冷泉羽狀流多波束水體聲學(xué)探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

梅賽，楊慧良，孫治雷，劉俊，李海龍，孫軍，趙釗

1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島266100

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島266071

3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島266071

海底冷泉是廣泛存在于大陸邊緣海底的一種地質(zhì)現(xiàn)象，它不斷從海底沉積界面之下以噴溢、滲漏等方式向海水中注入以水、天然氣、細(xì)粒沉積物等為主的流體。自1983年在墨西哥灣佛羅里達(dá)陡崖3 200 m深的海底發(fā)現(xiàn)冷泉以來[1]，冷泉活動(dòng)一直是國(guó)際研究熱點(diǎn)，這是因?yàn)樗乾F(xiàn)代海底極端環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，也是物質(zhì)從巖石圈向外部圈層（生物圈、水圈和大氣圈）進(jìn)行轉(zhuǎn)移和交換的重要途徑甚至中樞環(huán)節(jié)[2]，是地球物質(zhì)循環(huán)的基本過程[3]，對(duì)全球海洋物質(zhì)循環(huán)[2]、生命活動(dòng)[4-5]和天然氣水合物形成[6-7]均有重要意義，是當(dāng)前深海探測(cè)及相關(guān)科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。研究海底冷泉對(duì)于海洋工程安全、天然氣水合物開發(fā)、海洋油氣勘探、全球氣候變化、碳循環(huán)和極端生物群落等方面具有重要意義。

1 冷泉系統(tǒng)基本特征與探測(cè)技術(shù)

研究海底冷泉首先要解決茫茫海洋中的探測(cè)問題，因此科學(xué)、高效的探測(cè)技術(shù)尤為重要。目前，海底冷泉探測(cè)方法主要有多波束探測(cè)、海底原位觀測(cè)、地質(zhì)取樣、多道地震探測(cè)、淺地層剖面探測(cè)和走航式聲學(xué)遙感探測(cè)等。利用這些方法可以獲取海底冷泉發(fā)育的直接或間接證據(jù)，如天然氣水合物、碳酸鹽巖、生物群落、麻坑、泥火山、丘狀體、羽狀流等（表1）。隨著各學(xué)科對(duì)冷泉系統(tǒng)研究的不斷深入，冷泉探測(cè)技術(shù)正在向多手段、立體化探測(cè)方向發(fā)展。

1.1 海底原位探測(cè)技術(shù)

海底冷泉泄漏產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)和生物作用，引發(fā)了復(fù)雜的海洋生物地球化學(xué)變化，現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)可以直接反映海底冷泉的活動(dòng)過程，利用搭載于深潛器（ROV 和 AUV）的高清攝像系統(tǒng)和集成多種傳感器深海觀測(cè)站可以獲得冷泉區(qū)高清影像資料和近海底水體原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，是研究冷泉區(qū)海底表征、化學(xué)場(chǎng)特征及流體通量的重要方法。

原位觀測(cè)方法主要通過在錨系、浮標(biāo)、ROV和AUV等設(shè)備上搭載高清攝像系統(tǒng)和多種傳感器，來獲得海底冷泉活動(dòng)區(qū)的高清視像資料和近海底水體原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得冷泉活動(dòng)區(qū)海底表征、化學(xué)場(chǎng)特征及流體通量等，大大提高了原位觀測(cè)的精度、時(shí)間和分辨率，但其原位觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、傳感器搭載等存在局限性，僅能提供較少時(shí)間段的現(xiàn)象觀測(cè)。近年來，低成本、可移動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)序、多參數(shù)和可拓展的坐底式海底環(huán)境原位觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展迅速，已成為當(dāng)前海底冷泉原位監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段和發(fā)展趨勢(shì)[13]。海底環(huán)境原位觀測(cè)系統(tǒng)一般由搭載平臺(tái)子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、多通路供電子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、釋放與回收裝置及其他附屬設(shè)備組成[14]，通過搭載溫度、鹽度、CO2、CH4、pH、溶解氧等反映原位環(huán)境參數(shù)的傳感器，可對(duì)海底冷泉活動(dòng)區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的、可靠的近海底水體、沉積物環(huán)境參數(shù)的觀測(cè)，可以獲取海底邊界層的物理、化學(xué)和環(huán)境等參數(shù)的變化特征，能夠?yàn)樯钊胙芯亢５桌淙顒?dòng)的生物地球化學(xué)過程及其環(huán)境效應(yīng)提供寶貴的數(shù)據(jù)資料[15-19]。

1.2 海洋底質(zhì)取樣技術(shù)

冷泉碳酸鹽巖是冷泉滲漏的產(chǎn)物，是判斷冷泉是否存在的重要標(biāo)志。中國(guó)在南海、東海等地區(qū)通過底質(zhì)取樣獲得了大量的海底冷泉碳酸鹽巖樣品[19]。海洋底質(zhì)取樣技術(shù)具有作業(yè)成本低、作業(yè)效率高和船舶適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[20]，是開展海底冷泉研究不可缺少的技術(shù)手段。目前，海洋底質(zhì)取樣技術(shù)包括箱式取樣、拖網(wǎng)取樣、多管取樣、重力柱狀取樣和海底鉆探等[20-21]。其中，箱式取樣和多管取樣以獲取海底冷泉表層松軟物質(zhì)樣品為目的；海底拖網(wǎng)在獲取海底較大面積的塊狀碳酸鹽巖樣品中應(yīng)用較廣；重力柱狀取樣主要依靠自身重力可鉆獲海底冷泉表層數(shù)米厚的樣品；海底鉆探可以在數(shù)千米水深內(nèi)獲取連續(xù)厚度的海底冷泉碳酸鹽巖樣品。近些年來，隨著海洋探測(cè)方法和裝備技術(shù)的不斷提升，海底取樣設(shè)備也在不斷更新和改進(jìn)，海底冷泉底質(zhì)取樣技術(shù)正向著可視化、可控化、動(dòng)力化、智能化和多樣化發(fā)展，在常規(guī)海洋底質(zhì)取樣設(shè)備的基礎(chǔ)上，隨著電視抓斗、重力活塞式保真取樣器、深水海底鉆機(jī)等取樣設(shè)備投入使用，為海底冷泉的探測(cè)與研究提供了更豐富的技術(shù)手段[21-25]。

1.3 多道地震探測(cè)技術(shù)

冷泉活動(dòng)一般與泥底辟、流體管道、斷層和裂隙、氣煙囪、海底麻坑和泥火山等流體逸散結(jié)構(gòu)相關(guān)，通過對(duì)高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)的處理和分析，可以揭示冷泉系統(tǒng)的深部結(jié)構(gòu)特征。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始利用地震海洋學(xué)方法對(duì)海水層進(jìn)行成像，基于羽狀流與背景海水的反射地震特征差異分析冷泉系統(tǒng)在多道反射地震剖面上的活動(dòng)特征[26]。徐華寧等利用廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“奮斗四號(hào)”調(diào)查船在南海北部神狐海域采集的多道反射地震數(shù)據(jù)[27]，發(fā)現(xiàn)了羽狀流、聲波速度反轉(zhuǎn)、溢出口、海底下陷和淺部BSR等地質(zhì)現(xiàn)象，推測(cè)為甲烷氣體沿運(yùn)移通道進(jìn)入近海底沉積物中形成了天然氣水合物或溢出至海水中所致（圖1）。

圖1 多道反射地震剖面上的泥火山及冷泉羽狀流Fig.1 Mud volcano and plume of sea cold seep on multi-channel reflection seismic section

多道地震方法獲得的數(shù)據(jù)信息豐富，有利于淺層地質(zhì)信息的綜合分析，通過多道地震數(shù)據(jù)的水體成像特征可以初步確定甲烷氣體滲漏的異常反射區(qū)域，將這些異常區(qū)與下伏的沉積地層構(gòu)造特征進(jìn)行綜合解釋，可以圈定活動(dòng)冷泉流體發(fā)育位置，進(jìn)而探尋天然氣水合物成藏的相關(guān)科學(xué)問題。

1.4 淺地層剖面探測(cè)技術(shù)

淺地層剖面探測(cè)以其高效率采集過程和淺表層高分辨率的特點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于天然氣水合物調(diào)查、冷泉探測(cè)等領(lǐng)域，并取得了一系列豐碩的成果[28]。與冷泉系統(tǒng)相關(guān)的海底異常特征包括淺層氣聚集、海底流體運(yùn)移、泥火山和氣體滲漏，這種地質(zhì)現(xiàn)象在淺地層剖面上的地震反射特征響應(yīng)主要表現(xiàn)為濁反射、簾式反射、增強(qiáng)反射、聲學(xué)空白帶和聲學(xué)羽流等[29]。例如，Roy等[30]在挪威斯匹次卑爾根海域的淺地層剖面上發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)反射、聲學(xué)空白帶、羽狀流等異常（圖2）。鄭紅波等在南海北部東沙西南海域發(fā)現(xiàn)深部的天然氣水合物分解后通過斷層運(yùn)移到淺層中形成了淺層含氣帶[28]，其證據(jù)為淺層剖面上發(fā)現(xiàn)淺層含氣帶以及泄露點(diǎn)噴射到海水中形成的氣體泄露現(xiàn)象。

圖2 斯匹次卑爾根海域淺地層剖面增強(qiáng)反射、聲學(xué)空白帶、羽狀流等Fig.2 Enhanced reflections,acoustic anomalies and plumes on the shallow profiles in Spitsbergen sea areas

高分辨率淺地層剖面不僅能清晰地揭示海底淺表層的地層結(jié)構(gòu)，而且還可以反映海底淺地層中含氣帶以及發(fā)生的氣體泄露現(xiàn)象，是探測(cè)海底冷泉系統(tǒng)的有效方法。但常規(guī)的淺地層剖面探測(cè)無法避開側(cè)反射干擾，解釋存在多解性，因此，需要綜合其他調(diào)查手段來證實(shí)淺地層剖面上觀測(cè)到的關(guān)于海底冷泉的異常現(xiàn)象，且相對(duì)于聲吶探測(cè)，其分辨率較低，難以探測(cè)小氣泡的海底羽狀流。

1.5 走航式聲學(xué)遙感探測(cè)技術(shù)

走航式聲學(xué)遙感探測(cè)具有簡(jiǎn)單、快捷、方便等特點(diǎn)，適合冷泉發(fā)育區(qū)大面積快速普查。聲吶系統(tǒng)具有較高的工作頻率，在冷泉羽狀流探測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，目前被廣泛使用的聲吶類型有單波束聲吶系統(tǒng)、分裂波束聲吶系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和多波束聲吶系統(tǒng)[30-34]。在早期，聲學(xué)探測(cè)設(shè)備主要以單頻單波束、雙頻單波束以及分裂波束系統(tǒng)為主。Sassen等利用單波束回聲探測(cè)系統(tǒng)對(duì)墨西哥灣進(jìn)行探測(cè)，在該區(qū)域Green Canyon（GC）Block 185的海底圓丘發(fā)現(xiàn)從海底向上一直延伸至接近海水表面位置的海底冷泉羽狀流[35]；大洋鉆探機(jī)構(gòu)（ODP）在墨西哥灣利用單波束回聲探測(cè)器探測(cè)到從海底噴溢口逸出的甲烷羽狀流，證明了此處富含天然氣水合物（圖3）；Greinert等利用Kongsberg公司分裂波束聲吶系統(tǒng)Simrad EK500[36]，在黑海發(fā)現(xiàn)了高達(dá)900 m的甲烷羽狀流（圖4）。

圖4 海底甲烷羽狀流的聲學(xué)圖像Fig.4 Acoustic image of submarine methane plume

1.6 多波束水體聲學(xué)探測(cè)技術(shù)

對(duì)于單波束和分裂波束聲吶來說，其腳印面積隨著水深的增加而增大，聲學(xué)圖像的分辨率也隨之降低。多波束聲吶系統(tǒng)因?yàn)榫哂休^小的波束寬度和更大的波束開角，同等水深下，其聲學(xué)圖像分辨率較高，覆蓋寬度也較大[36]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)利用多波束聲吶系統(tǒng)獲得反向散射強(qiáng)度信號(hào)來識(shí)別和定位海底甲烷氣泡羽狀流。2011年，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）利用多波束水體影像在墨西哥灣北部比洛克西穹隆發(fā)現(xiàn)并標(biāo)定了大量海底冷泉羽狀流；劉斌等通過“海洋六號(hào)”科考船上Kongsberg EM122多波束聲吶采集的水體影像[37]探測(cè)到南海西北部陸坡瓊東南海域的海底冷泉羽狀流（圖5）。

圖5 南海北部陸坡海底冷泉羽狀流在多波束聲吶圖像上的形態(tài)特征Fig.5 Shapes of plume of sea cold seep on the northern slope of the South China Sea in multi beam sonar images

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所利用Kongsberg EM122多波束系統(tǒng)在中國(guó)某海域開展了針對(duì)海底冷泉泄漏活動(dòng)的多波束測(cè)深及水體聲學(xué)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)多處海底氣泡羽狀流顯示（圖6）。通過和多波束系統(tǒng)獲取的地形地貌資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域羽狀流與發(fā)源于泥火山和麻坑等特殊地貌的冷泉噴溢活動(dòng)密切相關(guān)。探測(cè)到的最高羽狀流自海底至頂部高約578 m，其形態(tài)呈彎曲炊煙狀。通過ROV原位探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證（圖7），并與國(guó)內(nèi)外類似研究對(duì)比，確認(rèn)該巨型羽流為泥火山成因的冷泉?dú)怏w滲漏的典型結(jié)果。

圖 3墨西哥灣氣泡羽狀流Fig.3 Bubble plume in the Gulfof Mexico

圖6 多波束水體探測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的數(shù)座海底泥火山同時(shí)噴發(fā)的冷泉羽狀流Fig.6 sea cold seep plumes erupted simultaneously with multiple submarine mud volcanoes during multi beam water exploration

圖7 海底冷泉羽狀流及ROV原位探測(cè)左圖：活動(dòng)冷泉噴出的高濁度流體，右圖：在海底960 m水深冷泉噴口原位合成天然氣水合物。Fig.7 Plumes of sea cold seep and in-situ detect by ROVLeft figure is high turbidity fluid ejected from active plumes of sea cold seep,right figure is in-situ synthesis of natural gas hydrate in the cold spring vent at 960 m depth.

目前深海冷泉最常用的探測(cè)方法是基于聲學(xué)的地球物理和地質(zhì)地球化學(xué)及可視化手段，但多道地震、單道地震、地球化學(xué)、地質(zhì)微生物、海底攝像等手段探測(cè)海底冷泉，通常難以兼顧作業(yè)效率和探測(cè)精度，如何高效探測(cè)海底冷泉是世界性難題。隨著海底冷泉探測(cè)和研究的深入發(fā)展，傳統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)難以滿足海底冷泉大規(guī)模探測(cè)需求，多波束水體數(shù)據(jù)相對(duì)于海底聲吶圖像與海底地形數(shù)據(jù)，攜帶有更豐富、更全面的采樣信息，具有大規(guī)模、高精度、高效率的探測(cè)優(yōu)勢(shì)，通過多波束系統(tǒng)水體掃描的類似火焰的羽狀流聲學(xué)反射圖像可以較好地識(shí)別海底冷泉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷泉的大范圍、全水深精確探測(cè)。

2 冷泉羽狀流多波束水體數(shù)據(jù)處理與特征反演方法

隨著多波束水體聲學(xué)技術(shù)在冷泉羽狀流探測(cè)中的不斷應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始有針對(duì)性地開展多波束數(shù)據(jù)處理和數(shù)值模擬工作，在提高多波束水體數(shù)據(jù)信噪比[38-39]、水體目標(biāo)物自動(dòng)提取[40-42]，以及冷泉?jiǎng)恿W(xué)特征反演方面[43-45]取得重要進(jìn)展。

由于旁瓣干擾、船舶噪音等影響，多波束水體數(shù)據(jù)中存在大量干擾。在利用多波束水體數(shù)據(jù)探測(cè)冷泉羽狀流時(shí)，往往只能采用中央波束數(shù)據(jù)，或者采用最小傾斜距離（MSR）以內(nèi)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)處理手段，極大地弱化了多波束設(shè)備覆蓋寬度大的優(yōu)點(diǎn)，限制了多波束水體數(shù)據(jù)的應(yīng)用[46-47]。汪詩(shī)奇等提出了基于強(qiáng)度分布規(guī)律的異?！盎∪Α睓z測(cè)與消除方法和基于圖像交集和差集運(yùn)算的背景噪聲削弱方法（圖8），實(shí)現(xiàn)了水體影像中噪聲的綜合抑制，保留目標(biāo)的同時(shí)改善了水體影像的質(zhì)量[48]。權(quán)永崢等提出了一種適用于平坦海底的多波束水體數(shù)據(jù)處理方法，提升了識(shí)別水體數(shù)據(jù)中目標(biāo)的能力[49]。

圖8 多波束水體數(shù)據(jù)異?！盎∪Α睓z測(cè)與消除Fig.8 Detection and elimination of abnormal “arc”in multi beam water body data

為實(shí)現(xiàn)對(duì)水體目標(biāo)（海洋內(nèi)波、魚群、沉船、氣泡、油氣泄漏）的高效探測(cè)和準(zhǔn)確分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始探索多波束水體數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理方法[50-51]。龍睿捷等通過研究羽狀流聲反射回波強(qiáng)度閾值，設(shè)計(jì)一種基于3D搜索單元的羽流氣泡三維濾波器，實(shí)現(xiàn)了墨西哥灣三維羽流數(shù)據(jù)的提取[51]。李東輝等提出一種基于單幀水體影像自動(dòng)提取沉船目標(biāo)的算法，通過分析接收旁瓣干擾特性，綜合噪聲抑制、形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)，有效地解決了水體數(shù)據(jù)不易處理、難以分辨等問題，且該算法在提取過程中并非針對(duì)特定沉船形態(tài)，對(duì)冷泉羽狀流自動(dòng)精準(zhǔn)提取具有借鑒意義[52]。

利用聲學(xué)資料對(duì)冷泉?dú)馀莸牧椒植肌⑸仙俾?、溢出通量等特征要素進(jìn)行反演,近年來成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Artemov等使用Simrad EK500聲吶系統(tǒng)對(duì)黑海第聶伯河古三角洲海域進(jìn)行了全面的探測(cè)，借鑒聲吶探測(cè)魚群密度的相關(guān)理論，對(duì)2 200多處甲烷羽狀流的氣體運(yùn)移通量進(jìn)行測(cè)算[53]。Douglas等利用Teledyne-Reson7125多波束系統(tǒng)對(duì)北海海域巨型海底冷泉羽狀流上升過程進(jìn)行了精細(xì)刻畫[54]（圖9）；Urban等基于多波束水體數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了冷泉羽狀流的動(dòng)檢測(cè),并嘗試進(jìn)行定量的氣體釋放評(píng)估[44]。華志勵(lì)等在前人計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，考慮船航向與冷泉水體流向的差異會(huì)對(duì)聲學(xué)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，改進(jìn)了冷泉?dú)馀萆仙⑷芙馑俾实亩糠囱莘椒?，綜合運(yùn)用單波束測(cè)深數(shù)據(jù)和冷泉水體流場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)鄂霍次克海（the Okhotsk Sea）千島盆地（the Kurile Basin）西部陸坡區(qū)的冷泉?dú)怏w溢出、溶解通量以及冷泉水體的甲烷濃度進(jìn)行了估算[55]。但由于現(xiàn)場(chǎng)流場(chǎng)數(shù)據(jù)不足,且缺乏冷泉羽狀流原位探測(cè)數(shù)據(jù)支撐，使得該方法目前更適合進(jìn)行較大范圍的統(tǒng)計(jì)分析,在局部計(jì)算結(jié)果的精度方面還存在較大局限。

圖9 北海海域巨型海底冷泉羽狀流上升過程示意圖Fig.9 Sketch of a megaplume in the North Sea area

3 結(jié)論與建議

利用多波束水體數(shù)據(jù)進(jìn)行冷泉羽狀流的探測(cè)正受到廣大學(xué)者的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外在聲學(xué)羽狀流探測(cè)方面開展了一些研究，確定了多波束水體數(shù)據(jù)提取冷泉羽狀流的可行性，但相關(guān)的研究大多都還處在起步階段，關(guān)于探測(cè)成功率、自動(dòng)化處理、氣體定量分析等方面的研究較少，相關(guān)難題的解決仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

多波束水體影像對(duì)深海冷泉羽狀流的立體探測(cè)與特征反演技術(shù)取得了快速的進(jìn)步，但仍缺乏系統(tǒng)的理論與方法支撐，主要存在的問題有：

（1）深海環(huán)境中，聲信號(hào)旅行時(shí)增加、噪聲信號(hào)強(qiáng)、水體影像分辨率低，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，對(duì)目標(biāo)識(shí)別產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

（2）多波束水體影像目標(biāo)識(shí)別以人工判讀為主，嚴(yán)重影響目標(biāo)提取精度和可靠性，同時(shí)通過二維剖面影像來分析水體中的三維目標(biāo)物，增加了人工識(shí)別目標(biāo)的難度。

（3）水體含氣量一般通過聲學(xué)反向散射強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)，但兩者之間關(guān)系模型尚未進(jìn)行深入研究，羽狀流氣體通量反演的精度有待提高。

（4）由于受到氣泡之間的“遮蔽效應(yīng)”或海底強(qiáng)回波的影響，氣泡滲漏源從影像中難以發(fā)覺。