声学深拖系统在海底冷泉调查中的应用

冯强强,温明明,牟泽霖,万 芃，郭 军，王爱学

(1.广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510760;2.武汉大学 测绘学院， 湖北 武汉 430079;3.武汉大学 海洋研究院， 湖北 武汉 430079)

海底冷泉是指来自海底沉积地层的气体以喷涌或渗漏方式逸出海底的一种海底地质现象，是判断天然气水合物成藏的一个重要特征，其发育和分布一般与天然气水合物分解及海底天然气及石油分解运移密切相关，目前已成为指示现代海底发育及尚存天然气水合物最有效的标志之一[1-3]。冷泉在世界各大洋中广泛分布，目前在北海、波罗的海、北大西洋、墨西哥湾、印度洋、西南太平洋等海域都有发现[4-7]。我国从20世纪90年代以来在南海北部陆坡区开展一系列的天然气水合物调查工作，发现以“海马冷泉”为代表的多个冷泉渗漏活动区以及由冷泉活动形成的碳酸盐岩区[8]。

依托这些调查项目和冷泉区“渗漏性”和“扩散性”天然气水合物的具体特点，研究一系列冷泉探测手段和数据后处理分析方法，如浅地层剖面探测技术、ROV(Remote Operated Vehicle)、海底可视化技术、声学水体探测技术等。2016年广州海洋地质调查局在南海某海域对声学深拖系统进行海试，在冷泉区开展深拖试验性的作业，获取冷泉区近海底的侧扫声呐、浅地层剖面实测数据、多波束水体数据。

1 调查设备

本次海上调查使用的深拖系统为美国Teledyne Benthos公司生产的Teledyne Benthos TTV-301声学深拖，该设备主要由甲板单元、压载器、拖体、光电复合缆及绞车等部分组成，如图1所示。拖体作为设备的主要载体，集成侧扫声呐、浅地层剖面仪、INS惯性导航系统、多普勒计程仪、温盐深传感器、水下定位信标等，如图2所示。其中，侧扫声呐系统、多波束系统及浅地层剖面系统是深拖声学数据采集的3种主要技术手段，其作业如图3所示。

图1 Teledyne BENTHOS TTV-301系统

图2 TTV-301拖体实体

图3 TTV-301深拖系统作业示意图

1.1 声学系统

侧扫声呐系统采用Klein UUV3500，该系统由美国L-3公司设计生产，适用于AUV(Autonomous Underwater Vehicles)及UUV(Unmaned Underwater Vehicles)系统。其采用L-3公司独有的最新宽条带技术，可提供非对称性的侧扫扫幅宽度；真双频作业，可获得最佳的沿航迹分辨率；耗电低，轻便紧凑，非常适合搭载于拖体中。

多波束系统采用的是丹麦RESON公司生产的RESON 7125多波束系统，其具有超高的分辨率，波束数达512 个，具有等角等距功能，条带覆盖角度及测量角度实时可调，最大工作深度为6 000 m。

浅地层剖面系统采用由美国Teledyne Benthos 公司生产的Chirp III，该系统使用双通道，双频率，采用Chirp和常规连续波(CW)技术，可生成高分辩率的浅地层剖面；同时该系统采用模块化设计，可搭配不同的拖鱼和船体安装。

1.2 导航定位系统

综合导航定位系统由Hypack综合导航软件、GPS接收机和Rangrer2 Pro超短基线水下定位系统组成。

Hypack导航软件系统具备强大的测量导航与成图功能，它能接收多种定位系统数据，并能连接包括测深仪、运动传感器、潮汐仪、罗经系统等多种外部设备，为这些设备传送导航定位数据，并可选择性记录部分测量数据(如水深、船姿态等)。

GPS采用Veripos LD4S接收机提供卫星导航信号。Veripos系统由Subsea7公司建立，在全球建立超过80个参考站，并在英国Aberdeen和新加坡拥有两个控制中心。控制中心监控Veripos通讯系统的整体性能，也能为用户提供有关系统性能的实时信息，且具有开启和关闭Veripos增强系统(augmentation system)的权限。所提供的定位服务有以下几类：Veripos Apex，Veripos Ultra，Veripos Standard Plus，Veripos Standard，Veripos Glonass。Veripos在76oN to 76oS 之间可以获得10 cm(95%)的水平精度。海试中使用的Veripos LD4S DGPS接收机购买了Veripos Apex，Veripos Ultra服务，定位精度可达10 cm。

Ranger2 Pro是一种超短基线水下声学定位系统，由英国Sonardyne公司生产，定位精度达到斜距的0.15%，最大作业水深达到6 000 m，最大斜距达到8 000 m。

2 声学数据获取

本次调查试验区域位于南海某海域，根据历史调查资料显示该区域存在一些冷泉疑似点，本次调查主要是在这些疑似点附近开展深拖作业，获取冷泉疑似点附近的声学数据，并对不同的声学数据进行对比验证分析，进行综合判断。

调查作业测线布设如图4所示，共布设测线7条，总计长度90 km。作业方式为拖曳式，缆长保持在2 000 m左右，压载器离底高度为80 m左右，拖体离底高度为100 m左右。船速保持2节左右，侧扫声呐采用双频发射接收，单侧作业量程300 m；浅剖系统使用2～7 kHz频带脉冲发射信号；整合sonardyne USBL系统、DVL多普勒计程仪、PHINS6000惯导系统为拖体提供精确导航定位数据，定位精度可达m级。

图4 测线布设位置示意图

3 声学数据分析

气泡羽状流是冷泉区的一个标志性现象，天然气水合物通过空隙、裂缝等海底运移通道泄漏到海水之中形成气柱，这些气柱的高度可以从几十米到几百米，这些喷溢的气泡和海水之间形成一个明显的波阻抗界面，阻扰声波向海底传播。

本次调查共获取3种数据，包括侧扫声呐、多波束水体数据和浅地层剖面测量数据。其中侧扫声呐是一种探测水体目标物和海底表面地形地貌的手段；多波束水体数据可探测水体中存在的异常和目标物，并对其进行准确定位[9]；浅地层剖面调查基于声学反射原理获取反映地层声学特征的剖面，主要用于探测水下浅部地层结构和构造[10-13]，如天然气水合物探测、近岸海洋地质环境调查。

3.1 侧扫声呐数据分析

侧扫声呐系统海底成图分辨率高、面状覆盖作业效率高[14-16]，其发射的声学波束在遇到气泡与海水形成的强波阻抗界面时发生散射，被气泡遮蔽的海底在侧扫声呐图像上就会形成代表高能量的亮斑异常。

本次调查在测线2、测线3、测线6、测线7上都观测到气泡羽状流在侧扫声呐图像上形成的亮斑异常(见图5—图8)。图5中大部分的亮斑异常出现在左舷换能器，右舷可见一点异常，图7中在水体里观测到气泡逸散的特征，说明拖体穿过冷泉点1和冷泉点3形成羽状流的边缘。图8中，在沿测线3进行测量时，除在右舷图像观测到冷泉点3形成的亮斑异常外，在左舷图像斜距250 m左右观测到另一个异常，疑似发现一个新的冷泉点。

图5 冷泉点1形成的亮斑异常(测线7)

图6 冷泉点1和冷泉点2形成的亮斑异常(测线6)

图7 冷泉点3形成的亮斑异常(测线2)

图8 新发现冷泉点形成的异常(测线3)

3.2 多波束水体数据分析

多波束系统数据处理软件采用专业的处理软件CARIS 8.0,具体处理流程为：设置船配文件、设置项目参数、导入原始数据；进行潮汐、声速、吃水改正，对上述数据进行合并处理；建立水深曲面，设置滤波参数对测线进行自动处理，剔除异常数据；设置曲面参数，对曲面进行自动曲面滤波处理，剔除异常跳点；再用人机交互，对水深曲面进行检查，恢复误删除数据，清理残余跳点；检查无误后，输出水深曲面。

多波束系统在采集水深数据的同时，可以记录换能器至海底之间的水体信号，形成一个类似扇形的回波信号，将回波信号转换为影像，即为多波束水体影像。多波束水体数据处理采用自主研发的WCI(Water Column Image)处理软件，处理流程为：导入原始水体数据，设置变换参数，提取扫面线数据，扇形信号矩阵化处理，时间剖面显示，消除图像畸变，信号插值处理，扇形图像生成。

图9展示了此次调查获取的多波束水体影像，其中红色框标记的为检测到的天然气水合物羽状流所形成的气柱，通过对数据进行深入分析得出，其为细长圆柱状，直径约为26 m，底部与顶部高差约为600 m。

图9 多波束水体影像显示的疑似冷泉

3.3 浅地层剖面数据分析

搭载在深拖上的另一声学设备浅剖主要用来获取冷泉区浅部结构特征，图10精细刻画了调查区的浅部地层结构，其中红色区域为声学空白带，对应天然气水合物向上的运移通道。根据气泡共振频率研究以及野外的实际测量结果，表明探测羽状流气柱的最佳浅剖频带为10～20 kHz。

图10 冷泉点3附近浅地层剖面(测线2)

4 结 论

利用新的声学深拖设备在冷泉区开展试验性的调查，获取冷泉区的地形地貌以及海底浅地层剖面数据。通过对数据进行分析，发现天然气水合物羽状流在侧扫声呐图像上形成的亮斑异常，不仅验证了以前发现的一些冷泉溢出点，还发现一个新的疑似冷泉喷口；在获取的浅地层剖面数据上也可见天然气水合物的运移通道；多波束水体影像非常直观的检测出了羽状流气柱的具体几何形状，有利于进一步估算天然气的溢出量。

在冷泉探测中，结合使用船载式设备和声学深拖设备，首先利用船载式设备进行大范围的勘察，再使用深拖设备在目标区开展详查。综合浅剖、多波束、侧扫声呐、水体探测等声学方法以及ROV、光学可视化等探测手段，多种数据综合解释，互相印证，形成一套海底冷泉综合探测技术，可以有效提高冷泉识别的可信度。

[1] 栾锡武, 赵克斌, Obzhirov A, 等. 鄂霍次克海浅表层天然气水合物的勘查识别和基本特征[J]. 中国科学(D辑), 2008, 38(1) : 99-107.

[2] 顾兆峰, 刘怀山, 张志珣. 浅层气逸出到海水中的气泡声学探测方法[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2008, 28(2): 129- 135.

[3] 李灿苹, 刘学伟, 赵罗臣. 天然气水合物冷泉和气泡羽状流研究进展[J]. 地球物理学进展, 2013, 28(2):1048-1056.

[4] 尚久靖, 吴庐山, 梁金强, 等. 南海东北部陆坡海底微地貌特征及其天然气渗透模式[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2014, 34(1):129-136.

[5] KVENVOLDEN K A. Worldwide distribution of subaquatic gas hydrates[J]. Geo-Marine Letters,1993, 13: 32-40.

[6] KLAUCKE I, WEINREBE W, PETERSEN C J. Temporal variability of gas seeps offshore New Zealand: Multi-frequency eoacoustic imaging of the Wairarapa aea, Hikurangi margin[J]. Marine Geology, 2010, (272) : 49-58.

[7] BAYON G B, BIROT D, RUFFINE L. Evidence for intense REE scavenging at cold seeps from the Niger Delta Margin[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, (312):443452.

[8] 陶军, 陈宗恒. “海马”号无人遥控潜水器的研制与应用[J]. 工程研究, 2016, 8(2):185-191.

[9] 刘胜旋, 关永贤, 宋永志, 等. 多波束水体影像的归位算法研究与实现[J]. 海洋测绘, 2016, 36(1):43-47.

[10] 张汉泉, 吴庐山, 张锦炜,等.海底可视技术在天然气水合物勘查中的应用[J]. 地质通报, 2005, 24(2):185-188.

[11] 李守军, 初凤友, 方银霞, 等. 南海北部陆坡神狐海域浅地层与单道地震剖面联合解释——水合物区沉积地层特征[J]. 海洋地球物理学, 2010, 29(4):56-62.

[12] 刘伯然, 宋海斌, 关永贤, 等. 南海东北部陆坡冷泉系统的浅地层剖面特征与分析[J]. 地球物理学报, 2015, 58(1):247-256.

[13] 徐华宁, 杨胜雄, 郑晓东, 等. 南中国海神狐海域天然气水合物地震识别及分布特征[J]. 地球物理学报, 2010, 53(7) :1691-1698.

[14] 栾锡武, 刘鸿, 岳保静, 等. 海底冷泉在旁扫声呐图像上的识别[J]. 现代地质,2010, 24(3): 474-479.

[15] 郭军，马金凤，王爱学.基于XTF格式的侧扫声呐数据解码及可视化[J].测绘工程,2016, 25(11): 50-53.

[16] 郭军，马桂云，马金凤，等.一种针对侧扫声呐图像的数字镶嵌技术方法[J].测绘工程,2017, 26(6): 34-39.