正文
在海洋范圍內(nèi)應(yīng)用各種地球物理勘探方法研究地質(zhì)構(gòu)造和尋找有用礦藏。簡稱海洋物探。物探是研究海洋地質(zhì)最基本的調(diào)查手段。它以海底巖石和沉積物的密度、磁性、彈性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和放射性等物理性質(zhì)的差異為依據(jù),用多種物探方法和儀器,觀測并研究各種地球物理場的空間分布和變化規(guī)律,進而闡明海洋底的地質(zhì)構(gòu)造及其演化,查明各地質(zhì)年代沉積物的分布,尋找石油和天然氣以及固體礦產(chǎn)資源。
海洋地球物理勘探所觀測的有地球本身固有的地球物理場,如重力、磁力、熱流和天然地震,也有用人工方法激發(fā)的地球物理場,如人工地震和電法等。由于海洋水體是運動的,上述觀測必須采用一系列不同于陸地地球物理勘探的儀器和方法。海洋地球物理勘探在早期階段,采取多種密封防水、彈性減震以及獲取靜態(tài)觀測的措施?,F(xiàn)在則充分利用海洋的特點進行動態(tài)觀測,不僅可以快速和連續(xù)作業(yè),而且適于將幾種物探設(shè)備和導(dǎo)航定位儀器集中在一條工作船上,實現(xiàn)電子計算機控制的綜合觀測。
簡史? 20世紀(jì)50年代初期,尤因(W.M.Ewing)等人利用剛出現(xiàn)的精密回聲測深儀進行連續(xù)水深探測,并繪制海底地形圖。1967年希曾(B.C.Heezen)和撒普(M.Tharp)在廣泛搜集詳細(xì)的連續(xù)回聲測深資料和圖件的基礎(chǔ)上,編繪出世界海底地形圖,揭示出海底的地貌形態(tài)有:大陸架、大陸斜坡、深海平原、海溝、洋脊等,還有洋脊脊峰處的裂谷和同洋脊橫交的斷裂帶等。其中,作為全球系統(tǒng)的洋脊及其上的裂谷和橫大斷裂帶的發(fā)現(xiàn),對于當(dāng)代地球科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。
與此同時,尤因等用雙船進行地震折射觀測,測定大洋地殼的厚度和構(gòu)造,發(fā)現(xiàn)大洋地殼同大陸地殼有明顯的差異。大陸地殼的平均厚度約35公里,而大洋地殼僅5~10公里厚,它們都是從縱波速度約為8.0公里/秒的莫霍間斷面開始計算的。在同樣測量的基礎(chǔ)上,后來又發(fā)現(xiàn)在大陸地殼中,上層10~20公里是由縱波速度約6.2公里/秒的花崗巖質(zhì)層組成,下層是由縱波速度約7.2公里/秒的玄武巖質(zhì)層組成。還發(fā)現(xiàn)較薄的大洋地殼為3層結(jié)構(gòu):層Ⅰ具有縱波速度約2.0公里/秒的固結(jié)和半固結(jié)的沉積物;層Ⅱ中速度變化范圍很寬,約為4.0~6.0公里/秒,可能屬玄武巖熔巖、某些類型的變質(zhì)巖和石灰?guī)r;層Ⅲ的縱波速度為6.7公里/秒,被認(rèn)為是輝長巖類。梅納德 (G.L.Maynard)于1970年證明此層是由兩個分層組成的。莫霍間斷面以下為上地幔,其中的縱波速度為7.9~8.2公里/秒。
50年代中期質(zhì)子旋進式磁力儀的出現(xiàn),不僅使海洋磁力測量成為可能,而且提供了廣泛進行連續(xù)測量的精密儀器。1958年,梅森(R.G.Mason)在東北太平洋的磁測中發(fā)現(xiàn)明顯的條帶狀磁異常分布圖案。隨后,瓦奎爾(V.Vacquier,1961)、梅森和拉夫(A.D.Raff,1961)等分別證實了條帶狀磁異常在大洋地區(qū)廣泛存在,對海底擴張假說給予了強有力的支持。
60年代廣泛的國際合作使海洋地球物理調(diào)查與深海鉆探相結(jié)合,對海底擴張說進行了大量的驗證。在世界各大洋地區(qū)普遍進行了海洋磁測,進行了地震面波、地震震源分布和震源機制、海洋重力以及海底熱流的觀測和研究。
中國于1960年開始在渤海灣施行以尋找油、氣資源為主要目的的海洋地球物理勘探,隨后在北部灣、南黃海以及珠江口和東海進行了綜合海洋地球物理調(diào)查,先后發(fā)現(xiàn)渤海、北部灣、南黃海、珠江口、瓊東南和東海等6大沉積盆地,并分別查明了一系列局部構(gòu)造。鉆探結(jié)果,在南黃海外的各個海底沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了工業(yè)性油、氣藏。
勘探方法? 海洋地球物理勘探主要使用重力、磁力、地震和熱流測量 4種方法。電法和放射性測量在海洋地區(qū)現(xiàn)仍處于理論探討和方法試驗階段,沒有投入實際應(yīng)用。
海洋重力測量 將重力儀安放在船上(動態(tài))或經(jīng)過密封后放置于海底(靜態(tài))進行觀測,以確定海底地殼各種巖層質(zhì)量分布的不均勻性。由于海底存在著具有不同密度的地層分界面,這種界面的起伏都會導(dǎo)致海面重力的變化。通過對各種重力異常的解釋,其中包括對某些重力異常的分析與延拓,可以取得地球形狀、地殼結(jié)構(gòu)以及沉積巖層中某些界面的資料,進而解決大地構(gòu)造、區(qū)域地質(zhì)方面的任務(wù),為尋找有用礦產(chǎn)提供依據(jù)。
海洋磁力測量
利用拖曳于工作船后的質(zhì)子旋進式磁力儀或磁力梯度儀,對海洋地區(qū)的地磁場強度作數(shù)據(jù)采集,進行海洋磁力觀測。將觀測值減去正常磁場值并作地磁日變校正后,即得磁異常。對磁異常的分析,有助于闡明區(qū)域地質(zhì)特征,如斷裂帶的展布、火山巖體的位置等。詳細(xì)磁力調(diào)查的結(jié)果,可用于海底地質(zhì)填圖和尋找鐵磁性礦物。世界各大洋地區(qū)內(nèi)的磁異常,都呈條帶狀分布于大洋中脊的兩側(cè),這種條帶狀磁異常被看成是大洋地殼具有的特征,由此可以研究大洋盆地的形成和演化歷史。海底熱流測量 利用海底不同深度上沉積物的溫度差,測量海洋底的地溫梯度值,并測量沉積物的熱傳導(dǎo)率,可以求得海底的地?zé)崃髦?。熱流量的?shù)值變化及其分布特征,直接反映出地球內(nèi)部的熱狀態(tài),為認(rèn)識區(qū)域構(gòu)造及其形成機制提供依據(jù)。地?zé)崃髻Y料對于研究石油成熟度具有重要意義,直接關(guān)系到盆地含油氣的評價。
海洋地震測量 根據(jù)震源產(chǎn)生的形式分為天然地震和人工地震兩大類。
海洋地區(qū)的天然地震測量,是通過布設(shè)在島嶼上或海底的地震臺站,觀測天然地震所產(chǎn)生的體波、面波和微震,來研究海洋底部的構(gòu)造活動、地殼厚度和低速層的展布等。
海洋地區(qū)的人工地震測量,是利用炸藥或非炸藥震源激發(fā)地震波,觀測在不同波阻抗界面上反射,或在不同速度界面上折射的地震波。折射波法主要用來研究地殼深部界面和上地幔的結(jié)構(gòu),也稱為深地震測深。它要求有強大的低頻震源(例如使用大炸藥量爆炸或使用大容積的空氣槍激發(fā)),在運動中依次產(chǎn)生地震波,而在相當(dāng)?shù)木嚯x之外觀測地殼深部界面上的折射波和廣角反射波(動爆炸點法)。至于淺層折射,除利用聲吶浮標(biāo)獲取沉積層中速度資料之外,現(xiàn)已很少使用。反射波法在近海油氣勘探中獲得廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)代海洋地震勘探廣泛采用組合空氣槍作震源,用等浮組合電纜裝置在水下接收地震波,通過數(shù)字地震儀將地震波記錄于磁帶上。這樣不僅能夠在觀測船行進中實現(xiàn)快速和高效率的共深點反射的連續(xù)觀測,而且能夠使用電子計算機充分利用所獲取的地震信息,精確地查明沉積巖不同層位的產(chǎn)狀、構(gòu)造及其巖性,以闡明沉積盆地及其中的局部構(gòu)造和沉積環(huán)境,甚至給出烴類顯示,為直接尋找油氣提供依據(jù)。而根據(jù)反射地震波傳播方案,采用高頻頻段觀測的回聲測深儀、地層剖面儀和側(cè)掃聲吶等,則是現(xiàn)代調(diào)查海底地形、地貌、淺層沉積物結(jié)構(gòu)及其工程地質(zhì)性質(zhì)的重要手段。
海洋物探中的定位
海洋地球物理測量都必須有船只和導(dǎo)航定位的保證。海洋物探船的發(fā)展趨向是專業(yè)化和綜合化,盡可能在一次航行中同時作多種地球物理觀測。任何海洋地球物理資料都必須有精確的位置數(shù)據(jù)。測量的比例尺愈大,測網(wǎng)或采樣間距應(yīng)愈密,對導(dǎo)航定位的要求也相應(yīng)愈高。目前在近岸海域內(nèi)多使用無線電定位系統(tǒng):工作船接收陸地岸臺發(fā)射的定位信號,用圓法或雙曲線法確定船位。在任何海域內(nèi),都可普遍使用衛(wèi)星定位系統(tǒng),即通過衛(wèi)星接收機記錄導(dǎo)航衛(wèi)星經(jīng)過工作船上空所發(fā)射的信號來確定船位,在兩個衛(wèi)星定位點之間,依靠多普勒聲吶測定航行中船只對海底的速度變化,由陀螺羅經(jīng)測定船只的航向,以及岸邊無線電定位臺站發(fā)射的定位信號,來內(nèi)插船位數(shù)據(jù)。這些工作都是用電子計算機控制和運算的。工作效果? 在勘探海底油氣資源,以及為開發(fā)海底油氣田的前期工程地質(zhì)工作中,海洋地球物理工作有了很大的發(fā)展。
尋找油氣
海底油氣勘探用重力、磁力、反射地震和回聲測深對沉積盆地作區(qū)域性調(diào)查,用詳細(xì)的反射地震面積測量深入研究局部構(gòu)造及其沉積環(huán)境。隨著反射地震勘探儀器設(shè)備的不斷完善,70年代以來,瞬時浮點增益數(shù)字地震儀能在寬闊的動態(tài)范圍 (84~120分貝)內(nèi)無畸變地記錄反射波。應(yīng)用電子計算機處理反射地震資料,不僅能夠獲得反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的時間剖面,而且還可以提取各種動力學(xué)信息,如振幅、相位、頻率等,為研究巖性或沉積環(huán)境、直接尋找油氣顯示開辟了道路。寬線剖面和三維地震的應(yīng)用,為詳細(xì)研究復(fù)雜構(gòu)造,發(fā)現(xiàn)隱蔽油藏提供手段,對于減少深鉆井,提高勘探油氣田的經(jīng)濟效益,具有十分重要意義。海底工程地質(zhì)調(diào)查
亦稱海底不穩(wěn)定性或災(zāi)害性調(diào)查,是開發(fā)海洋的前期工程。通過回聲測深、側(cè)掃聲吶、地層剖面儀以及高分辨率地震調(diào)查,結(jié)合海底取樣和淺鉆,提供基礎(chǔ)資料。同樣內(nèi)容的觀測和資料,也是海洋沉積、海底地形地貌、第四紀(jì)地質(zhì)和固體礦產(chǎn)調(diào)查所需要的。展望? 海洋地球物理勘探存在著幾個基本問題:①海洋地球物理探測的深度范圍同觀測儀器的分辨率成反比,即所研究對象(場源體)的深度愈大,在海面上觀測到的場的分辨能力就愈低。例如,在反射法地震勘探中,使用的頻率范圍高,將獲得良好的分辨率,而這種觀測的勘探深度卻很少。為了獲得深部的資料,只有使用低頻范圍,則勢必喪失分辨能力。為此,要根據(jù)實際課題的具體情況,探討所應(yīng)采用的最佳觀測技術(shù)。②各種海洋地球物理勘探方法的反演問題都具有多解性,即使構(gòu)成地球物理場的因素是明確的,對場的觀測值的解釋卻可能是多樣的。只有綜合各種地球物理資料和地質(zhì)資料,互相補充,互相驗證,才能逼近唯一正確的解答。③各種海洋地球物理勘探方法,都是以海底巖層的某一種物理性質(zhì)的差異為基礎(chǔ),從不同的角度去認(rèn)識海底的結(jié)構(gòu)和巖性。為了對勘探成果取得較全面的認(rèn)識,應(yīng)盡可能利用測區(qū)內(nèi)的鉆孔資料和各種地球物理測井資料,合理而準(zhǔn)確地確定巖石的各種物性參數(shù)。由此進一步完善各種勘探儀器、設(shè)備和觀測技術(shù),繼續(xù)加強對各種地質(zhì)、地球物理資料的綜合研究,才能不斷提高海洋地球物理勘探解決實際問題的能力。
參考書目
劉光鼎:《海洋地球物理勘探》,地質(zhì)出版社,北京,1978。
J.A.Jacobs, R.D.Russell and J.T.Wilson,Physics and Geology,2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1974.