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马胜中
(广州海洋地质调查局 广州 510760)
作者简介:马胜中,男,1968生,1990年毕业于中国地质大学(武汉),工程硕士,高级工程师,从事海洋环境地质、灾害地质和综合地质地球物理研究工作。E-mail:sz-m@163.com。
摘要 海洋石油钻井平台的安全就位和稳定施工,与井场区海底的工程地质条件密切相关。地球物理探测技术作为一门综合性较强的科学技术,在海洋工程地质和海洋灾害地质调查中有着不可替代的作用。实践证明,采用测深、侧扫声呐扫描、浅地层剖面、单道地震、高分辨率2D地震和海洋磁力测量等地球物理探测手段进行综合调查,对钻井平台场址周围海域的地形变化和潜在地质灾害因素,具有很好的揭示作用。
关键词 平台场址调查 海洋地球物理探测 海洋地质灾害
1 前言
随着我国经济的发展和战略储备的需要,我国原油勘探开发的重点由陆地逐渐转向海域。我国近海海底蕴藏着丰富的矿产资源,现已探明石油资源量达246×108 t,天然气15.79×1012m3,占全国油气总资源量的23%。然而在油气开发中,屡屡遭到海洋地质灾害的破坏,不均一的持力层多次造成渤海、珠江口盆地钻井平台的倾斜和位移,使国家蒙受重大经济损失。
钻井平台场址灾害调查在石油钻井之前进行,既要探测诸如断层、浅层气地层情况以应对钻井或采油时发生的井架倒塌、井喷、着火和溢油等灾害,又要调查与钻井平台基础有关的土工问题,以避免事故和灾害发生。据资料,1955~1980年间,美国每年发生钻井船基础严重破坏的事故3~4起,经济损失和人员伤亡巨大。海洋结构物场地调查是确定影响固定式平台和海底管线等工程结构物的设计、布局、施工及安全操作的工程地质条件。1969年,卡米尔飓风袭击密西西比河三角洲,引起海底大面积土体滑移,造成3个平台破坏,损失1亿多美元[1]。可见,海洋石油钻井平台场址调查研究在油井钻探开发中有着重要的作用。我国海洋石油开发工作起步较晚,直到20世纪80年代初,我国才真正开始海洋工程地质勘察工作,近十年来,我们对石油钻井平台场址调查研究做了许多实验工作,随着调查技术的不断进步,研究正向深海挺进。
海洋平台的设计和建造需对平台场地进行包括海底地形地貌、海底表层、浅地层结构等内容的海洋工程地质勘察,从地貌、沉积物特征和地质测年等方面,利用实测的和平台设计用的海洋水文资料以及场地内土的物理力学参数,对海底稳定性进行分析计算,并在分析研究的基础上,进行场地的海底稳定性评价。
2 海洋常见灾害地质类型
海洋常见的灾害地质类型[2-5]如下:
活动断层、地震和火山等。它们不仅可能对海底构筑物造成直接破坏,而且地震可能诱发滑坡、浊流、沙土液化等其他灾害。
滑坡、崩塌、浊流和泥流等,它们的活动可能对钻井平台、海底管线构成直接破坏。
海底沙丘、海底沙波、潮流沙脊、冲刷槽、凹凸地和浅谷等,属于地貌类型的灾害,其分布和气象水文条件有关。
浅层气、泥底辟、软弱夹层、可液化砂层等。它们呈承压流体、塑性体状态存在于第四纪浅地层中。当海底构筑物基础触及这些地质体时,都有可能发生灾害。
埋藏古河道、埋藏古湖沼、埋藏起伏基岩面、埋藏珊瑚礁等。它们一般是浅地层中的透镜体,当钻井平台桩脚插入不同地质体时,由于持力不均会导致平台歪斜,甚至倾覆。
3 地球物理方法对平台场址调查的应用和研究
3.1 海底地形地貌探测
海底地形地貌探测包括单波束测深、多波束测深和旁侧声呐等,是通过探测声波在水下或岩土介质内的传播特征来研究岩土性质和完整性的一种物探方法,只是它们使用的声波频率和强度有差异,高频能提高分辨率,而低频则能提高声波的作用距离和穿透深度[6~9],目前很多探测系统都采用双频或多频探头结构,提高仪器的探测能力。
3.1.1 单波束测深和多波束测深
单波束测深系统是利用其换能器从水面向海底发射一束声脉冲,声波传到水底界面被反射,再回到换能器被接收,通过时间函数的转换,形成一组时间离散的数字量系列,进行实时处理,而在记录纸上直接显示测线上连续起伏变化的海底剖面。反映了海底表面形态的凸凹性质、高差大小和延伸范围(发育规模)。
多波束测深系统是一种由多个传感器组成的复杂系统,在测量断面内可形成十几个至上百个测点点条幅式测深数据,几百个甚至上千个反向散射数据,能获得较宽的海底扫幅和较高的测点密度,它具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点。测深资料反映了海底表面起伏变化、高差大小和延伸范围,利用计算机处理和绘图技术,可制成所测海区海底地形图。
3.1.2 侧扫声呐扫描
侧扫声呐技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态,能直观地提供活动形态的声成像。旁侧声呐是一种高分辨率、多用途的水声设备,在海洋测绘、海底目标探测(如探测沉入水底的船、飞机、导弹、鱼雷及水雷等)、大陆架和海洋专属经济区划界、海洋地质、海洋工程、港口建设及航道疏浚等方面有广泛的应用。
侧扫声呐采用深拖型侧扫声呐系统,使用双频频率100/500 kHz,量程100/200 m,拖体距离海底10~30 m,可以获取海底表面的各种目标探测物,获取的声呐图像质量较高,可以分辨出海底表面的管道和电缆,海底物体的高度可以根据物体的阴影来确定。几种地球物理方法同步作业可以相互印证(图1)。
图1 侧扫声呐和单道地震剖面显示的灾害地质类型
3.2 中、浅地层探测
3.2.1 浅地层剖面测量
浅地层剖面测量系统是探测海底以下30 m内的浅层结构、海底沉积特征和海底表层矿产分布的重要方法之一。浅地层剖面系统的发射频率较低,一般在2.5~23 kHz之间,产生声波的电脉冲能量较大,发射声波具有较强的穿透力,能够有效穿透海底数十米的地层[10~11],地层分辨率在8 cm以上。它可以提供调查船正下方地层的垂直剖面信息,它可以准确地反映出地层界面及可能存在的浅层气、浅断层和古河道等海底地质灾害因素或其他物体(如管线)。浅地层剖面仪的穿透深度则因工作频率和海底沉积物类型的不同而异。
浅地层剖面测量系统采用德国INNOMAR公司SES-96参量浅层剖面系统,外接涌浪补偿系统,可输出水深数据。采用发射功率18 kw,主频100 kHz,差频4~12 kHz,在平台场址调查中一般使用差频8 kHz,探测到的地层分辨率较高,浅海可以探测管道,可以与磁力探测相互验证。
3.2.2 单道地震剖面测量
单道地震记录系统由单道数据采集处理系统、震源系统、信号接收电缆、EPC记录仪组成来源:https://wanghongming.com/cshi/202412-14.html。主要用于了解海底以下200 m范围内的中、浅地层结构、沉积特征来源:https://wzwxpx.com/cshi/202412-7.html。
单道地震与油气地震勘探技术具有相同的工作原理。单道地震探测采用的震源能量小、频带宽(几十赫兹到几千赫兹)、主频高(几百赫兹到上千赫兹),一般选用电火花和气枪作为震源,能量从几十焦耳到几千焦耳,地层的穿透深度从几十米到数百米。
海上最常用的震源有空气枪和电火花二种,在平台场址调查中一般使用电火花震源,震源系统由震源控制箱、声源装置(电极、声脉冲发生器)组成。
如英国的CSP1500震源系统,主要包括CSP1500震源控制箱、SQUID500型电极、SQUID2000型电极或AA200型BOOMER组成电火花震源,该震源的激发能量级别为100~1500J,而且重复激发所需的时间较短。法国的SIG800J震源系统,采用120或200极鱼骨型电火花电极,能量输出270J、540 J和800J。在平台调查中一般选择250~800J的激发能量,激发间隔0.5 s(图2)。荷兰的GEO-SPARK 10kJ震源系统,GEO-SPARK2×800型电极能量输出在100~10000 J之间,最大工作水深为4500 m,最大穿透深度为750 ms,可以满足深水井场调查的需要。
我们选用法国的SIG16 4.8.12型和SIG16 12.12.34型水听器,英国的AAE20单道信号接收电缆,荷兰的GEO-Sense信号接收电缆,检波器按0.15~1 m的间隔并联组成,该接收电缆具有较高的灵敏度和较宽的频率响应,适用于高频反射信号的数据采集。
记录仪器与以上震源和水听器配套使用的是DELPHSEISMIC数据采集系统。该系统不仅可以主动控制震源每秒的激发次数,而且通过连接GPS导航系统,能够时时记录每一炮道的经纬度坐标,便于精确定位。该仪器的动态范围90db,16位模数转换,而且具有极高的采样频率,在与BOOMER震源配合使用时,其采样率高达6000~10000 Hz,极高的采样频率更有利于高频有效信号的接收。在海上单道地震数据采集过程中,可以通过控制测量船的速度来调整记录道间的距离,船速越慢,道间距越小,地震波组的连续性越好。在震源每秒激发二次的情况下,测量船体以3.5节的速度航行,地震记录道间的距离小于1 m,可见,该方法更适用于高精度的浅层地震勘探。
在资料处理流程中,采用有效的方法技术对数据进行信噪分离,削弱多次及绕射等干扰波的影响,可进一步提高单道地震记录的信噪比和分辨率,图3(左)清楚显示了浅层气及其沿着断层上升,红色椭圆圈着的反射波为强振幅,反射同相轴反转,具明显的反相特征;图3(右)显示了各种形态的埋藏古河道。
图2 单道地震剖面
图3 单道地震剖面显示的浅层气和埋藏古河道
3.3 高分辨率2D多道地震剖面测量
高分辨率2D地震资料的采集一般使用48道或96道多道地震电缆,为了避免虚反射对高频成分的压制作用,震源和检波器电缆的沉放深度比较浅,一般震源的沉放深度3m,一般电缆的沉放深度4 m,地震震源一般是小容量GI气枪震源或套筒枪组合震源,以保证产生高频率的地震子波。这种方法采集到的地震资料频带可达20~350 Hz,比常规的地震采集资料的频带(20~50 Hz)要高得多,完全可以满足识别薄层及地层结构的需要,提高了精度。
3.4 海洋磁力测量
磁法是利用地下岩矿石或者岩土介质之间的磁性差异所引起的磁场变化(磁异常)来寻找有用矿产,查明地下构造和解决其他地质问题的一种探测方法。磁力是解决工程地质调查中探测含磁性物体的有效手段。在各种调查中,我们使用GS880铯光泵磁力仪和SeaSPY海洋磁力仪,针对不同的研究目的分别采用不同的调查方法,均能获得满意的效果。它的优势在于不仅能够探测暴露于海底的磁性异常体,同时对于覆盖于海底以下的磁性异常体也有效。
在调查中的应用,由于海底光缆路由海域存在着已经敷设过的海缆(包括海底通讯电缆、电力电缆和光缆等),经过岁月的变迁,这些海缆在海域中的坐标有了变化,有的是否还存在也不明确;另外,过去敷设海缆时的定位仪存在较大的误差,为了探明光缆路由线交汇的海底电缆的精确位置,必须对光缆路由进行探测。在平台场址调查中,使用加拿大MarineMagnetics公司生产的SeaSPY海洋磁力仪进行勘察,结合旁侧声呐和浅地层剖面共同进行探测。图4是浅地层剖面探测到的管道,当磁力仪探头穿过电缆时测得的磁异常曲线,旁侧声呐扫描到的电缆和平台,磁异常的幅值一般可达几十到上百nT。来源:https://wzwxpx.com/cshi/202501-236.html
图4 浅层剖面、磁力和侧扫声呐探测到的管道、电缆和采油平台来源:https://wzwxpx.com/cshi/202501-170.html
4 结论与讨论
平台场址地质调查的方法主要有两种:一种为地球物理方法,另一种为地质取样方法。目前地球物理方法应用得比较广泛的是单波束测深或多波束测深、侧扫声呐、浅层剖面探测、单道地震、高分辨率2D地震和磁力测量等,以上六种水下探测系统在高精度的定位系统的支持下配合使用,可使我们获得平台场址内三维的工程地质条件,特别是危害工程建设的各种灾害地质现象的形态、规模、位置及其发展趋势等性质。其优点是比较经济、快速,对各种地球物理勘探方法都有各自解决某一方面地质问题的能力,各有优势和局限性。因此,在调查时要视调查的目的与要求,采用多种方法进行综合调查,使各种方法优势互补,以便取得最佳的成果。根据20多年来的实践经验,采用以高分辨率地震为主的综合浅层物探技术,同时在井位和预计抛锚位置进行2~3 m长的地质重力取样和地质浅钻,物探和地质取样相互结合,是了解海洋地质灾害因素、灾害的类型以及海洋工程地质有关问题的行之有效的调查方法,它能够既经济又快捷地为业主提供资料。
参考文献
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Marine Geophysical Survey Techniques and Their Applications to Well Site Survey来源:https://wzwxpx.com/xwzx/202412-26.html
Ma Shengzhong
(Guangzhou Marine geological Survey,Guangzhou,510760)
Abstract:The safety of marine oil drilling platform is closely related to the submarine engineeringgeological conditions of the well site.Geophysical technique has an irreplaceable role in marineengineering and hazard geological survey.Practice proves that,using geophysical instruments in-cluding echo sounder,sidescan sonar,sub-bottom profiler,single-channel seismic,high resolu-tion 2D seismic and marine magnetometer etc.to carry out a comprehensive survey can efficientlyreveal the topography and potential geo-hazards of the well site area.
Key words:Well site survey Marine geophysical survey Submarine geo-hazards
极端天气和气候事件给人类带来了巨大的生命和财产损失,尤其是近年来,极端天气和气候事件的发生越来越频繁和激烈,2023年,全球的高温不断打破纪录。7月的第一周,成为全球有记录以来最热的一周。记忆再往前移,2022年长江流域发生了1961年以来最严重的高温干旱,中国第一大淡水湖鄱阳湖几近消失,在卫星地图上只剩一片滩涂;2021年,郑州发生特大暴雨等等。那么,为什么极端气候事件发生得越来越频繁?这样剧烈变动的气候环境是如何造成的?接下来我们就来今天了解一下吧。
一、首先, 什么是极端天气
极端天气是指天气、气候的状态严重偏离其平均态,几十年一遇甚至百年一遇的小概率事件。 极端天气事件是指天气(气候)的状态严重偏离其平均态,在统计意义上属于不易发生的事件。通俗地讲,极端天气气候事件指的是50年一遇或100年一遇的小概率事件。
极端天气判断标准
1、极端降雨
暴雨橙色及以上预警信号,即预计1小时降水量达70毫米以上,或6小时降雨量达100毫米以上,或24小时降雨量达150毫米以上。
地质灾害橙色预警信号,即气象因素致发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害风险高。
2、大风
大风橙色及以上预警信号,即预计平均风力达10级以上,或阵风11级以上。
3、冰雹
冰雹红色预警信号,即预计累计降雹时间30分钟以上,冰雹直径在2厘米以上,地面积雹厚度5厘米以上。
4、雷电
雷电红色预警信号,即预计有强烈雷电活动,并伴有10级以上短时大风,或短时强降水,或冰雹。
5、极端高温来源:https://wzwxpx.com/xwzx/202412-31.html
高温红色预警信号,即预计日最高气温升至41℃及以上,或连续三天日最高气温37℃以上。来源:https://wzwxpx.com/bkjj/202412-119.html
6、极端降雪
暴雪**及以上预警信号,即预计12小时降雪量达6毫米以上。
7、寒潮
寒潮橙色及以上预警信号,即预计日最低气温24小时内下降12℃及以上,并且日最低气温下降到0℃或以下,平均风力达6级以上的冷空气活动。
8、极端低温
持续低温**预警信号,即预计连续三天及以上日最低气温低于-12℃。
9、大雾
大雾红色预警信号,即预计2小时内可能出现强浓雾天气,能见度小于50米;或已经出现能见度小于50米的雾并可能持续。
10、沙尘暴
沙尘暴**及以上预警信号,即预计有水平能见度小于1公里的沙尘暴天气现象。
11、龙卷风
由事件是否发生来确定。在强烈不稳定天气条件下产生的一种小范围的高速旋转的空气涡旋,中心风力达100米/秒以上,直径一般几米到几百米。
?哪些极端天气越来越多呢?
1、特大暴雨
一地24小时累计降雨量250毫米以上。2021年,7·20郑州特大暴雨,因灾死亡失踪380人
2、极端高温来源:https://wanghongming.com/cshi/202412-42.html
2022年全球发生的极端高温事件。中国区域性高温事件综合强度已达到1961年有完整气象观测记录以来最强。西班牙因高温天气导致死亡的人数约为4601人。3、严重干旱
2022年欧洲夏季干旱,造成2万人死亡,影响了农作物产量,推高了粮食价格,这个事件被誉为500年来最严重的气候灾难,经济损失达200亿美金。4、飓风
2022年9月,飓风“伊恩”,造成130人死亡,超过4万人流离失所,经济损失超过1000亿美元。二、为什么极端气候事件发生得越来越频繁?这样剧烈变动的气候环境是如何造成的?
科学家认为,这是温室气体浓度增加、全球变暖、厄尔尼诺现象、地球自身动态运动、人类对自然的干预、太阳辐射变化、地球轨道偏离等内外因素共同作用的结果。
科学家还认为,地球对气候变化有一种自然的反馈机制,它可以扩大或减少外部积极和消极的力量,以维持地球气候系统的稳定。没有这样的机制,气候系统可能会走向极端,要么太热要么太冷。然而,如果外界压力过大,可能会导致气候系统崩溃,因此灾难性的极端天气和气候事件会频繁发生。
1、全球变暖
目前已经有科学家团队表明全球气候变化是增加了极端天气事件频率的主要原因之一,也就是说温室气体排放引起了气候变化,造成了全球气温变暖。冰川作用被认为是气候变化最敏感的风向标——当气候变冷时,冰川向前延伸;当气候变暖时,冰川就撤退。科学家们根据每年收集的冰川消融数据、航拍照片和地图,编制了全球逾10万个冰川的详细清单,证明全球冰川的确正在显著萎缩。特别是自20世纪80年代中期以来,冰川加速消融。这表明全球变暖是一个不争的事实。全球变暖不仅可以改变平均气温,还可以增加气候的可变性,即增加最高和最低值之间的差距。平均温度和温度变异性的增加可能引起极端天气和气候事件。来源:https://www.wzwxpx.com/cshi/202501-154.html
全球变暖对极端天气和气候事件有何影响?这可以从两个方面来看。从概率的角度来看,如果某一地区或某一地点的天气是多年平均条件下的正态分布,那么在极大极小状态下的天气是不容易发生的;从温度的角度来看,如果冷热天气的概率很小,那么极端冷热天气的可能性就更小。全球变暖增加了平均温度和局部高温天气的可能性。极端高温天气发生频繁,高温热浪等极端天气事件更加频繁。
根据气象原理,全球变暖增加了地表温度,增加了水面的蒸发,增加了蒸发到大气中的水汽总量,加快了水循环的速度。随着大气中含水量的增加,降水会在较短的时间内增多。暴雨、暴雪、局部洪涝等极端降水事件频发。龙卷风、雷暴、强对流天气如暴风雨、冰雹等在个别地区也会增多。此外,植物、土壤、湖泊和水库的蒸发正在加速,水的耗竭在增加,加上气温的上升,一些地区将遭受更频繁、更持久或更严重的干旱。
2、人类活动
人类活动对地球会产生很大的影响,生活在地球上,无论是平时的交通出行和工业制造供暖智能和燃烧等都会排放二氧化碳。而且平时砍伐树木,河流改造、破坏动植物栖息地等也会使环境发生很大的变化,正因为这多方面的因素而导致了地球生态环境改变,从而很容易出现极端天气。
人类活动将对地球的气候产生影响。人类燃烧化石燃料和砍伐森林所造成的温室效应,大气气溶胶浓度变化所造成的“伞效应”,以及土地利用和土地覆盖变化所造成的地表反照率变化,都会影响地球的气候。在人类所有的活动中——交通运输、工业生产、供暖、制冷、发电等,化石燃料燃烧对二氧化碳排放的贡献最大,占人类活动排放总量的70-90%。剩余的二氧化碳排放来自土地利用活动,如畜牧业、农业、开放土地和森林退化。
在化石燃料广泛使用之前,人类对地球气候的最大影响是土地的使用。农业种植和灌溉、森林砍伐、河流改道或破坏动物栖息地将使环境发生根本变化。一项有争议的假说认为,农业的兴起以及随之而来的森林砍伐和农业活动可能是5000至8000年前地球大气中二氧化碳和甲烷大量增加的原因。
3、厄尔尼诺现象
厄尔尼诺现象是指太平洋东部和中部异常高温持续存在,导致极端天气频繁发生。“厄尔尼诺”一词源于秘鲁和厄瓜多尔在圣诞节前后海水温度的季节性上升。三月以后,暖流消失,水温逐渐下降。当地人称这种现象为“El Nio”,在西班牙语中意为“圣婴”(在圣诞节出生的男孩),这种现象已有几千年的历史。来源:https://wzwxpx.com/cshi/202412-71.html
厄尔尼诺现象是指每隔几年由于海水温度上升而引起的大气环流异常,严重影响了世界各地的气候异常。通常情况下,西太平洋的温水从东流向西,而深海的冷水则沿着南美海岸漂流。每隔几年,信风就会改变方向,温暖的海水也会改变方向。
由西向东的方向变化阻碍了较冷的深海海水的上升,引发了与厄尔尼诺现象有关的全球气候变化。每当厄尔尼诺现象发生,极端天气事件如飓风、龙卷风、暴风雪、暴雨和洪水在世界的许多地方增加,如降雨增加在美国南部和秘鲁,在西太平洋的毁灭性的洪水和干旱,澳大利亚森林火灾也与厄尔尼诺有关。随着全球变暖,厄尔尼诺现象变得更加频繁和持续时间更长。科学家普遍认为厄尔尼诺现象的发生与恶化的自然环境有关。
4、太阳活动来源:https://www.wzwxpx.com/xwzx/202412-45.html
一些研究表明,太阳黑子活动期间太阳辐射的增加也会对全球变暖产生影响。科学家主要观察太阳黑子和铍同位素的变化,以了解过去几百年太阳活动的变化。对于地球的气候系统来说,太阳是最大的热源(正如潮汐发电所显示的那样,月球的引力提供的能量更少)。太阳能在地球表面转化为热能,成为地球气候不可分割的一部分。从短期来看,太阳也有各种变化,包括太阳黑子活动的11年周期。太阳辐射强度的变化被认为影响和触发了1900年到1950年的小冰河期和变暖的珊瑚现象。太阳辐射增加和减少都会导致地球的气候发生变化。而且太阳活动期间辐射也会增加,从而导致全球气候变暖来源:https://wzwxpx.com/bkjj/202412-43.html。
5、地球轨道变化
地球轨道的周期性变化,在一定程度上是太阳对地球影响的延伸——地球轨道的细微变化会导致到达地球表面的阳光分布和数量的变化。地球轨道的周期性变化称为Milankovitch循环,它直接影响地球接收到的太阳辐射的增加或减少,从而引起地球气候系统的变化和地球冰川的退缩。此外,还有其他微妙的变化,如撒哈拉沙漠的反复推进和后退,这些变化与地球轨道的周期性变化相对应。
以上就是关于极端天气频繁的原因介绍了,最后,极端天气事件变得越来越频繁,除了气候变化和人类活动的影响,也与全球人口增长和人们对能源的依赖增加相关。为了减轻全球气候变化的负面影响,每个人都需要为减少温室气体的排放做出贡献,切实采取措施降低对环境的负面影响。和合共生,命运与共。气候变化是全人类共同的难题,需要全球所有国家共同努力。人类命运共同体理念提出了共商、共建、共享的全球治理观,有助全球气候治理开启新航程。
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