我国海洋地球物理探测技术发展现状及展望

徐 行

（广州海洋地质调查局，广州 510760）

0 引言

地球物理学是研究地球整体和其组成部分（包括大气圈、水圈、地壳及其以下各部分）性质、状态、结构，与其中所发生的各种物理过程的学科。地球物理学根据物理学的基本原理，利用观测仪器来观测各种地球物理场，采用地球物理正演和反演技术，揭示地球内部深不可及物质的物理性质和物理参数[1]。地球物理探测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），可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领域。其中，“探测”包含了“观测”、“测量”和“勘探”等含义。利用天然场源可获得的地球物理特征，可展示大尺度地球的圈层结构、物质组分及其物理作用过程；而利用激发人工场源的地球物理特征，则能刻画小尺度、更精细的地球圈层的信息。前者大多数归属于“地球物理观测”和“大地测量”技术的范畴，而后者更多隶属于“地球物理勘探”领域。本文提及的海洋地球物理探测，指探查海域的地球物理特征的理论、技术与方法。

海洋约占地球面积70%，蕴涵丰富的水、生物、矿产和能源资源。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。与陆域地球物理探测及其研究工作相比，海洋地球物理探测的目标被海水覆盖，具有无参照物，易受水文气象等环境因素影响等特点，工作开展难度大。如今的“深海”探测仅局限定于局部海域的洋壳和上地幔的岩石圈，因而，“深海”探测技术水平不如“深地”探测。同样，与我国航天技术、太空探测技术及其研究进展相比，“深海”探测技术能力也不及“深空”探测。向地球深部进军是解决地学重大战略科技问题的突破口，是人类认识所居住地球的重要依据。因此，海洋地球物理探测技术方法及其应用研究的探索，任重而道远。

现今的海洋地球物理探测及研究已从陆地走向海洋，从浅海拓展到深远海，同时进军南北极，挑战世界深渊。这不仅涉及大气圈、水圈和岩石圈等“深空、深地和深海”等多圈层的地球系统科学研究，还与满足国家战略、国民经济与国防建设、资源环境发展需求等多个领域密切相关。针对新时期海洋地质工作思路和工作领域转变，海洋科技工作者面临着海洋地球物理探测技术发展的挑战。本文通过对国内外海洋地球物理发展现状调研，需求分析，梳理现状及其存在的问题，展望“十四五”期间我国海洋地球物理勘探的发展方向，以实现人类向地球深部进军的目标和梦想。

1 技术发展的态势

地球物理学的基础是位场、波动物理学和电磁学等学科理论[2]。位场理论包涵地球重力场、地磁场、温度场、自然电场及直流电场，水深测量与地震测深涉及到了波动物理学，电磁探测则与电磁学密切相关。常规的海洋地球物理探测技术方法包括海底水深测量、海洋地震勘探、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋电磁探测、海底热流探测和一些海底地球物理观测等[3]，它是多学科交叉和多技术手段融合的产物。其中一部分技术继承了陆域的传统地球物理探测工作原理和技术方法，通过海洋技术的水密封装和防腐处理，结合海上工作特点，移植到海洋调查中；另一部分则来自海洋军事技术转化应用。例如，声呐技术的发展，可追溯到第一次世界大战时期船舶航行所需的导航技术；声呐浮标技术来自反潜技术，而现代海洋磁测技术来自第二次世界大战时期水雷中的“引信”技术等。现今地球物理探测技术与海洋技术、计算机技术、高性能集成电路技术、大数据技术与人工智能技术等深度融合发展，进一步推动了海洋地球物理探测技术的创新与进步。

1.1 海洋地球物理探测的发展历史

海洋地球物理探测技术的发展，与海上导航定位技术进步密切相关，后者是决定地球物理数据质量的重要影响因素。海上导航定位技术发展历史可大致分为四个阶段[4-6]：

（1）传统大地测量和天文测量阶段：二战之前，水面船只的导航定位技术方法主要采用天文定位、地物定位方法。例如，用六分仪测定陆上地形标志或航标，再根据几何学原理标出航船的位置，其特点是操作简便，但精度较差、工作效率低和作用距离近，而且还不适合用于走航式的海洋地球物理探测。

（2）无线电导航定位技术阶段：二次大战前后，无线电导航定位技术的诞生，促成了现代海上导航定位技术方法的初级阶段。它利用船台接收机和多个岸台发射的无线电信号进行“双曲线交会”（或“圆圆交会”）定位，其最大的导航定位有效距离远达八百多公里，受气象条件和环境限制，它仅适用于近岸区或大陆架海域，但可用于走航式的地球物理探测工作。

（3）卫星导航定位技术阶段：20世纪60年代起，子午卫星技术应用到海上船只只能做“间断”导航定位，但配备多普勒声纳、陀螺罗经和无线电定位等技术协同互补技术之后，可在海上连续作业，大大提高了船位测定的精度和工作效率，取得了良好的效果。20世纪80年代后，全球定位系统技术（GNSS）出现。该技术利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测值，在地球表面或近地空间的任何位置提供三维坐标和速度，以及时间信息的空基无线电导航定位系统，其特点是“全天候、实时和连续”的导航定位服务，可覆盖全球海域，精度高达分米级。例如，美国的GPS系统有“21+3”个卫星所组成。截止2020年10月，中国北斗导航系统有55个卫星，这个系统目前还在发展之中[7]。

（4）综合导航定位技术阶段：将全球导航定位系统、水下定位系统和惯导系统组合成综合导航定位工作模式。其中，结合水面船只的全球定位数据，利用声呐技术和水下声学测量技术测定水下测量平台相对水面母船的位置，可将水下探测系统的准确位置归算到大地坐标系上。水下定位系统可分超短基线定位模式（USBL）、短基线定位模式（SBL）与长基线定位模式（LBL）。再结合惯导系统，可展示水下测量平台的三维姿态信息，组成综合导航定位工作模式，进而开展水下导航定位。其中，SBL模式在海上作业中已较少使用，而USBL模式的水下定位精度通常为斜距（水下平台换能器与船底换能器之间的距离）的2‰，LBL模式水下定位精度可达分米级。在无线电导航定位技术阶段中，海洋地球物理探测从滨海调查往外拓展到近海、大陆架，乃至深海海域。而在卫星导航定位技术应用之后，海洋地球物理探测实现了全天候、连续实时、和全球范围内海域的信息采集，并且，导航定位精确度大幅提高。

国外海洋地球物理探测工作可追溯到二十世纪三十年代，以美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测所第一任所长莫里斯·尤因（Maurice Ewing）教授为代表先驱，率先开展大陆架海底地形地貌精细测量，并在墨西哥湾用人工震源开展海上地震调查[8]。英国剑桥大学的瓦因（Vine F J）和马修斯（Matthews D H.）用大洋的磁测资料识别出海底磁异常条带，提出与之相关的海底扩张理论[9]。美国海洋地质学家玛丽·萨普（Marie Tharp）和布鲁斯·希森（Bruce Heezen）在收集整理海洋测深和地质资料基础上，委托澳洲画家海因里希·贝兰（Heinrich Berann）于1977年绘制成“全球海底地形图”，它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关联，进一步推动了板块构造学说，对整个地球科学的发展作出了重大的贡献。这是地质思想上的突破，被称为与“哥白尼革命”相比肩的一次伟大革命。1974年，为纪念加拿大地质学家威尔逊提出的“威尔逊旋回”（Wilson Swirled）[10]，指的是大陆岩石圈由崩裂开始、以裂谷为生长中心的雏形洋区渐次形成洋中脊，扩散出现洋盆进而成为大洋盆，而后大洋岩石圈向两侧的大陆岩石圈下俯冲（见俯冲作用）、消亡，洋壳进入地幔而重熔，从而洋盆缩小，或发生大陆渐次接近、碰撞，出现造山带，遂拼合成陆的过程。

我国海洋地球物理勘探始于新中国成立后的第一次海洋普查[11]。1958年，原地质部、石油部和中国科学院海洋所组成了联合海洋地震队，以渤海为基地，向海洋进军[12]。进入20世纪60年代，海洋地震队在中国近海大陆架地区系统开展了地球物理调查，包括海底重力观测与船舷重力观测、航空磁测与海洋磁测、反射地震多次覆盖观测和回声测深；其后在七十和八十年代初期，由原国家海洋局和原地质部系统完成了黄海和东海大陆架、南海北部大陆架及中央海盆的第一轮地球物理调查，首次出版了1：100万和1：200万比例尺的地球物理基础图件。20世纪80年代初期，地质部南海地质调查局指挥部和美国哥伦比亚大学拉蒙特海洋研究所开展二度国际科学合作，在大陆架以外的深海海域完成了一些路线测量[13]，实行了海上双船地震扩展排列剖面（ESP）、双船地震合成排列剖面（SAP）、地震声呐浮标和48道24次叠加的多道地震[14-15]、海底热流探测[16]和海洋重、磁、水深测量[17]等调查工作。南海地学研究的中美合作成果[18-19]，是我国海洋地球物理探测及研究史上的一个里程碑，开启了我国海域地球深部探测的新征程。

1.2 国内外海洋地球物理探测的技术现状

世界上早期海洋地球物理探测技术主要以“重磁震”技术方法为主。例如：①第二次世界大战之前，在美国南部墨西哥湾海域，美国科学家用人工震源开展海洋地震勘探[8]；②海洋重力仪测量技术始于20世纪，荷兰地球物理学家范宁·梅尼兹（F.A.Vening Meinsz）于1920年提出海洋摆仪理论，并制作出可消除干扰加速度影响的三摆仪。1920至1930年，他在分析所获取的大量海洋重力资料中，发现在海沟处有明显的负重力异常。1950年，其团队相继制造了可连续观测的船载重力仪。至20世纪60年代中期，弹簧式仪器日臻完善，观测精度提高，使用简便，逐渐取代了摆仪；③海洋磁力测量技术始于20世纪初，在弱磁性的木帆船上，用磁通门磁力仪进行观测。然而，因该技术方法精度低、效率低，故未能大规模普及与应用。1956年，海洋调查启用了质子旋进磁力仪，又得益于其测量方法简便、精度高、传感器不用定向，从而得到发展和推广[20]。至20世纪50年代末，国外海上磁力测量蓬勃发展，当时航迹已遍布全球海域；④国外的海洋电磁探测技术发轫于20世纪60年代末，至1984年，已进行了包括MODE实验（Mid Ocean Dynamic Experiment）在内的的海洋MT多项科学研究[21]。⑤海底热流探测始于二战后的英国科学家在大西洋上科学考察，科学家们在海上用热流探针测量发现海底的热流密度值要远高于陆地的热流密度值[22]。

与国外一样，我国海洋物探发展早期主要是“重磁震”技术阶段。①海洋勘探初期，我国海洋工作者以“自力更生”的方式，解决了海上地球物理观测仪器和工作方法。1959年，我国最早的海洋地震队将陆地地震检波器密封防水后沉放到海底接收地震波，用西安产24道光点地震仪来记录地震振动。1965年，所在地南京的原地质部海洋地质研究所（搬迁湛江后，改名为“第二海洋地质调查大队”）与上海的第一海洋地质调查大队联合攻关，采用酒石酸钾钠晶体制成压电传感器，再组装成水声器组，将其悬浮于海面之下7～8 m的深度，接收TNT炸药爆炸激发的反射波，工作中使用简单连续观测系统并在船只行进中观测。此项工作在当年被国家科委列为重大成果之一；②海洋重力测量始于第二海洋地质调查大队在北部湾的调查工作，此后与西安地质仪器厂和北京地质仪器厂等单位合作，用工业电视观测海底重力场（精度0.5~1.0 mGal）；在1975年又合作试制的悬线重力仪，取得1.7毫伽的观测精度[12]。前者效率低，后者工作效率得到了明显改善。海底重力测量技术延续到1979年，直至被船载重力测量技术所取代；20世纪80年代，国家地震局和中科院测量与地球物理研究所，相继成功研制斜拉弹簧式和直立弹簧式海洋重力仪；③我国早期的海洋磁测基于黄渤海的航空磁测，严格意义上的海洋磁测则始于20世纪70年代，北京地质仪器厂生产的CHHK海空核子旋进磁力仪在空中和海中的地磁场总场测量推广应用[23]。作者在八十年代使用过的“磁法”探头，是用环氧树脂将玻璃钢罐粘合封装的，探头与电缆之间的连接是用高压胶布包扎，但包括芯片在内的电路板和器件均是国产的。可喜可贺的是，使用我国自行研制的万米回声测深仪、海洋重力仪和海洋磁力仪完成了我国首次（1984/1985年）南极考察的南大洋地球物理调查和航行安全保障任务。

自20世纪80年代后，“巴黎统筹委员会”对我国海洋调查技术出口管控开始部分解禁，我国引进了一批具有国际先进技术水平的无线电导航定位系统、卫星导航定位系统、海洋质子旋进磁力仪，船载相对重力仪、以大容量电火花、气枪和气枪阵列为震源的海上多道地震勘探先进装备（图1）。新技术、新方法使我国海洋地球物理探测在技术方法研究水平朝西方国家先进水平靠拢，并在南海珠江口盆地油气资源勘探上取得了重大的突破[24]。八十年代中后期和九十年代，我国开展了太平洋海底多金属结核调查和南极的科考，我国海洋地球物理探测走向全球海域[25-26]。1994年起，我国首次引进型号为SEABEAM2112多波束测深系统，安装在海洋四号调查船上，并于1995年5月在南海北部陆坡“北坡海山”附近首次开展了高精度全覆盖海底地形地貌测量的试验调查[27]，该成果成为了“九五”期间启动我国及经济专属区高精度海底地形地貌测量的技术示范，相关的技术方法研究是国家“九五”期间启动的863计划海洋技术领域的首批科研项目。我国开展海洋大地电磁测深研究起步较晚，1997年在辽河油田滩海区的MT研究是最早的研究成果[21]。在海底地热流原位探测技术方面，早期的中外合作项目均使用了国外设备并联合采集数据，直至2004年，广州海洋地质调查局首次在中国南海北部陆坡海域独立开展了海底热流数据的采集工作[22]。

图1 常规的海洋地球物理探测的工作场景图Fig.1 Working scene of conventional marine geophysical exploration

20世纪末以来，在国家高科技发展计划（863）海洋技术领域资助下，具有自主知识产权的海洋地球物理探测高新技术不断涌现。例如，海底大地电磁测深[29]、小道距多道地震勘探系统[30]、长排列大震源的地震勘探技术方法推广应用研究[31]，主动源高频OBS研发与应用[32-33]，被动源宽频带OBS研发与应用[34-37]、海底热流探测的系列技术[38]和近海底高精度高分辨磁测[39]等。我国自主研发海洋地球物理探测新技术方法，推动我国海洋地学研究水平不断提高，与此同时，具有国际影响力的研究成果也越来越多。因此，海洋地学领域研究与矿产资源勘查取得的重要突破和成果，在很大程度得益于采用高新技术及各种高分辨、高性能、高精度探测仪器[40]。

1.3 石油工业的发展推动了海洋地球物理探测技术进步

随着海洋油气资源需求的增加，全球油气勘探开发投资规模日益扩大，海洋油气勘探与开发从浅海向深海迈进。目前参与海洋油气资源勘探的国家越来越多，海洋钻井遍布世界各地，而海洋地球物理探测技术成为海洋油气勘探中不可或缺的手段。在油气资源勘探不同阶段，针对勘探目标不同，遵循“物探工作，重磁先行”的原则，调整和更新海洋地球物理技术方法。在油气勘探的初级阶段，以重磁勘探和较稀疏的地震测网为主，开展区域性构造和盆地“探边摸底”的研究，建立盆地的地层与沉积层序，划分盆地构造单元，计算盆地的远景资源量，做出是否继续勘探的评价。在油气勘探的详勘阶段，主要通过加密二维地震测线与三维地震勘探技术方法进行精查，结合海洋电磁探测，评价勘探区块，锁定有利圈闭，优选钻探井位，获得油气藏发现[41]。

海上油气勘探引领了现今海洋地球物理探测的主流技术发展方向，也导致了各种海洋地球物理手段在探测技术层面的不平衡发展。相比之下，那些属于详勘阶段中需采用的探测技术则发展较快，尤其是海洋地震勘探技术的突出进步：从单纯的纵波勘探向多波勘探发展，从浅水海域向深水区发展，从窄方位角勘探向宽方位角勘探发展，从常规二维向三/四维勘探发展。在地震资料处理技术方面，从叠后成像向叠前成像处理发展；从时间域向深度域发展；从各向同性向各向异性发展；从叠后地震反演向叠前弹性反演发展[42-43]。为开展复杂地形地貌海域、深海和深层盆地的勘探需求，还开发了OBN技术、大容量震源和长排列拖缆的地震采集新方法。国内海上地震勘探的排列长度超过了10 km。无论是在震源技术中的可变阵列震源的能量激发，还是在接收系统中的主频带控制，检波器技术、道间距、排列长度和数字采集信号处理能力等技术组合均取得较强的突破，海洋地震勘探激发和接收技术越来越成熟。

此外，海洋大地电磁测深和海底可控源电磁探测技术也得到迅速的发展；不仅突破了从无到有的局面，而且还被运用于海上油气勘探项目之中。通过研究海底以下不同深度上介质导电性的分布规律，实现了解地下不同深度地质情况的目的[29，44]。与海洋地震勘探与电磁探测技术相比，海上的位场勘探技术发展速度相对缓慢，但现今的海洋重磁测量在技术性能上不断提高，尤其是在仪器研制国产化、重磁测量数据的误差处理和融合处理领域，同样取得了较大进步[45]。在海底热流测量方面，我国的海底热流的原位探测技术实现了零的突破，形成了一批具有自主知识产权的研发技术；通过科技创新，不再局限于瞬态的海底地温场探测与研究工作，而且也开始做非稳态的地温场探测。我国自主研发海底热流探测设备在海洋油气与天然气水合物资源勘探、基础地质调查和深部探测研究中发挥了积极作用[38]。

海洋地球物理探测的技术进步也促进了海上导航定位技术发展。传统的海洋地球物理探测以调查船作为科考平台，相应的科学载荷主要是为母船配备的。但水面的全球导航定位系统、水下导航定位技术和惯导技术协同作业，加快了海洋地球物理探测的平台多样化建设发展步伐。船用直升机飞行平台、万米铠装光电复合电缆、船用绞车和多功能的甲板收放支撑装置装备成为先进海洋地质-地球物理科考船的标配，卫星、航空、船载、深潜器、深拖和海底观测系统等多样式调查平台及科学载荷技术取得了新突破，构建“深空-深海-深地”立体探测系统的条件已经成熟（图2）。

图2 海洋地球物理立体探测体系场景图Fig.2 Scene of marine geophysical three-dimensional exploration system

2 技术发展的需求

探索海洋奥秘，认识浩海，是开发海洋的一个重要环节。早在公元前500年，古希腊海洋学者狄米斯·托克利在帆船时代就预言：“谁控制了海洋，谁就控制了一切”。在社会文明和科技高度发达的今天，人类的使命就是要科学地、合理地开发海洋，造福于人类。当今的海洋地球物理探测技术是海洋高新技术的一个重要“元素”，其技术发展程度不仅代表了国家科技发展水平，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。海洋高新科技发展是以需求为导向的，而发展海洋地球物理探测技术不仅是国家战略的需要，也是科学研究和技术发展的内需，更是时代发展的需求。

我国拥有约19 058 km的大陆岸线，约16 775.4 km的岛屿岸线，约300万km2的管辖海域面积。伴随海洋强国战略的实施，我国社会经济已高度依赖向海经济的发展，对海洋资源开发和国家权益维护等需求不断增强[46]。维护海域权益、海洋利益，和加强海防安全，现已成为国家海洋科学技术领域的重要问题。党的十八大报告提出“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”的重点部署。这是党中央正确把握国内外形势和世界海洋经济发展潮流，符合中国国情、海情的睿智决策。习近平总书记在2016年两院院士大会上指出“深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，但要得到这些宝藏，就必须在深海探测、深海开发方面掌握关键技术”。在十九届五中全会提出的“十四五”规划和2035年远景目标建议中，总书记再次强调要“强化国家战略科技力量”，并把“深空、深地、深海”作为需要瞄准的八大领域之一。因此，海洋科技发展可有效地支撑服务国家资源安全、生态文明建设和海洋强国战略。这也是历史赋予我们的使命。

海洋是地球系统的重要组成部分，海洋系统的动力过程和演变规律在地球系统演化和全球变化中的关键作用逐渐得到认识，与地球科学其他学科的交叉融合成为海洋学科发展的新趋势。其中的海洋地球物理探测涉及到了众多的地球系统科学中的基础地质内容。例如“跨越地质学和行星科学各自科学领域的界限”、“涉及永恒性的问题（如地球和生命起源）”和“与对人类福祉具有重要影响的现象存在联系”。无论从时间尺度，还是从空间尺度角度来看，地球系统科学研究对地球物理场的信息需求越来越高。这不仅需要获取高精度、高分辨率的海域地球物理探测信息，而且亟需高效率探测技术支撑。海洋学科面临着前所未有的历史机遇。海洋的开发和利用势必依靠高科技推动，而海洋科技发展又迫切依赖海洋学科的建设与发展[47]。因此，当今“信息时代”的海洋地球物理探测技术发展既要在传统的海洋地球物理探测技术方法上做系统的技术升级，不断地完善技术性能，又要积极拓展其它学科交叉和多种技术手段融合研究，科技创新，方可满足日益增长的科学研究需求。

从海洋地球物理探测的自身技术发展分析而言，现今探测平台不再只局限于调查船，已经拓展到航天卫星、航空飞行器、深潜器和海底观测等多样式探测平台。在这种多样化的探测平台中，既不可缺乏高性能传感器技术发展，也离不开大数据和人工智能的技术支撑。如何增强各个海洋地球物理探测平台的科考能力？如何合理配备高精度高分辨率的科学载荷？如何解决多源多场数据融合中的关键技术方法？如何有效地构建“空-天-海-潜”海域地球物理勘探的立体探测体系？这不仅是海洋高新技术发展的需要，更是未来时代发展的需要。

3 技术发展的挑战

海洋地震勘探、海洋重力测量、海洋地磁测量、海洋大地电磁探测、海底热流探测和地形地貌测量等海洋物探手段还可细分多种技术方法。在海洋地球物理探测技术发展现状与需求分析两者之间，存在着一定的差距。主要体现以下几方面：

3.1 与国家需求的差距

随着“一带一路”战略构想的提出，亟需从全球或大区域角度，发展高效率、高精度、高分辨率和大尺度的海洋地球物理探测技术。同时，未来的海洋调查将走向全球，涉及到远离中国大陆的深远海、南北两极在内的极端环境、地形复杂的岛礁区以及有争议的政治敏感海域。针对特殊环境下的地球物理探测技术和远程技术服务与支持等复杂问题，一方面要加速完善常规的海洋调查技术性能，加快技术升级和国产化的进程，积极开展科技创新，来适应新时期海洋调查和研究工作的需要；另一方面，则需加大力度开发无人机、无人艇和长航程的AUV等人工智能技术的探测平台，开展集群式人工智能技术与调查船的协同调查的技术方法，为产出高效率、高精度和高分辨率的海洋地球物理调查数据提供技术保证。因此，发展多样式探测平台技术，拓宽探测领域，这是当下需求的势必所在。

海洋油气和天然气水合物资源的勘探，是国家能源战略的安全保障，也是探索海底的最大经济动力。随着世界海洋能源资源的逐渐枯竭，海洋资源勘探区域从浅海转移到深海、复杂地质构造的海域。针对我国深水、深层、复杂构造的地震资料精确成像、天然气水合物勘探区的高分辨率成像等技术难题，最大限度地解决了地层分辨率和探测深度的矛盾，要坚持加速发展海洋地震勘探、海洋电磁探测和其它地球物理探测技术，重点发展海洋油气和天然气水合物资源勘探技术方法和相关理论的研究。同时，要开展海底地热流探测技术和海底热力学理论的应用研究，为海洋油气和天然气水合物成藏动力学研究提供技术支撑。

3.2 与科学技术发展需求的差距

在海洋科学研究及其相应的海洋地球物理探测技术发展水平上，我国与欧美发达国家之间还存在很大的差距。近几十年来，在海洋技术和地球科学领域方面，由于我国加大海洋开发与基础理论研究等方面的支持力度，并积极推动对外交流和合作，科学研究水平得到迅速的提高，探测技术在“引进、吸收、消化和创新”中发展提升，有些领域已达到世界先进水平，差距逐渐减小。在基础科学研究方面，又因侧重追踪和研究国际海洋地学热点和发展动向，缺乏科技和理论原始创新，在科学技术方面上尚无突破性成果，至今没有提出过类似于“海底磁异常条带”的重大发现，或“板块扩张”之类被国际公认的重要学术观点。在探测技术方面，尽管技术装备的国产化进程取得了一定成效，但大多数关键技术装备仍然依靠进口；或是在进口基础上的二次开发，仪器装备的稳定性与可靠性有待改进。其原因归咎于在科学仪器装备中的传感器、芯片、声呐、材料和设备制作工艺，与国外先进的相关技术之间存在较大差距，原始创新成分相对较低。例如，在海洋重力测量技术，国产的海洋重力刚刚商业化，其加速度传感器的测量精度、零点偏移等核心技术指标不及国外同类设备。海洋磁测技术中总场测量传感器，国产设备的测量分辨率、灵敏度、精度、梯度容忍度和稳定性与国外先进水平依然存在差距。海洋电磁探测与海上地震勘探设备中的许多传感器技术、设计工艺和稳定性也有待提高。因此，必须加强传感器技术开发，着力于技术创新。

地球物理勘探技术自身的技术壁垒亟需解决。例如，在海洋地震勘探中，勘探技术中穿透能力和分辨率是一对技术矛盾。高分辨率地震剖面，其穿透能力受到限制；而穿透能力较深的地震勘探技术，其分辨率不高。在海洋重力测量和地磁测量中，距离场源近的探测方法虽测量精度高，但工作效率比较低；而远离场源的探测方法虽工作效率较高，但测量精度低。例如，用USBL技术支持下的深拖地磁场测量[39]，虽可获得高分辨率磁异常特征信息，但其采集资料的工作效率很低，按2~2.5节速度计算，一天只能获得80～90 km的测量数据。若用调查船与单无人机协调作业的方式采集地磁资料，一天可采集完成约2000 km测线长度信息的数据。水面和在海域的航空地磁测量的效率虽高，但所揭示的磁异常特征的分辨率相对较低。要克服自身的技术壁垒，解决这些问题，要开展方法创新，积极推进多学科交叉、多技术融合的技术方法研究。

技术发展要适应科学研究的需求。地球系统科学正处于快速发展阶段，多时空尺度、多学科交叉融合等研究工作不断推进。目前地球物理探测所获得的各种地球物理场信息，不只是局限应用于地球的圈层结构识别，而且还涉及到物质组分和流体活动性的研究。此外，一些前沿的地球系统科学研究需要深入认识地球科学的发展规律及成因机制，更好的探索符合地球科学发展规律，以此适应科学前沿和时代发展的共同需求。具体而言，要求地球物理探测信息不仅是多样化和高精度，而且从空间和时间尺度上需要更丰富的、高品质的信息。例如，在空间分辨率方面，对于不同尺度的地球物理场研究，均要求采集具有较高空间分辨率的信息。这意味着需要更多的数据支持。在时间尺度方面，一方面是由于人类科学观测地球物理场特征变化的历史非常短暂，早期的观测技术水平或观测资料质量与现今相比差距很大；另一方面，在地球物理观测过程中，精准的时间分辨率带来较高的技术要求，缺少精准授时辅助系统的支持，观测技术难以产出高质量的记录信息。

3.3 构建海洋立体探测体系需求的差距

“深空”与“深海”是人类目前“不可观测”区域，利用卫星、深潜器、海底观测潜标和网络等不同观测平台，使“深海”的地球物理探测能力大为增强。我国的张衡电磁卫星，潜龙号AUV和蛟龙号HOV等载体、东海与南海海域的海底网络等观测平台的投入使用，标志着在“空天海潜”不同观测平台建设已取得突破性的进展（如图2所示）。因此，开展海洋地球物理探测，和“空天海潜”不同观测平台上的技术方法研究时机已经成熟，构建海洋地球物理探测技术的“空-天-海-潜”立体探测体系是技术发展的必然趋势，这也是我国海洋科技工作者在科技创新中的历史使命。

由于不同观测平台的工作环境与技术资源受限，相应的科学载荷研发和应用研究存在着一定的局限性。例如，在航天和航空观测平台上，用于地球物理探测的科学载荷主要是“卫星测高”和“地磁测量”等仪器组成；其技术要求是：高精度、精细、小巧和低功耗等。而在深海观测平台上，相应的科学载荷的技术要求是：具备较好的耐压防腐能力、高灵敏度、低功耗和高钟控精度等特点。其中，作为“AUV”和“深拖”上的有效载荷主要是：“高分辨的地形地貌测量”、“浅地层剖面探测”和“地磁探测”等设备；作为海底观测平台上有效科学载荷，除“地震观测”设备之外，又添加了“海底地磁场观测”、“海底大地电磁探测”和“海底热流观测技术”等。在科学载荷技术方法和应用研究领域中，由于我国相关研发工作起步稍晚，与国外同类技术还存在一定差距。针对深海探测技术发展现状，开展探测平台及其科学载荷技术的科技创新、提高技术性能，并且要以适应科学前沿和时代发展的需求，充分利用“物联网”和“区块链”等信息技术，开展新技术、新方法的研究。

3.4 海洋地球物理探测与信息技术融合的差距

随着现代科学技术发展与进步，人们通常用“信息充斥”、“信息爆炸”和“信息海洋”等语汇来表述现今的时代特征。我国已经开展了近六十年的海洋调查，与其他海洋学科一样，海洋地球物理调查已取得海量数据，而多样式观测平台正在源源不断地产出地球物理探测信息，传统的数据存储、管理、分析和应用手段已不能满足当今信息时代发展的需求，海洋科学的大数据时代已经到来。

海洋地球物理探测技术与大数据、互联网和人工智能技术等技术融合，可解决从“数据库信息与实时采集数据”到“传输、存储、管理、加工处理、共享、分析”过程中的一系列技术需求，它们正在改变着海洋科技工作的方式，逐步形成海洋智慧化高级形态[48]。由于海洋地球物理探测是认识海洋的主要科学手段之一，然而，相应大数据开发利用程度却不高。如何从海上采集“重、磁、震、热、电和水深”等海量数据，并从中发现知识、获取信息，寻找隐藏在大数据中的模式、趋势和相关性，揭示海底地球结构、组分和流体活动信息和发展规律，以及在资源勘探、国防军事、防灾减灾和基础研究领域，开发其潜在应用前景。这亟需新技术方法来开展深层次的信息挖掘，从中发现新认识，创造新价值[49-50]。

海洋地球物理探测的大数据（Bigdata）技术中的“数据获取”主要来自“空-天-海-潜”海洋地球物理立体探测体系产出的数据，以及已有数据库的信息。“数据存储与管理”指的是如何来管理复杂类型的多源、多场与多维的海量信息。“数据处理分析”是通过虚拟化的技术，计算机能够高效、安全完成数据信息的整合处理工作，它包括“数据挖掘”、“机器学习”、“批处理”和“流处理”等处理与分析方法[51]。“物联网（Internet of Things）”是实现信息空间与物理空间的互联互通。“云计算（Cloud Computing）”是大数据平台中，分析应用方面的重要部分，也是处理技术的核心；它将太空、海面、水体和海底的多元化信息集成到一个海洋地理信息服务平台（图3）。“区块链（Block Chain）”是大数据平台技术的安全保障，也是大数据技术中的信任基础，在数据调用和交换方面体现出巨大的价值性。“人工智能（Artificial Intelligence）”是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它与大数据、云计算、物联网和区块链等信息技术融合发展，以其独特的发展魅力吸引着人们不断寻求技术突破和理念革新，将科学研究转化为实际应用，并将对海洋地球物理探测及其相关研究产生着深刻的影响。

图3 四维海洋地球物理探测示意图（以海底热流探测为例）Fig.3 Schematic diagram of four-dimensional marine geophysical exploration（taking the seabed heat flow detection as an example）

在大数据技术应用推广中，亟需解决来自技术、管理、政策和科学研究需求等多个层面上的问题。而在数据获取过程中，数据标准与质量控制的问题则较为突出。例如，多源数据中的异构性、数据量大小与分布不匀如何解决？数据准确性和可靠性如何来验证？这些因素直接影响了数据挖掘、分析过程，易导致结果偏离。在数据挖掘的过程中，不但需要结合相应的数据库和地理信息系统，还需综合性的开发应用，智能化的分析与研判，科学性的决策预警。在人工智能技术开发和应用研究中，不仅是无人艇、水下机器人、船载垂起无人机和测控技术等方面得到发展和推广，也在地球物理资料处理中得到广泛地应用。基于海洋地球物理探测的大数据，利用物联网、云计算、区块链和人工智能可实现海洋地学研究的智能化处理。这种海洋地球物理探测技术与信息技术中的多学科交叉、多技术融合是一种科技创新，更是当今信息时代中海洋领域的发展趋势。人工智能亟需要解决从“弱”人工智能向“强”人工智能的转变过程。又由于因果推理与模型理解处在初级阶段，没有足够基础数据能满足模型训练需求；而且，贴合产业发展要求、兼具统治位置的开源计算机框架尚未出现，能适用于各种领域应用场景的通用智能芯片还需要较长时间的探索。这些技术问题影响了人工智能的推广应用。

综上所述，大数据技术早已渗入到我国的海洋地球物理探测与应用研究之中。海量的数据库建立、GIS在海洋调查中推广应用、浮标与海底观测网络及其信号的实时传输、在调查船上通过网络将调查信息传输到陆地处理中心，利用AUV在深海近海底采集地球物理信息和人工智能在地球物理资料处理中应用等，这些技术都是以不同的视角，体现着大数据、物联网、区块链、云计算和人工智能技术在海洋地球物理探测领域中不同研究方向上的应用。必须指出的是，我国海洋地球物理探测的大数据技术及应用研究，依然处在起步阶段，或许是处在技术突破的酝酿进程之中。因而，技术开发和应用研究，任重道远。

4 总结与展望

自“九五”以来，在国家863计划、国家重大仪器研发专项、国家自然科学基金科学仪器研发项目和行业基金的资助下，我国海洋地球物理探测技术方法的研究力度正在不断加大。海洋地震勘探、海底地震观测、海底电磁探测、海底热流测量等一批海洋地球物理探测技术方法逐渐形成了独特的优势领域。随着我国海洋科技人员对地球系统科学的深入研究，国家高速发展所需的海洋油气与天然气水合物资源供给保障，海洋地球物理探测工作更加注重对不同尺度的地球深部构造，与地球动力学研究的信息获取。正因如此，海洋地球物理探测技术在海洋调查平台、科学载荷和数据处理等研究层面，均得到长足的发展。但是，由于我国海洋地球物理探测工作起步较晚，在探测技术、方法研究和应用研究等方面与欧美国家之间还存在着明显差距。

面对国家、科技发展和时代发展的需要，对照国内外海洋地球物理探测进展及差距，分析存在问题及其原因，我国海洋地球物理探测技术方法的发展既要继承，又要创新。以下是本文对未来的技术方法发展做以下几点展望，在此抛砖引玉，以期打开相关研究领域的新局面。

4.1 优化传统的海洋地球物理勘探技术

坚持发展传统海洋地球物理勘探技术，加快技术装备的国产化进程，加强研发传感器技术和关键材料技术，重点开展与能源资源勘探密切有关的勘探技术装备研发和推广应用。其中，海洋地震勘探技术将从纵波勘探向多波勘探发展，从窄方位角勘探向宽方位角、全方位角勘探发展，从完善常规二维海上地震勘探，兼容三维、四维地震勘探。海底地层分辨率和探测深度的矛盾解决方法将取得巨大的进展。海底电磁探测技术将定点观测和拖曳探测协调作业，揭示不同尺度的海底电性结构和流体活动的信息。海洋重力测量技术从原先相对测量方式为主导，拓展为绝对重力的测量技术；海洋地磁测量不再局限于地磁场总场测量，将拓展到海洋地磁场矢量观测；海洋重-磁的梯度测量、张量测量技术将获得突破，将使得传统位场勘探技术在海洋调查中重新得到关注；海底热流测量技术不局限于现今瞬态地温场测量，将扩展到揭示海底非稳态地温场时空变化特征，去研究海底深部传导热、对流热的时空变化关系；从更深层次去研究热力学与动力学相关的地球系统科学问题。

4.2 加速并完善多样式探测平台的建设和科学载荷的研究

坚持独立自主，积极开展具有我国知识产权的海洋地球物理探测平台的技术探索，拓展海洋地球物理探测的新领域。加大研发基于HOV、ROV和AUV等深潜探测平台及其科学载荷的力度，基于此，在高分辨近海底地球物理探测成果将取得明显的突破。另外，改善和提高不同时间尺度的海底定点观测、台阵观测或海底观测网络等探测平台中技术资源环境与辅助技术（包括布放与回收，求援，中途的数据监控-数据读取-能量补充及设备运维等），使其早日成为深海海洋地球物理探测技术的常规手段，在海洋地球物理学研究中发挥积极作用。

4.3 构建“空-天-海-潜”海洋地球物理立体探测体系

不断拓展海洋地球物理探测的空间领域，积极开展多学科交叉多技术融合的技术方法研究。由于各类海洋地球物理探测平台，涉及海洋、空间、地震、地电、地磁、重力和地热流等多个学科，每个领域的观测物理量都有自己的特点和局限性。在分析研究多源多场探测信息的异同点的基础上，发挥多手段优势互补，将解决数据融合平台中的模型、拼接、误差分析等关键技术问题，构建海洋地球物理探测的“空-天-海-潜”立体探测体系。同时，多类技术的融合还能形成支撑大数据及其平台开发的相关技术体系，从而进一步突破“重、磁、电、震和热”多地球物理场不同属性的地球物理数据联合反演等关键技术，在地球系统科学研究和资源勘探等领域得到更广泛的推广应用。

4.4 海洋地球物理探测技术与“大数据”和“人工智能”等技术深度融合

海洋地球物理探测技术必将与“大数据技术”和“人工智能”等深度融合，进而得到全面的发展。是以，与海洋地球物理探测技术直接关联的“大数据”及其平台技术和“人工智能”技术水平将得到大幅提高。基于“大数据”，利用“物联网”、“云计算”和“区块链”等平台技术，将人工智能技术应用于海洋科学研究领域中与地球物理学相关的学科的应用场景中去，为我国资源勘探、防灾减灾、国防军事和海洋地球科学的基础研究，带来新机遇和新突破。

致谢：感谢南方科技大学刘青松教授、中国科学院深海科学与工程研究所吴时国研究员、自然资源部第二海洋研究所高金耀研究员和广州海洋地质调查局姚永坚教授审阅本文，并提供了宝贵意见；中科院南海海洋研究所林间研究员、广州海洋地质调查局赵庆献教授级高工、李刚和彭朝旭等高级工程师为本文撰写提供了很好建议；南方科技大学博士生王浩森同学为本文查阅了历史文献；中国地质大学（武汉）廖佳华同学给本文绘制了插图。

仅以此文缅怀我国海洋地质-地球物理学专家姚伯初教授（1940—2020）。