摘 要：海底管線主要包括供水、供油、供氣、排污等鐵質(zhì)、水泥質(zhì)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(lái)快速準(zhǔn)確探明海底管線的平面位置和走向，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)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(chǔ)是海底管線與周?chē)橘|(zhì)的磁性差異，這種差異容易受到管線埋深和周?chē)橘|(zhì)的影響，另外，鑒于磁法勘探的深度確定是通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算或正反演擬合而得，故其在縱向深度的探測(cè)精度需要其他更加直接的方法驗(yàn)證，比如人工探摸驗(yàn)證，或者采用其他的物探方法進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：海洋；磁力；探測(cè)技術(shù)

1 工作原理

1.1 海洋磁力測(cè)量技術(shù)

光泵磁力儀建立在塞曼效應(yīng)基礎(chǔ)之上，下圖所示為光泵磁力儀原理框圖。一個(gè)裝有堿金屬蒸氣的容器（吸收室）是光泵磁力儀的核心部件。光源產(chǎn)生的光線經(jīng)過(guò)透鏡、濾鏡和偏振片后形成紅外圓偏振光，偏振光隨即通過(guò)吸收室，之后光束聚焦在一個(gè)紅外光檢測(cè)器上。

圖1 光泵磁力儀原理框圖

紅外圓偏振光進(jìn)入吸收室后，光子將撞擊到堿金屬原子。如果堿金屬原子擁有相對(duì)于光子合適的自旋方向，光子將被捕獲并使得堿金屬原子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)高能級(jí)，光子被捕獲使得光束強(qiáng)度被削弱。一旦大多數(shù)堿金屬原子已經(jīng)吸收過(guò)光子并處于不能再吸收其它光子的狀態(tài)，則吸收室所吸收的光線將大幅度減少，并將有最多的光線擊中光檢測(cè)器。

這時(shí)如果有具特定頻率的震蕩電磁場(chǎng)進(jìn)入吸收室內(nèi)，原子將被重新激發(fā)至能夠吸收光子的方向上，這時(shí)將有最少的光線擊中光檢測(cè)器。這個(gè)特定頻率被叫做拉莫爾頻率（f），拉莫爾頻率與環(huán)境磁場(chǎng)有著精確的比例關(guān)系，因而可以通過(guò)測(cè)量光檢測(cè)器上光強(qiáng)度最弱時(shí)的震蕩電磁場(chǎng)的頻率來(lái)測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)T的大小。即

T=Kf （1）

式中T為被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)，f為拉莫爾頻率，K為比例因子。K對(duì)于特定的堿金屬來(lái)說(shuō)為一常數(shù)，K因堿金屬的不同而改變。

當(dāng)外磁場(chǎng)T變化時(shí)，改變此震蕩電磁場(chǎng)的頻率，使其始終維持通過(guò)吸收室的光線最弱，即使震蕩電磁場(chǎng)的頻率自動(dòng)阻蹤外磁場(chǎng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)T的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量。

1.2 淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面的基本原理是聲學(xué)原理。聲波是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種形式，由物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生，通過(guò)質(zhì)點(diǎn)間的相互作用將振動(dòng)由近及遠(yuǎn)地傳播。聲波在不同類(lèi)型的介質(zhì)中具有不同的傳播特征，當(dāng)巖土介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和密度等因素發(fā)生變化時(shí)，聲波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分等亦將發(fā)生相應(yīng)變化，在彈性性質(zhì)不同的介質(zhì)分界面上還會(huì)發(fā)生波的反射和透射。因此，人們利用這一原理研制了淺地層剖面儀，用于探測(cè)聲波在巖土介質(zhì)中的傳播速度、振幅及頻譜特征等信息并推斷相應(yīng)巖土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和致密、完整程度，并做出相應(yīng)評(píng)價(jià)。

2 磁力探測(cè)具體應(yīng)用

2.1 海洋磁力探測(cè)

海洋磁力儀，對(duì)金屬物體或構(gòu)件的磁化率最強(qiáng)，可用于檢測(cè)鋼管或鐵管等管道是否存在并測(cè)定其平面位置。采用磁力儀進(jìn)行管線探測(cè)，根據(jù)磁力儀在探測(cè)時(shí)產(chǎn)生的不同磁化強(qiáng)度和物體在地磁場(chǎng)中所引起的磁場(chǎng)變化 （即磁異常），通過(guò)這些磁異常的空間分布特征、分布規(guī)律及其與磁性、體 （場(chǎng)源） 之間的關(guān)系，從而達(dá)到尋找場(chǎng)源 （探測(cè)目標(biāo)體） 的目的，并提供場(chǎng)源的位置、埋深及規(guī)模等相關(guān)信息。

操作步驟：

數(shù)據(jù)讀?。?/p>

一旦主機(jī)進(jìn)行循環(huán)顯示，讀數(shù)也將穩(wěn)定地輸出讀取。實(shí)際顯示的頻率數(shù)值也許在某一些值上與地圖所示的值有所不同，這個(gè)并不重要。重要的是數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定且當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，人們能夠知道是由于金屬目標(biāo)物造成的。如果人們?cè)谟性肼暩蓴_（例如電臺(tái)、變電站等發(fā)出的電子噪聲）的陸地上進(jìn)行儀器操作，數(shù)據(jù)讀取的數(shù)據(jù)將發(fā)生紊亂。磁力儀在水中的探測(cè)效果要比在陸地上好，那是因?yàn)槌舜皼](méi)有別的干擾產(chǎn)生。

拖拽牽引：

在甲板上解開(kāi)拖纜，在船舷外緩慢下放拖魚(yú)，牽引時(shí)速為 1-2MPH（英里/小時(shí)）。緩慢的釋放拖纜，以防纜繩打結(jié)。防止纜繩在拖拽過(guò)程中極度扭曲。不要將纜繩系掛在夾板上。不要將纜繩纏繞在電機(jī)附近，或者從電機(jī)附近穿越。電機(jī)產(chǎn)生的大量電子干擾噪聲，很容易不電纜接收，從而引起數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。在航行拖拽快要結(jié)束時(shí)，不要進(jìn)行非常大的轉(zhuǎn)向掉頭操作，但保證一個(gè)合適的航速將有效地防止拖魚(yú)沉到水底。在時(shí)速 2MPH，牽引長(zhǎng)度為 150 的情況下，拖魚(yú)大約在 20英尺的水深中拖行。

航跡線設(shè)置：

沿著航跡線大約需要投放20個(gè)浮標(biāo)且兩個(gè)浮標(biāo)間距離 1000 英尺。讓測(cè)量航跡順著一個(gè)浮標(biāo)到另一個(gè)浮標(biāo)，直到完全覆蓋整個(gè)方格塊區(qū)域。為了雙重檢驗(yàn)，可以在兩個(gè)浮標(biāo)間進(jìn)行二次復(fù)測(cè)。在完成第二次航測(cè)后，回收拖魚(yú)和所有的浮標(biāo)（除了最外邊的4個(gè)浮標(biāo)，以便作為參照）。接著在鄰接的方格塊內(nèi)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到完成整個(gè)區(qū)域的探測(cè)。

圖2 航跡線設(shè)置圖

目標(biāo)定位：

小目標(biāo)：（在一兩個(gè)循環(huán)周期內(nèi)持續(xù)都有小或大的磁力值變化）如果人們可以得到非常多的顯示有小金屬物的磁力值讀數(shù)，那么在顯示有最大的變化量的讀數(shù)時(shí)投放一個(gè)浮標(biāo)，緊接著過(guò)了 50英尺后再投放第二個(gè)浮標(biāo)。然后調(diào)轉(zhuǎn)船向并回收拖魚(yú)，用一根與拖纜相同長(zhǎng)度的纜繩拖拽著第三個(gè)浮標(biāo)。

測(cè)船反方向沿著1號(hào)和2號(hào)浮標(biāo)的航跡線行駛。當(dāng)3號(hào)浮標(biāo)與1號(hào)浮標(biāo)同一位置時(shí)，測(cè)船拋錨，此時(shí)測(cè)船就在目標(biāo)物上方。

圖3 小目標(biāo)定位圖

注：在下潛搜尋前，應(yīng)該應(yīng)用磁力儀進(jìn)行多次不同路徑的探測(cè)校驗(yàn)。

大目標(biāo)：（在很多個(gè)循環(huán)周期內(nèi)持續(xù)都有小或大的磁力值變化）沿著參考直線開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)時(shí)，即投放第一個(gè)浮標(biāo)。繼續(xù)保持相同的航向，當(dāng)磁力儀探測(cè)不到目標(biāo)后即投放第二個(gè)浮標(biāo)。 調(diào)轉(zhuǎn)船向且從反方向沿著之前的航跡線行駛。人們將再次探測(cè)到目標(biāo)。當(dāng)再次探測(cè)不到目標(biāo)隨即投放第三個(gè)浮標(biāo)。

圖4 大目標(biāo)定位圖

注：在這一點(diǎn)上，人們知道了目標(biāo)物坐落在2號(hào)和3號(hào)浮標(biāo)之間的中心區(qū)域，但人們卻不知道目標(biāo)是坐落在左邊還是在右邊。接下來(lái)的一些探測(cè)路徑將指示出目標(biāo)的位置。

在投放了3號(hào)浮標(biāo)后，調(diào)轉(zhuǎn)船頭，航行到與2號(hào)和3號(hào)浮標(biāo)航跡線的垂直正交線上。沿著這條航行參考線，當(dāng)磁力儀探測(cè)到目標(biāo)物時(shí)，立即投放4號(hào)浮標(biāo)且繼續(xù)航行。當(dāng)探測(cè)不到目標(biāo)后，投放5號(hào)浮標(biāo)。調(diào)轉(zhuǎn)船頭且沿著反方向航行。重復(fù)上一次的流程，當(dāng)再一次探測(cè)不到目標(biāo)后，投放第 6號(hào)浮標(biāo)?；厥胀萧~(yú)，將測(cè)船在5號(hào)和 6號(hào)浮標(biāo)之間拋錨，下潛搜尋目標(biāo)。下圖折線最低點(diǎn)為磁力異常點(diǎn)。

圖5 磁力儀探測(cè)圖

2.2 淺地層剖面探測(cè)

由于磁法勘探的基礎(chǔ)是海底管線與周?chē)橘|(zhì)的磁性差異，這種差異容易受到管線埋深和周?chē)橘|(zhì)的影響，采用淺剖儀進(jìn)行檢查復(fù)合。

淺地層剖面法探測(cè)采用船只作業(yè)，將儀器探頭固定于船側(cè)某一位置，開(kāi)動(dòng)船只低速在設(shè)計(jì)的測(cè)線上進(jìn)行探測(cè)，并采用GPS-RTK進(jìn)行同步定位，海上作業(yè)需進(jìn)行潮位觀測(cè)及水深測(cè)量，以便準(zhǔn)確判定目標(biāo)管線的埋深在海域獲得的淺剖數(shù)據(jù)資料比較直觀，可以直接根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合相關(guān)軟件和其他已知資料進(jìn)行解釋判斷。

淺地層剖面探測(cè)海底管線，是一種通過(guò)聲波或超聲波探測(cè)的間接的地球物理探測(cè)方法，該方法對(duì)于有一定規(guī)模的海底管線的探測(cè)，無(wú)論其是否有掩護(hù)，探測(cè)效果都較好，特別是對(duì)于橫向的位置及埋深探測(cè)精度均很高，一般常用淺地層剖面探測(cè)管線以提供準(zhǔn)確的平面位置及埋深；但是，對(duì)于平面位置不明確的管線，尤其是管徑小于0.5米以下的管線，采用淺地層剖面法進(jìn)行效果不明顯。

探測(cè)結(jié)果

采用海洋磁力和淺剖兩種方法進(jìn)行探測(cè)，海洋磁力觀測(cè)多處存在差異電磁信號(hào)，淺剖觀測(cè)影像圖也發(fā)現(xiàn)多處異常點(diǎn)，說(shuō)明此區(qū)域確實(shí)存在電力管線。由于地磁日變化、船磁、波浪、海流、船速變化等來(lái)自外界的多種不確定因素的影響和管線性質(zhì)及管徑等直接因素影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星、航空器和海洋船只等所采集到的海洋地磁測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于直接尋找海底磁性礦產(chǎn)和研究海洋基底構(gòu)造與海底擴(kuò)張等科學(xué)問(wèn)題具有不可替代的作用。海洋磁測(cè)在發(fā)現(xiàn)海底各種掩埋、廢棄的鐵磁性物質(zhì)方面非常有效， 如戰(zhàn)爭(zhēng)遺留在海底的炸彈、水雷、沉沒(méi)的艦船和海底管線，甚至水下考古發(fā)現(xiàn)等。由于偵察潛艇的潛航與隱蔽（反潛技術(shù)）和水雷的布設(shè)（水下探查技術(shù)）與認(rèn)識(shí)地磁場(chǎng)的關(guān)系十分密切，使得海洋地磁勘查在軍事方面的應(yīng)用也凸顯出重要性。海洋地磁場(chǎng)的測(cè)量與研究越來(lái)越得到各方面的重視，海洋磁測(cè)技術(shù)的發(fā)展也非常迅速

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作者簡(jiǎn)介：徐義超（1984-），男，江西省南昌市，測(cè)繪工程師，大學(xué)本科，研究方向：海洋測(cè)繪和GPS。