大量富碳氢化合物的流体通过海底冷泉系统释放到海水甚至大气中,城市地质工作是城市规划建设的重要基础

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2017年7月24日,我国新一代远洋综合科考船“科学”号搭载的“发现”号遥控无人潜水器在南海冷泉区下潜作业,目标是采集冷泉区生物,寻找冷泉喷口。那么,什么是海底冷泉?怎样寻找海底冷泉呢?

城市地质工作是城市规划建设的重要基础,贯穿于城市运行管理的全过程。做好城市地质工作,对推进我国新型城镇化建设具有非常重要的现实意义和战略意义。

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一、什么是海底冷泉?

 

  4月25日,总局与自然资源部油气资源战略研究中心在总局总部签署战略合作协议,建立全面战略合作伙伴关系。油气资源战略研究中心主任、党委副书记谢承祥,党委委员、总工程师杨虎林;总局党委书记、局长赵平,党委副书记、副局长任辉出席了签约仪式。谢承祥和赵平代表双方签署了战略合作协议。
  赵平代表总局向油气资源战略研究中心多年来对总局的关心、支持表示衷心感谢,向油气资源战略研究中心各位领导、专家的到来表示热烈欢迎。他介绍了总局的基本情况、业务领域及技术优势等,表示作为地勘行业的国家队,我们有责任、有义务,更有信心、有能力为国家的能源供给作出贡献。总局将以此次战略合作协议的签署为契机,在油气资源战略研究中心的指导和帮助下,加大煤层气的勘查与开发力度,促进勘查成果尽快转换应用,产生效益。同时,与油气资源战略研究中心搭建好科技创新平台,共同为国家做好煤炭、煤层气等能源矿产领域的支撑和服务,助力煤层气产业发展,更好地保障国家基础能源供应和国民经济持续稳定发展。
  谢承祥首先对此次战略合作协议的签订表示热烈祝贺,并对总局长期以来对油气资源战略研究中心工作的支持和帮助表示感谢。他介绍了油气中心的基本情况、发展历程、业务领域及研究成果等,并表示,部领导对双方的战略合作非常重视。油气资源战略研究中心与总局签署战略合作协议,加强国家能源资源安全保障合作,预示着双方在国家能源资源安全保障、能源战略研究、资源评价、煤炭煤层气产业发展政策研究等领域迈开了新的一步,具有重要的意义;油气资源战略研究中心将以此次合作为契机,结合新时代的新要求,与总局加强合作、优势互补、共同发展,不断提升科技创新的实力,立足新的起点、履行新的使命、树立新的形象,力争在能源安全保障与煤炭煤层气发展的新突破上和总局携手前进、不忘初心,扎扎实实把工作做细做实,为国家能源安全保障作出新的贡献。
  油气资源战略研究中心信息室主任景东升及相关部门负责人,总局首席专家组组长王佟、相关部室负责人及有关人员,参加签约仪式。

冷泉是指来自海底沉积界面之下、以喷涌和渗漏方式注入盆地的低温流体,会产生一系列物理、化学和生物作用,这种现象及产物称为冷泉。海底冷泉主要是以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分,其温度与海水相近的流体,广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底。海底冷泉系统是继洋中脊热泉被发现和研究之后又一新的流体沉积领域,是上世纪海洋地质学领域最重要的成就之一。

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人们发现,冷泉经常出现于天然气水合物矿藏的顶部,形成于特殊的海底地貌中(如麻坑和泥火山等),这些特征可以作为海底天然气水合物存在的有力证据。因此,天然气水合物的勘查往往通过识别和寻找现代(活动)冷泉。另外,在冷泉系统中,大量富碳氢化合物的流体通过海底冷泉系统释放到海水甚至大气中,引发了一系列重要的生物地球化学作用。通过对海底冷泉系统的深入研究,展现了更为细致的海底地形地貌,提升了人们对深海资源的认识和利用,拓展了深海环境下生命的潜在界线。此外,海底冷泉系统的相关研究是一个复杂的过程,往往与海底油气、天然气水合物以及深海生命过程密切相关。

城市地质调查成果丰硕

 

二、怎样寻找海底冷泉?

从新中国成立到改革开放初期,围绕服务城市规划建设,我国在城市地区开展了地下水源地勘查、工程地质勘察等地质工作,专门性的城市调查工作则起步于改革开放初期。近年来,中央和地方对城市工作的支持力度不断加大,服务城市发展成效日益显著,在技术方法、工作机制、服务模式等方面积累了丰富的经验。

近年来,以建设海洋强国为己任,瞄准国家对于海洋资源勘探开发的重大需求,青岛海洋地质研究所创新技术方法,自主研发了声学深拖系统、海底多参数原位观测系统等一系列深海探测高端仪器设备,为深海进入和深海探测提供了坚实的装备保障。在已完成的冷泉探测中,该所自主研发的深海探测设备与上海交通大学研制的遥控无人潜水器(Remote
Operated
Vehicle,简称ROV)以及中国海洋大学研制的水下激光拉曼一起发挥了重要作用(如图1)。

城市地质资源环境的认识水平显著提升。1999年实施国土资源大调查以来,由中国地质调查局牵头、地方政府支持配合,在城镇化地区开展的全国性地质调查工作取得了丰硕的成果。系统开展了306个地级以上城市主要环境地质问题和地质资源现状摸底性调查;完成了337个城市浅层地温能调查,初步查明了资源分布状况,进行了开发利用区划;开展了包括城市在内的全国地下水、地质灾害、矿山地质环境、土地质量地球化学等调查;启动了全国10个重要城市群综合地质调查,实现了1∶25万地质环境调查全覆盖,完成了1∶5万城市地质调查约20万平方千米。为支撑服务国家区域协调发展战略和城镇化建设,中国地质调查局联合中国土地勘测规划院,分析了我国19个城市群的资源环境承载能力、337个主要城市的优势地质资源和重大地质问题,形成了我国城市地质资源环境状况的总体认识,提出了优化城市群发展规模和布局、发挥城市地质资源优势、保障城市地质安全的对策建议。

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图1 海底冷泉探测用到的仪器设备

成都天府新区规划沙盘

A.
上海交通大学研制的海狸号ROV(黄色箭头为中国海洋大学自研的水下激光拉曼仪);B.
青岛海洋地质研究所自研的声学深拖;C.
青岛海洋地质研究所自研的深海多参数原位观测系统;D.ROV搭载激光拉曼仪水下现场测试;E.
水下激光拉曼水下采集的现场数据。

 

 

服务城市规划建设管理的能力大幅增强。服务城市群宏观布局,瞄准重大需求,聚焦重大问题,打破专业界限,创新成果表达内容和方式,组织编制了粤港澳大湾区等一系列国土资源与环境地质图集、对策建议报告,在服务城市空间布局、产业发展、生态环境保护、重大地质问题防治等方面发挥了重要支撑作用。服务新城新区规划,精准对接需求,供需密切互动,在服务雄安新区、北京城市副中心等城市新区规划建设方面取得了宝贵的实践经验。服务城市运行管理,在上海建立了三维立体化、可视化、透明化的城市地质信息平台,实现了城市多部门多元、经济、高效的地质信息共享,有力地推动了城市地质工作与城市建设管理的融合。

海底冷泉探测犹如大海捞针,如何高效探测海底冷泉是世界性难题,要解决这一难题的关键是技术方法的进步。

创建了一套三维城市地质调查技术方法。中国地质调查局与上海等6个城市合作,共同组织开展了三维城市地质调查试点,开展了城市地质资源环境调查评价、地质环境监测预警网络建设、可视化信息管理等技术研发,成功推广应用于福州、哈尔滨、重庆等28个城市三维地质调查,基本形成了一套适合我国国情的城市地质调查评价技术方法体系。

青岛海洋地质研究所利用自主研发的声学深拖系统、海底多参数原位观测系统等一系列深海探测高端技术装备,集成创新了近海底“侧扫声呐探测-浅地层测量-多波束后散射反演”三维快速精准锁定海底冷泉目标的技术方法,建立了“ROV潜水器、海底摄像及原位取样、原位激光拉曼测试”三合一的冷泉精确探测系统,形成了一整套国际领先的深海探测技术体系,取得了技术装备上的重大突破。实践证明,这套探测系统锁定海底冷泉行之有效,勘查成功率高、找寻效率高、锁定目标精确。

探索了不同层次的城市地质工作机制。以上海为代表,实现了地质调查成果服务融入政府管理主流程;以厦门、丹阳为代表,探索了中国地质调查局、省级国土资源部门、城市人民政府等三方合作的有效工作机制,形成在全国可推广的工作机制;以京津冀城市群为代表,构建了中央和地方地质工作联动协商机制。

天然气水合物泄漏产生的气泡和海水之间存在较大的声阻抗差异,声波在海水中传播遇到气泡时,会产生强烈的反射,通过船载多波束系统对水体的扫描,可以形成类似火焰的声学反射图像(如图2),据此实现海底冷泉羽状流的大面积快速识别。虽然船载多波束系统的探测效率很高,但定位精度存在一定误差,而且不是所有的火焰状反射都有冷泉,因此,在初步锁定冷泉位置后还需要进一步确认。

形成可复制的经验做法

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经过多年的积累与探索,中国地质调查局在城市地质调查工作中总结出了6条宝贵的工作经验:一是精准把握和服务城市管理的需求。围绕城市规划建设管理对城市工作的需求,设计好每一个管理环节的城市地质服务产品,提供精准的地质解决方案。二是把信息共享放在重要位置。城市地质工作一定要打通国土资源、水利、住建、交通等部门的地质资料信息共享渠道,实现互通有无,互利共赢。三是政府主导、多部门协调联动。城市人民政府重视、支持城市地质工作至关重要,国土资源部门主动作为,积极引导,协调推进,形成多部门联动的局面。四是制定城市地质工作保障制度。尤其是在城市规划、土地利用规划编制等方面,要有明确的规定要求,发挥地质工作的支撑服务作用,保障城市地质资料及时汇交和成果使用。五是加强城市地质科技创新。充分运用现代地球物理、航空遥感、信息通信、虚拟现实等先进技术手段,不断提高城市地质信息采集、传输和处理的能力。六是在成果的服务应用当中确认地位、实现发展。在服务城市规划、城市建设、安全风险防控和城市突发事件应急处置等过程中,逐步确立品牌和信誉,有为才有位。

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城市地质调查迎来新机遇

 

党中央、国务院非常重视新型城镇化建设和城市地质工作。2015年中央城市工作会议要求,抓好城市这个“火车头”,把握发展规律,推动以人为核心的新型城镇化,有效化解各类“城市病”。在2016年全国科技创新大会上,习近平总书记指出,“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”,赋予了地质工作者新的历史使命。在国务院常务会议审议“十三五”国家科技创新专项规划时,李克强总理对“地球深部探测专项”明确提出要实现两个重要目标:一是把地下能源资源找出来;二是要解决城市建设问题,地上、地下空间利用问题,特别是地下空间利用问题。

图2单次回波和沿航迹方向的羽状流水体声学异常

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2017年,中国地质调查局组织召开全国城市地质工作会

利用自主集成创新的声学深拖系统搭载了侧扫声呐、浅地层剖面和多波束测深单元,能够更加靠近海底进行探测,通过分析该系统获取的高分辨率侧扫反射图、海底地形图和浅地层剖面图(如图3),进而准确快速确定冷泉位置。

 

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原国土资源部党组高度重视城市地质调查工作,把加强城市地质工作作为战略任务来抓,明确要求开展地下空间三维调查、城市地下空间利用示范,评估城市地下空间资源潜力和利用前景,加快查清城市地下三维地质结构,推进城市立体发展和地下空间安全利用。中国地质调查局党组积极贯彻落实党中央、国务院的指示要求以及部党组的决策部署,在2017年全国地质调查工作会议上,钟自然局长提出,要精准了解新型城镇化对城市地质工作的需求,加大力度推进调查工作。并在同年出台了《关于加强城市地质工作的指导意见》,发布了《城市地质调查规范》,制订了《城市地质调查总体方案》。

 

 

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自主集成创新的声学深拖系统获取的高分辨率侧扫反射图、海底地形图和浅地层剖面

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为首期城市地质业务培训研讨班学员颁发证书

利用ROV平台创新整合了适用冷泉精确探测的海底摄像、原位取样、原位测试的三合一系统,对发现的冷泉进行精细探测,现场观察描述冷泉系统区域面积、地形地貌、泄漏程度、沉积物与岩石形态、生物种类与数量等直观信息,同时进行影像采集,水下利用ROV搭载的原位测试进行现场流体成分等分析测试,ROV机械手臂采集流体、沉积物、岩石和生物样品,带回甲板进行甲板测试或初处理。

 

利用该体系可一次性获得多种资料和数据。如,利用多波束水体模块可获得气泡羽流的位置和相对强度;利用声学深拖,可同时获得靶点区地形地貌和浅地层剖面资料;利用海底多参数观测系统,可监测到冷泉区原位、实时、长期的通量和成分变化,为开展后续理论研究提供宝贵了的资料。

2018年国务院政府工作报告中,提出了实施重点城市群规划,促进大中小城市和小城镇协调发展。这对城市地质调查工作提出了更高的要求。加强城市地质工作,是优化城市空间结构、拓展城市地下空间的必然要求,是建设美丽城市、提高城市宜居水平的迫切需求,是建设“智慧城市”的重要支撑,同时也是推进地质工作结构调整、转型升级和促进地勘单位改革发展的重要方向。在这样的背景下,4月9日,中国地质调查局发展研究中心组织召开了第一期城市地质业务培训研讨班。这是贯彻党中央、国务院关于加强城市地质工作的战略部署,落实自然资源管理体制改革,推动自然资源综合调查与绿色开发保护,引领和推动传统地质工作转型发展的重要举措。本次培训围绕着“地质调查服务经济社会发展——城市地质工作政策、理论、方法和实践”主题开展。中国地质调查局党组对此次培训高度重视,会前钟自然局长专门听取了汇报并对教材进行了审定,并提出要创新培训内容和形式,提高培训效果。

三、海底冷泉探测装备与技术的发展方向

培训班授课内容分为三个板块。围绕城市地质理念,总体要求和规划解读,邀请了来自自然资源部、中国地质调查局的相关负责同志,以生态文明理念下新时代城市地质、多要素城市地质调查工作总体要求、城市地质调查规范解读为题作报告。围绕城市地质典型案例,邀请了中国土地监测规划院、局相关直属单位,上海市规划国土局,江苏省地调院等单位专家,以新一轮土地利用规划修编与城市地质创新研究、雄安新区、上海市等城市地质调查工作实践为题作报告。围绕城市地质新技术、新方法,邀请中国地质调查局相关直属单位、南京大学、成都理工大学等单位,以数据库与三维建模、城市地质环境光纤监测、城市地下多资源协调利用等为题作报告。

各种水下工作平台设备是海底冷泉精细探测的必备装备。从国际视角上看,ROV在现代海底冷泉区的应用也已经是常态化,几乎全世界知名的冷泉区都曾经出现过ROV下潜调查研究的身影。ROV作为一种优良的作业平台,可以搭载诸如激光拉曼光谱原位定量探测装置,对以海底冷泉区为代表的各种活动生长系统进行溶解态甲烷、硫化氢、硫酸根和pH等各种地球化学参数的原位探测,极具应用前景。自主式水下机器人(Autonomous
Underwater
Vehicle,简称AUV)具有易于布放、续航时间长、速度快、精确定位和通信以及支持诸如摄像机、照相机,各种水下环境参数传感器以及其它地球物理设备的优势。我国自主研发的AUV已在西南印度洋热液区进行了成功实验应用(如图4)。2006年,美国在墨西哥湾北部利用AUV进行的海底冷泉区调查作业,效果良好并取得了重要发现。AUV的高效、无缆和强大的自主作业能力使得它可以在ROV作业前优先使用,因为这些ROV的高精定点作业获得大范围的海底底质和形貌信息,以更精确地完善和修改ROV站位布置和任务细化。载人深潜技术是深海技术的前沿与制高点,也是深海科考最先进的技术手段之一。海底冷泉赋存区的水深相对较浅,而且往往离陆地比较近,是载人深潜器进行海试以及科学应用的极佳场所。我国的蛟龙号就曾多次在我国的南海冷泉进行海试和试验性应用航次。2013年,“蛟龙”号试验性应用航次在南海实施,载人潜水器首次搜索观测到了面积约为2000平方米的由大量的毛瓷蟹、蜘蛛蟹、深海虾、贻贝等构成的冷泉生物群落。

精选的17位授课老师,既有自然资源部规划司、部土地规划院、中国地质调查局水环部等城市地质工作规划管理部门的负责同志,又有来自基层一线、高校和科研院所的专家。学员们纷纷表示,通过本次培训,使他们更加准确理解党的十九大精神和新时代对地质工作的新要求,转变了观念、树立了新理念,学到了城市地质工作的新理论、新方法,将为加快实现地质工作转型,更好地服务生态文明建设和自然资源管理、国土空间规划起到积极作用。

 

不同于以往,这次培训研讨班的学员都是经过严格选拔的,主要为全国16家首批城市地质示范城市的国土资源局负责人、地质项目负责人,全国31个省级地调院、环境监测总站的总工程师、项目负责人,中央管理地勘单位的业务骨干及中国地质调查局直属单位项目负责人与业务骨干,旨在培养一批城市地质工作的骨干力量,使其成为中国城市地质工作的领军人才、种子选手,培育壮大地质优秀人才储备库。

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对于培训研讨班中的“研讨”二字,会议主办方也提出了明确的要求。要学员带着问题来,在现场考察和分组研讨中,中国地质学会、中国地质调查局相关部室、发展研究中心、环境监测院等单位负责人全程参加并答疑解惑,与学员面对面互动,使学员们能够带着经验走,旨在培养一批新时代城市地质工作的骨干力量。

图4我国自主研发的AUV在西南印度洋作业

新理念新机制推动城市地质调查

 

在培训研讨班中,与会者深深感受到,无论是上海、丹阳等城市地质调查经验的推广,还是新的城市地质调查技术的介绍,都在传递着一个“新”字。城市地质调查工作面临的新形势,工作中的新理念新方法,对开展下一阶段的地质调查工作具有很大的作用。

由于海底采集的冷泉流体和天然气水合物在随ROV或取样设备上升过程中会遭到海水污染或温度压力变化而发生气体扩散,这使原位测试的必要性凸显。利用ROV、AUV等平台搭载各类探头和传感器,实现冷泉区域各种原位实验测试是保证冷泉实验质量的最佳方法。

要以绿色发展理念统领城市地质工作。推动形成绿色发展和生活方式是贯彻新发展理念的必然要求,必须把服务生态文明建设摆在城市地质工作的突出位置,积极推动城市水、土、地热等资源和城市地上地下空间的绿色开发利用,推动形成节约资源和保护环境的城市空间格局、产业结构、生产方式、生活方式。要按照绿色发展的理念要求,推动新型城镇化建设中人与自然的和谐共生。

现场原位观测能直接反映海底冷泉的活动过程,特别是考虑到海底冷泉在不同时间尺度上均有明显变化。因此,加大现场原位观测设备的研制也是海底冷泉探测装备发展的重要方向。在过去的几十年里,浮标、锚系、ROV、AUV等技术装备加深了我们对深海的了解,但其仅能给我们提供较少时间段的现象和数据。而海底光缆的网络观测系统需要铺设深海海底通信电缆,其海底电缆建设投入及维护费用较高,并且一旦网络系统建设完毕,其结构是永久性的,无法移动到别的区域,制约了对新发现的海底热液活动区、天然气水合物区、深海油气开发区的观测研究。因此,深海海底界面座底式观测系统成为冷泉探测装备的热点。

要以多门类自然资源综合调查评价全力支撑国土空间规划。组建自然资源部是一项重大的改革举措,是推进我国生态文明体制改革进程中迈出的关键一步。当前,在补齐城市规划、建设与管理的地质工作短板的同时,要突出对自然资源综合管理和空间规划体系建立实施的支撑。一是强化地球系统科学理论的指导作用,综合运用多种专业技术手段,开展标准统一的土地、矿产、海洋、水、林、草等多门类自然资源综合调查评价。二是要加强重点城市群和地区资源环境承载能力与国土空间开发适宜性评价,推动全国自然资源综合区划,为国家空间规划体系提供基础支撑。三是围绕国家生态文明示范区建设,打破传统地质工作模式,开展覆盖土地、矿产、水、森林、草地、湿地、地质遗迹、矿山环境等在内的多门类自然资源综合调查,为城市产业发展和规划建设提供地质依据和解决方案。

近年来,欧洲共同体成员国和美国都大力研发座底式海底边界观测站,并取得了许多有关海底冷泉的重要发现。座底式海底边界观测站既可以实现不同水深、长期多参数综合观测,而且还具备可移动等特点,更适用于海底冷泉的长期监测、对比和综合分析,以满足海底冷泉研究需要。

要以技术、管理有机融合的新机制推进城市地质工作。坚持问题导向,城市地质工作要瞄准当前城市发展中存在的规划滞后、空间不足、盲目扩张、资源利用不合理、环境污染、交通拥堵等问题,同时引导城市因地制宜发展特色优势。精准对接需求,结合特大城市、城市群和中小城镇的实际需求,突出重点,强化城市地质工作对新城新区的选址规划、城市更新改造、生态宜居发展和重大工程建设的支撑和服务。构建成熟的产品服务体系,城市政府的高度重视是推进城市地质工作的重要前提,这就要求打造个性化、定制化服务体系,努力将地质工作成果服务融入政府管理主流程,真正实现城市地质工作在城市发展中“看得见、用得着、用得好”的作用。四是充分发挥雄安模式、上海经验的示范引领作用。雄安新区的多要素城市地质调查工作,打破了原来以平面为主的城市土地利用,延伸拓展到立体的空间系统,统筹考虑包括资源、空间、生态等因素在内的多维有机整体,探索出一条城市发展的绿色道路,充分体现出地质工作的新作为、新优势,具有很好的示范引领作用。

海底冷泉探测不仅能为国家能源安全提供保障,而且有助于海洋探测装备与技术的快速发展,更能够彰显我国海洋科学研究的实力,助力加快建设海洋强国的中国梦。

要充分应用现代科学技术提升城市地质工作水平。加大城市地质与地下空间探测科技创新力度,集中力量,推动城市资源环境承载能力、多圈层相互作用、地质资源协同利用等重大理论研究,着力解决城市复杂条件下地球物理探测等“卡脖子”的关键技术问题。加大城市地质三维建模、数据挖掘、信息系统等研发力度,重点解决地质模型的快速更新、与专业模拟软件的对接、可视化表达等关键技术,创新成果表达方式,丰富服务产品体系。加快推进城市地质调查技术标准体系建设,包括城市地质探测与监测、城市地下空间评价与安全利用、城市地质资源环境开发适宜性评价、城市三维地质信息平台建设等技术标准。

(作者单位:中国地调局青岛海洋地质研究所)

城市地质调查工作意义重大,任务艰巨。在这个关键的发展时期,需要我们以强烈的使命感和高度的责任感,认真贯彻党的十九大精神和习近平新时代中国特色社会主义思想,主动作为,抢抓机遇,努力开创城市地质工作新局面,为建设美丽中国贡献地质智慧。

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