本发明属于海洋天然气水合物环境效应评价工程技术领域，具体涉及一种大陆边缘水合物引发的环境地质灾害的动态监测系统及方法。
背景技术：
全球海底普遍分布有天然气水合物(以下简称“水合物”)，约占整个海洋面积的10％以上，其中大陆边缘是最为富集水合物的位置。已经有确定的证据表明，当前正在进行的人为活动或自然过程均可导致水合物分解，在大陆边缘很多地方引发海底滑塌。
水合物造成海底滑坡的机理是：如果暴露于较低压力和/或较高温度条件下，水合物发生分解，就可导致压实程度较差的沉积物扰动，从而触发滑坡。同时，在固态的水合物中，气体高度浓缩，水合物的分解可以释放出大量的气体。在标准温度和压力下，1m3的水合物能释放出164m3的甲烷气体。这种体积膨胀导致孔隙流体的压力急剧增加，使沉积物被劈开，其密实度降低，形成大量孔隙体积，从而有可能触发沉积物滑坡。在积极进行在全球范围内开展水合物资源勘探和试开采活动的同时，也要对海域水合物开展环境灾害调查，保障该区域相关海洋工程设施和沿海经济带的环境安全。
大陆边缘水合物失稳分解的环境地质灾害主要包括滑坡、崩塌，大量甲烷溢出，海水缺氧、酸化等。尤其陆坡上埋深不超过50米的浅表层水合物，更容易受到各种因素的干扰，分解泄漏和发生滑坡的风险较大。但是，当前在海底进行水合物环境地质灾害监测和预警仍处于萌芽状态，仅见一些概念性的监测模型和算法(比如授权公告号为【cn105674945b】的发明专利所公开的技术方案)，且均未充分考虑该监测对象复杂的环境效应，缺乏多参数、实时、原位监测的手段，也缺乏对海底环境下数据采集和传输方案的设计，难以形成成熟的技术体系，这导致难以准确评估水合物资源的勘探和开发过程中的环境风险，达不到提前预警和准确评估的功能，直接影响政府和有关部门的决策，阻碍天然气水合物的产业化进程的推进。
技术实现要素：
本发明针对现有技术难以准确评估水合物资源勘探和开发过程中的环境风险等缺陷，提出一种大陆边缘水合物环境地质动态监测系统及方法，针对大陆边缘赋存天然气水合物的边坡进行滑坡和环境变化的综合监测，从而掌握水合物可能诱发的地质灾害的机制和规律，为水合物开采进程提供技术支撑。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种大陆边缘水合物环境地质动态监测系统，包括测斜单元、游离态甲烷监测单元、海水环境参数监测单元、数据采集单元以及原位数据接收单元；所述测斜单元、游离态甲烷监测单元和海水环境参数监测单元通过通讯光缆接入设置在海底的数据采集单元，数据采集单元通过浮球与通讯卫星进行数据传输，并通过通讯卫星与原位数据接收单元进行数据传输，实现地质动态数据原位监测；
所述测斜单元沿滑坡线设置，用以监测滑坡体的深部变形程度，以反演滑坡推力的分布形式和滑面位置，并辅助对滑坡体的安全状态评价；所述游离态甲烷监测单元设置在滑坡线的上部开裂位置，用以对水合物分解释放的游离态甲烷进行流量监测，获得其在时间序列上的变化信息；所述滑坡线的位置基于海底微地貌上的特殊结构、并结合地层剖面上解译出来的断裂进行确定，所述特殊结构包括滑坡阶步；所述海水环境参数监测单元设置在浅海区大陆坡位置，用以对气泡羽流喷口附近的海水环境参数进行监测。
进一步的，所述测斜单元包括分布式光纤测斜模块和光纤调制解调仪，分布式光纤测斜模块沿调查目标位置的滑坡线设置，包括带光纤光栅传感器的分布式光纤、分布式光纤测斜管，分布式光纤设置在分布式光纤测斜管中，分布式光纤测斜管通过传输光纤接入光纤调制解调仪。
进一步的，所述海水环境参数监测单元采用集成甲烷传感器、溶解氧传感器、ph计和eh计的海床基工作站，以实时获得水体中溶解甲烷和溶解氧含量、底水的ph值和eh值随时间的变化。
进一步的，所述监测系统还包括与测斜单元、游离态甲烷监测单元和海水环境参数监测单元相连的供电电源(12)，供电电源的供电主体采用海水电池、太阳能光伏板或者温差发电机。
本发明另外还提出一种基于大陆边缘水合物环境地质动态监测系统的监测方法，包括以下步骤：
1)针对调查目标位置，确定滑坡线；
2)在调查目标位置的滑坡体上垂向钻孔，钻孔的下部穿过滑坡线，并在钻孔内布设监测滑坡体的深部变形程度的测斜单元；
3)在滑坡线的上部开裂位置，布设游离态甲烷监测单元，以对水合物分解释放的游离态甲烷进行流量监测，获得其在时间序列上的变化信息；
4)基于海水环境监测单元对气泡羽流喷口附近的海水环境参数进行监测；
5)对水体中泄漏来源的溶解态甲烷通量、气泡羽流喷口附近的海水环境参数以及测斜单元采集的数据进行分析，实现对大陆边缘赋存天然气水合物的边坡进行滑坡和环境变化的综合监测。
进一步的，所述步骤1)中，在实际调查中，利用海底微地貌上的特殊结构，并结合在浅地层剖面上解译出来的断裂来确定滑坡线的实际位置，所述特殊结构包括滑坡阶步。
进一步的，所述测斜单元包括分布式光纤测斜模块和光纤调制解调仪，分布式光纤测斜模块沿调查目标位置的滑坡线设置，包括带光纤光栅传感器的分布式光纤、分布式光纤测斜管，分布式光纤设置在分布式光纤测斜管中，分布式光纤测斜管通过传输光纤接入光纤调制解调仪。
进一步的，所述海水环境参数监测单元采用集成甲烷传感器、溶解氧传感器、ph计和eh计的海床基工作站，以实时获得水体中溶解甲烷和溶解氧含量、底水的ph值和eh值随时间的变化。
进一步的，所述步骤2)中，在滑坡体上出现滑坡阶步的位置的适当位置钻孔，将分布式光纤绑扎于分布式光纤测斜管管壁上的刻槽内，并以环氧树脂黏贴；然后将分布式光纤布放距离滑坡线顶部一定位置处。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案以海底多参数传感器技术为基础，对水体中泄漏来源的溶解态甲烷通量、溶解氧含量以及ph值和eh值等参数进行监测；并以超声波流量计监测以气泡羽流形式泄漏的游离态甲烷通量；结合分布式光纤技术对潜在不稳定斜坡的应力应变进行监测；通过组建海底小型观测网，统一供电和数据采集，同时利用数据定期传送技术将海底监测的结果经由通讯卫星与岸基或船基接受器有效连接，形成原位、长期、连续的监测和预警能力，对水合物储层的动态活动以及造成的环境效应进行监测，实用价值及可实施性强，能够确保大陆边缘水合物诱发的地质灾害和环境灾变在可控范围之内。
附图说明
图1为本发明实施例1所述监测系统的原理示意图；
图2为本发明实施例所述分布式光纤测斜管分布示意图；
其中，1-水合物储层；2-滑坡线；3-分布式光纤测斜模块；31-分布式光纤；32-分布式光纤测斜管；4-光纤光栅传感器；5-信号传输光纤；6-光纤调制解调仪；7-坐底式超声波流量计；8-游离态甲烷；9-海床基工作站；10-统一采集系统；11-供电电缆；12-供电电源；13-浮球；14-通讯卫星；15-岸基数据接收器；16-船基数据接收器；17-滑坡阶步。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本方案所提出的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统及方法，针对大陆边缘赋存浅表层水合物且有环境地质灾害风险的海底边坡，结合多种技术方法的融合设计，从而达到综合监测、提前预警的目标。当调查认为目标位置因为水合物的动态变化具有潜在的滑坡风险和水合物分解泄漏的风险，或者已经不同程度的出现各种灾害，就可以利用本方案进行监测，以便掌握灾害动态，达到提前预警和综合评价的目的。
实施例1、一种大陆边缘水合物环境地质动态监测系统，如图1所示，其中1为水合物储层，由于其浅部受底水温度和潮汐波动、地震以及自重的影响，经常会发生分解，在地层内产生软弱层面，即潜在滑坡线2，因此具有发生滑坡的风险，为对潜在滑坡体的深部变形及趋势发展进行监测，主要基于以下技术实现：
所述监测系统包括测斜单元、游离态甲烷监测单元、海水环境参数监测单元、数据采集单元10和原位数据接收单元；所述测斜单元和游离态甲烷监测单元沿滑坡线2设置，测斜单元用以监测滑坡体的深部变形程度，以利用变形监测数据反演滑坡推力的分布形式、滑面位置，且可以通过分布式光纤测斜管32所处的状态，评价滑坡体的安全状态；游离态甲烷监测单元采用坐底式超声波流量计7设置在滑坡线2的上部开裂位置，用以对水合物分解释放的游离态甲烷8进行流量监测，获得其在时间序列上的变化信息，在实际调查中，利用海底微地貌上的特殊结构(如滑坡阶步17)，结合在浅地层剖面上解译出来的断裂，来确定滑坡线的实际位置；所述海水环境参数监测单元采用设置在浅海区大陆坡，用以对气泡羽流喷口附近的海水环境参数进行监测；所述测斜单元、坐底式超声波流量计7、海水环境参数监测单元通过通讯光缆连接在一起，接入数据采集单元10，数据采集单元10通过浮球13与通讯卫星14开展数据传输，通过通讯卫星与原位数据接收单元(岸基接受器15或者船基接收器16)进行数据传输，供用户使用，具体的：
所述测斜单元包括分布式光纤测斜模块3和光纤调制解调仪6，分布式光纤测斜模块3沿调查目标位置的滑坡线2设置，包括带光纤光栅传感器4的分布式光纤31、分布式光纤测斜管32，分布式光纤31设置在分布式光纤测斜管32中，分布式光纤测斜管32通过传输光纤5连接在一起后接入光纤调制解调仪6；具体实施时，在滑坡体上出现滑坡阶步17的位置的适当位置垂向钻孔，且钻孔的下部穿过潜在滑坡线2，然后在钻孔内放入分布式光纤测斜管32，分布式光纤测斜管32管壁上设有刻槽，将特殊封装的分布式光纤31(带光纤光栅传感器4)绑扎于刻槽内，以环氧树脂黏贴；然后将分布式光纤31布放距离滑坡线2顶部一定位置处，如50-100cm处，以便更好地监测滑坡的应力应变。当滑坡体失稳时，整个测斜单元3在滑坡的推力作用下将发生变形，此时，通过其上的光纤光栅传感器4监测分布式光纤测斜管32的应力应变来反映滑坡体的深部变形程度。利用变形监测数据，反演滑坡推力的分布形式、滑面位置，还可以通过分布式光纤测斜管32所处的状态，评价滑坡体的安全状态。参考图2，分布式光纤测斜模块3在滑坡中的分布按等间距排布，具体间距可按滑坡体的规模大小设置，达到重点区域全覆盖即可。
滑坡线2的上部开裂位置是水合物分解流体的通道(也就是所谓的“冷泉喷口”)，在该位置布放坐底式超声波流量计7，即将坐底式超声波流量计7设置在滑坡线2的上部开裂位置，以对水合物分解释放的游离态甲烷8进行流量监测，获得其在时间序列上的变化信息。
所述海水环境参数监测单元采用集成甲烷传感器、溶解氧传感器、ph计和eh计的海床基工作站9，以对气泡羽流喷口附近的海水环境参数进行监测，实时获得水体中溶解甲烷和溶解氧含量、底水的ph值和eh值随时间的变化。
以上各装置利用通讯光缆连接在一起，接入数据采集单元10，同时利用供电电缆11与供电电源12连接在一起，以便统一对各装置进行供电。所述的供电电源122的供电主体也可以用海水电池、海面上布设的太阳能光伏板以及温差发电机等，在离岸较近的条件下，也可以利用岸基电缆供电，在此不一一赘述。
本实施例中，在数据采集单元10中，根据陆坡区远离海岸的特征，采用自动熔断技术设置多个定期熔断的海底数据传输浮球13，浮球13具有一定容量的数据存储功能，当数据采集单元10收集的环境监测数据达到据球数据容纳限度后，即可熔断脱离，利用自身具有的浮力向上到达海平面，与通讯卫星14开展数据传输，然后通讯卫星寻找岸基接受器15或者船基接收器16进行数据传输，供用户使用。海底数据传输浮球13传输完数据后自动销毁，以保证数据的安全。根据监测的具体目的，数据球可以按采集数据的容量定期传输也可以按时间定期传输，以克服远离海岸造成的数据传输障碍。
本方案以海底多参数传感器技术为基础，对水体中泄漏来源的溶解态甲烷通量、溶解氧含量以及ph值和eh值等参数进行监测；结合超声波流量计监测以气泡羽流形式泄漏的游离态甲烷通量；并基于分布式光纤技术对潜在不稳定斜坡的应力应变进行监测，实现对大陆边缘赋存天然气水合物的边坡进行滑坡和环境变化的综合监测；通过组建海底小型观测网，统一供电和数据采集，对水合物储层的动态活动以及造成的环境效应进行监测，形成原位、长期、连续的监测和预警能力。
实施例2、基于实施例1所公开的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统，本实施例提出一种对应的监测方法，包括以下步骤：
(1)针对调查目标位置，确定滑坡线，在实际调查中，利用海底微地貌上的特殊结构(滑坡阶步17)，并结合在浅地层剖面上解译出来的断裂来确定滑坡线的实际位置；
(2)在调查目标位置的滑坡体上垂向钻孔，钻孔的下部穿过滑坡线，并在钻孔内布设监测滑坡体的深部变形程度的测斜单元；
具体实施时，在滑坡体上出现滑坡阶步17的位置的适当位置垂向钻孔，且钻孔的下部穿过潜在滑坡线2，然后在钻孔内放入分布式光纤测斜管32，分布式光纤测斜管32管壁上设有刻槽，将特殊封装的分布式光纤31(带光纤光栅传感器4)绑扎于刻槽内，以环氧树脂黏贴；然后将分布式光纤31布放距离滑坡线2顶部一定位置处，如50-100cm处。
(3)在滑坡线的上部开裂位置，布设游离态甲烷监测单元，以对水合物分解释放的游离态甲烷进行流量监测，获得其在时间序列上的变化信息；
(4)基于海水环境监测单元对气泡羽流喷口附近的海水环境参数进行监测；
(5)对水体中泄漏来源的溶解态甲烷通量、气泡羽流喷口附近的海水环境参数以及测斜单元采集的数据进行分析，实现对大陆边缘赋存天然气水合物的边坡进行滑坡和环境变化的综合监测。
由此，完成大陆边缘海底浅表层水合物环境灾害原位、实时、持续、多参数监测，获得泄漏气体通量、水体化学变化以及滑坡体应力应变数据，供用户综合分析，以达到提前预警效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
1.一种大陆边缘水合物环境地质动态监测系统，其特征在于，包括测斜单元、游离态甲烷监测单元、海水环境参数监测单元、数据采集单元(10)以及原位数据接收单元；所述测斜单元、游离态甲烷监测单元和海水环境参数监测单元通过通讯光缆接入设置在海底的数据采集单元(10)，数据采集单元(10)通过浮球(13)与通讯卫星(14)进行数据传输，并通过通讯卫星(14)与原位数据接收单元进行数据传输，实现地质动态数据原位监测；
所述测斜单元沿滑坡线(2)设置，用以监测滑坡体的深部变形程度，以反演滑坡推力的分布形式和滑面位置，并辅助对滑坡体的安全状态评价；所述游离态甲烷监测单元设置在滑坡线(2)的上部开裂位置，用以对水合物分解释放的游离态甲烷(8)进行流量监测，获得其在时间序列上的变化信息；所述滑坡线(2)的位置基于海底微地貌上的特殊结构、并结合地层剖面上解译出来的断裂进行确定，所述特殊结构包括滑坡阶步(17)；所述海水环境参数监测单元设置在浅海区大陆坡位置，用以对气泡羽流喷口附近的海水环境参数进行监测。
2.根据权利要求1所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统，其特征在于：所述测斜单元包括分布式光纤测斜模块(3)和光纤调制解调仪(6)，分布式光纤测斜模块(3)沿调查目标位置的滑坡线(2)设置，包括带光纤光栅传感器(4)的分布式光纤(31)、分布式光纤测斜管(32)，分布式光纤(31)设置在分布式光纤测斜管(32)中，分布式光纤测斜管(32)通过传输光纤(5)接入光纤调制解调仪(6)。
3.根据权利要求1所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统，其特征在于：所述海水环境参数监测单元采用集成甲烷传感器、溶解氧传感器、ph计和eh计的海床基工作站(9)，以实时获得水体中溶解甲烷和溶解氧含量、底水的ph值和eh值随时间的变化。
4.根据权利要求1所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括与测斜单元、游离态甲烷监测单元和海水环境参数监测单元相连的供电电源(12)，供电电源(12)的供电主体采用海水电池、太阳能光伏板或者温差发电机。
5.基于权利要求1所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)针对调查目标位置，确定滑坡线(2)；
2)在调查目标位置的滑坡体上垂向钻孔，钻孔的下部穿过滑坡线，并在钻孔内布设监测滑坡体的深部变形程度的测斜单元；
3)在滑坡线(2)的上部开裂位置，布设游离态甲烷监测单元，以对水合物分解释放的游离态甲烷进行流量监测，获得其在时间序列上的变化信息；
4)基于海水环境监测单元对气泡羽流喷口附近的海水环境参数进行监测；
5)对水体中泄漏来源的溶解态甲烷通量、气泡羽流喷口附近的海水环境参数以及测斜单元采集的数据进行分析，实现对大陆边缘赋存天然气水合物的边坡进行滑坡和环境变化的综合监测。
6.根据权利要求5所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统的监测方法，其特征在于：所述步骤1)中，在实际调查中，利用海底微地貌上的特殊结构，并结合在浅地层剖面上解译出来的断裂来确定滑坡线的实际位置，所述特殊结构包括滑坡阶步(17)。
7.根据权利要求5所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统的监测方法，其特征在于：所述测斜单元包括分布式光纤测斜模块(3)和光纤调制解调仪(6)，分布式光纤测斜模块(3)沿调查目标位置的滑坡线(2)设置，包括带光纤光栅传感器(4)的分布式光纤(31)、分布式光纤测斜管(32)，分布式光纤(31)设置在分布式光纤测斜管(32)中，分布式光纤测斜管(32)通过传输光纤(5)接入光纤调制解调仪(6)。
8.根据权利要求5所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统的监测方法，其特征在于：所述海水环境参数监测单元采用集成甲烷传感器、溶解氧传感器、ph计和eh计的海床基工作站(9)，以实时获得水体中溶解甲烷和溶解氧含量、底水的ph值和eh值随时间的变化。
9.根据权利要求7所述的大陆边缘水合物环境地质动态监测系统的监测方法，其特征在于：所述步骤2)中，在滑坡体上出现滑坡阶步(17)的位置的适当位置钻孔，将分布式光纤(31)绑扎于分布式光纤测斜管(32)管壁上的刻槽内，并以环氧树脂黏贴；然后将分布式光纤(31)布放距离滑坡线(2)顶部一定位置处。
技术总结