深遠(yuǎn)海磁力日變觀測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

杜潤林， 孫建偉， 陳曉紅， 劉李偉,， 李攀峰

(1.青島海洋地質(zhì)研究所 青島 266071;2.中國石油大學(xué)(華東) 257061)

0 引言

在海洋磁力測量中，磁力日變影響是海洋磁力測量的最主要誤差源。但在深遠(yuǎn)海區(qū)域進(jìn)行磁力測量時，工區(qū)遠(yuǎn)離陸地，無法架設(shè)陸地磁力日變站，因此現(xiàn)階段，國內(nèi)已陸續(xù)有相關(guān)單位開始直接在測區(qū)或測區(qū)附近布放潛標(biāo)式海底磁力日變站，并取得了一定成功經(jīng)驗(yàn)[1-3]。在已有工作的基礎(chǔ)上，對潛標(biāo)式海底磁力日變站的設(shè)計和布放進(jìn)行了改進(jìn)，每套潛標(biāo)系統(tǒng)至少布設(shè)兩個磁力日變站，確保日變數(shù)據(jù)的完整性，并在關(guān)鍵部位進(jìn)行加固，提高整套系統(tǒng)的安全性。通過在西太平洋海域?qū)υ撎状帕θ兆儩摌?biāo)系統(tǒng)進(jìn)行成功的布放回收，有效驗(yàn)證了該套觀測系統(tǒng)的安全可靠性，且獲取的日變數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)能夠滿足規(guī)范要求。

1 潛標(biāo)式磁力日變站系統(tǒng)設(shè)計

潛標(biāo)日變站系統(tǒng)由銥星信標(biāo)、打撈浮球(1個)、主浮球(24個)、sentinel磁力日變站(2臺)、釋放器(3臺、其中兩臺并聯(lián))、重力錨、凱夫拉纜繩、錨鏈和卸扣等其他配件串聯(lián)組成，潛標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。海水里，每個釋放器重量為28 kg，磁力日變站為25 kg，凱夫拉繩(5 000 m)為5 kg，卸扣、旋轉(zhuǎn)環(huán)等為8 kg。打撈浮球浮力為30 kg，每個主浮球浮力為25 kg，浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重量，因此具備上浮條件，而且最下面釋放器配有5個主浮球，釋放后同樣會露出水面。

圖1 潛標(biāo)日變站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system structure of submarine beacon day transformer station

安裝Sentinel海底磁力日變站時，若設(shè)備兩端直接連接潛標(biāo)則上下接頭持續(xù)受力，在拉力和水壓作用下可能會造成殼體漏水；該套系統(tǒng)采用尼龍夾具將設(shè)備固定在纜繩上，并在設(shè)備兩端用凱夫拉繩做保險繩，確保儀器持續(xù)安全工作[4]。同時潛標(biāo)系統(tǒng)加長了錨系纜繩，使日變站盡量遠(yuǎn)離聲學(xué)釋放器和地錨等鐵磁性物質(zhì)，減少干擾。

為有效提升潛標(biāo)的回收成功率，降低系統(tǒng)風(fēng)險，該潛標(biāo)底部配置了3臺聲學(xué)釋放器， 其中2臺釋放器并聯(lián)在距海底1 000 m處，另1臺加裝在其上端，視海水深度進(jìn)行調(diào)節(jié)。釋放器可實(shí)現(xiàn)對潛標(biāo)的實(shí)時測距、定位和回收，回收儀器時，釋放器通過頂部的聲學(xué)換能器接收釋放指令，釋放器內(nèi)的電機(jī)將轉(zhuǎn)動并牽引系留構(gòu)件打開，鋼鏈從系留環(huán)中松脫，整個潛標(biāo)系統(tǒng)在浮球的作用下浮到水面，任意1臺聲學(xué)釋放器的成功釋放均能確保潛標(biāo)系統(tǒng)的順利上浮。

為了防止重力錨和連接釋放器處扭力過大，該系統(tǒng)在釋放器下端加裝旋轉(zhuǎn)環(huán)，有效釋放海水?dāng)_動時產(chǎn)生的扭力。

根據(jù)前期收集工區(qū)水深地形數(shù)據(jù)，設(shè)計潛標(biāo)日變站長度，具體要求：由于海底磁力日變站站位水深對地磁有效信息的保留存在一定的相關(guān)性，隨著水深增大，其保留的信息量逐漸減少，即海水層對地磁信息有著明顯的衰減作用[5-8]。因此在大洋中，應(yīng)盡量避免日變站沉放深度超過1 000 m，據(jù)此該潛標(biāo)系統(tǒng)中磁力日變站分別布放至水下200 m和水下500 m處，有效減少海水層對地磁信息的過濾，并避免因日變站因沉放過淺導(dǎo)致其隨海流波動[9]。

潛標(biāo)布放時最佳速度為船舶對水1.5節(jié)～2節(jié)，兼顧安全及效率。因此當(dāng)表層流速低于1.5節(jié)時，選擇頂流布放；表層流速在1.5節(jié)～2節(jié)時，選擇靶心位置原地布放；表層流速高于2節(jié)時，選擇船尾對準(zhǔn)靶心順流布放[10-11]。

2 海底日變站位置選取

出于安全布放及順利回收的考慮，結(jié)合收集的作業(yè)區(qū)水深地形數(shù)據(jù)、地磁場數(shù)據(jù)及潮流數(shù)據(jù)，選擇地形平坦、潮流較小且地磁場變化較小的區(qū)域作為靶心點(diǎn)，并根據(jù)靶心點(diǎn)的水深初步設(shè)計潛標(biāo)式海洋磁力日變觀測系統(tǒng)。到達(dá)測區(qū)后，利用多波束測量靶心點(diǎn)附近地形，根據(jù)多波束測量結(jié)果，選擇靶心附近地形平坦位置，對靶心點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，使之位于平坦位置的中心[12]。根據(jù)調(diào)整后的靶心點(diǎn)處水深，對潛標(biāo)式海洋磁力日變觀測系統(tǒng)初步設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。

3 潛標(biāo)日變站精確定位

潛標(biāo)入水后，重塊在海流的的影響下會發(fā)生漂移，在深海海域中漂移的距離隨著深度增大，導(dǎo)致潛標(biāo)在海中的實(shí)際位置與入水經(jīng)緯度存在數(shù)百米的誤差[13]。對于深海海域，潛標(biāo)整體長度在1 000 m～6 000 m之間，在海流的影響下，潛標(biāo)姿態(tài)往往有一定的傾斜，主浮球與重塊的水平距離可以達(dá)到幾百米甚至近千米。為了得到潛標(biāo)在水中的實(shí)際位置，以便后續(xù)回收，有必要進(jìn)行重新定位以降低回收風(fēng)險。

以重力錨入水點(diǎn)為圓心，半徑為2 000 m的圓上，均勻取三個定位點(diǎn)(呈等邊三角形)A(X1,Y1)、B(X2,Y2)、C(X3,Y3)點(diǎn)。將船靠近定位點(diǎn)，調(diào)整船位使右舷朝向重力錨入水點(diǎn)，在右舷對釋放器(D點(diǎn))進(jìn)行測距，每個點(diǎn)位測量三次后取平均值，依次得到三個定位點(diǎn)到釋放器的距離分別Dis1、Dis2、Dis3，通過計算就可以得到D在平面ABC上投影點(diǎn)E的坐標(biāo)(X,Y)及DE的距離(圖2)，首先根據(jù)勾股定理得到式(1)～式(3)。

圖2 三點(diǎn)定位示意圖Fig.2 Three point positioning diagram

AE2+DE2=AD2

(1)

BE2+DE2=BD2

(2)

CE2+DE2=CD2

(3)

式(1)減式(2)得式(4),式(2)減式(3)得式(5)，把坐標(biāo)點(diǎn)帶入，可以求得E點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y)的值，然后帶入到式(8)求得DE，這樣就得到潛標(biāo)在水中的準(zhǔn)確位置，提高了回收效率。

AE2-BE2=AD2-BD2

(4)

BE2-CE2=BD2-CD2

(5)

(X-X1)2+(Y-Y1)2-(X-X2)2-

(Y-Y2)2=Dis12-Dis22

(6)

(X-X2)2+(Y-Y2)2-(X-X3)2-

(Y-Y3)2=Dis22-Dis32

(7)

DE2=Dis12-(X-X1)2-(Y-Y1)2

(8)

潛標(biāo)回收時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)流等參數(shù)，將船舶?？繚摌?biāo)點(diǎn)下流處700 m～800 m處，并將船舷一側(cè)對著回收點(diǎn)，將聲學(xué)換能器垂直放入水面以下3 m處進(jìn)行測距工作，當(dāng)有穩(wěn)定的測距信號時，對釋放器發(fā)送釋放指令，并實(shí)時檢測水下釋放器狀態(tài)。在找到潛標(biāo)之前，一直保持測距中，實(shí)時檢測潛標(biāo)距離的變化。

4 實(shí)際應(yīng)用

通過在西太平洋某海域?qū)摌?biāo)式磁力日變系統(tǒng)進(jìn)行布放，首先根據(jù)前期收集資料設(shè)計潛標(biāo)投放點(diǎn)位為圖3中黑色圓點(diǎn)位置，此處周圍地磁場較為平穩(wěn)。到達(dá)地磁日變站設(shè)計點(diǎn)位后，利用多波束對設(shè)計點(diǎn)位附近地形進(jìn)行掃測。根據(jù)實(shí)測地形結(jié)果對地磁日變站點(diǎn)位進(jìn)行微調(diào)，選擇相對平坦開闊的區(qū)域作為地磁日變站觀測點(diǎn)，實(shí)際測量中此點(diǎn)位在設(shè)計點(diǎn)位偏南1.5 km位置(圖3中紅色圓點(diǎn))，距工作區(qū)最遠(yuǎn)約366 km，滿足規(guī)范要求，在水深為200 m和500 m各布設(shè)一個日變站。 潛標(biāo)釋放完成后進(jìn)行三點(diǎn)定位，得到日變站準(zhǔn)確位置為圖3紅色五角星位置。

圖3 潛標(biāo)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of submarine buoy position

本次潛標(biāo)釋放速度約為1 m/s，水深為5 100 m，因此全部放完需要約2 h。布放潛標(biāo)時流速在1節(jié)左右，頂流釋放對地0.5節(jié)，2 h路程1.8 km，過靶心點(diǎn)為300 m釋放，故靶心點(diǎn)下游1.5 km處開始釋放。

海底日變站從布放入水到完成回收，前后時間長達(dá)32 d。安全回收后檢查發(fā)現(xiàn)，兩個磁力日變站均無浮游生物附著現(xiàn)象，關(guān)鍵連接部件未受海水腐蝕，外觀基本完好。

5 數(shù)據(jù)分析和討論

對比分析圖4發(fā)現(xiàn)，200 m與500 m水深處地磁日變數(shù)據(jù)走勢基本一致，成周期信號特點(diǎn)，相對變化是以一天為周期而周而復(fù)始，每天幅度變化在60 nT左右。一天之內(nèi)具有明顯的晝夜差異，日間的幅度波動較大，夜間則較為平靜，一般早晨有一個極大值，午后有一個極小值，符合一般地磁日變規(guī)律。個別數(shù)據(jù)有3 nT左右的抖動，推斷為在水中受海流的影響擺動造成；所獲取的地磁日變數(shù)整體光滑、連續(xù)，未發(fā)生磁暴現(xiàn)象，符合規(guī)范要求。

圖4 磁力日變曲線圖Fig.4 Diagram of geomagnetic diurnal variation

對兩組地磁日變數(shù)據(jù)使用式(9)分別求取標(biāo)準(zhǔn)差，得到水深200 m處的地磁日變數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.091，水深500 m處的地磁日變數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.089，這是由于隨著水深增大，水層對地磁信息有著明顯的衰減作用，其保留的信息量逐漸減少導(dǎo)致的。

(9)

在日變站釋放點(diǎn)位置，還試驗(yàn)了船載磁力儀方法進(jìn)行日變測量，利用有人船作為水面平臺垂直吊放一臺磁力儀在水下100 m處進(jìn)行日變觀測，數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz，以觀測點(diǎn)為圓心5 km半徑范圍內(nèi)漂航方式進(jìn)行地磁日變數(shù)據(jù)采集，當(dāng)船只超出設(shè)置的5 km半徑區(qū)域，啟動船只緩慢航行歸位至觀測點(diǎn)。

利用與工區(qū)緯度相近的越南大叻地磁臺站日變數(shù)據(jù)，對潛標(biāo)、船載和地磁臺站三種數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析(圖5)，從圖5可以看出,潛標(biāo)和船載測量的日變數(shù)據(jù)走勢基本一致，但潛標(biāo)數(shù)據(jù)較光滑，船載方式采集的數(shù)據(jù)有跳點(diǎn)。船載測量易受天氣和海浪等不可抗拒因素影響，在海面晃動較大，造成磁力儀在水中位置不穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量比潛標(biāo)式測量差，但船載方式可以實(shí)時觀測日變數(shù)據(jù)，如有磁暴等能夠及時發(fā)現(xiàn)并通知母船，避免不必要的重復(fù)測量。

圖5 地磁日變數(shù)據(jù)對比圖Fig.5 Comparison chart of geomagnetic diurnal variation data

與潛標(biāo)和船載數(shù)據(jù)相比，越南國際地磁臺站數(shù)據(jù)的幅度變化更大，出現(xiàn)這種差異的原因在于海水和陸地對地磁觀測的影響程度不同，海水成分較為單一，而陸地則可能由不同巖性的巖石、泥土、砂礫等物質(zhì)構(gòu)成，成分復(fù)雜，其頻率成份相對比較豐富,因此對地磁觀測的影響相比海水影響更為復(fù)雜[6],而且由于工區(qū)位置和越南國際地磁臺站位置相差太遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)精度可靠性較低，因此遠(yuǎn)離測區(qū)的陸地臺站難以反應(yīng)測區(qū)的實(shí)際日變化，在測區(qū)布設(shè)日變站是非常必要的。

綜上所述，本次日變觀測方法選擇合理，日變站位置選擇得當(dāng)，日變數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作穩(wěn)定正常，取得的地磁日變數(shù)據(jù)可以滿足地磁日變改正的要求。

6 實(shí)測數(shù)據(jù)校正

根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.8-2007)要求[14]，對本次實(shí)測磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，包括拖纜長度校正、日變校正、正常場校正和船磁校正，得到磁力異常值。

ΔT=T-Td-Ts-T0

(10)

式中：ΔT為地磁異常值;T為地磁場總磁場測量值;T0為地磁正常場值;Td為地磁日變偏差值;Ts為船磁影響偏差值。

對比圖6、圖7可以看出，使用這里潛標(biāo)系統(tǒng)得到的日變數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，消除了日變對磁場的影響。為了消除系統(tǒng)誤差需要進(jìn)行測網(wǎng)平差，平差后得到本次工區(qū)交點(diǎn)均方差為2.10 nT，符合《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.8-2007)要求，證明了日變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖6 日變校正前磁力異常圖Fig.6 Magnetic anomaly map before diurnal variation correction

圖7 日變校正后磁力異常圖Fig.7 Magnetic anomaly map after diurnal variation correction

7 結(jié)論

對海底日變站系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使其適應(yīng)在深海行地磁日變測量，從而提高深海日變觀測精度和安全性。

1)通過對浮球、磁力儀、聲學(xué)釋放器等裝置進(jìn)行必要的加固連接和改進(jìn)，并引入三點(diǎn)定位技術(shù)提升定位精度，設(shè)計了一套適用于深水的潛標(biāo)式磁力日變觀測系統(tǒng)，整套觀測系統(tǒng)能夠滿足長時間連續(xù)采集和高效回收的需求，并能消除海水層對磁力日變值的衰減，有效提高地磁日變數(shù)據(jù)的采集精度。

2)在西太平洋某海域利用潛標(biāo)系統(tǒng)獲取的地磁日變數(shù)據(jù)平滑穩(wěn)定，對實(shí)測磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行日變校正，得到的磁力異常結(jié)果滿足規(guī)范要求，證明了此方法的可靠性和安全性，可以為后續(xù)磁力日變校正提供寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。