本文基于笔者多年从事海底管线及地球物体探测的相关工作经验,以笔者的工作实践为背景,探讨了基于海洋磁力、侧扫声纳及浅地层剖面三种地球物理探测手段的海底管线探测思路,给出了探测的原理和案例,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义.

关键词:海底管线 探测 磁力 声纳 剖面 地球物理

随着海洋开发的逐步发展,近海港口、码头、航道、填海造地、桥梁等工程建设面临一个新的问题,那就是可能和已有的人类构筑物或遗弃物(比如海底管线、人工鱼礁、沉船、爆炸物等)发生冲突,其中,海底管线对于工程设计和施工的危害最大.近年来,由于没有探明海底管线而造成的工程事故时有发生,经济损失严重,社会影响较大,因此不断总结不同类型海底管线的探测技术是一个非常迫切而重要的任务.

海底管线探测是管线探测的一个分支,由于环境差异,在水域环境中进行时,其与陆域的管线探测方法在探测方法、仪器、成果分析等方面完全不同.从目前的探测现状及未来的技术发展趋势分析,地球物理方法是海底管线探测的最常用也是最有效的方法.目前,海底管线探测主要采用海洋磁力探测、浅地层剖面探测、侧扫声纳等物探方法.

本文根据天津水运工程科学研究院完成的一些海底管线的探测实例,并参考国内外同行的一些探测资料,对海底管线的地球物理探测方法进行探讨.

1. 海洋磁力探测

1..1 探测原理

磁法勘探是应用地球物理学的一个分支,以有关地质学和物质磁性的理论、地磁场理论和物体磁化理论、以及磁化物体磁场的数学理论为基础,借助专用仪器测量不同磁化强度的物体在地磁场中所引起的磁场变化(即磁异常),来研究这些磁异常的空间分布特征、分布规律及其与磁性体(场源)之间的关系,从而达到寻找场源(探测目标体)的目的,并提供场源的位置、埋深及规模等相关信息.

磁性物体的磁化率的大小,剩余磁化强度的强弱和方向,磁性物体的规模和埋深,以及磁性体所处的地理位置,是影响其产生的磁场分布特征及磁场强度的主要因素.对于工程勘察而言,尤以磁化率的大小对于磁场的影响最大.表1为一些常见的物体磁性(磁化率)的测定统计表.由表可见,金属物体和水泥构件的磁化率最强,与周围相关物质的磁性差异很明显.这就为磁法探测水底管线、沉船等铁磁性和水泥质目标体提供了很好的前提条件.

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1..2 水域开展磁法勘察工作的相关技术

目前,国内外使用的磁力仪有很多种类,但在水域磁测施工,必须选用不需调平的、能自动连续测量和自动记录测量数据的仪器,如MP4、ENVI、G880、G882、SeaSPY、论文范文M-Ⅲ等型号的便携式质子磁力仪或光泵海磁仪.磁测精度由探测目的物的磁场强度决定,对于水泥管、钢管等较小规模的海底管线,一般应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业,将仪器探头固定于船上某一位置或抛置于船后某一位置,开动船只在设计的测线上进行磁力探测,并采用GPS-RTK进行同步定位.在作业的同时,需在测区附近空旷处(磁场平稳处)设立地球磁场日变化观测站,进行日变观测,以便对原始数据进行日变校正.海上作业需进行潮位观测,以便准确判定场源埋深.

在海域获得的磁测资料,其资料处理过程与地面磁测的处理过程相同,一般包括数据回放、预处理、向上延拓处理、向下延拓处理、分量及磁化方向转换等过程.预处理包含日变校正、高度校正和经纬度校正等.经过上述处理之后,就可以通过专门的软件进行正演拟合等,并结合相关资料进行解释判断.

1..3 海底管线的磁测实例

天津某海域规划进行工程建设,但是该海域内有一条水泥排污管道穿过,访问调查后只能判断管线的大致位置,而工程建设需要找出该排污管道的具体位置及走向,其他的勘探技术较难达到对排污管线准确定位之目的,应用磁法勘探却快速准确地完成了该项任务.

该项目采用加拿大产的ENVI型质子磁力仪,在社会调查认为可能的区域进行磁法测量,采用走航式,测线间距5m,测点间距2m,测线与社会调查了解的管道走向大致垂直.磁法勘探成果见图1(局部,该图为示意图,每条测线在水泥管上方即出现如图所示异常变化,异常幅值约为250nT,影响宽度约为15m～20m).相邻的测线出现连续的磁场变化,磁异常呈条带状分布,通过定量解释,确定场源的平面位置,由此就可以判断海底管道的平面位置和走向.该探测结果经过现场潜水验证,认为磁法提供的探测结果准确可靠.

1..4 海洋磁力探测的优缺点分析

海底管线主要包括供水、供油、供气、排污等铁质、水泥质的管线和供电、通信等电缆和光缆,均存在明显的磁异常状况,可以用来快速准确探明海底管线的平面位置和走向,其优点是显而易见的,并且完全不受海底管线的埋深限制.

但是,由于磁法勘探的基础是海底管线与周围介质的磁性差异,这种差异容易受到管线埋深和周围介质的影响,另外,鉴于磁法勘探的深度确定是通过数学计算或正反演拟合而得,故其在纵向深度的探测精度需要其他更加直接的方法验证,比如人工探摸验证,或者采用其他的物探方法进行验证.

2. 侧扫声纳探测

2..1 侧扫声纳探测原理

侧扫声纳也称旁扫声纳,起源于20世纪60年代,它主要通过发射高频的声波信号,并接收其海底的声波回声信号,形成海底的探测带的声学图谱图像,以分析海底面的状况,俗称海底扫描技术.该方法可以探明海底目标物的位置、状态、规模等,具有形象直观、分辨率高、扫描宽度大等特点.图2为海底管线的侧扫声纳探测示意图.

2..2 水域开展侧扫声纳工作的相关方法技术

目前,国内外使用的侧扫声纳仪器主要包括KLEIN2000,KLEIN3000,KLEIN5000,SIS1500,SIS3000,EDGE 4200,EDGE4200-FS,SES2000等不同的型号.其频率和扫描宽度略有不同.

侧扫声纳探测一般采用船只作业,将仪器探头固定于船侧某一位置,开动船只低速在设计的测线上进行探测,并采用GPS-RTK进行同步定位.海上作业需进行潮位观测及水深测量,以便准确判定目标管线的埋深.在海域获得的数据资料比较直观,不需要复杂的后处理,可以直接根据获取的数据进行分析,并结合相关资料进行解释判断.

2..3 海底管线的侧扫声纳探测实例

图3为天津某海域的海底管线的侧扫声纳探测原始图谱,该管线为水泥质排污管线,直径约1.8m,直接敷设于海底,管线两侧有抛石槽掩护,从图中不但可以清楚探明管线的位置和走向,而且可以判明抛石槽的分布.该资料采用德国SES2000型参量阵系列声纳仪采集,发射频率100kHz.

2..4 侧扫声纳技术的优缺点分析

侧扫声纳技术探测海底管线,是一种直接的显性的探测技术,对于敷设于海底面以上的(即出露海底的)管线探测效果显著,成果直观、精度高、可靠性强,特别是对于有一定规模长度或有保护抛石基槽等辅助设施的海底管线,采用侧扫声纳技术通常能够达到事半功倍的效果,但是,基于侧扫声纳技术的探测原理,其对于海底掩埋的管线的探测效果较差.

3. 浅地层剖面探测

3..1 探测原理

浅地层剖面探测是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅层地层结构和构造的地球物理方法.其主要原理是通过换能器将控制信号转换成不同频率的声波脉冲向海底发射,该声波在海水和沉积地层传播过程中遇到声阻抗界面,经反射返回被换能器,转换成模拟或数字信号记录和储存,并输出为反应地层声学特征的记录剖面.

3..2 水域开展浅地层剖面探测的技术方法

浅地层剖面法(简称浅剖法)一般分为线性调频(CHIRP)和非线性调频(SES)两种,主要差别在于震源的能量和激发方式不同,CHIRP方式一般直接激发2kHz～10kHz的声波信号,而SES方式则首先激发100kHz的声波信号,然后通过参量阵原理(差频原理)进行二次激发,得到2kHz～10kHz的声波信号.一般而言,CHIRP方式激发能量较强,穿透能力优于SES方式,而SES方式的水平分辨能力和垂直分辨能力则优于CHIRP方式.鉴于海底管线埋深一般较浅,探测时不需要有很强的穿透能力,而对于水平及垂直向的分辨能力要求较高,故本文涉及的所有浅剖探测资料均采用德国INNOMA公司生产的SES2000参量阵系统.

浅地层剖面法探测一般采用船只作业,将仪器探头固定于船侧某一位置,开动船只低速在设计的测线上进行探测,并采用GPS-RTK进行同步定位.海上作业需进行潮位观测及水深测量,以便准确判定目标管线的埋深.

在海域获得的浅剖数据资料比较直观,可以直接根据获取的数据进行分析,并结合相关软件和其他已知资料进行解释判断.

3..3 浅地层剖面探测海底管线实例

图4为INNOMA公司用SES200型浅剖仪在德国的某海域探测的海底管线的原始图谱,图中明显看到两处管线,一条直接敷设于海底面上,一条埋深于海底面以下3.7m.

3..4 浅地层剖面法的优缺点分析

浅地层剖面探测海底管线,是一种通过声波或超声波探测的间接的地球物理探测方法,该方法对于有一定规模的海底管线的探测,无论其是否有掩护,探测效果都较好,特别是对于横向的位置及埋深探测精度均很高,一般常用浅地层剖面探测管线以提供准确的平面位置及埋深,但是,对于平面位置不明确的管线,采用浅地层剖面法进行盲探工作量太大,需要结合磁力探测或侧扫声纳探测,先进行区域探测,确定管线的大致分布区域,然后再进行浅地层剖面探测以确定海底管线的准确参数,以提高管线探测的效率.

4. 结语

海底管线探测的物探方法较多,每一种探测方法均有其适用的地球物理条件,也有不可忽视的缺陷性,采用综合的物探方法,发挥各自技术的优点、并且相互弥补其不足之处,是目前常用的管线探测方式.

海底管线探测效果的好坏取决于对海底管线的材质、敷设状况、掩护设施的认知以及对各种物探方法原理的理解.因此,充分而细致地分析海底管线的物理性质、存在状态,并根据其特征选择适合的地球物理方法进行探测,是海底管线探测取得成功的关键所在.