水下重磁探测系统研发及理论探索

本书是国家重点研发计划“深水油气近海底重磁高精度探测关键技术”项目(2016YFC0303000)研究成果和中国地质调查成果，主要描述了研制水下动态重力测量和水下三分量磁力测量的设备系统，探索水下重磁测量的技术体系，建立水下重磁理论，利用近海底的重力测量和三分量磁力测量成果构建区域的三维立体重磁场，可以解决深水及复杂油气构造、超深水和极地等环境下油气勘探与开发等问题。本书不但能够提供认识海洋的地球物理依据，获得海洋地球物理环境中重力场、磁场的基础数据，而且为海洋地质研究、深水及复杂油气构造环境下的油气勘探开发等领域提供了更加高效、精准的探测手段和成果。

地球是一个有活力的星球，本身具有重力场和磁场，人类的全部活动都处于这些场的包围中，对重力场、磁场的研究一直是海洋、航空航天、资源探测等领域的重要方向。时至今日，我国海洋重磁场调查基本上都是在船载、航空、航天测量方面，测量的是水面以上的空间环境，因此，在这个空间的重磁场理论、调查与勘探技术已相当成熟，而我国对深海水下重磁场信息体系的建设则几乎空白。

20世纪60年代，美国的俄亥俄级核潜艇上就内置了重力仪和重力梯度仪。贝尔实验室研发了重力梯度仪导航系统(GGNS)和重力辅助惯性导航系统(GAINS)。洛克希德•马丁公司研制的通用重力模块(UGM)包括两种重力传感器：一个重力仪和三个重力梯度仪。美国重力水下导航的精度能够达到30m，磁力水下导航精度也在500m之内。这反映了美国在水下重磁场研究的绝对领先地位，但却很难搜索到更多详细的相关文献。

本书内容所依托的项目“深水油气近海底重磁高精度探测关键技术”由中国地质调查局广州海洋地质调查局牵头，联合中国船舶重工集团公司第七一〇研究所(简称七一〇所)、中国地质大学(北京)(简称北京地大)、国防科技大学、东南大学、海军海洋测绘研究所、中国地质大学(简称武汉地大)、吉林大学、西安虹陆洋机电设备有限公司(简称虹陆洋公司)等单位，实现了“产、学、研、用”的强强联合，力图为国家深海地球物理场的测量与相关研究探索出一条新路。北京地大孟小红团队和武汉地大陈超、杜劲松团队负责海洋水下位场处理转换理论和方法技术研究；国防科技大学曹聚亮团队负责水下动态重力测量系统研究；七一〇所磁学研究中心杨昌茂团队、吉林大学赵静团队和虹陆洋公司连艳红团队负责水下三分量磁力测量系统研制；广海局何水原团队和七一〇所任翀、高频团队完成深海拖曳系统研制与海上测试工作；广海局陈洁团队和北京地大李淑玲团队负责水下重磁的原始数据整理和处理、信息提取、油气勘探要素反演技术的研究工作；东南大学蔡体菁团队负责三分量磁力仪捷联姿态测量系统的姿态算法研究；海军海洋测绘研究所邓凯亮团队负责近海底海洋重磁测量数据质量内外符合评估技术的研究。中国地质调查局及其下属的广海局给予了极大的支持，投入了两倍于项目经费的硬件支撑，项目硬件系统才能开展研发；无偿的海试机会，才能将我国第一次深海重磁探测的尝试最终打磨成为国之重器。我国在海洋地球科学创新，进军深空、深地、深海、深蓝的道路上，中国地质调查局广海局成为科研人员最坚实的后盾，科学家们才能占领一个个科学高地。

通过项目负责人陈洁和各团队的努力，该项目广海局已获得授权2项发明专利和4项实用新型专利，其他合作单位获得了相关发明专利共10项。自主研发深水重磁勘探拖曳系统样机——“探海谛听”，2018年8月中旬，在青岛海洋科学与技术试点国家实验室，研究团队针对其水下净浮力和姿态进行了初步水池测试，2018年9月和2019年10月分别完成两次湖泊测试，2018年11月和2019年11月分别完成两次海试试验与验收，最深探测深度达到2120.2m。此项成果不但提供了认识海洋的地球物理依据，获得海洋地球物理环境中重力场、磁场的基础数据，成为透明海洋中地球物理空间的研究基础，也进一步更新了海洋地球科学研究的成果，而且为海洋地质研究、深水和复杂油气构造环境下油气勘探开发等领域提供了更加高效、精准的探测手段和成果；同时打破了国外相关技术的封锁，填补了我国海洋水下重磁深海近海底探测领域的空白。

第一章介绍海洋介质的物理属性，分析其对重磁场影响的基本理论和计算方法，最后结合海浪模型，构建海浪波高与海水流速场，计算与分析海浪重力场与磁场的响应。

第二章阐述了高精度水下重磁勘探数据稳定向下延拓的方法，延拓前需校正的内容，以及约束延拓构建海域区域场技术。

第三章介绍的水下动态重力测量系统是在航空捷联重力系统的基础上研制而成，详细介绍了捷联式水下动态重力测量系统的设计、研制和试验情况。

第四章介绍水下三分量磁力仪的定位定向方法和捷联姿态测量系统的姿态算法研究，详细设计、研制和试验情况。

第五章介绍深水重磁勘探拖曳系统的详细研发工作，包括研制近海底的两级拖曳系统，实现拖体水下自动定深及姿态稳定技术，高精度重力仪及三分量磁力仪适配搭载技术研究，水下重磁数据采集传输技术，深水油气近海底重磁高精度探测海上应用试验方法研究。

第六章介绍研发的整套水下重磁测量系统(探海谛听)在2018年和2019年海上试验及数据采集的情况，包括两次海试工区的自然地理环境、作业船舶的工作能力、作业流程、现场成果等。

第七章介绍水下重力场、磁场数据的整理、处理、解释问题，重磁界面反演方法的研究，并对海上实测数据进行处理，获得处理结果。

第八章介绍近海底重磁数据的误差分析，数据内符合和外符合评价方法的研究，对海上实测数据进行评估和在海洋水下位场转换理论与方法技术应用等情况。

加噪重力异常下延20 倍点距结果

加噪磁力异常下延20 倍点距结果

深水重磁勘探拖曳系统工作原理图

定深拖体效果图

理论模型磁异常图(单位：mGal)

插值切割法的重力异常分离结果(单位：mGal)

ML1 两条重复线的导航结果对比

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