看透地层

海底石油开发的先锋——怎样探测海底石油

地层又硬又不透明，人是看不穿的。只有封神演义里有一位神仙，可以看穿地下。但这毕竟是神话。要在大海中找出什么地方有石油，这就要靠声波了。因为在海中钻一个孔很贵，花费时间也多，如果没有油，就全浪费了。只有用声学方法做大面积探测，在发现可能有油的地方再打钻进行查探就准确多了。用一条调查船，后面拖一条长长的电缆，里面有许多声接收器。船以恒定速度行驶，每隔一定时间用电火花或气枪发出脉冲声，声信号传入地下，海底的结构总是分层的，声波在各层交界的地方反射回来，由长长的接受电缆接受信号，加上复杂的处理技术，就可以知道各层的结构。石油是由数百万年前的史前海洋生物遗骸形成的，这些生物死后躯体下沉，并被埋在泥沙层下，泥沙逐渐变成岩层。岩石层的压力和细菌的作用使生物遗骸变成石油和天然气，石油会穿过疏松岩石层向上流动，一直流到致密岩石层才被阻挡住。当用声波探测出有一个“构造”也就是有一块凸出的底层时，就认为可能有油了。可以进一步探明，确定是否真的有油，油的储量有多少？是否适合开采？办法是打几口探井，取样分析，或者用声、电放射性的方法观察井壁的岩石，看哪个岩层含油，哪个岩层不含油，含油多少，经济上有没有开采价值，最后决定是否开采。（图1）

图1 用海底反射地震仪勘探海底石油

怎么保证海上建筑物的施工

如果想在海岸或海中施工，如修码头、海堤、平台等，一定要知道海底十几米以内地层的情况。如果海底有个断层，修筑码头或海堤在这里就容易断裂。浅海的海底，有的表层很硬，而下面却很软，从事海洋工程的人把这种地址情况叫鸡蛋壳。如果在这种地层上修采油平台，那就会陷下去。因此，在施工之前一定要弄清地质情况，首先是表面十几米到几十米的情况。通常的办法和在陆地上一样，是打钻，采样，在实验室进行力学实验，看承载能力够不够。但在海上钻孔比在陆地上要困难得多。钻孔如不够密，漏掉了断层地带，就会出大乱子。因此一般除钻几个孔之外，还要用浅地层剖面仪，也就是一台用声波的仪器。这仪器拖在船后，用一个声源，不断向海底发出低频率的声波。声波传入海底，在不同的地层上反射回来。在记录仪上记下各层反射的情况。这样得出的是船走过的海域的底层剖面。为了得出比较高的分辨率，而又不受地层的太大的吸收衰减，使用的频率是在几百赫到几千赫，而不是在探测深地层时用的十几赫。这样得出的十几米内的地貌情况就很清楚。（图2）

图2 浅地层剖面图

地下考古的助手

古人的坟墓埋在地下，经过漫长的岁月已经没有标志。有的城市被河流泛滥冲来的泥沙掩埋，也看不出痕迹，在考古时就有困难。总不能到处乱挖吧！这时候声波又可以来帮忙了。用一个大的换能器（振动柱）放在地面，向地下发出低频率的振动，产生的低频脉冲声波向下传播，遇到石头、墙壁、坟墓等和普通土壤不同的地方，声波就会反射回来。在接受车的荧光屏上显示出来。（通常这套设备装在汽车上）把换能器放在地面（实际上是振动的柱子）向下探测，如果发现有和普通土壤不同之处，就移动换能器，在附近地区经行详细的观测。地下如有坟墓、城墙或其他遗迹，在荧光屏和记录器上就可以得出它们的平面图。有经验的考古专家一下子就能判断是否历史遗迹，有没有开挖的价值。这就使地下考古学家长了一双能看透地层的眼睛，工作起来方便多了。（图3）

图3 声波地下考古

探测地球的内部结构

说起地震，大家都觉得很可怕。一次大的地震，地动山摇，房屋倒塌，人畜伤亡，有时几分钟之内就能毁灭一座城市。但是地震波也是弹性波，从本质上来讲和超声探伤时在钢块中传播的超声波是一回事，只不过地震波的频率特别低，振幅特别大而已。地壳由一些巨大的岩石板块组成，这些板块总在缓慢移动，有时板块边缘互相挤迫不能移动，一旦突然滑动，就会使大地猛烈震动。弹性波由震中传出，受地核阻挡，有相当大的范围地震波传不到。（图4）在地下核爆炸实验时，弹性波在液态外核和固态内核的边界上反射。准确测量反射波到达的时间，就可以知道内核和外核的尺寸。地震波成了测量地球内部结构的工具。（图5）

图4 地震波传播

图5 用核爆炸的地震波测量地核尺寸

在地球上无时无刻没有微小的地震。在地下或者海底安放许多地震仪，记录从不同地方来的地震波，地震波通过不同性质的地层传播的速度不一样，根据这些记录加以分析，就可以得出地层的三维图像，叫做三维地震层析成像。

也许有人要问，地震能不能预报呢？地震发生之前总有许多现象出现，但根据这些现象目前还不能准确预测地震。有人设想，在竹子、木材、岩石劈裂之前，总会发出许多声音，用类似声反射的办法，也许能预报地震。这些还有待于研究。