Marine Geology(影响因子:3.3 二区)
摘要:
自主水下航行器（AUV）在海洋地球科学中具有广泛的应用，并且越来越多地用于科学，军事，商业和政策领域。他们具有自主操作船只的能力，使其非常适合极端环境的探索，从世界上最深的热液喷口到极地冰盖以下。它们彻底改变了我们对海底成像的能力，提供了比从水面船只（尤其是在深水中）所能获得的分辨率更高的海底贴图数据。这项贡献着重于AUV数据在海洋地球科学方面的重大进展。主要应用是：i）海底火山和热液喷口研究； ii）低温流体逸出特征和化学合成生态系统的制图和监测； iii）浅水和深水环境中的底栖生境制图；以及iv）海底形态学制图特征（例如在冰或沉积物重力流下产生的地层）。提出了一系列新的数据集，突显了AUV在海洋地球科学研究中日益增长的多功能性，其中包括：i）拖网对深水珊瑚丘的影响的多频声成像，iii）深海深度的高分辨率海底光马赛克， iii）活跃海底密度流的速度测量。与海洋地球科学潜在相关的AUV技术的未来发展包括具有增强的悬停，长续航能力，极限深度或快速响应能力的新型运载工具，而新型传感器的开发将进一步扩大可测量的地球化学参数的范围.
1 介绍
海洋自主系统，包括海底滑翔机和水下自动航行器，正在彻底改变我们绘制和监测海洋环境的能力（Yoerger等，1998，2007a； Caress等，2008； German等，2008b）。尽管真正的自治系统通常是从研究船上部署的，但它们并不会被束缚在船上，并且在收集数据时不需要直接的人工控制（Yoerger等，1998； Griffiths，2003； Yoger等，2007a）。因此，它们为以前无法使用船上仪器的海洋部分地区的数据采集提供了机会。在极地地区冰盖之下（Bellingham等，2000; Brierley等，2002; Nicholls等，2006; Wadhams等，2006; Dowdeswell等，2008; Jenkins等，2010; Graham等人，2013年），并正在改善各种海洋测量的时空分辨率。海洋自治系统在国防，工业和政策部门的应用也越来越多，例如与油气基础设施相关的地质灾害评估（Eddy Lee和George，2004年）。此外，近来的经济驱动因素，例如迅速增加的船用燃料油成本，使得自主系统对于负责大规模且具有成本效益的海洋数据收集计划的组织具有潜在的吸引力（Wynn等，2012）。
该贡献将集中在自动水下航行器上，因为这些平台与针对或接近海床与水柱之间的界面的地球科学研究最为相关。 这是关键的界面，因为它是底栖生物的重要物理栖息地以及集中的沉积物运输和沉积区。 从此接口收集高分辨率数据的能力是必不可少的，但在技术上（尤其是在深水中）具有挑战性。本文的目的是：i）介绍自动水下航行器及其功能，ii）概述以下内容。 它们在海洋地球科学中的应用（基于同行评审的科学文献和作者收集的新数据），以及iii）讨论了潜在的未来应用和技术进步。
2 AUV
自主式水下航行器（AUV）是无人驾驶的自行式运载工具，通常从水面舰艇上部署，并且可以独立于该舰艇工作数小时至数天。大多数是鱼雷形的（例如NERC Autosub6000 AUV;图1），但有些具有更复杂的配置，使它们可以更慢地移动并穿越复杂的地形，例如WHOI ABE和SENTRY AUV（Yoerger等，2007a，b）。 AUV遵循预编程的路线，并且能够使用i）海底声信标阵列进行导航（长基线，例如Jakuba等人，2008），或ii）超短基线声通信，GPS定位，惯性导航（在水面以下时-基于深度传感器，惯性传感器和多普勒速度传感器组合的航位推算，例如McPhail，2009年）。与使用浮力发动机推进并具有波动轨迹的海底滑翔机不同，AUV能够保持通过水的直接（线性）轨迹，因此非常适合要求恒定高度的地球科学应用，例如海床制图和底面轮廓分析（Mayer，2006年）。远程驾驶车辆（ROV）仍被束缚在主船上，尽管这使它们可以获取更多动力并传递实时数据，但与AUV相比，其速度，机动性和空间范围非常有限。某些AUV具有完全自主性，这意味着在AUV处于水中的同时，部署船还可以用于其他任务（有时在地理上与AUV工作区分开），从而大大增加了一定数量下可以收集的数据量（Yoerger et al。，2007a，b）。
根据其抗压强度，现有的用于科学研究的AUV可以在长达6000 m的水深（WD）中运行（图1）。 深水AUV相对靠近海床飞行的能力（低浮雕区域中的海拔高度为b5 m）意味着它们潜在地能够收集比水面船只和被拖曳的仪器（包括侧扫）高得多的空间分辨率（最多两个数量级）和导航精度的海底制图，剖析和成像数据 声纳（Murton等，1992； Scheirer等，2000）和摄像系统（Jones等，2009）。 因此，AUV有效地弥合了船舶安装或拖曳系统之间的空间分辨率差距，例如 多束回声测深仪（MBES），侧扫声纳（SSS）和底部探查器（SBP）以及ROV安装系统（图2）。
在许多情况下，AUV实际上与这些系统结合使用，作为海底“嵌套”多分辨率调查的一部分，其中，船载MBES或3D地震最初提供了空间分辨率为10s的区域底图。 100米，ii）AUV MBES提供详细的地图，空间分辨率为0.5-5 m，并且iii）ROV成像和沉积物采样随后针对小至几厘米的海底特征（例如Ferrini等，2007； Yoerger等） 等人，2007a，b； German等人，2008b； Haase等人，2009； Larroque等人，2011；Römer等人，2012； Paull等人，2013；图2）。 有关AUV的更多技术信息，包括其构造，有效载荷，通信，导航，功率，任务计划和数据处理，请参阅Griffiths（2003），Singh等。 （2004），Kirkwood（2007），Yoger等人（2007a，b），Caress等人（2007）。 （2008），Dowdeswell等。 （2008）和Wynn等。 （2012）。
AUV能够承载与海洋地球科学相关的各种传感器有效载荷，包括地球物理仪器（MBES，SBP，SSS，磁力计），地球化学仪器（电化学氧化还原传感器），海底成像工具（高清单色或彩色相机）和 海洋仪器（CTD，声学多普勒电流剖面仪（ADCP））。 部署的传感器确定车辆的高度以及其速度和耐久性。 更高功率的传感器，例如 SSS和SBP由于增加了对能量的需求而降低了耐用性，而使用彩色摄像头系统进行高分辨率海底成像将要求AUV比进行MBES调查的速度更慢，更靠近海床飞行（Yoerger等，2007a）。 AUV在多次执行任务期间连续收集大量数据的能力在数据分析和存储方面也带来了新的挑战（例如，Jerosch等，2006； Caress等，2008； Williams等，2010； Lucieer等） 等（2013年）.
AUV不能在任何地方运行，在执行任务计划时需要考虑某些因素（Wynn等，2012）。海洋地球科学中使用的AUV通常以高达1.5–2.0 m / s-1的速度移动，并且可能受到接近或超过这些速度的潮汐（或其他）潮流的影响（负面影响包括车辆的“爬行”和航行漂移） ，这两者都会严重影响数据质量）。由于声干扰，碰撞风险和净纠缠，AUV可能也不太适合在军事，航运或捕鱼活动频繁的地区部署。水柱浊度高的区域，例如浮游植物开花或河流径流高的区域，可能会妨碍基于相机的海底成像。尽管与研究船相比，“水下航行器”相对“安静”，但水下航行器可能会干扰敏感地区（例如海洋保护区，尤其是在运行声音大的地球物理传感器时。尽管许多这些外部因素也会影响研究船，但AUV通常不太适合潮汐占主导的浅水环境，这些环境具有高水平的人为基础设施和活动。
3. AUV在海洋地球科学中的应用
AUV已被广泛用于各种海洋地球科学研究中，最初的研究重点是海底制图，但最近又扩展到水柱地球化学和海洋学测量中。专门用于海洋地球科学的第一个AUV可能是IFREMER L'Epaulard AUV，它在1980年代初用于绘制深海锰结核区域的地图（Galerne，1983）。到1990年代初，已出版的文献中描述了超过56种不同的AUV，尽管几乎所有都是在该领域未经验证的演示工具（Bellingham and Rajan，2007），但是到2007年，仅92种REMUS AUV就被使用了。在野外使用，其中82项用于军事用途，其余10项用于科学目的（Moline et al。，2007）。在具有AUV数据集的同行评审的海洋地球科学出版物中反映了AUV在海洋环境中使用的增加（图3）。这种热潮还反映在全球互联网上目前可用的信息量中。 Google于2013年7月对AUV海洋地球科学和自主水下航行器海洋地球科学进行的搜索分别返回了约300,000次和〜1,050,000次单独点击.
广泛用于海洋地球科学的AUV的例子包括6000 m深度等级的NERC Autosub6000（McPhail，2009;图1），6000 m深度等级的MBARI D. Allan B.（Kirkwood，2007; Caress 等（2008年），6000 m深度的WHOI自主底栖探险者ABE（Yoerger等，2007a，b），5000 m深度的MARUM Seal 5000（Römer等，2012； Marcon等）。 等（2013年），6000 m深度的IFM-GEOMAR ABYSS（Haase等人，2009年），3000m深度的Ifremer AsterX（Dupré等人，2008年），3500 m深度 JAMSTEC AUV浦岛（Kumagai等，2010; Nakamura等，2013）和700 m深度ACFR AUV Sirius（Williams等，2010; Lucieer等，2013）。 许多其他AUV已在科学领域投入服务，并加入了商业领域中越来越多的既定提供商，例如 Kongsberg REMUS和Hugin .
到今天为止，水下机器人的广泛科学用途分类如下
3.1。 海底火山和热液喷口
在同行评审的科学文献中，AUV在海洋地球科学中最普遍的应用之一涉及海底火山作用和热液喷口的研究。 在这种情况下，AUV可用于i）制作海底的高分辨率测深图和磁场图，ii）结合使用温度，光学反向散射，电化学氧化还原（Eh），垂直速度和SSS定位活跃的热液羽流 iii）产生特定感兴趣区域的详细地理参考光镶嵌图（例如Yoerger等，2007a； German等，2008b； Nakamura等，2013）。
在1995年和1996年将WHOI AUV ABE部署到美国西北部的胡安德富卡海岭之后，一些利用AUV数据的海洋地球科学出版物中就涉及到WHOI AUV ABE（Tivey等，1997，1998； Yoger等，1998）。 ）。主要目的是使用磁力计调查2200 m WD处年轻（两岁）的熔岩流。结果证明了高分辨率磁数据对于检测和绘制新的熔岩流的价值。该车辆还通过视频系统对海底进行了成像，并使用CTD数据绘制了热液羽流图。随后的一系列开创性研究使用了由ABE收集的高分辨率测深和磁图数据来研究东太平洋上升带中洋脊的波峰环境（Carbotte等，2003; Cormier等，2003; Shah等。 ，2003； Fornari等，2004； Ferrini等，2007）。这些数据被用来识别许多过程，包括i）岩浆沉陷，如通过脊顶测深仪的断层恢复所揭示的（Carbotte等，2003），ii）阵发性堤防群，利用磁场数据（Shah等，2003）。 ，2003），iii）对比喷发样式，表示在千年时间尺度上火山活动的起伏（Cormier等人，2003），iv）热液喷口与主要火山特征和过程之间的空间关系（Fornari等人，2004; Ferrini et al。，2007）
在大西洋中脊（MAR）上，ABE用于绘制WD-750 m WD处壮观的迷失之城热液喷口（Kelley et al。，2005）。通过AUV获得的高分辨率MBES数据，以及从ROV（DSV Alvin）获得的视频和样本数据，可以详细探讨该地形复杂站点的断层与主动放空之间的关系。 ABE还调查了南部MAR缓慢蔓延的区域，以确定活跃的热液喷发地点（German等，2008a）。除了确定最近火山喷发活动的证据外，调查的喷口还显示出超过400°C的流体排放，这使它们成为当时脊顶环境中报告的最热的喷口流体。在其他地方，ABE及其继任者SENTRY已被用于研究加拉帕戈斯裂谷（Shank等，2003），东北太平洋南部探索者岭（Deschamps等，2007）和新西兰兄弟火山的热液排放。 （Baker等，2012； Caratori Tontini等，2012； Emley等，2012）.
ABE通常是作为三个阶段的“嵌套”调查的一部分进行部署的战略，涉及船舶，AUV和ROV，例如Yoerger等。 （2007a，b）和German等。 （2008b）。也采用了这种三阶段策略.最近，使用NERC Autosub6000 AUV成功地发现了地球上最深的热液喷口系统（Connelly等，2010）。 2010年初，RRS詹姆斯·库克（RRS James Cook）对开曼海槽（Cayman Trough）的面积进行了调查，该开曼海槽是中部加勒比海内一个100公里宽的裂谷盆地，由两个主要断层系统与南北两个边界相连，深达7000 m 。舰载MBES（Simrad EM120）和深拖式TOBI 30 kHz SSS映射用于建立中开曼扩展中心（MCSC）的大范围底图（图4A），该图揭示了一系列有趣的目标，可用于随后的AUV映射因此，首次AUV任务是对5000 m深海底进行地形跟踪调查，并使用高分辨率MBES（EM2000）绘制了75 m高度的海底图以及光学和电化学传感器（比浊法和Eh）用于绘制近底部水柱中的颗粒状颗粒和还原的铁羽。最初的调查占用了间隔100 m，长度1 km的轨道线，在24小时的任务中，轨道长度总计为65 km。在此初始任务期间获得的AUV数据高度指示了从海底一系列土墩产生的化学还原的污水，这些土墩随后被称为Beebe Vent场（图4B–C）。这些数据指导了NERC ROV Isis的后续任务，该系统能够在崎terrain的地形上航行并逃脱在N400°C时排放的排放液。
ROV用于近摄，采样以及在活动通风口结构上放置实验和传感器（Connelly等，2010）.
第二次AUV任务是在MCSC西侧约2500 m WD进行的，在28小时内覆盖了1.5×3.0 km的区域，航迹线间距为75 m。 在圆锥形丘顶上检测到许多明显的Eh信号，该丘直径为130 m，高度为50 m（图4D–E）。 丘的不寻常形状及其与强Eh信号的联系表明，它是活跃的热液流体排放场所，后来被称为冯达姆通风场。 在定位目标站点之后，再次部署了ROV进行视觉调查，并对地下和动物区系进行采样。 结果，圆锥丘被确认为大量热液散发的场所，并拥有丰富的特定于通风孔的动物（Connelly等，2010）。 总体而言，这些数据强调了使用嵌套的多分辨率调查方法的好处，可以有效地发现和表征深海中活跃的热液喷口位置.
最近，使用其他深水AUV在海底火山环境中又发现了重要的发现。例如，Marcon等。 （2013）使用MARUM Seal 5000 AUV绘制了梅内兹·格温（Menez Gwen）热液喷口，WD，800 m，是MAR上已知化学合成群落最浅的喷口。 Kumagai等。 （2010年）使用JAMSTEC浦岛AUV绘制了冲绳岛附近的Iheya-North热液喷口区域。除了高分辨率的海底测深和后向散射图以外，AUV SSS影像的新颖应用还使得能够检测上升流速度约1 m / s的水柱中活跃的热液羽流.CTD和pH传感器数据来自AUV。吉川等。 （2012年）然后使用浦岛岛进行了马里亚纳海槽中热液系统的首次详细形态学研究。中村等。 （2013年）随后将重点放在这些Mariana Trough站点之一的Pika热液喷发站点的5×5 km区域的AUV制图数据上。根据AUV磁化强度和MBES数据，推断出一个新的热液喷口位置（在AUV之后命名为浦岛）与Pika位置相邻，并使用120 kHz SSS数据对进入该位置的水柱的主动排空进行了成像（图7）。 5）并用ROV成像确认。这些最近使用浦岛的研究强调了水下航行器的能力，不仅可以绘制现有的并发现新的热液喷口位置，而且还可以使用SSS图像确认海底的主动喷口。这种更直接的方法克服了与弥散热液羽流的地球化学标测有关的一些问题，例如通过深部底流进行扩散（German et al。，2008b），并有助于识别密集的排气孔.
最后，克莱格等。 （2011年）使用MBARI D. Allan B. AUV来研究北部劳盆地的西马塔火山的火山过程和产物。高分辨率的AUV水深测量数据用于对火山喷发口的精细形态进行成像。图4.（A）中部开曼扩展中心的船载MBES地图叠加在区域GEBCO水深测量的背景上，显示了一般情况裂谷的结构。插图显示了中开曼群岛传播中心相对于中美洲和加勒比群岛的位置。 （B）源自Autosub6000的EM200（分辨率为1 m）MBES，显示了火山穹顶的NE-SW对准（直径范围在200至600 m之间）；红色圆圈表示在5000 m WD处Beebe Vent场的位置（图例：红色= 4760 m，深蓝色= 5260 m）。 （C）与EM200 MBES同时获得的来自Autosub6000上Eh传感器的信号强度（图例：蓝色=低Eh，红色=高Eh）； Eh负信号表示从位于海底的活跃热液源进入水柱的流体减少。 （D）源自Autosub6000的EM200（分辨率为1 m）MBES，显示出一系列圆锥体（直径在50至130 m之间，高度在60 m之间）；红色圆圈表示在2200 m WD处Von Damm Vent场的位置（图例：红色= 2000 m，紫色= 2800 m）。 （E）来自Autosub6000上Eh传感器的信号强度（图例：蓝色=负Eh，红色=正Eh）在冯达姆通风孔场的位置显示出低Eh模式。主锥南面分散的低Eh信号表明从宽阔区域散发出来的排放液减少了。 Wynn等。 /海洋地质352（2014）451–468455和裂谷区。尽管AUV在整个裂谷系统和顶峰区域上空飞行在海床上方75 m，但仅在顶峰的一小部分（靠近Hades和Prometheus通风口）上记录了下chi声波廓线仪上的声音。该噪声被解释为代表这些发泄点的爆发，并证实了较早的观察结果，表明最近的活动仅限于山顶区域。如果喷发持续并且将来进行重复测绘，AUV测绘数据将有助于更准确地计算体积变化。 Caress等人随后阐明了重复AUV测绘对于了解火山过程的重要性。 （2012），他再次使用D. Allan B.生成了第一张高分辨率的熔岩流图，该图是由活动的水下火山中的一次喷发事件引起的。在2006–09年的13次勘测中，AUV最初在1300–2400 m WD的轴向海山峰顶采集了一米分辨率的多波束测深图（例如Thomas等，2006），目的是绘制海底火山爆发产物的地图。 1998年历史性喷发。 2011年的进一步喷发提供了使用相同的AUV进行重复测绘的机会，从而可以检测新熔岩流的空间范围，厚度和形态。测绘数据随后与ROV视频和样本进行了地面对比。绘制单个流量的能力为流量行为提供了新的见解，包括在同一事件中高和低喷发率，重新激活已存在的裂缝以及重新占用已存在的通道的指标。对原有流道的重新利用凸显了在没有高质量“前后测深”调查的情况下很难绘制单个爆发事件的产品图
3.2。流体逃逸特征和化学合成生态系统
除了绘制和监视深水热液过程外，AUV在调查低温流体逸出特征方面也发挥了重要作用。保尔等。 （2008年）使用MBARI D. Allan B. AUV在800–900 m范围内的一系列流体逸散丘和周围隆起上收集高分辨率MBES（横向分辨率1.5 m），SBP（垂直分辨率0.1 m）和SSS数据WD在加利福尼亚海上的圣莫尼卡盆地。这些测绘数据为详细的ROV采样提供了更广阔的地质背景，而SBP剖面为扩展到海底的小规模活动断层提供了指示（得到ROV数据的支持，这些数据显示了这些地区甲烷浓度升高，化学合成动物群和海底变化）。高分辨率的AUV数据有助于解释这些特征是“气泡”，这些气泡是由地下天然气水合物积累引起的膨胀形成的。这种解释支持了Hovland和Svensen（2006）先前为挪威边缘海底水泡形成的“海底积水”假说。纽曼等。 （2008年）使用WHOI SeaBED AUV调查了美国东海岸沿陆架边缘（约WD 100 m）的一系列巨大的千米尺度海底麻点。 AUV在〜3 m的高度飞行，并携带一个甲烷传感器来测量麻点上的原位溶解甲烷浓度。 AUV还收集了高分辨率MBES，CTD和彩色摄影数据（44,000张图像）。结果表明，目前正在发生积极的甲烷排放，并集中于麻壁上，为甲烷浓度的时空变化提供了新的信息。
3.3。 底栖生境图
3.4。 海床形态与床形，冲刷和陡崖有关