徐 行

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760）

0 引言

地球物理學(xué)是研究地球整體和其組成部分（包括大氣圈、水圈、地殼及其以下各部分）性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)，與其中所發(fā)生的各種物理過(guò)程的學(xué)科。地球物理學(xué)根據(jù)物理學(xué)的基本原理，利用觀測(cè)儀器來(lái)觀測(cè)各種地球物理場(chǎng)，采用地球物理正演和反演技術(shù)，揭示地球內(nèi)部深不可及物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理參數(shù)[1]。地球物理探測(cè)可揭示各種地球物理場(chǎng)屬性的時(shí)空特征（如重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)、地電場(chǎng)、地溫場(chǎng)和地震波場(chǎng)等），可應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探、防震減災(zāi)、國(guó)防軍事和地球系統(tǒng)科學(xué)研究等領(lǐng)域。其中，“探測(cè)”包含了“觀測(cè)”、“測(cè)量”和“勘探”等含義。利用天然場(chǎng)源可獲得的地球物理特征，可展示大尺度地球的圈層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組分及其物理作用過(guò)程；而利用激發(fā)人工場(chǎng)源的地球物理特征，則能刻畫(huà)小尺度、更精細(xì)的地球圈層的信息。前者大多數(shù)歸屬于“地球物理觀測(cè)”和“大地測(cè)量”技術(shù)的范疇，而后者更多隸屬于“地球物理勘探”領(lǐng)域。本文提及的海洋地球物理探測(cè)，指探查海域的地球物理特征的理論、技術(shù)與方法。

海洋約占地球面積70%，蘊(yùn)涵豐富的水、生物、礦產(chǎn)和能源資源。系統(tǒng)地揭示海洋地球物理特征及時(shí)空變化規(guī)律，進(jìn)而深入開(kāi)展地球系統(tǒng)科學(xué)研究，必須依靠高精度、高分辨率地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)支撐，這需要海洋地球物理探測(cè)高新技術(shù)的強(qiáng)力支持。與陸域地球物理探測(cè)及其研究工作相比，海洋地球物理探測(cè)的目標(biāo)被海水覆蓋，具有無(wú)參照物，易受水文氣象等環(huán)境因素影響等特點(diǎn)，工作開(kāi)展難度大。如今的“深海”探測(cè)僅局限定于局部海域的洋殼和上地幔的巖石圈，因而，“深?！碧綔y(cè)技術(shù)水平不如“深地”探測(cè)。同樣，與我國(guó)航天技術(shù)、太空探測(cè)技術(shù)及其研究進(jìn)展相比，“深?！碧綔y(cè)技術(shù)能力也不及“深空”探測(cè)。向地球深部進(jìn)軍是解決地學(xué)重大戰(zhàn)略科技問(wèn)題的突破口，是人類認(rèn)識(shí)所居住地球的重要依據(jù)。因此，海洋地球物理探測(cè)技術(shù)方法及其應(yīng)用研究的探索，任重而道遠(yuǎn)。

現(xiàn)今的海洋地球物理探測(cè)及研究已從陸地走向海洋，從淺海拓展到深遠(yuǎn)海，同時(shí)進(jìn)軍南北極，挑戰(zhàn)世界深淵。這不僅涉及大氣圈、水圈和巖石圈等“深空、深地和深海”等多圈層的地球系統(tǒng)科學(xué)研究，還與滿足國(guó)家戰(zhàn)略、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)、資源環(huán)境發(fā)展需求等多個(gè)領(lǐng)域密切相關(guān)。針對(duì)新時(shí)期海洋地質(zhì)工作思路和工作領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，海洋科技工作者面臨著海洋地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外海洋地球物理發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研，需求分析，梳理現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題，展望“十四五”期間我國(guó)海洋地球物理勘探的發(fā)展方向，以實(shí)現(xiàn)人類向地球深部進(jìn)軍的目標(biāo)和夢(mèng)想。

1 技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)

地球物理學(xué)的基礎(chǔ)是位場(chǎng)、波動(dòng)物理學(xué)和電磁學(xué)等學(xué)科理論[2]。位場(chǎng)理論包涵地球重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、自然電場(chǎng)及直流電場(chǎng)，水深測(cè)量與地震測(cè)深涉及到了波動(dòng)物理學(xué)，電磁探測(cè)則與電磁學(xué)密切相關(guān)。常規(guī)的海洋地球物理探測(cè)技術(shù)方法包括海底水深測(cè)量、海洋地震勘探、海洋重力測(cè)量、海洋磁力測(cè)量、海洋電磁探測(cè)、海底熱流探測(cè)和一些海底地球物理觀測(cè)等[3]，它是多學(xué)科交叉和多技術(shù)手段融合的產(chǎn)物。其中一部分技術(shù)繼承了陸域的傳統(tǒng)地球物理探測(cè)工作原理和技術(shù)方法，通過(guò)海洋技術(shù)的水密封裝和防腐處理，結(jié)合海上工作特點(diǎn)，移植到海洋調(diào)查中；另一部分則來(lái)自海洋軍事技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用。例如，聲吶技術(shù)的發(fā)展，可追溯到第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期船舶航行所需的導(dǎo)航技術(shù)；聲吶浮標(biāo)技術(shù)來(lái)自反潛技術(shù)，而現(xiàn)代海洋磁測(cè)技術(shù)來(lái)自第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期水雷中的“引信”技術(shù)等?，F(xiàn)今地球物理探測(cè)技術(shù)與海洋技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高性能集成電路技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)與人工智能技術(shù)等深度融合發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了海洋地球物理探測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步。

1.1 海洋地球物理探測(cè)的發(fā)展歷史

海洋地球物理探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，與海上導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)，后者是決定地球物理數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要影響因素。海上導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展歷史可大致分為四個(gè)階段[4-6]：

（1）傳統(tǒng)大地測(cè)量和天文測(cè)量階段：二戰(zhàn)之前，水面船只的導(dǎo)航定位技術(shù)方法主要采用天文定位、地物定位方法。例如，用六分儀測(cè)定陸上地形標(biāo)志或航標(biāo)，再根據(jù)幾何學(xué)原理標(biāo)出航船的位置，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，但精度較差、工作效率低和作用距離近，而且還不適合用于走航式的海洋地球物理探測(cè)。

（2）無(wú)線電導(dǎo)航定位技術(shù)階段：二次大戰(zhàn)前后，無(wú)線電導(dǎo)航定位技術(shù)的誕生，促成了現(xiàn)代海上導(dǎo)航定位技術(shù)方法的初級(jí)階段。它利用船臺(tái)接收機(jī)和多個(gè)岸臺(tái)發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行“雙曲線交會(huì)”（或“圓圓交會(huì)”）定位，其最大的導(dǎo)航定位有效距離遠(yuǎn)達(dá)八百多公里，受氣象條件和環(huán)境限制，它僅適用于近岸區(qū)或大陸架海域，但可用于走航式的地球物理探測(cè)工作。

（3）衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)階段：20世紀(jì)60年代起，子午衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用到海上船只只能做“間斷”導(dǎo)航定位，但配備多普勒聲納、陀螺羅經(jīng)和無(wú)線電定位等技術(shù)協(xié)同互補(bǔ)技術(shù)之后，可在海上連續(xù)作業(yè)，大大提高了船位測(cè)定的精度和工作效率，取得了良好的效果。20世紀(jì)80年代后，全球定位系統(tǒng)技術(shù)（GNSS）出現(xiàn)。該技術(shù)利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測(cè)值，在地球表面或近地空間的任何位置提供三維坐標(biāo)和速度，以及時(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其特點(diǎn)是“全天候、實(shí)時(shí)和連續(xù)”的導(dǎo)航定位服務(wù)，可覆蓋全球海域，精度高達(dá)分米級(jí)。例如，美國(guó)的GPS系統(tǒng)有“21+3”個(gè)衛(wèi)星所組成。截止2020年10月，中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有55個(gè)衛(wèi)星，這個(gè)系統(tǒng)目前還在發(fā)展之中[7]。

（4）綜合導(dǎo)航定位技術(shù)階段：將全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、水下定位系統(tǒng)和慣導(dǎo)系統(tǒng)組合成綜合導(dǎo)航定位工作模式。其中，結(jié)合水面船只的全球定位數(shù)據(jù)，利用聲吶技術(shù)和水下聲學(xué)測(cè)量技術(shù)測(cè)定水下測(cè)量平臺(tái)相對(duì)水面母船的位置，可將水下探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確位置歸算到大地坐標(biāo)系上。水下定位系統(tǒng)可分超短基線定位模式（USBL）、短基線定位模式（SBL）與長(zhǎng)基線定位模式（LBL）。再結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)，可展示水下測(cè)量平臺(tái)的三維姿態(tài)信息，組成綜合導(dǎo)航定位工作模式，進(jìn)而開(kāi)展水下導(dǎo)航定位。其中，SBL模式在海上作業(yè)中已較少使用，而USBL模式的水下定位精度通常為斜距（水下平臺(tái)換能器與船底換能器之間的距離）的2‰，LBL模式水下定位精度可達(dá)分米級(jí)。在無(wú)線電導(dǎo)航定位技術(shù)階段中，海洋地球物理探測(cè)從濱海調(diào)查往外拓展到近海、大陸架，乃至深海海域。而在衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用之后，海洋地球物理探測(cè)實(shí)現(xiàn)了全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)、和全球范圍內(nèi)海域的信息采集，并且，導(dǎo)航定位精確度大幅提高。

國(guó)外海洋地球物理探測(cè)工作可追溯到二十世紀(jì)三十年代，以美國(guó)哥倫比亞大學(xué)拉蒙特-多爾蒂地球觀測(cè)所第一任所長(zhǎng)莫里斯·尤因（Maurice Ewing）教授為代表先驅(qū)，率先開(kāi)展大陸架海底地形地貌精細(xì)測(cè)量，并在墨西哥灣用人工震源開(kāi)展海上地震調(diào)查[8]。英國(guó)劍橋大學(xué)的瓦因（Vine F J）和馬修斯（Matthews D H.）用大洋的磁測(cè)資料識(shí)別出海底磁異常條帶，提出與之相關(guān)的海底擴(kuò)張理論[9]。美國(guó)海洋地質(zhì)學(xué)家瑪麗·薩普（Marie Tharp）和布魯斯·希森（Bruce Heezen）在收集整理海洋測(cè)深和地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，委托澳洲畫(huà)家海因里希·貝蘭（Heinrich Berann）于1977年繪制成“全球海底地形圖”，它揭示出海底的地貌形態(tài)有大陸架、大陸斜坡、深海平原、海溝、大洋中脊、洋中脊裂谷和轉(zhuǎn)換斷裂等關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步推動(dòng)了板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，對(duì)整個(gè)地球科學(xué)的發(fā)展作出了重大的貢獻(xiàn)。這是地質(zhì)思想上的突破，被稱為與“哥白尼革命”相比肩的一次偉大革命。1974年，為紀(jì)念加拿大地質(zhì)學(xué)家威爾遜提出的“威爾遜旋回”（Wilson Swirled）[10]，指的是大陸巖石圈由崩裂開(kāi)始、以裂谷為生長(zhǎng)中心的雛形洋區(qū)漸次形成洋中脊，擴(kuò)散出現(xiàn)洋盆進(jìn)而成為大洋盆，而后大洋巖石圈向兩側(cè)的大陸巖石圈下俯沖（見(jiàn)俯沖作用）、消亡，洋殼進(jìn)入地幔而重熔，從而洋盆縮小，或發(fā)生大陸漸次接近、碰撞，出現(xiàn)造山帶，遂拼合成陸的過(guò)程。

我國(guó)海洋地球物理勘探始于新中國(guó)成立后的第一次海洋普查[11]。1958年，原地質(zhì)部、石油部和中國(guó)科學(xué)院海洋所組成了聯(lián)合海洋地震隊(duì)，以渤海為基地，向海洋進(jìn)軍[12]。進(jìn)入20世紀(jì)60年代，海洋地震隊(duì)在中國(guó)近海大陸架地區(qū)系統(tǒng)開(kāi)展了地球物理調(diào)查，包括海底重力觀測(cè)與船舷重力觀測(cè)、航空磁測(cè)與海洋磁測(cè)、反射地震多次覆蓋觀測(cè)和回聲測(cè)深；其后在七十和八十年代初期，由原國(guó)家海洋局和原地質(zhì)部系統(tǒng)完成了黃海和東海大陸架、南海北部大陸架及中央海盆的第一輪地球物理調(diào)查，首次出版了1：100萬(wàn)和1：200萬(wàn)比例尺的地球物理基礎(chǔ)圖件。20世紀(jì)80年代初期，地質(zhì)部南海地質(zhì)調(diào)查局指揮部和美國(guó)哥倫比亞大學(xué)拉蒙特海洋研究所開(kāi)展二度國(guó)際科學(xué)合作，在大陸架以外的深海海域完成了一些路線測(cè)量[13]，實(shí)行了海上雙船地震擴(kuò)展排列剖面（ESP）、雙船地震合成排列剖面（SAP）、地震聲吶浮標(biāo)和48道24次疊加的多道地震[14-15]、海底熱流探測(cè)[16]和海洋重、磁、水深測(cè)量[17]等調(diào)查工作。南海地學(xué)研究的中美合作成果[18-19]，是我國(guó)海洋地球物理探測(cè)及研究史上的一個(gè)里程碑，開(kāi)啟了我國(guó)海域地球深部探測(cè)的新征程。

1.2 國(guó)內(nèi)外海洋地球物理探測(cè)的技術(shù)現(xiàn)狀

世界上早期海洋地球物理探測(cè)技術(shù)主要以“重磁震”技術(shù)方法為主。例如：①第二次世界大戰(zhàn)之前，在美國(guó)南部墨西哥灣海域，美國(guó)科學(xué)家用人工震源開(kāi)展海洋地震勘探[8]；②海洋重力儀測(cè)量技術(shù)始于20世紀(jì)，荷蘭地球物理學(xué)家范寧·梅尼茲（F.A.Vening Meinsz）于1920年提出海洋擺儀理論，并制作出可消除干擾加速度影響的三擺儀。1920至1930年，他在分析所獲取的大量海洋重力資料中，發(fā)現(xiàn)在海溝處有明顯的負(fù)重力異常。1950年，其團(tuán)隊(duì)相繼制造了可連續(xù)觀測(cè)的船載重力儀。至20世紀(jì)60年代中期，彈簧式儀器日臻完善，觀測(cè)精度提高，使用簡(jiǎn)便，逐漸取代了擺儀；③海洋磁力測(cè)量技術(shù)始于20世紀(jì)初，在弱磁性的木帆船上，用磁通門(mén)磁力儀進(jìn)行觀測(cè)。然而，因該技術(shù)方法精度低、效率低，故未能大規(guī)模普及與應(yīng)用。1956年，海洋調(diào)查啟用了質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，又得益于其測(cè)量方法簡(jiǎn)便、精度高、傳感器不用定向，從而得到發(fā)展和推廣[20]。至20世紀(jì)50年代末，國(guó)外海上磁力測(cè)量蓬勃發(fā)展，當(dāng)時(shí)航跡已遍布全球海域；④國(guó)外的海洋電磁探測(cè)技術(shù)發(fā)軔于20世紀(jì)60年代末，至1984年，已進(jìn)行了包括MODE實(shí)驗(yàn)（Mid Ocean Dynamic Experiment）在內(nèi)的的海洋MT多項(xiàng)科學(xué)研究[21]。⑤海底熱流探測(cè)始于二戰(zhàn)后的英國(guó)科學(xué)家在大西洋上科學(xué)考察，科學(xué)家們?cè)诤Ｉ嫌脽崃魈结槣y(cè)量發(fā)現(xiàn)海底的熱流密度值要遠(yuǎn)高于陸地的熱流密度值[22]。

與國(guó)外一樣，我國(guó)海洋物探發(fā)展早期主要是“重磁震”技術(shù)階段。①海洋勘探初期，我國(guó)海洋工作者以“自力更生”的方式，解決了海上地球物理觀測(cè)儀器和工作方法。1959年，我國(guó)最早的海洋地震隊(duì)將陸地地震檢波器密封防水后沉放到海底接收地震波，用西安產(chǎn)24道光點(diǎn)地震儀來(lái)記錄地震振動(dòng)。1965年，所在地南京的原地質(zhì)部海洋地質(zhì)研究所（搬遷湛江后，改名為“第二海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)”）與上海的第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，采用酒石酸鉀鈉晶體制成壓電傳感器，再組裝成水聲器組，將其懸浮于海面之下7～8 m的深度，接收TNT炸藥爆炸激發(fā)的反射波，工作中使用簡(jiǎn)單連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)并在船只行進(jìn)中觀測(cè)。此項(xiàng)工作在當(dāng)年被國(guó)家科委列為重大成果之一；②海洋重力測(cè)量始于第二海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)在北部灣的調(diào)查工作，此后與西安地質(zhì)儀器廠和北京地質(zhì)儀器廠等單位合作，用工業(yè)電視觀測(cè)海底重力場(chǎng)（精度0.5~1.0 mGal）；在1975年又合作試制的懸線重力儀，取得1.7毫伽的觀測(cè)精度[12]。前者效率低，后者工作效率得到了明顯改善。海底重力測(cè)量技術(shù)延續(xù)到1979年，直至被船載重力測(cè)量技術(shù)所取代；20世紀(jì)80年代，國(guó)家地震局和中科院測(cè)量與地球物理研究所，相繼成功研制斜拉彈簧式和直立彈簧式海洋重力儀；③我國(guó)早期的海洋磁測(cè)基于黃渤海的航空磁測(cè)，嚴(yán)格意義上的海洋磁測(cè)則始于20世紀(jì)70年代，北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的CHHK?？蘸俗有M(jìn)磁力儀在空中和海中的地磁場(chǎng)總場(chǎng)測(cè)量推廣應(yīng)用[23]。作者在八十年代使用過(guò)的“磁法”探頭，是用環(huán)氧樹(shù)脂將玻璃鋼罐粘合封裝的，探頭與電纜之間的連接是用高壓膠布包扎，但包括芯片在內(nèi)的電路板和器件均是國(guó)產(chǎn)的?？上部少R的是，使用我國(guó)自行研制的萬(wàn)米回聲測(cè)深儀、海洋重力儀和海洋磁力儀完成了我國(guó)首次（1984/1985年）南極考察的南大洋地球物理調(diào)查和航行安全保障任務(wù)。

自20世紀(jì)80年代后，“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)”對(duì)我國(guó)海洋調(diào)查技術(shù)出口管控開(kāi)始部分解禁，我國(guó)引進(jìn)了一批具有國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、海洋質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，船載相對(duì)重力儀、以大容量電火花、氣槍和氣槍陣列為震源的海上多道地震勘探先進(jìn)裝備（圖1）。新技術(shù)、新方法使我國(guó)海洋地球物理探測(cè)在技術(shù)方法研究水平朝西方國(guó)家先進(jìn)水平靠攏，并在南海珠江口盆地油氣資源勘探上取得了重大的突破[24]。八十年代中后期和九十年代，我國(guó)開(kāi)展了太平洋海底多金屬結(jié)核調(diào)查和南極的科考，我國(guó)海洋地球物理探測(cè)走向全球海域[25-26]。1994年起，我國(guó)首次引進(jìn)型號(hào)為SEABEAM2112多波束測(cè)深系統(tǒng)，安裝在海洋四號(hào)調(diào)查船上，并于1995年5月在南海北部陸坡“北坡海山”附近首次開(kāi)展了高精度全覆蓋海底地形地貌測(cè)量的試驗(yàn)調(diào)查[27]，該成果成為了“九五”期間啟動(dòng)我國(guó)及經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)高精度海底地形地貌測(cè)量的技術(shù)示范，相關(guān)的技術(shù)方法研究是國(guó)家“九五”期間啟動(dòng)的863計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域的首批科研項(xiàng)目。我國(guó)開(kāi)展海洋大地電磁測(cè)深研究起步較晚，1997年在遼河油田灘海區(qū)的MT研究是最早的研究成果[21]。在海底地?zé)崃髟惶綔y(cè)技術(shù)方面，早期的中外合作項(xiàng)目均使用了國(guó)外設(shè)備并聯(lián)合采集數(shù)據(jù)，直至2004年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局首次在中國(guó)南海北部陸坡海域獨(dú)立開(kāi)展了海底熱流數(shù)據(jù)的采集工作[22]。

圖1 常規(guī)的海洋地球物理探測(cè)的工作場(chǎng)景圖Fig.1 Working scene of conventional marine geophysical exploration

20世紀(jì)末以來(lái)，在國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃（863）海洋技術(shù)領(lǐng)域資助下，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋地球物理探測(cè)高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。例如，海底大地電磁測(cè)深[29]、小道距多道地震勘探系統(tǒng)[30]、長(zhǎng)排列大震源的地震勘探技術(shù)方法推廣應(yīng)用研究[31]，主動(dòng)源高頻OBS研發(fā)與應(yīng)用[32-33]，被動(dòng)源寬頻帶OBS研發(fā)與應(yīng)用[34-37]、海底熱流探測(cè)的系列技術(shù)[38]和近海底高精度高分辨磁測(cè)[39]等。我國(guó)自主研發(fā)海洋地球物理探測(cè)新技術(shù)方法，推動(dòng)我國(guó)海洋地學(xué)研究水平不斷提高，與此同時(shí)，具有國(guó)際影響力的研究成果也越來(lái)越多。因此，海洋地學(xué)領(lǐng)域研究與礦產(chǎn)資源勘查取得的重要突破和成果，在很大程度得益于采用高新技術(shù)及各種高分辨、高性能、高精度探測(cè)儀器[40]。

1.3 石油工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了海洋地球物理探測(cè)技術(shù)進(jìn)步

隨著海洋油氣資源需求的增加，全球油氣勘探開(kāi)發(fā)投資規(guī)模日益擴(kuò)大，海洋油氣勘探與開(kāi)發(fā)從淺海向深海邁進(jìn)。目前參與海洋油氣資源勘探的國(guó)家越來(lái)越多，海洋鉆井遍布世界各地，而海洋地球物理探測(cè)技術(shù)成為海洋油氣勘探中不可或缺的手段。在油氣資源勘探不同階段，針對(duì)勘探目標(biāo)不同，遵循“物探工作，重磁先行”的原則，調(diào)整和更新海洋地球物理技術(shù)方法。在油氣勘探的初級(jí)階段，以重磁勘探和較稀疏的地震測(cè)網(wǎng)為主，開(kāi)展區(qū)域性構(gòu)造和盆地“探邊摸底”的研究，建立盆地的地層與沉積層序，劃分盆地構(gòu)造單元，計(jì)算盆地的遠(yuǎn)景資源量，做出是否繼續(xù)勘探的評(píng)價(jià)。在油氣勘探的詳勘階段，主要通過(guò)加密二維地震測(cè)線與三維地震勘探技術(shù)方法進(jìn)行精查，結(jié)合海洋電磁探測(cè)，評(píng)價(jià)勘探區(qū)塊，鎖定有利圈閉，優(yōu)選鉆探井位，獲得油氣藏發(fā)現(xiàn)[41]。

海上油氣勘探引領(lǐng)了現(xiàn)今海洋地球物理探測(cè)的主流技術(shù)發(fā)展方向，也導(dǎo)致了各種海洋地球物理手段在探測(cè)技術(shù)層面的不平衡發(fā)展。相比之下，那些屬于詳勘階段中需采用的探測(cè)技術(shù)則發(fā)展較快，尤其是海洋地震勘探技術(shù)的突出進(jìn)步：從單純的縱波勘探向多波勘探發(fā)展，從淺水海域向深水區(qū)發(fā)展，從窄方位角勘探向?qū)挿轿唤强碧桨l(fā)展，從常規(guī)二維向三/四維勘探發(fā)展。在地震資料處理技術(shù)方面，從疊后成像向疊前成像處理發(fā)展；從時(shí)間域向深度域發(fā)展；從各向同性向各向異性發(fā)展；從疊后地震反演向疊前彈性反演發(fā)展[42-43]。為開(kāi)展復(fù)雜地形地貌海域、深海和深層盆地的勘探需求，還開(kāi)發(fā)了OBN技術(shù)、大容量震源和長(zhǎng)排列拖纜的地震采集新方法。國(guó)內(nèi)海上地震勘探的排列長(zhǎng)度超過(guò)了10 km。無(wú)論是在震源技術(shù)中的可變陣列震源的能量激發(fā)，還是在接收系統(tǒng)中的主頻帶控制，檢波器技術(shù)、道間距、排列長(zhǎng)度和數(shù)字采集信號(hào)處理能力等技術(shù)組合均取得較強(qiáng)的突破，海洋地震勘探激發(fā)和接收技術(shù)越來(lái)越成熟。

此外，海洋大地電磁測(cè)深和海底可控源電磁探測(cè)技術(shù)也得到迅速的發(fā)展；不僅突破了從無(wú)到有的局面，而且還被運(yùn)用于海上油氣勘探項(xiàng)目之中。通過(guò)研究海底以下不同深度上介質(zhì)導(dǎo)電性的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了解地下不同深度地質(zhì)情況的目的[29，44]。與海洋地震勘探與電磁探測(cè)技術(shù)相比，海上的位場(chǎng)勘探技術(shù)發(fā)展速度相對(duì)緩慢，但現(xiàn)今的海洋重磁測(cè)量在技術(shù)性能上不斷提高，尤其是在儀器研制國(guó)產(chǎn)化、重磁測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差處理和融合處理領(lǐng)域，同樣取得了較大進(jìn)步[45]。在海底熱流測(cè)量方面，我國(guó)的海底熱流的原位探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零的突破，形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研發(fā)技術(shù)；通過(guò)科技創(chuàng)新，不再局限于瞬態(tài)的海底地溫場(chǎng)探測(cè)與研究工作，而且也開(kāi)始做非穩(wěn)態(tài)的地溫場(chǎng)探測(cè)。我國(guó)自主研發(fā)海底熱流探測(cè)設(shè)備在海洋油氣與天然氣水合物資源勘探、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查和深部探測(cè)研究中發(fā)揮了積極作用[38]。

海洋地球物理探測(cè)的技術(shù)進(jìn)步也促進(jìn)了海上導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展。傳統(tǒng)的海洋地球物理探測(cè)以調(diào)查船作為科考平臺(tái)，相應(yīng)的科學(xué)載荷主要是為母船配備的。但水面的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、水下導(dǎo)航定位技術(shù)和慣導(dǎo)技術(shù)協(xié)同作業(yè)，加快了海洋地球物理探測(cè)的平臺(tái)多樣化建設(shè)發(fā)展步伐。船用直升機(jī)飛行平臺(tái)、萬(wàn)米鎧裝光電復(fù)合電纜、船用絞車和多功能的甲板收放支撐裝置裝備成為先進(jìn)海洋地質(zhì)-地球物理科考船的標(biāo)配，衛(wèi)星、航空、船載、深潛器、深拖和海底觀測(cè)系統(tǒng)等多樣式調(diào)查平臺(tái)及科學(xué)載荷技術(shù)取得了新突破，構(gòu)建“深空-深海-深地”立體探測(cè)系統(tǒng)的條件已經(jīng)成熟（圖2）。

圖2 海洋地球物理立體探測(cè)體系場(chǎng)景圖Fig.2 Scene of marine geophysical three-dimensional exploration system

2 技術(shù)發(fā)展的需求

探索海洋奧秘，認(rèn)識(shí)浩海，是開(kāi)發(fā)海洋的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。早在公元前500年，古希臘海洋學(xué)者狄米斯·托克利在帆船時(shí)代就預(yù)言：“誰(shuí)控制了海洋，誰(shuí)就控制了一切”。在社會(huì)文明和科技高度發(fā)達(dá)的今天，人類的使命就是要科學(xué)地、合理地開(kāi)發(fā)海洋，造福于人類。當(dāng)今的海洋地球物理探測(cè)技術(shù)是海洋高新技術(shù)的一個(gè)重要“元素”，其技術(shù)發(fā)展程度不僅代表了國(guó)家科技發(fā)展水平，也是體現(xiàn)現(xiàn)代化大國(guó)地位和國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。海洋高新科技發(fā)展是以需求為導(dǎo)向的，而發(fā)展海洋地球物理探測(cè)技術(shù)不僅是國(guó)家戰(zhàn)略的需要，也是科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的內(nèi)需，更是時(shí)代發(fā)展的需求。

我國(guó)擁有約19 058 km的大陸岸線，約16 775.4 km的島嶼岸線，約300萬(wàn)km2的管轄海域面積。伴隨海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)已高度依賴向海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)和國(guó)家權(quán)益維護(hù)等需求不斷增強(qiáng)[46]。維護(hù)海域權(quán)益、海洋利益，和加強(qiáng)海防安全，現(xiàn)已成為國(guó)家海洋科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要問(wèn)題。黨的十八大報(bào)告提出“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的重點(diǎn)部署。這是黨中央正確把握國(guó)內(nèi)外形勢(shì)和世界海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流，符合中國(guó)國(guó)情、海情的睿智決策。習(xí)近平總書(shū)記在2016年兩院院士大會(huì)上指出“深海蘊(yùn)藏著地球上遠(yuǎn)未認(rèn)知和開(kāi)發(fā)的寶藏，但要得到這些寶藏，就必須在深海探測(cè)、深海開(kāi)發(fā)方面掌握關(guān)鍵技術(shù)”。在十九屆五中全會(huì)提出的“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)建議中，總書(shū)記再次強(qiáng)調(diào)要“強(qiáng)化國(guó)家戰(zhàn)略科技力量”，并把“深空、深地、深?！弊鳛樾枰闇?zhǔn)的八大領(lǐng)域之一。因此，海洋科技發(fā)展可有效地支撐服務(wù)國(guó)家資源安全、生態(tài)文明建設(shè)和海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。這也是歷史賦予我們的使命。

海洋是地球系統(tǒng)的重要組成部分，海洋系統(tǒng)的動(dòng)力過(guò)程和演變規(guī)律在地球系統(tǒng)演化和全球變化中的關(guān)鍵作用逐漸得到認(rèn)識(shí)，與地球科學(xué)其他學(xué)科的交叉融合成為海洋學(xué)科發(fā)展的新趨勢(shì)。其中的海洋地球物理探測(cè)涉及到了眾多的地球系統(tǒng)科學(xué)中的基礎(chǔ)地質(zhì)內(nèi)容。例如“跨越地質(zhì)學(xué)和行星科學(xué)各自科學(xué)領(lǐng)域的界限”、“涉及永恒性的問(wèn)題（如地球和生命起源）”和“與對(duì)人類福祉具有重要影響的現(xiàn)象存在聯(lián)系”。無(wú)論從時(shí)間尺度，還是從空間尺度角度來(lái)看，地球系統(tǒng)科學(xué)研究對(duì)地球物理場(chǎng)的信息需求越來(lái)越高。這不僅需要獲取高精度、高分辨率的海域地球物理探測(cè)信息，而且亟需高效率探測(cè)技術(shù)支撐。海洋學(xué)科面臨著前所未有的歷史機(jī)遇。海洋的開(kāi)發(fā)和利用勢(shì)必依靠高科技推動(dòng)，而海洋科技發(fā)展又迫切依賴海洋學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展[47]。因此，當(dāng)今“信息時(shí)代”的海洋地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展既要在傳統(tǒng)的海洋地球物理探測(cè)技術(shù)方法上做系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，不斷地完善技術(shù)性能，又要積極拓展其它學(xué)科交叉和多種技術(shù)手段融合研究，科技創(chuàng)新，方可滿足日益增長(zhǎng)的科學(xué)研究需求。

從海洋地球物理探測(cè)的自身技術(shù)發(fā)展分析而言，現(xiàn)今探測(cè)平臺(tái)不再只局限于調(diào)查船，已經(jīng)拓展到航天衛(wèi)星、航空飛行器、深潛器和海底觀測(cè)等多樣式探測(cè)平臺(tái)。在這種多樣化的探測(cè)平臺(tái)中，既不可缺乏高性能傳感器技術(shù)發(fā)展，也離不開(kāi)大數(shù)據(jù)和人工智能的技術(shù)支撐。如何增強(qiáng)各個(gè)海洋地球物理探測(cè)平臺(tái)的科考能力？如何合理配備高精度高分辨率的科學(xué)載荷？如何解決多源多場(chǎng)數(shù)據(jù)融合中的關(guān)鍵技術(shù)方法？如何有效地構(gòu)建“空-天-海-潛”海域地球物理勘探的立體探測(cè)體系？這不僅是海洋高新技術(shù)發(fā)展的需要，更是未來(lái)時(shí)代發(fā)展的需要。

3 技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

海洋地震勘探、海洋重力測(cè)量、海洋地磁測(cè)量、海洋大地電磁探測(cè)、海底熱流探測(cè)和地形地貌測(cè)量等海洋物探手段還可細(xì)分多種技術(shù)方法。在海洋地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與需求分析兩者之間，存在著一定的差距。主要體現(xiàn)以下幾方面：

3.1 與國(guó)家需求的差距

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想的提出，亟需從全球或大區(qū)域角度，發(fā)展高效率、高精度、高分辨率和大尺度的海洋地球物理探測(cè)技術(shù)。同時(shí)，未來(lái)的海洋調(diào)查將走向全球，涉及到遠(yuǎn)離中國(guó)大陸的深遠(yuǎn)海、南北兩極在內(nèi)的極端環(huán)境、地形復(fù)雜的島礁區(qū)以及有爭(zhēng)議的政治敏感海域。針對(duì)特殊環(huán)境下的地球物理探測(cè)技術(shù)和遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)與支持等復(fù)雜問(wèn)題，一方面要加速完善常規(guī)的海洋調(diào)查技術(shù)性能，加快技術(shù)升級(jí)和國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，積極開(kāi)展科技創(chuàng)新，來(lái)適應(yīng)新時(shí)期海洋調(diào)查和研究工作的需要；另一方面，則需加大力度開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇和長(zhǎng)航程的AUV等人工智能技術(shù)的探測(cè)平臺(tái)，開(kāi)展集群式人工智能技術(shù)與調(diào)查船的協(xié)同調(diào)查的技術(shù)方法，為產(chǎn)出高效率、高精度和高分辨率的海洋地球物理調(diào)查數(shù)據(jù)提供技術(shù)保證。因此，發(fā)展多樣式探測(cè)平臺(tái)技術(shù)，拓寬探測(cè)領(lǐng)域，這是當(dāng)下需求的勢(shì)必所在。

海洋油氣和天然氣水合物資源的勘探，是國(guó)家能源戰(zhàn)略的安全保障，也是探索海底的最大經(jīng)濟(jì)動(dòng)力。隨著世界海洋能源資源的逐漸枯竭，海洋資源勘探區(qū)域從淺海轉(zhuǎn)移到深海、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的海域。針對(duì)我國(guó)深水、深層、復(fù)雜構(gòu)造的地震資料精確成像、天然氣水合物勘探區(qū)的高分辨率成像等技術(shù)難題，最大限度地解決了地層分辨率和探測(cè)深度的矛盾，要堅(jiān)持加速發(fā)展海洋地震勘探、海洋電磁探測(cè)和其它地球物理探測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)發(fā)展海洋油氣和天然氣水合物資源勘探技術(shù)方法和相關(guān)理論的研究。同時(shí)，要開(kāi)展海底地?zé)崃魈綔y(cè)技術(shù)和海底熱力學(xué)理論的應(yīng)用研究，為海洋油氣和天然氣水合物成藏動(dòng)力學(xué)研究提供技術(shù)支撐。

3.2 與科學(xué)技術(shù)發(fā)展需求的差距

在海洋科學(xué)研究及其相應(yīng)的海洋地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展水平上，我國(guó)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家之間還存在很大的差距。近幾十年來(lái)，在海洋技術(shù)和地球科學(xué)領(lǐng)域方面，由于我國(guó)加大海洋開(kāi)發(fā)與基礎(chǔ)理論研究等方面的支持力度，并積極推動(dòng)對(duì)外交流和合作，科學(xué)研究水平得到迅速的提高，探測(cè)技術(shù)在“引進(jìn)、吸收、消化和創(chuàng)新”中發(fā)展提升，有些領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平，差距逐漸減小。在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面，又因側(cè)重追蹤和研究國(guó)際海洋地學(xué)熱點(diǎn)和發(fā)展動(dòng)向，缺乏科技和理論原始創(chuàng)新，在科學(xué)技術(shù)方面上尚無(wú)突破性成果，至今沒(méi)有提出過(guò)類似于“海底磁異常條帶”的重大發(fā)現(xiàn)，或“板塊擴(kuò)張”之類被國(guó)際公認(rèn)的重要學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。在探測(cè)技術(shù)方面，盡管技術(shù)裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程取得了一定成效，但大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)裝備仍然依靠進(jìn)口；或是在進(jìn)口基礎(chǔ)上的二次開(kāi)發(fā)，儀器裝備的穩(wěn)定性與可靠性有待改進(jìn)。其原因歸咎于在科學(xué)儀器裝備中的傳感器、芯片、聲吶、材料和設(shè)備制作工藝，與國(guó)外先進(jìn)的相關(guān)技術(shù)之間存在較大差距，原始創(chuàng)新成分相對(duì)較低。例如，在海洋重力測(cè)量技術(shù)，國(guó)產(chǎn)的海洋重力剛剛商業(yè)化，其加速度傳感器的測(cè)量精度、零點(diǎn)偏移等核心技術(shù)指標(biāo)不及國(guó)外同類設(shè)備。海洋磁測(cè)技術(shù)中總場(chǎng)測(cè)量傳感器，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的測(cè)量分辨率、靈敏度、精度、梯度容忍度和穩(wěn)定性與國(guó)外先進(jìn)水平依然存在差距。海洋電磁探測(cè)與海上地震勘探設(shè)備中的許多傳感器技術(shù)、設(shè)計(jì)工藝和穩(wěn)定性也有待提高。因此，必須加強(qiáng)傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)，著力于技術(shù)創(chuàng)新。

地球物理勘探技術(shù)自身的技術(shù)壁壘亟需解決。例如，在海洋地震勘探中，勘探技術(shù)中穿透能力和分辨率是一對(duì)技術(shù)矛盾。高分辨率地震剖面，其穿透能力受到限制；而穿透能力較深的地震勘探技術(shù)，其分辨率不高。在海洋重力測(cè)量和地磁測(cè)量中，距離場(chǎng)源近的探測(cè)方法雖測(cè)量精度高，但工作效率比較低；而遠(yuǎn)離場(chǎng)源的探測(cè)方法雖工作效率較高，但測(cè)量精度低。例如，用USBL技術(shù)支持下的深拖地磁場(chǎng)測(cè)量[39]，雖可獲得高分辨率磁異常特征信息，但其采集資料的工作效率很低，按2~2.5節(jié)速度計(jì)算，一天只能獲得80～90 km的測(cè)量數(shù)據(jù)。若用調(diào)查船與單無(wú)人機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)的方式采集地磁資料，一天可采集完成約2000 km測(cè)線長(zhǎng)度信息的數(shù)據(jù)。水面和在海域的航空地磁測(cè)量的效率雖高，但所揭示的磁異常特征的分辨率相對(duì)較低。要克服自身的技術(shù)壁壘，解決這些問(wèn)題，要開(kāi)展方法創(chuàng)新，積極推進(jìn)多學(xué)科交叉、多技術(shù)融合的技術(shù)方法研究。

技術(shù)發(fā)展要適應(yīng)科學(xué)研究的需求。地球系統(tǒng)科學(xué)正處于快速發(fā)展階段，多時(shí)空尺度、多學(xué)科交叉融合等研究工作不斷推進(jìn)。目前地球物理探測(cè)所獲得的各種地球物理場(chǎng)信息，不只是局限應(yīng)用于地球的圈層結(jié)構(gòu)識(shí)別，而且還涉及到物質(zhì)組分和流體活動(dòng)性的研究。此外，一些前沿的地球系統(tǒng)科學(xué)研究需要深入認(rèn)識(shí)地球科學(xué)的發(fā)展規(guī)律及成因機(jī)制，更好的探索符合地球科學(xué)發(fā)展規(guī)律，以此適應(yīng)科學(xué)前沿和時(shí)代發(fā)展的共同需求。具體而言，要求地球物理探測(cè)信息不僅是多樣化和高精度，而且從空間和時(shí)間尺度上需要更豐富的、高品質(zhì)的信息。例如，在空間分辨率方面，對(duì)于不同尺度的地球物理場(chǎng)研究，均要求采集具有較高空間分辨率的信息。這意味著需要更多的數(shù)據(jù)支持。在時(shí)間尺度方面，一方面是由于人類科學(xué)觀測(cè)地球物理場(chǎng)特征變化的歷史非常短暫，早期的觀測(cè)技術(shù)水平或觀測(cè)資料質(zhì)量與現(xiàn)今相比差距很大；另一方面，在地球物理觀測(cè)過(guò)程中，精準(zhǔn)的時(shí)間分辨率帶來(lái)較高的技術(shù)要求，缺少精準(zhǔn)授時(shí)輔助系統(tǒng)的支持，觀測(cè)技術(shù)難以產(chǎn)出高質(zhì)量的記錄信息。

3.3 構(gòu)建海洋立體探測(cè)體系需求的差距

“深空”與“深海”是人類目前“不可觀測(cè)”區(qū)域，利用衛(wèi)星、深潛器、海底觀測(cè)潛標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)等不同觀測(cè)平臺(tái)，使“深?！钡牡厍蛭锢硖綔y(cè)能力大為增強(qiáng)。我國(guó)的張衡電磁衛(wèi)星，潛龍?zhí)朅UV和蛟龍?zhí)朒OV等載體、東海與南海海域的海底網(wǎng)絡(luò)等觀測(cè)平臺(tái)的投入使用，標(biāo)志著在“空天海潛”不同觀測(cè)平臺(tái)建設(shè)已取得突破性的進(jìn)展（如圖2所示）。因此，開(kāi)展海洋地球物理探測(cè)，和“空天海潛”不同觀測(cè)平臺(tái)上的技術(shù)方法研究時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，構(gòu)建海洋地球物理探測(cè)技術(shù)的“空-天-海-潛”立體探測(cè)體系是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，這也是我國(guó)海洋科技工作者在科技創(chuàng)新中的歷史使命。

由于不同觀測(cè)平臺(tái)的工作環(huán)境與技術(shù)資源受限，相應(yīng)的科學(xué)載荷研發(fā)和應(yīng)用研究存在著一定的局限性。例如，在航天和航空觀測(cè)平臺(tái)上，用于地球物理探測(cè)的科學(xué)載荷主要是“衛(wèi)星測(cè)高”和“地磁測(cè)量”等儀器組成；其技術(shù)要求是：高精度、精細(xì)、小巧和低功耗等。而在深海觀測(cè)平臺(tái)上，相應(yīng)的科學(xué)載荷的技術(shù)要求是：具備較好的耐壓防腐能力、高靈敏度、低功耗和高鐘控精度等特點(diǎn)。其中，作為“AUV”和“深拖”上的有效載荷主要是：“高分辨的地形地貌測(cè)量”、“淺地層剖面探測(cè)”和“地磁探測(cè)”等設(shè)備；作為海底觀測(cè)平臺(tái)上有效科學(xué)載荷，除“地震觀測(cè)”設(shè)備之外，又添加了“海底地磁場(chǎng)觀測(cè)”、“海底大地電磁探測(cè)”和“海底熱流觀測(cè)技術(shù)”等。在科學(xué)載荷技術(shù)方法和應(yīng)用研究領(lǐng)域中，由于我國(guó)相關(guān)研發(fā)工作起步稍晚，與國(guó)外同類技術(shù)還存在一定差距。針對(duì)深海探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，開(kāi)展探測(cè)平臺(tái)及其科學(xué)載荷技術(shù)的科技創(chuàng)新、提高技術(shù)性能，并且要以適應(yīng)科學(xué)前沿和時(shí)代發(fā)展的需求，充分利用“物聯(lián)網(wǎng)”和“區(qū)塊鏈”等信息技術(shù)，開(kāi)展新技術(shù)、新方法的研究。

3.4 海洋地球物理探測(cè)與信息技術(shù)融合的差距

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，人們通常用“信息充斥”、“信息爆炸”和“信息海洋”等語(yǔ)匯來(lái)表述現(xiàn)今的時(shí)代特征。我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了近六十年的海洋調(diào)查，與其他海洋學(xué)科一樣，海洋地球物理調(diào)查已取得海量數(shù)據(jù)，而多樣式觀測(cè)平臺(tái)正在源源不斷地產(chǎn)出地球物理探測(cè)信息，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析和應(yīng)用手段已不能滿足當(dāng)今信息時(shí)代發(fā)展的需求，海洋科學(xué)的大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

海洋地球物理探測(cè)技術(shù)與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)等技術(shù)融合，可解決從“數(shù)據(jù)庫(kù)信息與實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)”到“傳輸、存儲(chǔ)、管理、加工處理、共享、分析”過(guò)程中的一系列技術(shù)需求，它們正在改變著海洋科技工作的方式，逐步形成海洋智慧化高級(jí)形態(tài)[48]。由于海洋地球物理探測(cè)是認(rèn)識(shí)海洋的主要科學(xué)手段之一，然而，相應(yīng)大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)利用程度卻不高。如何從海上采集“重、磁、震、熱、電和水深”等海量數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)知識(shí)、獲取信息，尋找隱藏在大數(shù)據(jù)中的模式、趨勢(shì)和相關(guān)性，揭示海底地球結(jié)構(gòu)、組分和流體活動(dòng)信息和發(fā)展規(guī)律，以及在資源勘探、國(guó)防軍事、防災(zāi)減災(zāi)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)其潛在應(yīng)用前景。這亟需新技術(shù)方法來(lái)開(kāi)展深層次的信息挖掘，從中發(fā)現(xiàn)新認(rèn)識(shí)，創(chuàng)造新價(jià)值[49-50]。

海洋地球物理探測(cè)的大數(shù)據(jù)（Bigdata）技術(shù)中的“數(shù)據(jù)獲取”主要來(lái)自“空-天-海-潛”海洋地球物理立體探測(cè)體系產(chǎn)出的數(shù)據(jù)，以及已有數(shù)據(jù)庫(kù)的信息?！皵?shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理”指的是如何來(lái)管理復(fù)雜類型的多源、多場(chǎng)與多維的海量信息?！皵?shù)據(jù)處理分析”是通過(guò)虛擬化的技術(shù)，計(jì)算機(jī)能夠高效、安全完成數(shù)據(jù)信息的整合處理工作，它包括“數(shù)據(jù)挖掘”、“機(jī)器學(xué)習(xí)”、“批處理”和“流處理”等處理與分析方法[51]?！拔锫?lián)網(wǎng)（Internet of Things）”是實(shí)現(xiàn)信息空間與物理空間的互聯(lián)互通。“云計(jì)算（Cloud Computing）”是大數(shù)據(jù)平臺(tái)中，分析應(yīng)用方面的重要部分，也是處理技術(shù)的核心；它將太空、海面、水體和海底的多元化信息集成到一個(gè)海洋地理信息服務(wù)平臺(tái)（圖3）。“區(qū)塊鏈（Block Chain）”是大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)的安全保障，也是大數(shù)據(jù)技術(shù)中的信任基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)調(diào)用和交換方面體現(xiàn)出巨大的價(jià)值性?！叭斯ぶ悄埽ˋrtificial Intelligence）”是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門(mén)新的技術(shù)科學(xué)。它與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等信息技術(shù)融合發(fā)展，以其獨(dú)特的發(fā)展魅力吸引著人們不斷尋求技術(shù)突破和理念革新，將科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，并將對(duì)海洋地球物理探測(cè)及其相關(guān)研究產(chǎn)生著深刻的影響。

圖3 四維海洋地球物理探測(cè)示意圖（以海底熱流探測(cè)為例）Fig.3 Schematic diagram of four-dimensional marine geophysical exploration（taking the seabed heat flow detection as an example）

在大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用推廣中，亟需解決來(lái)自技術(shù)、管理、政策和科學(xué)研究需求等多個(gè)層面上的問(wèn)題。而在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量控制的問(wèn)題則較為突出。例如，多源數(shù)據(jù)中的異構(gòu)性、數(shù)據(jù)量大小與分布不勻如何解決？數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性如何來(lái)驗(yàn)證？這些因素直接影響了數(shù)據(jù)挖掘、分析過(guò)程，易導(dǎo)致結(jié)果偏離。在數(shù)據(jù)挖掘的過(guò)程中，不但需要結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)，還需綜合性的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，智能化的分析與研判，科學(xué)性的決策預(yù)警。在人工智能技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究中，不僅是無(wú)人艇、水下機(jī)器人、船載垂起無(wú)人機(jī)和測(cè)控技術(shù)等方面得到發(fā)展和推廣，也在地球物理資料處理中得到廣泛地應(yīng)用。基于海洋地球物理探測(cè)的大數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈和人工智能可實(shí)現(xiàn)海洋地學(xué)研究的智能化處理。這種海洋地球物理探測(cè)技術(shù)與信息技術(shù)中的多學(xué)科交叉、多技術(shù)融合是一種科技創(chuàng)新，更是當(dāng)今信息時(shí)代中海洋領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。人工智能亟需要解決從“弱”人工智能向“強(qiáng)”人工智能的轉(zhuǎn)變過(guò)程。又由于因果推理與模型理解處在初級(jí)階段，沒(méi)有足夠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能滿足模型訓(xùn)練需求；而且，貼合產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求、兼具統(tǒng)治位置的開(kāi)源計(jì)算機(jī)框架尚未出現(xiàn)，能適用于各種領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景的通用智能芯片還需要較長(zhǎng)時(shí)間的探索。這些技術(shù)問(wèn)題影響了人工智能的推廣應(yīng)用。

綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)早已滲入到我國(guó)的海洋地球物理探測(cè)與應(yīng)用研究之中。海量的數(shù)據(jù)庫(kù)建立、GIS在海洋調(diào)查中推廣應(yīng)用、浮標(biāo)與海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)及其信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸、在調(diào)查船上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將調(diào)查信息傳輸?shù)疥懙靥幚碇行?，利用AUV在深海近海底采集地球物理信息和人工智能在地球物理資料處理中應(yīng)用等，這些技術(shù)都是以不同的視角，體現(xiàn)著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算和人工智能技術(shù)在海洋地球物理探測(cè)領(lǐng)域中不同研究方向上的應(yīng)用。必須指出的是，我國(guó)海洋地球物理探測(cè)的大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用研究，依然處在起步階段，或許是處在技術(shù)突破的醞釀進(jìn)程之中。因而，技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，任重道遠(yuǎn)。

4 總結(jié)與展望

自“九五”以來(lái)，在國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家重大儀器研發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器研發(fā)項(xiàng)目和行業(yè)基金的資助下，我國(guó)海洋地球物理探測(cè)技術(shù)方法的研究力度正在不斷加大。海洋地震勘探、海底地震觀測(cè)、海底電磁探測(cè)、海底熱流測(cè)量等一批海洋地球物理探測(cè)技術(shù)方法逐漸形成了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。隨著我國(guó)海洋科技人員對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)的深入研究，國(guó)家高速發(fā)展所需的海洋油氣與天然氣水合物資源供給保障，海洋地球物理探測(cè)工作更加注重對(duì)不同尺度的地球深部構(gòu)造，與地球動(dòng)力學(xué)研究的信息獲取。正因如此，海洋地球物理探測(cè)技術(shù)在海洋調(diào)查平臺(tái)、科學(xué)載荷和數(shù)據(jù)處理等研究層面，均得到長(zhǎng)足的發(fā)展。但是，由于我國(guó)海洋地球物理探測(cè)工作起步較晚，在探測(cè)技術(shù)、方法研究和應(yīng)用研究等方面與歐美國(guó)家之間還存在著明顯差距。

面對(duì)國(guó)家、科技發(fā)展和時(shí)代發(fā)展的需要，對(duì)照國(guó)內(nèi)外海洋地球物理探測(cè)進(jìn)展及差距，分析存在問(wèn)題及其原因，我國(guó)海洋地球物理探測(cè)技術(shù)方法的發(fā)展既要繼承，又要?jiǎng)?chuàng)新。以下是本文對(duì)未來(lái)的技術(shù)方法發(fā)展做以下幾點(diǎn)展望，在此拋磚引玉，以期打開(kāi)相關(guān)研究領(lǐng)域的新局面。

4.1 優(yōu)化傳統(tǒng)的海洋地球物理勘探技術(shù)

堅(jiān)持發(fā)展傳統(tǒng)海洋地球物理勘探技術(shù)，加快技術(shù)裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，加強(qiáng)研發(fā)傳感器技術(shù)和關(guān)鍵材料技術(shù)，重點(diǎn)開(kāi)展與能源資源勘探密切有關(guān)的勘探技術(shù)裝備研發(fā)和推廣應(yīng)用。其中，海洋地震勘探技術(shù)將從縱波勘探向多波勘探發(fā)展，從窄方位角勘探向?qū)挿轿唤恰⑷轿唤强碧桨l(fā)展，從完善常規(guī)二維海上地震勘探，兼容三維、四維地震勘探。海底地層分辨率和探測(cè)深度的矛盾解決方法將取得巨大的進(jìn)展。海底電磁探測(cè)技術(shù)將定點(diǎn)觀測(cè)和拖曳探測(cè)協(xié)調(diào)作業(yè)，揭示不同尺度的海底電性結(jié)構(gòu)和流體活動(dòng)的信息。海洋重力測(cè)量技術(shù)從原先相對(duì)測(cè)量方式為主導(dǎo)，拓展為絕對(duì)重力的測(cè)量技術(shù)；海洋地磁測(cè)量不再局限于地磁場(chǎng)總場(chǎng)測(cè)量，將拓展到海洋地磁場(chǎng)矢量觀測(cè)；海洋重-磁的梯度測(cè)量、張量測(cè)量技術(shù)將獲得突破，將使得傳統(tǒng)位場(chǎng)勘探技術(shù)在海洋調(diào)查中重新得到關(guān)注；海底熱流測(cè)量技術(shù)不局限于現(xiàn)今瞬態(tài)地溫場(chǎng)測(cè)量，將擴(kuò)展到揭示海底非穩(wěn)態(tài)地溫場(chǎng)時(shí)空變化特征，去研究海底深部傳導(dǎo)熱、對(duì)流熱的時(shí)空變化關(guān)系；從更深層次去研究熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)相關(guān)的地球系統(tǒng)科學(xué)問(wèn)題。

4.2 加速并完善多樣式探測(cè)平臺(tái)的建設(shè)和科學(xué)載荷的研究

堅(jiān)持獨(dú)立自主，積極開(kāi)展具有我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋地球物理探測(cè)平臺(tái)的技術(shù)探索，拓展海洋地球物理探測(cè)的新領(lǐng)域。加大研發(fā)基于HOV、ROV和AUV等深潛探測(cè)平臺(tái)及其科學(xué)載荷的力度，基于此，在高分辨近海底地球物理探測(cè)成果將取得明顯的突破。另外，改善和提高不同時(shí)間尺度的海底定點(diǎn)觀測(cè)、臺(tái)陣觀測(cè)或海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)等探測(cè)平臺(tái)中技術(shù)資源環(huán)境與輔助技術(shù)（包括布放與回收，求援，中途的數(shù)據(jù)監(jiān)控-數(shù)據(jù)讀取-能量補(bǔ)充及設(shè)備運(yùn)維等），使其早日成為深海海洋地球物理探測(cè)技術(shù)的常規(guī)手段，在海洋地球物理學(xué)研究中發(fā)揮積極作用。

4.3 構(gòu)建“空-天-海-潛”海洋地球物理立體探測(cè)體系

不斷拓展海洋地球物理探測(cè)的空間領(lǐng)域，積極開(kāi)展多學(xué)科交叉多技術(shù)融合的技術(shù)方法研究。由于各類海洋地球物理探測(cè)平臺(tái)，涉及海洋、空間、地震、地電、地磁、重力和地?zé)崃鞯榷鄠€(gè)學(xué)科，每個(gè)領(lǐng)域的觀測(cè)物理量都有自己的特點(diǎn)和局限性。在分析研究多源多場(chǎng)探測(cè)信息的異同點(diǎn)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮多手段優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將解決數(shù)據(jù)融合平臺(tái)中的模型、拼接、誤差分析等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，構(gòu)建海洋地球物理探測(cè)的“空-天-海-潛”立體探測(cè)體系。同時(shí)，多類技術(shù)的融合還能形成支撐大數(shù)據(jù)及其平臺(tái)開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)體系，從而進(jìn)一步突破“重、磁、電、震和熱”多地球物理場(chǎng)不同屬性的地球物理數(shù)據(jù)聯(lián)合反演等關(guān)鍵技術(shù)，在地球系統(tǒng)科學(xué)研究和資源勘探等領(lǐng)域得到更廣泛的推廣應(yīng)用。

4.4 海洋地球物理探測(cè)技術(shù)與“大數(shù)據(jù)”和“人工智能”等技術(shù)深度融合

海洋地球物理探測(cè)技術(shù)必將與“大數(shù)據(jù)技術(shù)”和“人工智能”等深度融合，進(jìn)而得到全面的發(fā)展。是以，與海洋地球物理探測(cè)技術(shù)直接關(guān)聯(lián)的“大數(shù)據(jù)”及其平臺(tái)技術(shù)和“人工智能”技術(shù)水平將得到大幅提高。基于“大數(shù)據(jù)”，利用“物聯(lián)網(wǎng)”、“云計(jì)算”和“區(qū)塊鏈”等平臺(tái)技術(shù)，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于海洋科學(xué)研究領(lǐng)域中與地球物理學(xué)相關(guān)的學(xué)科的應(yīng)用場(chǎng)景中去，為我國(guó)資源勘探、防災(zāi)減災(zāi)、國(guó)防軍事和海洋地球科學(xué)的基礎(chǔ)研究，帶來(lái)新機(jī)遇和新突破。

致謝：感謝南方科技大學(xué)劉青松教授、中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所吳時(shí)國(guó)研究員、自然資源部第二海洋研究所高金耀研究員和廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局姚永堅(jiān)教授審閱本文，并提供了寶貴意見(jiàn)；中科院南海海洋研究所林間研究員、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局趙慶獻(xiàn)教授級(jí)高工、李剛和彭朝旭等高級(jí)工程師為本文撰寫(xiě)提供了很好建議；南方科技大學(xué)博士生王浩森同學(xué)為本文查閱了歷史文獻(xiàn)；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）廖佳華同學(xué)給本文繪制了插圖。

僅以此文緬懷我國(guó)海洋地質(zhì)-地球物理學(xué)專家姚伯初教授（1940—2020）。