随着深水工程地质勘察技术的发展，深水工程地质勘察技术为深水工程建设与开发工作提供了保证。作为技术人员，在研究深水工程地质勘察技术过程中，要结合具体工程实际，科学制订更加完善的勘察技术方案，确保勘察工作质量，有效地为深水工程工作开展奠定基础。
一、深水工程物探技术研究现状
⒈水下声学定位技术
水下声学定位可通过水声设备对位于水下的设备等的位置、距离进行准确的测量，实现精度较高的水下定位。在实施海底勘探工作期间，通常会应用声脉冲群定位，结合声基线的位置或者声学单元的距离对声学系统进行分类，如超短、短或长基线定位系统等。其中超短基线的优势在于成本较低，操作难度不高，所需的换能器较少，但测量的精度更高。短基线的优势在于价格合理，操作简便，换能器的占地面积较小，安装较为方便。长基线系统的优势体现在定位的精准性较强，换能器体积小，安装也较为便利。我国的声学定位技术已经发展到成熟阶段，但在对长距离的定位方面还具有更宽广的发展空间。国际上对于该项技术的研发较早，且应用范围面积较大，精度较高，通常多用于军事方面，如图1所示。
图1 长基线定位示意图
⒉海底浅层声探测技术
该项技术能够利用声学高分辨的发声系统，通过不同频率和振幅对海底的浅层进行勘测。该技术主要有单波束、多波束探测、浅层剖面探测等多种技术类型，高频通常应用到探测海水深度等情况，低频主要用于探测深海深度同时获得海底的剖面图。
⑴声成像技术
在声成像技术中，侧扫声呐技术较为关键，通常会用于深水勘测。实施深拖作业时，拖体与海底的高度距离会受到海底起伏的直接影响，通常需将高度控制在50～100m范围内。
潜器搭载的高度控制难度不大，可保持与海底的距离在50m以内。近期，侧扫声呐技术主要表现出下述技术特征：①结合高速侧扫声呐技术，深入优化多脉冲与多波束声呐技术；②应重视结合三维测深技术，有效地分析深海形态与深度，进而掌握准确数据；③科学地发展合成孔径技术，该技术的发展具备高分辨率的优点，横向分辨率指标可达声呐阵长度的50%，同时不会因距离的变化而产生变化。海底浅层声探测图如图2所示。
1—垂直深度；2—声探扇面；3—斜面深度；4—底部长度；5—海平面距离；6—声探夹角；7—横向距离
当前使用频率较高的侧扫声呐技术在应用过程中会表现出下列弊端：①精度方面还需进一步提升，主要原因在于横向分辨率与声呐阵的水平宽度直接相关，分辨率会在距离提高的同时随之提升；②无法形成精准的海底高度指标，目前只有两种声呐可形成海底的三维图像。其中等深线成像可广泛应用于大面积测量工作，反向散射声成像主要用于对水下环境进行精准度更高的测量。
合成孔径声呐是分辨率更高的水下成像声呐技术，其分辨率指标与距离和所使用的声波频段并无直接关系，这也可作为合成孔径测试声成像的明显优势特征。当前国际上的SAS探测技术及相应的设备发展已经进入成熟阶段，行业内多数设备生产企业，如Kongsberg等均已陆续推出了自己的SAS产品。不同产品在技术方面还存在一定的差异，分辨率通常在2.5～10cm范围内，测绘宽度为500～600m。我国也有部分科研机构已经开展了SAS技术及其产品的研发工作，主要有哈尔滨工程大学等院校，其中中科院在“九五”计划中便已经研发出湖试样机，并于2012年对产品进行定型，当前已经进入商业推广阶段。而苏州桑泰海洋仪器研发有限责任公司和中科探海(苏州)海洋科技有限责任公司均有较为成熟的市场化合成孔径声呐产品面世。
⑵地层剖面技术
该项技术可用于海底浅层结构和对沉积特征的探测工作。主要应用原理与侧扫声呐等技术相似，区别为浅层剖面系统的发射频率更低，形成声波的脉冲量更大，发生声波的穿透力更强，能够穿透海底几十米的地层进行探测。当前应用频率较高的海底浅层剖面系统主要为下述2种类型。
①线性调频声呐浅地层剖面系统。该类技术属于宽频带主动声呐，最早产生于20世纪80年代末。线性调频声呐的脉冲重复性较高，由于其频带更宽，因此所承载的信息量也更大，推动了该项技术广泛的应用。但其换能器的体积更大，因此一般情况下会安装在专门用于深水勘探的船底，形成窄波束多阵元发射系统，一般的工作频率可依据水下作业的深度确定使用2～8kHz或者8～23kHz，从而迎合不同地层分辨率的需求。
②非线性调频声呐（参量阵）浅地层剖面系统。该系统的原理为在同一换能器上增加两个频率各异的声波。在数据传输过程中形成差频波，通过对差频波进行控制，形成更低的声波，进一步加强勘察深度，提高该技术的穿透力。原频频率较高，便可尽量压缩换能器的体积，波束的开角也更窄，差频声波具有与原频主瓣相同的指向性，且不存在旁瓣，这样便不会受到差频的影响，因此参量阵声呐可在海底探测工作中发挥出更为明显的特征，主要体现在以下3个方面：①换能器的体积更小，便于携带和使用；②波束更窄，同时加强了分析过程的数据分辨率，通过准确的推断海底地形，降低差频，提高穿透力，利于加强深积层的数据分析能力；③差频频率达到可控水平，能传输大量的信息内容，方便对沉积层进行科学的识别。见图3所示，为探测掩埋电缆的声图。
图3 参量阵浅地层剖面系统探测掩埋电缆声图
⒊潜器勘探技术
随着深海勘探需求的不断提升，运用一般性的船载设备进行勘探和调查已经难以达到理想的效果，此时深拖调查系统便可弥补上述不足。该系统从根本上讲，是拖曳于船后的地质、物理观测系统，需在拖曳式航行设备上使用，组合成精度更高的定位系统，主要包括地层剖面仪、连续测温装置等。
深拖调查系统可对海底的地磁、地热等情况进行准确的监测，同时完成海底的摄影和取样等工作内容。在作业水深逐渐提升的背景下，后拖距离也会随之提升，导致超短基线无法获得更为准确的定位，此时便可应用双船作业形式来优化探测的精度。潜器勘探技术还包括AUV系统，主要是无缆自带动力作业的航行设备。我国的AUV调查系统可达到的最大探测深度为3000km，西方高技术水平的调查系统探测深度可达到6000km。运用AUV调查系统深水工程物探调查，加强了深海勘察效率，能准确的获取相关数据，这也标志了我国自主研发能力的提高。随着潜器勘探技术的广泛应用，必然会加强深水工程地质勘察能力，从而保证深水工程的开发与建设质量。图4为中科院声学所的6000米声学深拖系统。
图4 6000米声学深拖系统
二、深水工程地质调查技术研究现状
⒈深海浅表层取样与原位测试技术
⑴长管柱状取样技术
该项技术通常应用于海底的浅表取样作业，能够获得柱状沉积物作为样本。结合不同的触底方式，又可分为重力柱状取样和重力活塞取样两种设备类型。其中前者又由重锤和取样管组成，后者包括重锤、释放器系统等。在实施作业期间，需运用缆绳将取样管置于水下，以自由落体的形式进入海底，通过缆绳将内置的活塞拉回取样器的顶端，海底的沉积物便会随着活塞的上升进入取样设备。我国在“十一五”规划期间已经研发出重力活塞取样设备，最大作业深度可达3000m，水深取样器的长度可达25.5m，其技术已经达到国际领先水平。
图5 科考队员在布放重力柱状取样设备
⑵原位测试技术
该项技术需基于岩土原本的位置，以原状态和应力对岩土的性质进行探测。通常可应用原位测试手段，主要为载荷试验及波速测试等，能够有效避免在取样期间受到应力释放的影响，同时其影响范围更大，具有更高的典型性特征。其缺陷主要体现在能够影响原位测试结果的因素较多，原位测试对应条件不同等问题上。国际上的原位测试技术已经发展到成熟水平，能够结合不同的水下深度运用相应的测试设备，我国对于该项技术的研发较为滞后，且普遍存在设备缺乏稳定性和灵活性等方面的问题。
⒉深水钻孔取样
⑴浮船式深水工程地质钻探技术
运用浮船式方式进行地质钻探，仍然可作为当前深水探勘的惯用手段，通常在深度较高的地层沉积物提取方面应用。国外在船载深水地质取样方面的技术研发起步较早，且技术水平相对成熟，已经具有30年以上的实践经验，可满足深度在3000m以内的勘探要求。浮船式地质钻探技术设备需运用门市双塔型井架，同时配置大通径的定驱装置，有效提升钻井的效率。我国在该项技术的研究中较为滞后，目前已经研究出“海洋石油708船”，其钻探深度可达3000m，见图6。
图6 海洋石油708船
⑵深水海底工程钻探技术
当前我国在深海钻探技术的研发方面已经获得了较大的成功，国外深海工程的钻机设备多使用双管及绳索进行取样，但在作业的能力方面还存在一定的差别。其中日本设备可达到的作业水深为6000m，欧美设备可达到的作业深度为2000～3000m。国内的钻机深度可达3000m。钻探已经表现出较高的自动化等特征。
三、深水工程勘察技术的发展方向
当前我国的深水探测技术研发已经进入高速发展时期，功能性和精准度日益提升，这与我国的海洋战略关联度较高。高精度的多波束技术已经应用到各勘测作业中，可有效提升物探的实施效率，同时可为海底地貌勘测提供更为准确的参考。深水灾害是油气勘探的主要威胁因素。对此国际上已经达成共识，积极尝试对油气勘探相关技术进行融合实施。
工程勘察可对地质灾害进行准确评估，未来可广泛应用工程物探与检测等多项行业前沿的技术手段。无人潜器的体积会逐渐缩小，且兼容性更高，具有更高的续航能力，可持续优化定位的精准度。此外，应用具有更高分辨率的二维系统实施三维地震采集等技术能够直接对岩土的特征数据进行提取，并通过系统对作业的可靠性进行优化，以海底模式为基础的工程钻探可在不远的将来，成为水深在1500m以上的作业钻探取样的主要应用手段，同时起初用于电缆测井与随钻测井的技术手段也会在深水浅层地质和水合物钻探的调查中获得更为频繁的应用。
四、结束语
深水工程勘察技术向着更加高效、安全的方向发展，为全面加强深水工程勘察技术应用效率，技术人员要通过工作实践，不断创新技术应用方式，科学的制订更加完善的勘察技术体系，从而保证深水工程勘察技术水平不断提高。
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【作者简介】文/张发山 曹文旭 张达，均来自中国冶金地质总局青岛地质勘查院。第一作者张发山，男，1984年出生，河北沧州人，工程师，主要研究方向为地质工程。文章来自《建筑技术开发》（2021年第12期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，除图2外本文图片及说明均由我平台加载，内容略有补充，转载请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。
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