研究地球内部结构、构造和动力过程，包括位场理论和波动理论。位场理论包含地球重力场、磁场、温度场、自然电场及直流电场，相应科学分支有重力测量、磁力测量、地热流测量和电法测量；波动理论包括声学理论、地震波理论和电磁波理论，相应的科学分支有水深测量、地震测量和电磁测量。水深测量包含单波束、多波束水深测量和旁侧声呐测量，地震测量则包含浅地层剖面测量、单道地震测量、多道地震测量、三维地震测量、四维地震测量和折射地震测量。

    按照特定探测手段、设备和目的，通常分为：①船载地球物理探测，依托科学考察船(或搭乘载人潜水器、ROV)开展多种地球物理调查，如海洋地震探测方法(反射、折射)、海洋重磁测量方法、海洋地热测量方法、海洋水深测量方法(侧扫声呐技术、多波束)、海洋电磁测量方法，海洋深拖式γ射线能谱仪等。②海底地球物理测量，如海底摄像、五分量海底大地电磁仪宽频带大动态三分量数字记录海底地震仪(OBS)等**的海底探测仪器。把这些海底地球物理设备投放在洋底形成海底地球物理探测系统，其中海底摄像系统应用*为普遍，可以直接观测海底地形地貌和地物特征，具有广阔的应用前景。③井筒地球物理测井，如声波测井、放射性测井、电阻率测井、成像测井等。下面简单介绍以下6种常规的海洋地球物理探测方法。

    (1) 海洋地震探测方法

    海洋地震探测是利用海洋与地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析海洋和大地对天然或人工激发地震波的响应，研究地震波的传播规律，推断地下岩石层性质、形态及海洋水团结构的一种探测方法。但是由于海洋这一特殊的勘探环境，海上地震探测与陆地上有所区别，主要表现在定位导航系统、震源激发和对地震波的接收排列方面。在海上地震勘探中，必须选择准确度较高的导航定位系统。目前来说，主要是采用卫星导航定位、激光定位和水下声呐定位等。现在在海上地震勘探的导航定位系统已经发展成一整套的专门技术，可随时确定震源和检波器的准确位置，极大地提高了海上地震采集的定位精度，改进了地震采集的质量。

    海上地震勘探的特点是在水中激发、水中接收。由于海上环境的特殊性，震源多采用非震源(包括空气枪震源、蒸汽枪震源、电火花震源等，其中空气枪震源占95%以上)，接收采用压电地震检波器，一般采用一艘作业船拖着等浮电缆在海上航行，接收地震波的传感器按一定排列方式分布在拖缆中。目前，已经发展形成了一套完整的水下拖缆地震波数据采集系统。海上地震探测与陆上地震探测相比，还具有勘探效率高、勘探成本低和地震数据信噪比高等优点。

    海洋地震探测是获取海底岩性和构造的主要手段。据单道地震剖面可绘制水深图、表层沉积物等厚度图和基底顶面等深线图。据多道地震剖面可绘制区域构造图和大面积岩相图(Mcquilin，1985)。在海洋油气资源勘探、海洋工程地质勘查和地质灾害预测等方面也得到了广泛应用。

    (2) 海洋重磁测量方法

    海洋重磁测量在海洋调查中有着十分重要的位置，是海洋地球物理调查的常规地球物理手段之一。

    海洋重力测量是将重力仪安放在调查船上或经过密封后放置于海底进行观测，以确定海底地壳各种岩层质量分布的不均匀性。由于海底存在不同密度的地层分界面，这种界面的起伏都会导致面重力的变化。通过对各种重力异常的解释，包括对重力异常的分析与延拓，可以获取地球形状、地壳结构和沉积岩层中某些界面的界面异常资料，进而解决大地构造、区域地质方面的任务，为寻找金属矿藏提供依据。

    海洋磁力测量是利用拖拽工作船后的质子旋进式铯光泵磁力仪或磁力梯度仪，对海洋地区开展地磁场强度数据采集，进行海洋磁力观测。将观测值减去正常磁场值并作地磁日变矫正，即得磁异常。通过分析海底岩石和矿石磁性差异所产生的磁异常场，探索区域地质特征，如结晶基底的起伏、沉积的厚度、大断裂的展布和火山岩体的范围等。利用海底地质填图可寻找磁性矿物。

    (3) 海洋地球物理测井

    海洋地球物理测井是利用岩石和矿物物理学特征的不同，运用各种地球物理方法(声、光、电、磁、放射性测井等)，使用特殊仪器，沿着钻井井筒(或地质剖面)测量岩石物性等各种地球物理场的特征，从而研究海底地层的性质，寻找油气及其他矿产资源。由于环境的特殊性，投资大，风险度高，海洋地球物理测井对测井仪器功能和性能要求特殊而复杂，具有技术高度密集和高难度的特点。海上测井平台大多分为丛式井或多分支井，表现为大斜度、大位移或水平井。裸眼测井方法主要是解释油气、水层，以及储层孔隙度、渗透率和含油饱和度，为完井和射孔提供资料，针对不同储层和地质要求，可提供不同测井技术。常用的有电阻率测井、声波测井、核磁测井等。

    1) 电阻率测井是以岩矿石电性为基础的一组测井方法，在钻孔中通过测量在不同部位的供电电极和测量电极来测定岩矿石电阻率。目前的新技术有电阻率成像、高分辨率阵列感应及三分量感应。

    2) 声波测井是利用岩矿石的声学性质来研究钻井的地质剖面，判断固井质量的一种测井方法。声波测井可以用来推断原始和次生孔隙度、渗透率、岩性、孔隙压力、各向异性、流体类型、应力与裂缝的方位等，评价薄储层、裂缝、气层、井周围附近的地质构造等，主要代表仪器有DSI、Wave Sonic、Sonic Scanner及MAC(张向林等，2008)。

    3) 核磁测井是利用物质核磁共振特性在钻孔中研究岩石特性的方法。现代核磁测井仪则主要采用自旋回波法。由于氢原子核具有*大程度的磁旋比和*高的共振频率，是在钻孔条件下*容易研究的元素。氢元素是孔隙液体中的主要成分，因此核磁测井是研究孔隙流体含量和存在状态的有效方法，可以提供不同尺寸孔隙分布，包括自由流体孔隙度、毛细管孔隙度，以及束缚水饱和度、渗透率等重要参数，因此成为石油测井的重要方法。

    (4) 海洋地热测量方法

    海洋地热测量是利用海底不同深度上沉积物的温度差，测量海底的地温梯度值，并测量沉积物的热传导率，来求得海底的地热流值，直接反映出地球内部的热状态的一种方法。海洋地热测量成果对提升地质地球调查资料综合研究成果至关重要。

    地热测量的理论基础是热传导理论。热流是由温差引起的能量传递(Golmshtok et al.，2000)。能量传递的方式有三种：热对流、热传导和热辐射。其中海洋沉积物的热流以热传导为主。一维情况下，热传导公式为

    (1-1)

    式中，k为岩石(沉积物)的热导率；dT/dz为地温梯度；dT为海底一定深度间距(垂直于地球等温面法线方向上的深度差)的温差；dz为海底相应的深度间距，因此只要知道深度间距及它们之间的温差，就可以求出海底地温梯度。

    热导率测量的理论基础是从瞬间热脉冲由无限长圆柱形金属探针进入无限大介质的传导理论上发展起来的(Herzen，1959；Lewis et al.，1993)。该理论认为，当探针温度、沉积物样品温度与环境温度达到平衡时，热脉冲使探针温度升高，从而高于环境温度，在热脉冲过后的一定时间内，探针内部温变过程T(t)由下式给出

    (1-2)

    式中，Q为探针内部单位长度的总热量；k