海底浅地层剖面探测及其作业应用

                                                                                                   

海底地层剖面测量是海洋物理探测的重要内容，它利用声波脉冲在水中和水下沉积物内传播和反射的特性来探测海底地层结构。声脉冲入射到海底底质中，在不同地层界面产生反射，其强度取决于界面两边介质声阻抗的差，用放电或热敏纸记录此反射，根据到达时间和反射的强度可以判断地层界面的深度和性质，也可将信息数字化后存储以备后处理。用计算机处理数据可以提高信噪比，有时还加专家判读系统。海底地层剖面测量应用广泛，是重要的海上勘探方法，该方法能较好的了解基岩埋深、查明断裂构造的分布、海底障碍物的分布情况和浅层气、古河道、海底滑坡和塌陷等海域灾害的地质情况，在锚地航道建设、码头桥梁建设、管道铺设等近海工程中发挥了重要作用。

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一、海底剖面仪的分类与特征

对于一系列的近岸和深海调查来说，欲快速而准确地了解海底地层情况，最有效的工具就是剖面仪，它可以为用户提供非常详尽而可靠的资料。最近十几年来，各仪器生产厂家在技术革新方面也做了许多工作，从简单的声学产品到一些特殊器件都有新的技术突破， 海底剖面仪的分类及主要技术特点如下。

⒈ 海底剖面仪的主要分类

⑴浅地层剖面测量是利用声波在海底以下介质中的透射和反射，采用声学回波原理，获得海底0m～80m浅层声学剖面的一种地球物理调查方法。

⑵单道地震测量是利用地震波在海底以下介质中的透射和反射，采用声学回波原理，获得海底0m～800m浅层声学剖面的一种地球物理调查方法。

⑶深地层剖面仪用气枪、水枪、电火花、爆炸等声源，工作频率为数百赫宽频带，用拖曳线列水听器阵接收。可探测海底表面以下数百米深的地层结构，穿透粗砂、砾几石等夹层。

本文只讨论浅层剖面仪特征及应用，对深地层剖面仪由于海底石油天然气资源工程中应用较多，在此不作进一步分析探讨。

⒉ 浅地层剖面测量设备分类

浅地层剖面测量设备按技术分类为声参量阵式、压电陶瓷式和电磁式三种，单道地震测量设备为电火花式一种，各设备的特征为：

⑴声参量阵式(差频技术)：优点是发射指向性与分辨率较高；缺点是穿透力差，价格高。

⑵压电陶瓷式(压电技术)：优点是分辨率高(低于前者)，且仪器的穿透力较好；缺点是价格较高。

⑶电磁式(磁致伸缩式):通常多为各种不同名称的Boomer，穿透深度及分辨率适中，价格较低。

⑷电火花式(高压放电原理)：优点是穿透深度较大；缺点是分辨率较差。

下表为各剖面仪的性能表，下图为Boomer与X-Star (Chirp)技术浅剖比对图片。

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二、浅地层剖面测量

⒈ 适用范围

浅地层剖面测量设备适用于航道、锚地、管线路由调查等1～80m水深的工程和地球物理测量工作，对忪软土质地层具有较强的穿透能力，且分辨率较高，对砂质地层穿透能力较差。

浅层剖面仪用换能器或电磁脉冲声源发射数千赫频率的宽带声脉冲，能穿透数十米的松散地层，分辨力数十厘米，而对粗砂、砾石等地层很难穿透。也有些产品根据非线性声学原理，发射两种频率相近的高频脉冲，用差频法产生低频，可用较小尺寸换能器获得深穿透能力、高方向性。

⒉ 系统主要特点

其主要特点是探测记录海底浅地层组织结构，以垂直纵向剖面图形反映浅地层组织结构，而且具有良好的分辨率，能够高效率探测海域的海底浅地层组织结构。现代新型浅地层剖面仪对水下地层的垂直分辨率可达0.1m，泥质穿透深度可达100m，砂质穿透深度可达5m。

线性调频技术（chirp），较好的解决了分辨率与穿透深度的矛盾。通过发射宽带，长时间的调频脉冲，接收信号经过相关处理（匹配滤波），得到一个比发射脉宽的宽度窄很多的压缩脉冲，压缩后的脉冲宽度与发射脉冲的宽度无关，这个压缩脉冲宽度等于调频带宽的倒数，由此可以理解，发射较宽的线性调频（chirp）脉冲，能够保证一定穿透深度，同时不会降低垂直分辨率。

⒊ 剖面声图层理特征

剖面声图的层理特征，是指剖面声图显示具有一定灰度的点状、块状和线状图形组成的图像，反映不同性质的海底地层图像的特征。

⑴简单层理特征：

平行简单层理特征：沉积层界面呈现平行特征，其层位图像也呈平行特征，表明沉积物平稳且较均匀一致的下沉积淀，显示了在低能量沉积环境中细粒沉积物，如下图。

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发散简单层理特征：点状和线状图像由密集扩散成稀疏图像，表示沉积物沉积速率的区域变化，见下图。

⑵复杂层理特征：

复杂斜层理特征：由点状、块状和点线状图形组成的不平行倾斜状图形特征，通常表示近岸平原沉积物的沉积层图像特征，见下图。

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S型复杂层理特征：由形成 S 型的线状或块状组成的图像特征，通常表示浅海环境的沉积层图像特征，沉积物的粒度从细到相对粗的粒度，见下图。

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无声反射带：无声反射带就是声图中不存在具有一定灰度的点装、块状和线状图形，而形成空白的或干扰图像。产生无声反射带是由于该沉积物中有天然气或泥炭层，在该层高分辨率的高频信号被衰减得最快，或说声波信号被较快吸收掉，因此，声波在该层穿透深度很小，见下图。

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航道工程中的埋藏基岩面：具有典型多次抛物线的起伏变化，灰度较黑，声线无穿越，见下图。

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三、单道地震测量

⒈ 适用范围

单道地震测量应用领域是以地层拾取为目的的工程应用领域(调查沉积地层结构、寻找含沙地层以提供建筑用沙、勘测基岩深度等)，扩展到层间地震异常拾取为目的的地震勘探领域(如水下考古、海床下的空洞和隧道探测等工程)，对码头工程地层结构调查也非常适用。

由于系统具有较强的穿透力，设备的分辨率相对较低，对相对精度要求较高的航道工程建议采用浅地层剖面系统。

⒉ 系统的组成

单道地震系统由船载系统和拖曳系统构成。拖曳系统包括换能器、水听器和电缆构成；船载系统包括可控震源、数据采集和处理平台、GPS卫星导航定位系统，测深系统等。见下图。

⒊ 单道地震剖面解释

地震剖面解释建立在声阻抗理论的基础上，换能器以一定的时间间隔向海底发射声脉冲，声波在遇到声阻抗特性不同的介质时，在界面上会产生反射。结合当地地质资料及地质取样数据和经过数据处理的地震剖面来区分和定义不同类型的地层，就可以确定这些界面的属性。近海浅水区域的地层一般为填埋层、沉积层及冲淤积层、基岩层等。

⑴填埋层：在部分区域有填埋层，和其依附的海相沉积层成分相似，但较松软，二者之间由于密度不同会产生相对较强的声波反射界面，层内密度不均，相对应的地震剖面多呈杂乱反射图像。

⑵沉积层及冲淤积层：海相沉积层构成均一，层内密度随深度逐渐增加，其地震剖面没有强的杂乱反射。冲淤积层最为显著，也就是说相对厚度最大，依附于风化基岩上，成分主要包括密度和强度随深度逐渐增加，冲积或淤积的沙、淤泥及粘土，从整条剖面来看，沙层、淤泥层和牯土层具有不连续性，但在局部的地震剖面上，成分之间的界面可辨。

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上图中DM-倾倒物堆积层；DM和EM-为海相沉积层和冲-淤积层。冲-淤积层说相对厚度最大，依附于风化基岩上，成分主要包括密度和强度随深度逐渐增加，冲积或淤积的沙、淤泥及粘土。

⑶基岩层：风化基岩面多呈现弧状反射，声波在基岩内的传播速度明显加快，在信号的时间-幅度图中，该层的地震子波周期明显加大，见下图（GM-基岩层）。

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在地震剖面解释方面，钻孔数据是速度标定的依据，需要结合地质资料和钻孔数据，才能给出准确的地层定义及地层厚度结果。

四、海底剖面仪作业方法

⒈ 测量比例尺与测线布设

浅地层剖面测量比例尺和测线布设应符合下列要求：

⑴根据调查任务的要求确定测量比例尺，航道和锚地工程普查阶段比例尺一般为1:10000～25000，详查阶段比例尺一般为1:2000～10000；主测线布设的间隔一般为图上1～2cm，检查线间隔一般为图上5cm。

⑵采取测线方式进行测量，主测线的布设应垂直地层的总体走向，检查线应尽量与主测线垂直；在航道工程中，主测线的布设应平行于航道方向布设，检查线应尽量与航道方向走向垂直；在锚地工程中，主测线应尽量平行锚地长边方向；在海底管道探测中主测线的布设垂直于海底管线走向，测线间隔根据业主要求、海底管道布设特征及工程区地质状况确定。

⑶在测量过程中，遇海底地层分布变化较大和浅部地质构造复杂的海区，应适当加密测线，加密的程度以能完善地反映海底地层空间变化和控制浅部地质构造特征为原则。

⒉ 系统安装

⑴舷挂式浅地层剖面仪安装于船的中后部一侧，拖曳式浅地层剖面仪拖曳于船的尾部，拖曳式安装换能器，应使拖鱼保持平稳。

⑵发射和接收换能器必须良好接地。

⑶采用拖曳式安装浅地层剖面仪时，浅地层剖面仪拖鱼位置应与定位系统的天线位置进行归算；浅地层剖面仪固定安装和舷挂式安装位置归算误差不大于0.5cm，拖曳式安装位置归算误差不大于缆长的10％。

⒊环境因素的影响：

影响浅地层剖面仪的海上环境主要因素，有以下几方面：

⑴地质条件：海底底质是砂、岩石、珊瑚礁和贝壳等类型，严重制约声波穿透深度。

⑵汽水界面：汽水界面能将发射声能几乎全部反射，几乎无发射声波触及目标。

⑶船尾的尾流区域：如果采用船尾拖曳换能器，应该使换能器避开船的尾流区，一般方法是使换能器入水深度加深，或者拖缆加长。

⑷噪声：在系统的带宽范围内的外界声源信号都可能串入造成干扰信号图像，如：电噪声、水噪声、船只机械噪声、沿岸工程噪声等。

⑸船只摆动：拖鱼设计为稳定的水平状态工作，船速和航向不稳定造成船只摇摆，使拖鱼不能保持平稳状态，造成图像不良。

五、海底剖面仪资料处理方法

⒈ 声图像的判读方法

浅层剖面声像图显示具有一定厚度的不同性质的层位之间声图像，还显示不同性质的层位图案式声图像，以此来表现不同底质性质的层位。对浅层剖面声图的解释，是综合知识的经验积累，有关知识如仪器性能、仪器正确使用方法，水声物理，海洋物理、测绘方法、海洋地质等基本知识。海洋实际工作经验也是很重要的。声呐的声图图像解释的困难之处，在于声呐的声图是依据反射信号强弱，用像素点的灰度强弱来反映。像素点组合形成图像，这种图像反映目标真实形状是很差的。由于多种因素影响不可能形成真实目标图像，因而存在多值性，因此还需要与地质钻孔等其他资料进行比对分析，确定不同层位的底质类型，解释就要排除各种干扰因素，才能得到正确解释结果。

⒉ 资料的处理与成图。

地层声学剖面资料解释主要是依据反射界面的特征划分反射层序，绘制反射层剖面图和厚度图。

⑴识别和划分松散层和基岩；

⑵识别和解释表层断层；

⑶识别和分析表层地质体类型；

⑷重点识别目标层位的顶、底板反射界面，尤其是顶板反射界面。

由于声呐工作站只反映换能器垂直下方的海底浅层剖面声图像，因此，相邻测线不存在覆盖区域。

浅地层剖面图按测线进行编制，选取横向比例尺（H）和纵向比例尺（V），一般纵横比例尺比值为1:10；横向坐标是距起点的距离，并在上方注记测线点号；纵向坐标为当地理论深度基准面下的海底面深度和层位厚度，并注明底质类型。

浅剖资料具有较高的分辨率，但由于海上噪音干扰及地层沉积的特点，其信噪比较低，分辨率是以信噪比为基础，因此高精度处理以提高资料的信噪比为主要处理目标，组合使用各种去噪处理方法，通过对参数的精细选择，可保证资料处理效果。还需要与地质钻孔等其他资料进行比对分析，才能确定不同层位的厚度及底质类型概况。

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