对海滩地下结构的认识是海岸带研究的一个重要方面,也是海滩保护和开发的基础。目前对于海滩的研究大多集中在表面动态变化监测和研究,而对于海滩内部结构和基底形态研究还非常有限。现有的钻探和探测手段一般只能研究表层砂体,难以探测到砂体的底部,无法建立海滩的整体结构模型,不利于分析砂的储量和研究海滩的演化。因此,需要一种探测手段,以便快速有效地开展砂体结构的大范围探测。本文把多尺度地震层析成像方法应用于海滩结构研究,以山东半岛东南部花岗岩石质海岸的一个典型海滩—青岛石老人海水浴场为例,对石老人海滩下方从地表到结晶基底的整体结构开展研究。通过采用新研制的重锤震源得到较高信噪比的地震数据,使用多尺度地震层析成像方法对海滩地下结构进行建模,建立了青岛石老人海水浴场海滩下方深达50 m的速度结构模型。所建立的速度结构模型与该区域已有的对砂体厚度的认识,以及海滩钻孔取样得到的柱状样品的砂粒度变化曲线吻合。该速度结构模型显示,测线下方砂体北厚南薄,在后滨的厚度约为15 m,而在前滨仅有5 m左右。我们推测,海滩下方的砂体中可能存在直立的岩石和未风化完全的岩石,海滩下方的不均匀风化作用导致其下方基底呈现下凹的形态,这种基底形态可能具有稳定砂体的作用。本文方法能够快速有效地构建海滩下方速度结构模型,并且可以方便地推广到其他海滩的结构探测,对于研究海滩结构、演化过程和沙滩保护具有重要意义。

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。

随着全球大洋调查的不断开展以及各种海底探测技术的进步,海洋调查数据积累日益增多。以往主要通过使用不同的专业软件来进行各类大洋数据的可视化和成图分析。在海洋调查方面目前迫切需要一种可视化软件,能够快速显示海底大洋的观测和探测数据,并能够快速简单地综合分析和成图。为了解决快速可视化和多种类型数据同界面显示问题,本文利用Matlab中的图形用户界面工具,开发和设计了简单易操作的OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面。通过使用OceanVis1.0,用户可以方便地对全球海底大洋多波束水深、海洋重力异常、海洋磁异常、地震波形数据等进行可视化和成图分析,能够解决大洋关键区域的多种数据可视化综合分析问题。对不同类型的数据可以进行二维测线和三维空间数据变化的显示,也可以实现数据成图的放大、缩小和旋转功能。对于多波束、重磁数据空间变化数据,可以进行二维测线的任意切割和成图输出,不用保留中间成图即可满足用户的实时数据显示和快速查看功能。OceanVis1.0也能为具体航次的海底调查提供各类海底探测数据的快速显示,以及包括航次中获取的数据显示和初步分析功能,能够为研究区航次测线的规划提供数据可视化和图形支撑平台。