杜潤(rùn)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(guó)石油大學(xué)(華東) 257061)

0 引言

在海洋磁力測(cè)量中，磁力日變影響是海洋磁力測(cè)量的最主要誤差源。但在深遠(yuǎn)海區(qū)域進(jìn)行磁力測(cè)量時(shí)，工區(qū)遠(yuǎn)離陸地，無(wú)法架設(shè)陸地磁力日變站，因此現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)已陸續(xù)有相關(guān)單位開始直接在測(cè)區(qū)或測(cè)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(duì)潛標(biāo)式海底磁力日變站的設(shè)計(jì)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(gè)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(guò)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(cè)系統(tǒng)的安全可靠性，且獲取的日變數(shù)據(jù)分析對(duì)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(jì)

潛標(biāo)日變站系統(tǒng)由銥星信標(biāo)、打撈浮球(1個(gè))、主浮球(24個(gè))、sentinel磁力日變站(2臺(tái))、釋放器(3臺(tái)、其中兩臺(tái)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(gè)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(gè)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(gè)主浮球，釋放后同樣會(huì)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(shí)，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(huì)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(xiǎn)繩，確保儀器持續(xù)安全工作[4]。同時(shí)潛標(biāo)系統(tǒng)加長(zhǎng)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(xiǎn)，該潛標(biāo)底部配置了3臺(tái)聲學(xué)釋放器， 其中2臺(tái)釋放器并聯(lián)在距海底1 000 m處，另1臺(tái)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(duì)潛標(biāo)的實(shí)時(shí)測(cè)距、定位和回收，回收儀器時(shí)，釋放器通過(guò)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(dòng)并牽引系留構(gòu)件打開，鋼鏈從系留環(huán)中松脫，整個(gè)潛標(biāo)系統(tǒng)在浮球的作用下浮到水面，任意1臺(tái)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(guò)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(dòng)時(shí)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(jì)潛標(biāo)日變站長(zhǎng)度，具體要求：由于海底磁力日變站站位水深對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)地磁信息的過(guò)濾，并避免因日變站因沉放過(guò)淺導(dǎo)致其隨海流波動(dòng)[9]。

潛標(biāo)布放時(shí)最佳速度為船舶對(duì)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(shí)，選擇頂流布放；表層流速在1.5節(jié)～2節(jié)時(shí)，選擇靶心位置原地布放；表層流速高于2節(jié)時(shí)，選擇船尾對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(jì)潛標(biāo)式海洋磁力日變觀測(cè)系統(tǒng)。到達(dá)測(cè)區(qū)后，利用多波束測(cè)量靶心點(diǎn)附近地形，根據(jù)多波束測(cè)量結(jié)果，選擇靶心附近地形平坦位置，對(duì)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(duì)潛標(biāo)式海洋磁力日變觀測(cè)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)于深海海域，潛標(biāo)整體長(zhǎng)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(xiǎn)。

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(gè)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(duì)釋放器(D點(diǎn))進(jìn)行測(cè)距，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)量三次后取平均值，依次得到三個(gè)定位點(diǎn)到釋放器的距離分別Dis1、Dis2、Dis3，通過(guò)計(jì)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(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)流等參數(shù)，將船舶停靠潛標(biāo)點(diǎn)下流處700 m～800 m處，并將船舷一側(cè)對(duì)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(cè)距工作，當(dāng)有穩(wěn)定的測(cè)距信號(hào)時(shí)，對(duì)釋放器發(fā)送釋放指令，并實(shí)時(shí)檢測(cè)水下釋放器狀態(tài)。在找到潛標(biāo)之前，一直保持測(cè)距中，實(shí)時(shí)檢測(cè)潛標(biāo)距離的變化。

4 實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)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(jì)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(chǎng)較為平穩(wěn)。到達(dá)地磁日變站設(shè)計(jì)點(diǎn)位后，利用多波束對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)位附近地形進(jìn)行掃測(cè)。根據(jù)實(shí)測(cè)地形結(jié)果對(duì)地磁日變站點(diǎn)位進(jìn)行微調(diào)，選擇相對(duì)平坦開闊的區(qū)域作為地磁日變站觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)際測(cè)量中此點(diǎn)位在設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)流速在1節(jié)左右，頂流釋放對(duì)地0.5節(jié)，2 h路程1.8 km，過(guò)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)32 d。安全回收后檢查發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)磁力日變站均無(wú)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(duì)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(shì)基本一致，成周期信號(hào)特點(diǎn)，相對(duì)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(dòng)較大，夜間則較為平靜，一般早晨有一個(gè)極大值，午后有一個(gè)極小值，符合一般地磁日變規(guī)律。個(gè)別數(shù)據(jù)有3 nT左右的抖動(dòng)，推斷為在水中受海流的影響擺動(dòng)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(duì)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(duì)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(cè)量，利用有人船作為水面平臺(tái)垂直吊放一臺(tái)磁力儀在水下100 m處進(jìn)行日變觀測(cè)，數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz，以觀測(cè)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(dòng)船只緩慢航行歸位至觀測(cè)點(diǎn)。

利用與工區(qū)緯度相近的越南大叻地磁臺(tái)站日變數(shù)據(jù)，對(duì)潛標(biāo)、船載和地磁臺(tái)站三種數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(圖5)，從圖5可以看出,潛標(biāo)和船載測(cè)量的日變數(shù)據(jù)走勢(shì)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(cè)量易受天氣和海浪等不可抗拒因素影響，在海面晃動(dòng)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(cè)量差，但船載方式可以實(shí)時(shí)觀測(cè)日變數(shù)據(jù)，如有磁暴等能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通知母船，避免不必要的重復(fù)測(cè)量。

圖5 地磁日變數(shù)據(jù)對(duì)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(guó)際地磁臺(tái)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(duì)地磁觀測(cè)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(duì)比較豐富,因此對(duì)地磁觀測(cè)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(guó)際地磁臺(tái)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(cè)區(qū)的陸地臺(tái)站難以反應(yīng)測(cè)區(qū)的實(shí)際日變化，在測(cè)區(qū)布設(shè)日變站是非常必要的。

綜上所述，本次日變觀測(cè)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(cè)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(duì)本次實(shí)測(cè)磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，包括拖纜長(zhǎng)度校正、日變校正、正常場(chǎng)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(chǎng)總磁場(chǎng)測(cè)量值;T0為地磁正常場(chǎng)值;Td為地磁日變偏差值;Ts為船磁影響偏差值。

對(duì)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(duì)磁場(chǎng)的影響。為了消除系統(tǒng)誤差需要進(jìn)行測(cè)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(duì)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(cè)量，從而提高深海日變觀測(cè)精度和安全性。

1)通過(guò)對(duì)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(jì)了一套適用于深水的潛標(biāo)式磁力日變觀測(cè)系統(tǒng)，整套觀測(cè)系統(tǒng)能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集和高效回收的需求，并能消除海水層對(duì)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(duì)實(shí)測(cè)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)。