本文基于筆者多年從事海底管線及地球物體探測的相關工作經驗,以筆者的工作實踐為背景,探討了基于海洋磁力、側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踐基礎上的理論升華,相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義.

關鍵詞:海底管線 探測 磁力 聲納 剖面 地球物理

隨著海洋開發的逐步發展,近海港口、碼頭、航道、填海造地、橋梁等工程建設面臨一個新的問題,那就是可能和已有的人類構筑物或遺棄物(比如海底管線、人工魚礁、沉船、爆炸物等)發生沖突,其中,海底管線對于工程設計和施工的危害最大.近年來,由于沒有探明海底管線而造成的工程事故時有發生,經濟損失嚴重,社會影響較大,因此不斷總結不同類型海底管線的探測技術是一個非常迫切而重要的任務.

海底管線探測是管線探測的一個分支,由于環境差異,在水域環境中進行時,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.從目前的探測現狀及未來的技術發展趨勢分析,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、側掃聲納等物探方法.

本文根據天津水運工程科學研究院完成的一些海底管線的探測實例,并參考國內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行探討.

1. 海洋磁力探測

1..1 探測原理

磁法勘探是應用地球物理學的一個分支,以有關地質學和物質磁性的理論、地磁場理論和物體磁化理論、以及磁化物體磁場的數學理論為基礎,借助專用儀器測量不同磁化強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、分布規律及其與磁性體(場源)之間的關系,從而達到尋找場源(探測目標體)的目的,并提供場源的位置、埋深及規模等相關信息.

磁性物體的磁化率的大小,剩余磁化強度的強弱和方向,磁性物體的規模和埋深,以及磁性體所處的地理位置,是影響其產生的磁場分布特征及磁場強度的主要因素.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)的測定統計表.由表可見,金屬物體和水泥構件的磁化率最強,與周圍相關物質的磁性差異很明顯.這就為磁法探測水底管線、沉船等鐵磁性和水泥質目標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技術

目前,國內外使用的磁力儀有很多種類,但在水域磁測施工,必須選用不需調平的、能自動連續測量和自動記錄測量數據的儀器,如MP4、ENVI、G880、G882、SeaSPY、論文范文M-Ⅲ等型號的便攜式質子磁力儀或光泵海磁儀.磁測精度由探測目的物的磁場強度決定,對于水泥管、鋼管等較小規模的海底管線,一般應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,將儀器探頭固定于船上某一位置或拋置于船后某一位置,開動船只在設計的測線上進行磁力探測,并采用GPS-RTK進行同步定位.在作業的同時,需在測區附近空曠處(磁場平穩處)設立地球磁場日變化觀測站,進行日變觀測,以便對原始數據進行日變校正.海上作業需進行潮位觀測,以便準確判定場源埋深.

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,一般包括數據回放、預處理、向上延拓處理、向下延拓處理、分量及磁化方向轉換等過程.預處理包含日變校正、高度校正和經緯度校正等.經過上述處理之后,就可以通過專門的軟件進行正演擬合等,并結合相關資料進行解釋判斷.

1..3 海底管線的磁測實例

天津某海域規劃進行工程建設,但是該海域內有一條水泥排污管道穿過,訪問調查后只能判斷管線的大致位置,而工程建設需要找出該排污管道的具體位置及走向,其他的勘探技術較難達到對排污管線準確定位之目的,應用磁法勘探卻快速準確地完成了該項任務.

該項目采用加拿大產的ENVI型質子磁力儀,在社會調查認為可能的區域進行磁法測量,采用走航式,測線間距5m,測點間距2m,測線與社會調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).相鄰的測線出現連續的磁場變化,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.該探測結果經過現場潛水驗證,認為磁法提供的探測結果準確可靠.

1..4 海洋磁力探測的優缺點分析

海底管線主要包括供水、供油、供氣、排污等鐵質、水泥質的管線和供電、通信等電纜和光纜,均存在明顯的磁異常狀況,可以用來快速準確探明海底管線的平面位置和走向,其優點是顯而易見的,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是海底管線與周圍介質的磁性差異,這種差異容易受到管線埋深和周圍介質的影響,另外,鑒于磁法勘探的深度確定是通過數學計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證,比如人工探摸驗證,或者采用其他的物探方法進行驗證.

2. 側掃聲納探測

2..1 側掃聲納探測原理

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

2..2 水域開展側掃聲納工作的相關方法技術

目前,國內外使用的側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.

側掃聲納探測一般采用船只作業,將儀器探頭固定于船側某一位置,開動船只低速在設計的測線上進行探測,并采用GPS-RTK進行同步定位.海上作業需進行潮位觀測及水深測量,以便準確判定目標管線的埋深.在海域獲得的數據資料比較直觀,不需要復雜的后處理,可以直接根據獲取的數據進行分析,并結合相關資料進行解釋判斷.

2..3 海底管線的側掃聲納探測實例

圖3為天津某海域的海底管線的側掃聲納探測原始圖譜,該管線為水泥質排污管線,直徑約1.8m,直接敷設于海底,管線兩側有拋石槽掩護,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,發射頻率100kHz.

2..4 側掃聲納技術的優缺點分析

側掃聲納技術探測海底管線,是一種直接的顯性的探測技術,對于敷設于海底面以上的(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,特別是對于有一定規模長度或有保護拋石基槽等輔助設施的海底管線,采用側掃聲納技術通常能夠達到事半功倍的效果,但是,基于側掃聲納技術的探測原理,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原理的連續走航式探測水下淺層地層結構和構造的地球物理方法.其主要原理是通過換能器將控制信號轉換成不同頻率的聲波脈沖向海底發射,該聲波在海水和沉積地層傳播過程中遇到聲阻抗界面,經反射返回被換能器,轉換成模擬或數字信號記錄和儲存,并輸出為反應地層聲學特征的記錄剖面.

3..2 水域開展淺地層剖面探測的技術方法

淺地層剖面法(簡稱淺剖法)一般分為線性調頻(CHIRP)和非線性調頻(SES)兩種,主要差別在于震源的能量和激發方式不同,CHIRP方式一般直接激發2kHz～10kHz的聲波信號,而SES方式則首先激發100kHz的聲波信號,然后通過參量陣原理(差頻原理)進行二次激發,得到2kHz～10kHz的聲波信號.一般而言,CHIRP方式激發能量較強,穿透能力優于SES方式,而SES方式的水平分辨能力和垂直分辨能力則優于CHIRP方式.鑒于海底管線埋深一般較淺,探測時不需要有很強的穿透能力,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公司生產的SES2000參量陣系統.

淺地層剖面法探測一般采用船只作業,將儀器探頭固定于船側某一位置,開動船只低速在設計的測線上進行探測,并采用GPS-RTK進行同步定位.海上作業需進行潮位觀測及水深測量,以便準確判定目標管線的埋深.

在海域獲得的淺剖數據資料比較直觀,可以直接根據獲取的數據進行分析,并結合相關軟件和其他已知資料進行解釋判斷.

3..3 淺地層剖面探測海底管線實例

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 淺地層剖面法的優缺點分析

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模的海底管線的探測,無論其是否有掩護,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行盲探工作量太大,需要結合磁力探測或側掃聲納探測,先進行區域探測,確定管線的大致分布區域,然后再進行淺地層剖面探測以確定海底管線的準確參數,以提高管線探測的效率.

4. 結語

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條件,也有不可忽視的缺陷性,采用綜合的物探方法,發揮各自技術的優點、并且相互彌補其不足之處,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、敷設狀況、掩護設施的認知以及對各種物探方法原理的理解.因此,充分而細致地分析海底管線的物理性質、存在狀態,并根據其特征選擇適合的地球物理方法進行探測,是海底管線探測取得成功的關鍵所在.