第壹作者簡介:馬，男，1968出生，高級工程師，1990畢業於中國地質大學(武漢)石油地質系，從事地震資料解釋、工程地質、海洋地質及綜合研究。
(廣州海洋地質調查局廣州510760)
在海上海底管道路由調查的檢測過程中，回聲測深儀或多波束測深儀、側聲納掃描、淺層地層剖面儀和海洋磁力儀是檢測的主要儀器。回聲測深儀測量水深，了解地形變化；側聲納掃描探測海底地貌和巖石露頭、管道、錨痕、沙波等地質災害；淺地層剖面主要探測淺埋巖石、管道、淺海底等地質災害；海洋磁力儀檢測磁性管道和其他物體。上述方法可綜合用於探測管道或查明線路地質情況，海底地質災害是威脅管道的重要因素。
路線管道探測，海洋地質災害探測方法
1前言
隨著社會的發展進步，人們逐漸將工程建設的中心轉移到了海洋。近岸帶已經成為人們開發建設的中心。諸如鋪設石油和天然氣管道、鋪設通信電纜、汙水管道和水下隧道等海上項目的設計、施工和未來的常規安全保護需要對項目地點或路線進行詳細的調查和評估。
將管道埋入土中壹定深度，避免管道直接接受波浪和潮流的作用，是保持管道穩定的常用方法。壹般管道埋深為管頂以上1.5 ~ 2.0m，特殊地段甚至需要4 ~ 6m。需要在上面放上石頭之類的硬物。當水深達到壹定深度時，管道可以直接鋪設在海底。海洋地質災害現象不僅對海洋結構物、海底管道或其他工程設施造成巨大的潛在危險，還會導致嚴重的人身和財產損失以及工程故障。因此，提前查明海底工程地質條件和各種不穩定因素，了解海底沈積物的類型和工程特性，是管道常規安全防護不可缺少的前期工程。
2調查的工作原則
在陸地上探測地下管線主要采用電法和磁法，尤其是探地雷達(王興泰，1996)。回聲測深儀、側聲納掃描儀、淺層剖面儀和海洋磁力儀是國內外常用的水下管道路由探測系統。兩者結合使用，可以提供實測場海底表面和海底下壹定深度的沈積物中埋藏的各種災害地質現象的形態、規模等特征，配合高精度的導航定位系統(陳為民等，1997)，還可以知道其準確的發育位置和方向。
2.1回聲測深儀
在海洋工程的調查和評估過程中，回聲測深儀是應用最廣泛、最有效的水聲探測系統。水聲測量是通過探測聲波在水下或巖土介質中的傳播特性來研究巖土性質和完整性的壹種地球物理方法。
回聲測深儀的工作原理:換能器從水面向水底發射聲信號，聲信號在水底界面反射，再返回換能器接收(換能器利用壓電材料的壓電效應工作)。接收到的聲音信號被轉換成電信號，並被發送到儀器的接收放大器進行放大。放大後的信號被送到A/D轉換器，A/D轉換器對模擬信號進行采樣，然後將每個采樣轉換成二進制數字量，形成壹個組。水深H=CT/2(其中H為水深，C為聲波在水中的傳播速度)可以通過測量聲波從海底發射、反射到接收所需的時間來確定。壹方面，測深儀將水深模擬提供給記錄儀進行模擬記錄，在記錄紙上直接顯示連續波動的海底剖面，而不僅僅是某壹點的水深值。另壹方面提供給量化器轉換成數字量顯示，從RS232口輸出，可直接與GPS全球定位系統和計算機通訊，形成數字記錄。測音器分為單頻測音器(只有低頻或高頻)和雙頻測音器(有高低頻，可以同時錄音。低頻測深儀工作水深大，但能穿透水底很薄的浮泥。高頻測深儀工作水深較小，但水深比較精確，工程上經常使用)。測深儀的原理框圖如圖1所示。
圖1回聲測深儀工作原理示意圖及海底剖面模擬記錄。
圖1回聲測深儀的工作原理和回聲測深儀剖面上的海底記錄
測深數據反映了海底表面的起伏、高低差和延伸範圍(發育尺度)，利用計算機處理和繪圖技術可以制作出測區海底的地形圖。多波束探測可以獲得較好的三維地形圖。
2.2側聲納掃描
側聲納是壹種高分辨率、多用途的水聲設備，廣泛應用於海洋測繪、海底目標探測(如探測沈入水中的艦船、飛機、導彈、魚雷和水雷)、大陸架和海洋專屬經濟區劃界、海洋地質、海洋工程、港口建設和航道疏浚等領域。
側聲納的種類很多，根據發射頻率的不同，可分為高頻、中頻和低頻側聲納。低頻側聲納作用距離大，分辨率低，高頻側聲納作用距離小，分辨率高。此外，還可分為側掛式和拖曳式側聲納、單頻和雙頻側聲納、單波束和多波束等。
側聲納的工作原理:左右換能器具有扇形指向性。路線垂直面內的張角為θv，水平面內的張角為θ h，當換能器發出聲脈沖時，換能器的左右兩側可以照射到壹條狹窄的梯形海底，如左邊的梯形ABCD所示。可以看出，梯形的近換能器底部AB小於遠換能器底部CD。當發出聲脈沖時，聲波以球面波的形式傳播到很遠的地方。到達海底後，反射波或反向散射波沿原路徑返回換能器。近距離的回波首先到達換能器，遠距離的回波到達換能器。壹般海底正下方的回波先返回，斜方向的回波較晚到達。這樣，發出壹個很窄的脈沖後，收到的回波就是壹個很長的脈沖串。
堅硬、粗糙、凸出的海底回波強，柔軟、平坦、凹陷的海底回波弱。被突出海底遮擋的海底部分沒有回聲，稱為陰影區。這樣，回波脈沖串的幅度因地而異，回波的幅度包含了海底起伏的軟硬信息。壹次發射可以獲得換能器兩側狹窄海底的信息，設備顯示為壹條線。當工作船向前航行時，設備以壹定的時間間隔進行發射/接收操作，設備顯示每次接收到的線路數據，並以圖像的形式記錄下來，從而獲得二維海底地形的聲學圖。聲學圖像用不同的顏色(偽彩色)或不同的黑白程度顯示海底的特征，可以直觀地顯示巖石露頭(包括裸露的管道)、沙波等海底表面的形態特征，是研究海底表面地質災害形態和規模的重要工具(夏震等，2003)。工作原理示意圖如圖2所示。
圖2側聲納掃描工作原理
圖2側掃聲納的工作原理
2.3淺層地層剖面儀
淺層地層剖面儀也是壹種水下聲波探測系統，可以提供測量船正下方地層的垂直剖面信息。
淺層地層剖面儀的工作原理:它發出的低頻聲波(從3.5 ~ 12 kHz中選擇壹個頻率，低頻穿透深度大，分辨率低，高頻穿透深度小，分辨率高)對海底有壹定的穿透深度，能準確反映海底不同深度海底沈積物的結構特征。高能發射的低頻聲波穿透海底，部分能量被淺地層的聲波反射界面反射，被換能器接收。反射信號轉換成圖像，依次以時間函數的形式記錄下來，形成連續的地層剖面。能準確反映海洋工程所需的地層界面和可能存在的淺層氣、淺層斷層、古河流或其他物體(如管道)等海底地質災害因素。淺層剖面儀的穿透深度小於50米，分辨率大於1厘米。
2.4海洋磁力儀(磁法)
磁法是利用地下巖石和礦物或巖土介質之間的磁性差異引起的磁場變化(磁異常)來尋找有用礦物、查明地下構造和解決其他地質問題的壹種探測方法。銫光泵磁力儀基於塞曼效應。塞曼效應是指原子在外磁場作用下，每個能級分裂成(2J+1)的現象，其中J是原子的總角動量量子數，銫光泵磁力儀的工作介質是銫原子。
以上四種高分辨率水下探測系統，在高精度定位系統的支持下，可使我們獲得海上工程建設場地的三維工程地質條件，特別是危害工程建設的各種災害地質現象的形態、規模、位置和發展趨勢(李等，2002)。
3數據處理和解釋
3.1磁測數據處理及解釋
管道的出現改變了地層層序和正常的磁場分布，產生磁異常，這些磁異常的分布可以通過磁力儀探測到。磁法探測數據由計算機程序自動處理，對實測總場數據的日變和正常梯度進行校正後，得到天然氣管道產生的δ T磁異常。對全區磁場的觀測表明，在有管道的地方，δ T磁異常表現為峰或谷。畫出校正後的δT磁異常曲線(圖3)。根據磁異常曲線的平面特征和剖面特征，可以確定管道的走向。從圖中可以看出，管道所在地段的δ T磁異常呈現峰形或谷形，峰或谷的中心位於管道中心。但是，從圖中也可以看出磁性檢測的局限性。當海底有其他鐵磁性物體時，管道產生的磁異常就會受到幹擾。由於磁法探測的拖體在船後三倍船長距離的水面上，在海流、風、浪、潮汐的影響下，偏離了測線。沒有水下定位，拖體位置有誤差，可能十幾到二十米。在海上單獨使用磁測往往達不到精度要求，需要通過其他手段綜合確定。
圖3δT磁異常曲線平面特征圖
圖3δT磁異常曲線
3.2側聲納掃描圖像的處理和解釋
管道暴露在海底，我們根據側聲納掃描圖像判斷管道的位置和方向。
對掃描區域的特殊水深和水深分布、海底沈積物的分布特征、等深線的形態分布特征、反映海底障礙物的聲學圖像以及海底微地貌圖像的可靠性進行綜合分析(馮誌強等，2002)。確定海底微地貌的基本形態特征和分布範圍:確定海底障礙物的性質、位置、高度、長寬、方向、水深和沈積物類型。
側聲納的最終掃描結果是以聲譜圖的形式呈現給用戶的，但是聲譜圖和照片差別很大，不能反映物體的真實形狀，只能用灰度反映物體的強弱。解釋聲譜圖圖像的過程由人眼完成。聲譜圖判讀是基於側聲納二維圖像的特征提取，根據聲譜圖的形狀特征、大小特征、色調顏色特征、陰影特征和相關體特征進行判別，從而識別海底地貌、沈船、沈雷、暗礁、管道等人工或自然目標(圖4)。聲譜圖解釋也稱為聲譜圖識別、聲譜圖解釋或聲譜圖解釋。
圖4側聲納顯示的礁石。
圖4側掃聲納剖面圖顯示的珊瑚礁
3.3淺層剖面數據的處理和解釋
如果管道是鋼筋混凝土管，與周圍地層差別較大，是很好的反射層，可以形成很強的反射波。但是有些地區為了保護天然氣管道，在上面鋪了壹層石頭或者其他物體，也和周圍的地層有很大的區別。我們利用淺層地層剖面中反射波組的振幅、頻率、連續性、波形和反射形式的相對變化來確定管道。管道導致地下反射層中斷，反射波無法連續追蹤。管道和鋪砌物都有很強的反射，表現為反射波在剖面中頻率的變化。由於管道和鋪砌物的存在，反射波的波形和反射形式變得不規則、混亂，甚至失真。由於淺層剖面儀的穿透深度與海底沈積物密切相關，如果沈積物為砂和泥，則穿透深度約為30 ~ 50m，可獲得較好的記錄，垂直分辨率可達0.1 ~ 0.5m:但當底質為密實的砂質海底或含氣沈積層時，穿透能力明顯降低。在識別管道時，根據定位點的坐標可以確定管道在剖面上的位置和管道頂部接口距海底的埋深，根據同壹位置的水深可以確定管道的頂部標高(圖5、圖6)。
圖5顯示了淺地層剖面中的管道(填有巖石和泥土)。
圖5短節上被土石覆蓋的管道。底部輪廓
圖6淺地層剖面圖所示管道
圖6短節上的鉆桿顯示？底部輪廓
4結論和討論
1)回聲測深儀、側向聲納掃描和淺層剖面儀結合磁力儀是目前世界上探測管道路由和海底地質災害的主要儀器設備。
2)測深數據反映海底表面的起伏、高低差和延伸範圍(發育尺度)，可通過計算機處理和繪圖技術制作實測海域的海底地形圖。多波束探測可以獲得較好的三維地形圖。
3)側聲納設備以壹定的時間間隔發射/接收，轉換成圖像後，得到二維海底地形聲圖。它是研究海底表層災害地質現象形態和規模的重要儀器，可以直接觀測巖石露頭(包括裸露管道)、沙波等海底表層的形態特征。
4)淺地層剖面儀發射的低頻聲波，能量高，穿透到海底，部分能量被淺地層的聲波反射界面反射，被換能器接收。反射信號被轉換成圖像並被記錄以形成連續的地層剖面。利用反射波組的振幅、頻率、連續性、波形和反射形式的相對變化來確定管道。
5)管道的出現改變了地層層序和正常的磁場分布，產生磁異常，這些磁異常的分布可以用磁力儀探測到。對全區磁場的觀測表明，在有管道的地方，δ T磁異常表現為峰或谷。但當海底有大量鐵磁性物體時，管道產生的磁異常會受到幹擾，導致探測困難。
6)影響海底失穩的因素很多，歸納起來有兩種:壹種是應力的增加，壹種是強度的降低，或者是兩者的結合。預防是防治地質災害的主要途徑。為了取得良好的地質災害防治效果，首先要搞清各種地質災害的成因、分布和發展規律，對壹些潛在危險較大的地質災害進行必要的監測和預報，或者制定有效的措施，抑制災害的形成和發展。對於漸進性地質災害，應加強災害形成規律的研究。為了做好管道等構築物的安全保護工作。
7)對海洋調查要求較高的GPS定位系統，應在勘探、設計、施工各階段統壹坐標系，避免坐標系轉換出現誤差。
參考資料和材料
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張和潘玉玲。2004.應用地球物理學原理。北京:中國地質大學出版社。
近海海底管道路由調查與勘探
馬陳彥彪陳太浩
(廣州海洋地質調查局，廣州，510760)
摘要:回聲？測深儀、側掃聲納、海底剖面儀和海洋磁力儀是探測海底地質的主要儀器。油氣田管道線路或海洋工程管道勘測中的危險。回聲？測深儀可以測深度，知道地勢。側掃聲納可以直觀地顯示海底的地形特征，海底障礙物的分布，如巖石、管道、沙波和錨地的接觸。海底剖面儀可以調查很多海底地質？淺埋巖石及其作物、滑坡、淺層氣、古河道、淺層斷層等災害。海底geo？危險源是危及管道線路的重要因素。
關鍵詞:海底管道路由探索海洋地質？危險探索方法