身不能至，心嚮往之 | 科學家給海底做CT

遼闊的海洋底部究竟是一個怎樣的世界？

人類從未停止對海洋的探索。

《精衛填海》中哀怨執著的精衛鳥、

《哪吒鬧海》裡掀動怒海惡浪的四海龍王

皆源自古人對於海洋殘酷一面的畏懼。

《山海經》、《八仙過海》、《徐福出海》等傳誦千年的神話

則反映出古人對於海洋神秘一面的幻想。

直到1872-1876年英國「挑戰者」號環球考察

才揭開了人類向深海大洋進行科學探索的序幕。

一百多年以來，科技飛速發展，可用於海洋的研究方法和技術手段不斷湧現。聲學探測（回聲測深、多波束測深、旁側掃描聲吶）、原位觀測與衛星遙感，可以看成對海水以及海底表層的「望聞問切」——直接「診療手段」；

取樣（水樣和沉積物樣）可以比作「抽血化驗」；

而對海底表層以下的鬆散沉積物、固結巖石以及石油、天然氣、水合物等能源的探查，則需要藉助海洋地震的手段，如同做「CT」一樣。

CT（Computed Tomograpgy）是用X線束對人體某部一定厚度的層面進行掃描，基於人體各個組織的物理性質差異，可使器官、組織的結構和病變清楚顯影。

而海洋地震探測則是以海底巖石和沉積物的物理性質（密度、磁性、彈性、導熱性、導電性和放射性等）差異為依據，用多種物探方法和儀器，觀測並研究各種地球物理場的空間分布和變化規律，進而闡明海洋底的地質構造及其演化，查明各地質年代沉積物的分布，尋找石油和天然氣以及固體礦產資源。

海洋地震探測的實驗原理是利用在海水中人工激發的地震波向下傳播時，遇到不同速度、密度的地層分界面就會產生反射波或折射波返回海水中，用專門的儀器可記錄這些地震波，分析它的傳播時間、振動幅度與形狀等，通過專門的計算程序處理，能較準確地測定海底地層界面的深度和形態，從而推斷地層的巖性和結構。從淺部到深部，有不同的地震手段來給海底做CT。

針對不同深度地層，海洋地震探測手段有所不同：

淺層——淺地層剖面和單道地震；

中層——多道地震；

深層——海底地震儀

淺地層剖面（SBP）

淺地層剖面可以對海底做一個經濟快速的淺表層「CT」，它利用聲波在海水和海底沉積物中的傳播和反射特性和規律對海底沉積物結構和構造進行連續探測，從而獲得較為直觀的海底淺層地層結構剖面。

它的發射頻率較低，產生聲波的電脈衝能量較大，具有較強的穿透力，能夠有效的穿透海底以下幾十米甚至上百米的地層，同時它在海底淺表層的探測上有著很高的解析度，最高可達5釐米，可以反映豐富的海底地層結構及構造細節。此外，微地貌類型，比如海底麻坑、海底丘狀體、大型海底圓丘、泥火山等在SBP上都可以得以顯現。

淺地層剖面方法的作業航行示意圖、

船載計算機採集界面和成果剖面

單道地震方法

它主要用於以較高解析度探測海底下數十米至一兩千米左右深度範圍內的地層，提供該深度範圍內的地層結構等特徵。

單道地震的基本原理是利用機械方法引起海底以下中、淺部地層震動，利用專業儀器記錄震源震動後中、淺部地層中各接收點原始震動信息，來解釋海底中、淺部地層結構等。單道地震具有配置靈活、操作簡單、高效經濟的特點。

單道地震方法的作業航行示意圖

多道地震方法

幾千米到上萬米的地層深度需要用多道地震探測。通過分析地層對人工激發地震波的振幅和傳播時間來推斷構造形態和巖性特性。所使用的地震波類型主要有反射波、折射波等。海上地震工作通常是以地震船隊的形式出現，多使用空氣槍震源，在地震船的航行過程中不斷地進行地震波的激發和接收，由於激發和接收均處於海水介質中，淺層速度穩定且吸收衰減少，獲得的海洋地震資料品質較高。

海洋多道地震探測可以分為二維地震、三維地震和四維地震探測。

二維地震探測是一條「線」的探測，得到的是一條測線的地震剖面，只能對測線之下的地層結構進行分析；

三維地震探測是一個「面」的探測，由地震船拖曳由多條等間距平行布放的電纜同時接收同一震源激發的地震反射信號，成像處理後得到是三維空間上的數據體剖面，能夠對一個勘探區域的地層結構進行整體分析解譯，它比二維地震探測更精確、更直觀，是海洋石油勘探的有利工具；

四維地震探測就是在三維地震的基礎上增加了時間維度的探測，即對相同的探測區域，在不同的時間上進行重複三維地震觀測。

就像醫生對比病人治療前後的CT檢查結果，分析治療效果和制定下一步的治療方案一樣，四維地震勘探主要應用在油氣田的開發階段，油氣開發工程師們通過對不同開發階段的三維地震探測成像結果對比，分析剩餘油氣的分布狀況與油氣運移特徵，制定下一步有針對性的開發方案。

二維多道地震的原理示意圖

三維多道地震的原理示意圖

海底地震儀（OBS）

對於超過萬米深度的探測，如果還是依賴船載檢波器收集信號，那麼就有些遙不可及了，這時候海底地震儀（OBS）就派上用場了，直接將檢波器放置在海底，探測深度可達30千米以上。

按照記錄信號源頻率的不同，OBS可以分為短周期和長周期，短周期OBS用於對海洋人工地震剖面的探測（人工源探測），探查海洋地殼和地幔的速度結構及板塊俯衝帶、海溝、海槽演化的動力學特徵等；長周期OBS用於觀測天然地震（被動源探測），等同於在海底布設流動地震臺站，研究天然地震的地震層析成像以及地震活動性和地震預報等。

近年來，隨著海底科學研究的不斷推進，海底地震儀也在向低成本、小型化、易回收、能長期置於海底的方向發展，並且在海洋深部結構和海洋油氣勘探中發揮著越來越重要的作用。

海底地震儀（OBS）工作原理示意圖

準備投放到預定海域的海底地震儀（OBS）實物

地球表面71%被海水所覆蓋，身不能至，心嚮往之。通過對海洋開展科學調查和探測，人類對海洋終於有了不夠全面但較為科學的認知。浩瀚的海洋還有太多的空白等待我們填補，有太多的奧秘等待我們探索......