本文基于筆者多年從事海底管線及地球物體探測的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn),以筆者的工作實(shí)踐為背景,探討了基于海洋磁力、側(cè)掃聲納及淺地層剖面三種地球物理探測手段的海底管線探測思路,給出了探測的原理和案例,全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華,相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義.

關(guān)鍵詞:海底管線 探測 磁力 聲納 剖面 地球物理

隨著海洋開發(fā)的逐步發(fā)展,近海港口、碼頭、航道、填海造地、橋梁等工程建設(shè)面臨一個(gè)新的問題,那就是可能和已有的人類構(gòu)筑物或遺棄物(比如海底管線、人工魚礁、沉船、爆炸物等)發(fā)生沖突,其中,海底管線對于工程設(shè)計(jì)和施工的危害最大.近年來,由于沒有探明海底管線而造成的工程事故時(shí)有發(fā)生,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,社會影響較大,因此不斷總結(jié)不同類型海底管線的探測技術(shù)是一個(gè)非常迫切而重要的任務(wù).

海底管線探測是管線探測的一個(gè)分支,由于環(huán)境差異,在水域環(huán)境中進(jìn)行時(shí),其與陸域的管線探測方法在探測方法、儀器、成果分析等方面完全不同.從目前的探測現(xiàn)狀及未來的技術(shù)發(fā)展趨勢分析,地球物理方法是海底管線探測的最常用也是最有效的方法.目前,海底管線探測主要采用海洋磁力探測、淺地層剖面探測、側(cè)掃聲納等物探方法.

本文根據(jù)天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院完成的一些海底管線的探測實(shí)例,并參考國內(nèi)外同行的一些探測資料,對海底管線的地球物理探測方法進(jìn)行探討.

1. 海洋磁力探測

1..1 探測原理

磁法勘探是應(yīng)用地球物理學(xué)的一個(gè)分支,以有關(guān)地質(zhì)學(xué)和物質(zhì)磁性的理論、地磁場理論和物體磁化理論、以及磁化物體磁場的數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ),借助專用儀器測量不同磁化強(qiáng)度的物體在地磁場中所引起的磁場變化(即磁異常),來研究這些磁異常的空間分布特征、分布規(guī)律及其與磁性體(場源)之間的關(guān)系,從而達(dá)到尋找場源(探測目標(biāo)體)的目的,并提供場源的位置、埋深及規(guī)模等相關(guān)信息.

磁性物體的磁化率的大小,剩余磁化強(qiáng)度的強(qiáng)弱和方向,磁性物體的規(guī)模和埋深,以及磁性體所處的地理位置,是影響其產(chǎn)生的磁場分布特征及磁場強(qiáng)度的主要因素.對于工程勘察而言,尤以磁化率的大小對于磁場的影響最大.表1為一些常見的物體磁性(磁化率)的測定統(tǒng)計(jì)表.由表可見,金屬物體和水泥構(gòu)件的磁化率最強(qiáng),與周圍相關(guān)物質(zhì)的磁性差異很明顯.這就為磁法探測水底管線、沉船等鐵磁性和水泥質(zhì)目標(biāo)體提供了很好的前提條件.

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1..2 水域開展磁法勘察工作的相關(guān)技術(shù)

目前,國內(nèi)外使用的磁力儀有很多種類,但在水域磁測施工,必須選用不需調(diào)平的、能自動連續(xù)測量和自動記錄測量數(shù)據(jù)的儀器,如MP4、ENVI、G880、G882、SeaSPY、論文范文M-Ⅲ等型號的便攜式質(zhì)子磁力儀或光泵海磁儀.磁測精度由探測目的物的磁場強(qiáng)度決定,對于水泥管、鋼管等較小規(guī)模的海底管線,一般應(yīng)用高精度甚至特高精度磁力勘察.

水上磁法勘察一般采用船只作業(yè),將儀器探頭固定于船上某一位置或拋置于船后某一位置,開動船只在設(shè)計(jì)的測線上進(jìn)行磁力探測,并采用GPS-RTK進(jìn)行同步定位.在作業(yè)的同時(shí),需在測區(qū)附近空曠處(磁場平穩(wěn)處)設(shè)立地球磁場日變化觀測站,進(jìn)行日變觀測,以便對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行日變校正.海上作業(yè)需進(jìn)行潮位觀測,以便準(zhǔn)確判定場源埋深.

在海域獲得的磁測資料,其資料處理過程與地面磁測的處理過程相同,一般包括數(shù)據(jù)回放、預(yù)處理、向上延拓處理、向下延拓處理、分量及磁化方向轉(zhuǎn)換等過程.預(yù)處理包含日變校正、高度校正和經(jīng)緯度校正等.經(jīng)過上述處理之后,就可以通過專門的軟件進(jìn)行正演擬合等,并結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行解釋判斷.

1..3 海底管線的磁測實(shí)例

天津某海域規(guī)劃進(jìn)行工程建設(shè),但是該海域內(nèi)有一條水泥排污管道穿過,訪問調(diào)查后只能判斷管線的大致位置,而工程建設(shè)需要找出該排污管道的具體位置及走向,其他的勘探技術(shù)較難達(dá)到對排污管線準(zhǔn)確定位之目的,應(yīng)用磁法勘探卻快速準(zhǔn)確地完成了該項(xiàng)任務(wù).

該項(xiàng)目采用加拿大產(chǎn)的ENVI型質(zhì)子磁力儀,在社會調(diào)查認(rèn)為可能的區(qū)域進(jìn)行磁法測量,采用走航式,測線間距5m,測點(diǎn)間距2m,測線與社會調(diào)查了解的管道走向大致垂直.磁法勘探成果見圖1(局部,該圖為示意圖,每條測線在水泥管上方即出現(xiàn)如圖所示異常變化,異常幅值約為250nT,影響寬度約為15m～20m).相鄰的測線出現(xiàn)連續(xù)的磁場變化,磁異常呈條帶狀分布,通過定量解釋,確定場源的平面位置,由此就可以判斷海底管道的平面位置和走向.該探測結(jié)果經(jīng)過現(xiàn)場潛水驗(yàn)證,認(rèn)為磁法提供的探測結(jié)果準(zhǔn)確可靠.

1..4 海洋磁力探測的優(yōu)缺點(diǎn)分析

海底管線主要包括供水、供油、供氣、排污等鐵質(zhì)、水泥質(zhì)的管線和供電、通信等電纜和光纜,均存在明顯的磁異常狀況,可以用來快速準(zhǔn)確探明海底管線的平面位置和走向,其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的,并且完全不受海底管線的埋深限制.

但是,由于磁法勘探的基礎(chǔ)是海底管線與周圍介質(zhì)的磁性差異,這種差異容易受到管線埋深和周圍介質(zhì)的影響,另外,鑒于磁法勘探的深度確定是通過數(shù)學(xué)計(jì)算或正反演擬合而得,故其在縱向深度的探測精度需要其他更加直接的方法驗(yàn)證,比如人工探摸驗(yàn)證,或者采用其他的物探方法進(jìn)行驗(yàn)證.

2. 側(cè)掃聲納探測

2..1 側(cè)掃聲納探測原理

側(cè)掃聲納也稱旁掃聲納,起源于20世紀(jì)60年代,它主要通過發(fā)射高頻的聲波信號,并接收其海底的聲波回聲信號,形成海底的探測帶的聲學(xué)圖譜圖像,以分析海底面的狀況,俗稱海底掃描技術(shù).該方法可以探明海底目標(biāo)物的位置、狀態(tài)、規(guī)模等,具有形象直觀、分辨率高、掃描寬度大等特點(diǎn).圖2為海底管線的側(cè)掃聲納探測示意圖.

2..2 水域開展側(cè)掃聲納工作的相關(guān)方法技術(shù)

目前,國內(nèi)外使用的側(cè)掃聲納儀器主要包括KLEIN2000,KLEIN3000,KLEIN5000,SIS1500,SIS3000,EDGE 4200,EDGE4200-FS,SES2000等不同的型號.其頻率和掃描寬度略有不同.

側(cè)掃聲納探測一般采用船只作業(yè),將儀器探頭固定于船側(cè)某一位置,開動船只低速在設(shè)計(jì)的測線上進(jìn)行探測,并采用GPS-RTK進(jìn)行同步定位.海上作業(yè)需進(jìn)行潮位觀測及水深測量,以便準(zhǔn)確判定目標(biāo)管線的埋深.在海域獲得的數(shù)據(jù)資料比較直觀,不需要復(fù)雜的后處理,可以直接根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行解釋判斷.

2..3 海底管線的側(cè)掃聲納探測實(shí)例

圖3為天津某海域的海底管線的側(cè)掃聲納探測原始圖譜,該管線為水泥質(zhì)排污管線,直徑約1.8m,直接敷設(shè)于海底,管線兩側(cè)有拋石槽掩護(hù),從圖中不但可以清楚探明管線的位置和走向,而且可以判明拋石槽的分布.該資料采用德國SES2000型參量陣系列聲納儀采集,發(fā)射頻率100kHz.

2..4 側(cè)掃聲納技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

側(cè)掃聲納技術(shù)探測海底管線,是一種直接的顯性的探測技術(shù),對于敷設(shè)于海底面以上的(即出露海底的)管線探測效果顯著,成果直觀、精度高、可靠性強(qiáng),特別是對于有一定規(guī)模長度或有保護(hù)拋石基槽等輔助設(shè)施的海底管線,采用側(cè)掃聲納技術(shù)通常能夠達(dá)到事半功倍的效果,但是,基于側(cè)掃聲納技術(shù)的探測原理,其對于海底掩埋的管線的探測效果較差.

3. 淺地層剖面探測

3..1 探測原理

淺地層剖面探測是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測水下淺層地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法.其主要原理是通過換能器將控制信號轉(zhuǎn)換成不同頻率的聲波脈沖向海底發(fā)射,該聲波在海水和沉積地層傳播過程中遇到聲阻抗界面,經(jīng)反射返回被換能器,轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字信號記錄和儲存,并輸出為反應(yīng)地層聲學(xué)特征的記錄剖面.

3..2 水域開展淺地層剖面探測的技術(shù)方法

淺地層剖面法(簡稱淺剖法)一般分為線性調(diào)頻(CHIRP)和非線性調(diào)頻(SES)兩種,主要差別在于震源的能量和激發(fā)方式不同,CHIRP方式一般直接激發(fā)2kHz～10kHz的聲波信號,而SES方式則首先激發(fā)100kHz的聲波信號,然后通過參量陣原理(差頻原理)進(jìn)行二次激發(fā),得到2kHz～10kHz的聲波信號.一般而言,CHIRP方式激發(fā)能量較強(qiáng),穿透能力優(yōu)于SES方式,而SES方式的水平分辨能力和垂直分辨能力則優(yōu)于CHIRP方式.鑒于海底管線埋深一般較淺,探測時(shí)不需要有很強(qiáng)的穿透能力,而對于水平及垂直向的分辨能力要求較高,故本文涉及的所有淺剖探測資料均采用德國INNOMA公司生產(chǎn)的SES2000參量陣系統(tǒng).

淺地層剖面法探測一般采用船只作業(yè),將儀器探頭固定于船側(cè)某一位置,開動船只低速在設(shè)計(jì)的測線上進(jìn)行探測,并采用GPS-RTK進(jìn)行同步定位.海上作業(yè)需進(jìn)行潮位觀測及水深測量,以便準(zhǔn)確判定目標(biāo)管線的埋深.

在海域獲得的淺剖數(shù)據(jù)資料比較直觀,可以直接根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并結(jié)合相關(guān)軟件和其他已知資料進(jìn)行解釋判斷.

3..3 淺地層剖面探測海底管線實(shí)例

圖4為INNOMA公司用SES200型淺剖儀在德國的某海域探測的海底管線的原始圖譜,圖中明顯看到兩處管線,一條直接敷設(shè)于海底面上,一條埋深于海底面以下3.7m.

3..4 淺地層剖面法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

淺地層剖面探測海底管線,是一種通過聲波或超聲波探測的間接的地球物理探測方法,該方法對于有一定規(guī)模的海底管線的探測,無論其是否有掩護(hù),探測效果都較好,特別是對于橫向的位置及埋深探測精度均很高,一般常用淺地層剖面探測管線以提供準(zhǔn)確的平面位置及埋深,但是,對于平面位置不明確的管線,采用淺地層剖面法進(jìn)行盲探工作量太大,需要結(jié)合磁力探測或側(cè)掃聲納探測,先進(jìn)行區(qū)域探測,確定管線的大致分布區(qū)域,然后再進(jìn)行淺地層剖面探測以確定海底管線的準(zhǔn)確參數(shù),以提高管線探測的效率.

4. 結(jié)語

海底管線探測的物探方法較多,每一種探測方法均有其適用的地球物理?xiàng)l件,也有不可忽視的缺陷性,采用綜合的物探方法,發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、并且相互彌補(bǔ)其不足之處,是目前常用的管線探測方式.

海底管線探測效果的好壞取決于對海底管線的材質(zhì)、敷設(shè)狀況、掩護(hù)設(shè)施的認(rèn)知以及對各種物探方法原理的理解.因此,充分而細(xì)致地分析海底管線的物理性質(zhì)、存在狀態(tài),并根據(jù)其特征選擇適合的地球物理方法進(jìn)行探測,是海底管線探測取得成功的關(guān)鍵所在.