9-贾永刚 海洋工程地质回顾与展望20121025
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4600侧扫声呐系统 频率：100/400 或300/600 kHz同 步双频
EdgeTech公司4200侧扫声呐系统
全频谱Chirp调 频脉冲
量程：100kHZ 时单侧 500m， 400kHZ时单侧 150m；300kHZ时 单侧 230m， 600kHZ时单侧 120m 频率：230kHz或540kHz 全频谱Chirp调频脉冲 侧扫量程：230kHz为450m， 540kHz为250m 侧扫分辨率：230kHz为 3cm，540kHz为2cm
工作频率12kHz
工作频率10~200kHz 探测深度0.5 ~200 m 声脉冲速率0.1~20次/秒 探测深度20 ~11000 m 191个波束 波束宽度1°× 1°、 1°× 2 °、 2 ° × 2 °或 2 ° × 4 °可选
芬兰Meridata公司的MD500单频回声测深仪
5.2水上钻探技术
用于验证物探资料，查明海区的地层层序、岩性岩相、厚度、时代及土工性质。 目前，许多国家对海洋工程地质的研究已从近岸浅海扩展到深远海，涉及的热 点问题是深水勘探设备、取样技术和船只的发展。
“奋斗五号”多功能工程调查 船 “ 业治铮”号海洋地质科学考察 船
“勘探三号”半浅式钻井平 台
海 底 地 貌 三 维 成 果 图
4.海洋物探技术进展
4.3 沉积物浅地层剖面探测
浅地层剖面探测技术起源于20世纪60年代初期，其探测设备是在测深仪的基础上 发展起来的，只不过其发射频率更低，声波信号通过水体穿透床底后继续向底床 更深层穿透，结合地质解释，可以探测到海底以下浅部地层的结构和构造情况。 目前国际上浅地层剖面仪采用的技术主要包括压电陶瓷式、声参量阵式、电火花 式和电磁式 4 种。
2
注重海洋动力过程 对沉积物性质改造 研究
3
注重现场原位观测与 高质量钻探取样技术 （标准贯入试验, 十 字板剪切实验, 静力 触探实验, 荷载实验, 横压试验及室内土工 试验）
研究工作方法和手段综合运用，多学科、多种技术手段相配合
4.海洋物探技术进展
4.1 水深地形测量
第一阶段：测深杆、测深绳测量
1971年，IUGS出版了《Geological Investigation of the Sea Bed: National Programs》,对现场和 实验室测试海底土的工程地质特性、斜坡稳定性及海洋工程地质勘探和测试技术以及 海底土的工程地质特性和声学性质之间的关系及应用进行了详细论述。
始于1981年每三年一届的INTERCOH（International Conference on Cohesive Sediment Transport） 会议。 始于1989年每年一届的ISOPE（The International Society of Offshore and Polar Engineers）会议。 始于1990年每年一届的OMAE（International Conference on Ocean, Offshore and Arctic。 Engineering）会议。 始于2003年每两年一届的ISSMMTC (International Symposium on Submarine Mass
国外发展
国际上荷兰 辉固（Fugro）集团公司在1970～1971年最先研制和开发了海床CPT，但是直到 1983年荷兰a. p. van den berg公司才解决了探头可以连续贯入的问题，此后设计几乎没有变化， 主要是增加了可以提供反力的负载额量。 近年来，英、法等国在海上CPT测试应用研究方面发展也较快，均已有成熟的商业化产品。
近年来青岛海洋地质研究所出资建造 的“业治铮”号海洋地质科学考察船, 船排水量为638吨, 续航力2000海里, 吃水2.6米, 航速16节, 配备了卫星导 航、GPS定位、海洋地球物理勘探多种 先进仪器设备, 可承担我国近海海洋 工程地质钻探等工作。
5.海底钻探取样与原位观测技术进展
5.3 海洋CPT测试
海洋工程地质回顾与进展
贾永刚
中国海洋大学
概
要
Βιβλιοθήκη Baidu
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
2.海洋工程地质环境特点
3.海洋工程地质研究方法特点
4.海底物探技术
5.海洋钻探取样与现场原位观测技术 6.海底沉积物动力学研究 7.海洋工程地质知识结构与人才培养 8.海洋工程地质展望
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
研究影响近岸与离岸工程的地质环境要素特征， 及其在海洋动力与工程物作用下的动态变化过程， 与相关理论、方法与技术。 地形地貌、沉积物性质与分布、波浪、潮汐、海 流、海水泥沙浓度、地质灾害等。 评估工程建设场地适宜性，提出对潜在危害的防 范措施，从地质环境角度保障海洋工程活动安全 稳定、经济合理并与环境协调。
测深杆测量
单波束测量
利用测深杆或者系重锤测深绳来测量水深，精度差、效率低。
第二阶段：回声测深（单波束测深）
20世纪20年代以后，出现回声测深仪，利用水声换能器垂直向水下 发射一定频率的声波，根据回波时间来确定被测点的水深。
多波束测量
第三阶段：多波束测深
70年代中期，出现了多波束测深仪，可获取在航向垂直的条带式高 密度水深数据。 我国于1997年研制成功多波束测深系统，该系统工作频率为48 kHz, 具有48个波束，波束角为2°×3°，测深范围10~1000 m，测深覆盖 范围可达 4 倍水深。 挪威SIMRAD公司的EM120深水多波束测深系统
美国EdgeTech公司3200型浅地层剖面系统
垂直 分辨 率 (cm)
General Acoustics公司SUBPRO 1210型 全海深高分辨率浅地层剖面系统
型号
频率 (kHz) 500~ 12 2~16 4~24
穿透深度 (m)
SB512
20（砂质） 8~20 200（粘质）
SB216
SB424
4.海洋物探技术进展
4.2 地貌形态测量
第一阶段：肉眼观测 第二阶段：侧扫声呐探测
20 世纪 50年代英国海洋地质学家提出用回声测深原理探测海底地貌的，60 年代英、美、 法等国陆续开发出侧扫声呐的实用产品。80年代以后, 计算机技术广泛应用于侧扫声纳， 90年代, 出现了数字化的侧扫声呐，使这一技术得到了进一步的发展。
6（砂质） 80（粘质）
2（砂质） 40（粘质）
6~10 4~8
频率12kHz 高分辨率（1 mm） 可应用于极浅水深（＞1.5 m） 典型穿透深度为10m（砂质海底）
4.海洋物探技术进展
国家海洋局第一海洋研究所与中国海洋大学等单位在国家863课题支持下联合
研发出一套能够执行深水高分辨率浅地层调查任务并为南海深水油气田勘探与 开发提供技术保障的仪器设备和数据后处理系统。
该系统频率为3~10kHz，适合水深最大3500
m，海底穿透深度120米以上，地
多通道中央记录系统
层分辨率为30 cm。
高能量等离子体震源 发射电极阵列 数字高分辨率接收电缆
工作过程
成果应用
5.海底钻探取样与原位观测技术进展
5.1海底取样技术
蚌式取样器、箱式取样器、重力柱状样采集器、振动活塞式取样器。 柱状取样器取样长度一般在10 m以内。目前已可达50 m深度。
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
1978年，地质出版社出版了刘光鼎院士主编的《海洋地球物理勘探》一书，总结了当时国际 上各种物理探测手段方法及其应用，为地球物理探测技术在国内海洋工程地质研究中的发展 及应用奠定基础。 2003年，青岛海洋地质研究所，对40年来海洋重力调查数据及有 关成果进行了系统的汇集和梳理，编制了我国海域1：100万地质 地球物理系列图。该套图分为中文和英文两个版本，共60幅。
2007年，李培英等人 主编的《中国海岸带 灾害地质特征及评价》 对中国海岸带地质灾 害研究，结合典型案 例分析，进行了系统、 全面的介绍。 2012年海洋出版社出版了由叶银 灿主编的《中国海洋灾害地质学》 对海洋灾害类型、发生环境及机 制等进行了系统翔实的阐述，为 防灾减灾提供了科学依据。
2.海洋工程地质环境特点
1980年中美对长江口海洋沉积作用过程进行了联合调查，其中包括了海洋工程地 质的调查研究，之后海洋局第二研究所、地矿部上海地质调查局第一海洋地质大 队上海工程地质队等单位对长江口的海洋地质、工程地质研究进行大量研究工作。 1985-1987年，青岛海洋大学与美国俄勒冈州立大学合作，对黄河口的沉积动力学 和工程地质学进行了研究，发现了海底滑坡复活与异重流输运模式的存在，研究 成果在Nature 上发表2篇文章，并在Geo-Marine Letter上发表一期专刊。 1985年在联合国开发计划署（UNDP）的援助下设立了《南海珠江口盆地工程地质 调查》项目，按国际分幅开展珠江口盆地1/20万海洋工程地质调查。 1989年11月，在广州举行的“国际海洋工程地质讨论会”的成功举办，标志着我 国海洋工程地质调查研究已经取得了举世瞩目的进步和重大研究成果。
Movements and Their Consequences) 等会议。
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
国际海洋工程地质发展历程
1978年，第三届国际工程地质会议上把难度较大的海洋工程及海洋工程地质分类列 为重要新课题之一，自此，由IAEG协会组织的每四年一届的国际工程地质会议开始 关注到海洋地质灾害发生机制、风险管理等海洋工程地质问题。 2012年6月在加拿大召开的IAEG执委会上正式成立海洋工程地质专业委员会 (C34 Commission of Marine Engineering Geology) 。
海水覆盖，无法直接观测
只能通过间接监测，比起陆 上研究，增加了难度。
海水动力持续作用
波浪、海流、潮汐及风暴 潮等的强烈作用下的各种工程地 质问题。
沉积物软弱
沉积物物理、力学性质发生 动态变化，沉积物松软，使得观 测、取样困难。
3.海洋工程地质研究方法特点
1
高度依赖海洋物探手 段，尤其是多种探测 技术的结合（旁侧声 纳，浅地层剖面, 单 道及多道地震探测等 等）
蚌式抓斗采泥器 取海底表层样品 （扰动较小） 取样深度0.3-0.8m
重力取样器
取深海柱状样品 （扰动较小） 取样深度1-8m
电子振动取样器
适用于海底浅表 层土砂样 取样深度0.3-0.4m 箱式取样器
取海底柱状样品 （扰动较小） 取样深度几米 重力活塞取样器
取深海柱状样品
5.海底钻探取样与原位观测技术进展
2006年中国海洋大学出版社出版的 由冯秀丽、沈渭铨等人编著的《海 洋工程地质专论》介绍了海洋土分 布特征、灾害类型、调查方法等， 重点探讨了现代黄河水下三角洲土 体工程特性及海底土对波浪作用的 孔压响应及桩基周围的冲刷。
2011年由王揆阳等人主编 的《海洋浅地层高分辨率 躲到地震探测技术及应用》 在海洋出版社出版，对海 洋地震探测技术理论及应 用进行了系统总结。
“勘探三号”半浅式钻井平 台
70年代初期， 上海海洋地质调 查局（中石化集 团上海海洋石油 局前身）与七0 八所、沪东船厂 共同设计并建造 了我国第一艘海 上钻井浮船“勘 探一号” 和我 国第一艘半潜式 钻井平台“勘探 三号”。
广州海洋地质调查 局拥有的“奋斗五号” 多功能工程调查船及 其上船载HGD-300型 海洋工程勘察钻机， 于1979年投入使用至 今，作业水深最深可 达300~400米。
研究内容 海 洋 工 程 地 质
研究要素
研究目的
随着石油及海底矿产开采，港口建设等海洋工程活动的日益重视，从上世纪60年 代开始，一些发达国家把海洋工程地质调查作为一项独立的学科进行研究，而中 国则起步于80年代初期。
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
国际海洋工程地质发展历程
1967年，世界上第一本关于海洋工程地质学的论文集，由Richards 主编的Proceeding of the Conference on Civil Engineering in the Oceans《Marine Geotechnique》问世,着重阐述了海 底沉积物性质研究。
IAEG执委会决定成立“国际工程地质与环境协会海 洋工程地质专业委员会”
IAEG主席Prof. Carlos Delgado颁发“国际工程地质与 环境协会海洋工程地质专业委员会”牌匾
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
国内海洋工程地质发展历程
1980-1987年，进行的全国海岸带综合调查工作中，其中一项内容即滨海平原区工 程地质调查研究和工程地质区划图的编制。
EdgeTech公司4200侧扫声呐系统
全频谱Chirp调 频脉冲
量程：100kHZ 时单侧 500m， 400kHZ时单侧 150m；300kHZ时 单侧 230m， 600kHZ时单侧 120m 频率：230kHz或540kHz 全频谱Chirp调频脉冲 侧扫量程：230kHz为450m， 540kHz为250m 侧扫分辨率：230kHz为 3cm，540kHz为2cm
工作频率12kHz
工作频率10~200kHz 探测深度0.5 ~200 m 声脉冲速率0.1~20次/秒 探测深度20 ~11000 m 191个波束 波束宽度1°× 1°、 1°× 2 °、 2 ° × 2 °或 2 ° × 4 °可选
芬兰Meridata公司的MD500单频回声测深仪
5.2水上钻探技术
用于验证物探资料，查明海区的地层层序、岩性岩相、厚度、时代及土工性质。 目前，许多国家对海洋工程地质的研究已从近岸浅海扩展到深远海，涉及的热 点问题是深水勘探设备、取样技术和船只的发展。
“奋斗五号”多功能工程调查 船 “ 业治铮”号海洋地质科学考察 船
“勘探三号”半浅式钻井平 台
海 底 地 貌 三 维 成 果 图
4.海洋物探技术进展
4.3 沉积物浅地层剖面探测
浅地层剖面探测技术起源于20世纪60年代初期，其探测设备是在测深仪的基础上 发展起来的，只不过其发射频率更低，声波信号通过水体穿透床底后继续向底床 更深层穿透，结合地质解释，可以探测到海底以下浅部地层的结构和构造情况。 目前国际上浅地层剖面仪采用的技术主要包括压电陶瓷式、声参量阵式、电火花 式和电磁式 4 种。
2
注重海洋动力过程 对沉积物性质改造 研究
3
注重现场原位观测与 高质量钻探取样技术 （标准贯入试验, 十 字板剪切实验, 静力 触探实验, 荷载实验, 横压试验及室内土工 试验）
研究工作方法和手段综合运用，多学科、多种技术手段相配合
4.海洋物探技术进展
4.1 水深地形测量
第一阶段：测深杆、测深绳测量
1971年，IUGS出版了《Geological Investigation of the Sea Bed: National Programs》,对现场和 实验室测试海底土的工程地质特性、斜坡稳定性及海洋工程地质勘探和测试技术以及 海底土的工程地质特性和声学性质之间的关系及应用进行了详细论述。
始于1981年每三年一届的INTERCOH（International Conference on Cohesive Sediment Transport） 会议。 始于1989年每年一届的ISOPE（The International Society of Offshore and Polar Engineers）会议。 始于1990年每年一届的OMAE（International Conference on Ocean, Offshore and Arctic。 Engineering）会议。 始于2003年每两年一届的ISSMMTC (International Symposium on Submarine Mass
国外发展
国际上荷兰 辉固（Fugro）集团公司在1970～1971年最先研制和开发了海床CPT，但是直到 1983年荷兰a. p. van den berg公司才解决了探头可以连续贯入的问题，此后设计几乎没有变化， 主要是增加了可以提供反力的负载额量。 近年来，英、法等国在海上CPT测试应用研究方面发展也较快，均已有成熟的商业化产品。
近年来青岛海洋地质研究所出资建造 的“业治铮”号海洋地质科学考察船, 船排水量为638吨, 续航力2000海里, 吃水2.6米, 航速16节, 配备了卫星导 航、GPS定位、海洋地球物理勘探多种 先进仪器设备, 可承担我国近海海洋 工程地质钻探等工作。
5.海底钻探取样与原位观测技术进展
5.3 海洋CPT测试
海洋工程地质回顾与进展
贾永刚
中国海洋大学
概
要
Βιβλιοθήκη Baidu
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
2.海洋工程地质环境特点
3.海洋工程地质研究方法特点
4.海底物探技术
5.海洋钻探取样与现场原位观测技术 6.海底沉积物动力学研究 7.海洋工程地质知识结构与人才培养 8.海洋工程地质展望
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
研究影响近岸与离岸工程的地质环境要素特征， 及其在海洋动力与工程物作用下的动态变化过程， 与相关理论、方法与技术。 地形地貌、沉积物性质与分布、波浪、潮汐、海 流、海水泥沙浓度、地质灾害等。 评估工程建设场地适宜性，提出对潜在危害的防 范措施，从地质环境角度保障海洋工程活动安全 稳定、经济合理并与环境协调。
测深杆测量
单波束测量
利用测深杆或者系重锤测深绳来测量水深，精度差、效率低。
第二阶段：回声测深（单波束测深）
20世纪20年代以后，出现回声测深仪，利用水声换能器垂直向水下 发射一定频率的声波，根据回波时间来确定被测点的水深。
多波束测量
第三阶段：多波束测深
70年代中期，出现了多波束测深仪，可获取在航向垂直的条带式高 密度水深数据。 我国于1997年研制成功多波束测深系统，该系统工作频率为48 kHz, 具有48个波束，波束角为2°×3°，测深范围10~1000 m，测深覆盖 范围可达 4 倍水深。 挪威SIMRAD公司的EM120深水多波束测深系统
美国EdgeTech公司3200型浅地层剖面系统
垂直 分辨 率 (cm)
General Acoustics公司SUBPRO 1210型 全海深高分辨率浅地层剖面系统
型号
频率 (kHz) 500~ 12 2~16 4~24
穿透深度 (m)
SB512
20（砂质） 8~20 200（粘质）
SB216
SB424
4.海洋物探技术进展
4.2 地貌形态测量
第一阶段：肉眼观测 第二阶段：侧扫声呐探测
20 世纪 50年代英国海洋地质学家提出用回声测深原理探测海底地貌的，60 年代英、美、 法等国陆续开发出侧扫声呐的实用产品。80年代以后, 计算机技术广泛应用于侧扫声纳， 90年代, 出现了数字化的侧扫声呐，使这一技术得到了进一步的发展。
6（砂质） 80（粘质）
2（砂质） 40（粘质）
6~10 4~8
频率12kHz 高分辨率（1 mm） 可应用于极浅水深（＞1.5 m） 典型穿透深度为10m（砂质海底）
4.海洋物探技术进展
国家海洋局第一海洋研究所与中国海洋大学等单位在国家863课题支持下联合
研发出一套能够执行深水高分辨率浅地层调查任务并为南海深水油气田勘探与 开发提供技术保障的仪器设备和数据后处理系统。
该系统频率为3~10kHz，适合水深最大3500
m，海底穿透深度120米以上，地
多通道中央记录系统
层分辨率为30 cm。
高能量等离子体震源 发射电极阵列 数字高分辨率接收电缆
工作过程
成果应用
5.海底钻探取样与原位观测技术进展
5.1海底取样技术
蚌式取样器、箱式取样器、重力柱状样采集器、振动活塞式取样器。 柱状取样器取样长度一般在10 m以内。目前已可达50 m深度。
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
1978年，地质出版社出版了刘光鼎院士主编的《海洋地球物理勘探》一书，总结了当时国际 上各种物理探测手段方法及其应用，为地球物理探测技术在国内海洋工程地质研究中的发展 及应用奠定基础。 2003年，青岛海洋地质研究所，对40年来海洋重力调查数据及有 关成果进行了系统的汇集和梳理，编制了我国海域1：100万地质 地球物理系列图。该套图分为中文和英文两个版本，共60幅。
2007年，李培英等人 主编的《中国海岸带 灾害地质特征及评价》 对中国海岸带地质灾 害研究，结合典型案 例分析，进行了系统、 全面的介绍。 2012年海洋出版社出版了由叶银 灿主编的《中国海洋灾害地质学》 对海洋灾害类型、发生环境及机 制等进行了系统翔实的阐述，为 防灾减灾提供了科学依据。
2.海洋工程地质环境特点
1980年中美对长江口海洋沉积作用过程进行了联合调查，其中包括了海洋工程地 质的调查研究，之后海洋局第二研究所、地矿部上海地质调查局第一海洋地质大 队上海工程地质队等单位对长江口的海洋地质、工程地质研究进行大量研究工作。 1985-1987年，青岛海洋大学与美国俄勒冈州立大学合作，对黄河口的沉积动力学 和工程地质学进行了研究，发现了海底滑坡复活与异重流输运模式的存在，研究 成果在Nature 上发表2篇文章，并在Geo-Marine Letter上发表一期专刊。 1985年在联合国开发计划署（UNDP）的援助下设立了《南海珠江口盆地工程地质 调查》项目，按国际分幅开展珠江口盆地1/20万海洋工程地质调查。 1989年11月，在广州举行的“国际海洋工程地质讨论会”的成功举办，标志着我 国海洋工程地质调查研究已经取得了举世瞩目的进步和重大研究成果。
Movements and Their Consequences) 等会议。
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
国际海洋工程地质发展历程
1978年，第三届国际工程地质会议上把难度较大的海洋工程及海洋工程地质分类列 为重要新课题之一，自此，由IAEG协会组织的每四年一届的国际工程地质会议开始 关注到海洋地质灾害发生机制、风险管理等海洋工程地质问题。 2012年6月在加拿大召开的IAEG执委会上正式成立海洋工程地质专业委员会 (C34 Commission of Marine Engineering Geology) 。
海水覆盖，无法直接观测
只能通过间接监测，比起陆 上研究，增加了难度。
海水动力持续作用
波浪、海流、潮汐及风暴 潮等的强烈作用下的各种工程地 质问题。
沉积物软弱
沉积物物理、力学性质发生 动态变化，沉积物松软，使得观 测、取样困难。
3.海洋工程地质研究方法特点
1
高度依赖海洋物探手 段，尤其是多种探测 技术的结合（旁侧声 纳，浅地层剖面, 单 道及多道地震探测等 等）
蚌式抓斗采泥器 取海底表层样品 （扰动较小） 取样深度0.3-0.8m
重力取样器
取深海柱状样品 （扰动较小） 取样深度1-8m
电子振动取样器
适用于海底浅表 层土砂样 取样深度0.3-0.4m 箱式取样器
取海底柱状样品 （扰动较小） 取样深度几米 重力活塞取样器
取深海柱状样品
5.海底钻探取样与原位观测技术进展
2006年中国海洋大学出版社出版的 由冯秀丽、沈渭铨等人编著的《海 洋工程地质专论》介绍了海洋土分 布特征、灾害类型、调查方法等， 重点探讨了现代黄河水下三角洲土 体工程特性及海底土对波浪作用的 孔压响应及桩基周围的冲刷。
2011年由王揆阳等人主编 的《海洋浅地层高分辨率 躲到地震探测技术及应用》 在海洋出版社出版，对海 洋地震探测技术理论及应 用进行了系统总结。
“勘探三号”半浅式钻井平 台
70年代初期， 上海海洋地质调 查局（中石化集 团上海海洋石油 局前身）与七0 八所、沪东船厂 共同设计并建造 了我国第一艘海 上钻井浮船“勘 探一号” 和我 国第一艘半潜式 钻井平台“勘探 三号”。
广州海洋地质调查 局拥有的“奋斗五号” 多功能工程调查船及 其上船载HGD-300型 海洋工程勘察钻机， 于1979年投入使用至 今，作业水深最深可 达300~400米。
研究内容 海 洋 工 程 地 质
研究要素
研究目的
随着石油及海底矿产开采，港口建设等海洋工程活动的日益重视，从上世纪60年 代开始，一些发达国家把海洋工程地质调查作为一项独立的学科进行研究，而中 国则起步于80年代初期。
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
国际海洋工程地质发展历程
1967年，世界上第一本关于海洋工程地质学的论文集，由Richards 主编的Proceeding of the Conference on Civil Engineering in the Oceans《Marine Geotechnique》问世,着重阐述了海 底沉积物性质研究。
IAEG执委会决定成立“国际工程地质与环境协会海 洋工程地质专业委员会”
IAEG主席Prof. Carlos Delgado颁发“国际工程地质与 环境协会海洋工程地质专业委员会”牌匾
1.海洋工程地质研究范畴与发展史
国内海洋工程地质发展历程
1980-1987年，进行的全国海岸带综合调查工作中，其中一项内容即滨海平原区工 程地质调查研究和工程地质区划图的编制。