海底地质构造解析工程 -海底地质结构图

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绿色海洋资源的开发离不开海洋地质和地球物理探测技术，地球物理探测中的声波探测方法（例如：侧扫声呐技术、浅地层剖面技术、单道地震技术）是获取海底地形地貌特征属性的主要手段之一。赵昆等编程实现了侧扫声呐原始数据的准确解析，提取测线主要信息和Ping数据各重要参数，提取结果准确可靠，采用2种回波强度与灰度转换模型，实现了侧扫声呐图像可视化；李军和朱友生对侧扫声呐系统工作原理和特点进行了研究，在项目实例中展示其高效率、高精度等优点，为近平台钻井船就位区域地貌精细调查实施提供了指导与参考；李平和杜军对浅地层剖面技术的实际应用进行了详细综述，分析其主要影响因素和压制方法，对主要剖面声图类型及特征进行了探讨；戚宾等概括电火花震源硬件、数据处理方法发展历程，从数据处理角度提出解决问题的方法，详细阐述电火花震源在海洋地震的研究现状，并展望其应用前景。3种探测技术的成熟使用为海底及海底地层区域性探测提供完整的海底声学图像，在分析解释海底地貌的同时，也可用于海底浅地层剖面探测方面的研究。

本文开展了海洋探测技术在莱州湾近岸海域的应用研究，通过总结探测结果的影响因素，优化分析3种海洋探测技术参数，实现精准探测莱州湾圈定范围内的抛石、人工鱼礁等障碍物具体位置，海底浅地层断裂潜伏位置的目的，为近海岸工程建设有效规避障碍物等提供依据，为海洋探测健康发展、海岸工程后续建设提供有力支撑。

一、技术方法原理

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⒈侧扫声呐技术原理

侧扫声呐的基本工作原理（图1）为：在声呐底部左右安装声源（高频换能器线阵），定向发射一定频率的声波，声波按照球面波方式传播出去，遇到障碍物会产生反射和散射，其中反射波会按原传播路线返回换能器被接收，记录声波往返的时间，根据声波在目标区海水中的速度，可以求出海底构造到侧扫声呐的距离。将每一发射、接收周期内的声波数据按照一定的排列方式进行组合最终成像，就构成了二维海底地貌图。当然并非所有障碍物都可形成强反射回波，坚硬、平滑的海底界面表面易形成强反射回波；有的海底界面偏软、凹陷甚至凹凸不平，导致散射波发育，反射回波就弱；距离越远回波越弱，被遮挡的海底不产生回波。侧扫声呐工作频率主要在50kHz～1.2MHz，较低的工作频率有较大的探测距离，而较高的工作频率能在有限长度的传感器尺寸下得到高的角度分辨率。

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图1 侧扫声呐工作原理示意图

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侧扫声呐有3个突出优点：一是海底探测信噪比高，二是可以获得连续精准的海底成像，三是操作简单快捷。在现场测量条件较好情况下，侧扫声呐可以高精度显示海底微地貌形态、分布和基本属性特征，得到连续、高精度、高清晰度的二维海底声波图像，还可以做到区域全覆盖、不漏测、测线重叠区域可处理，这些性能是目前其他海底探测仪器所不能替代的。

⒉浅地层剖面技术原理

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浅地层剖面技术利用超宽频声波探测海底浅地层结构，探测仪器一般由水下单元、甲板单元和中央控制系统组成。如图2所示，仪器在探测过程中，由水下单元向海底发射低频脉冲声波，穿透海底后，遇到不同的波阻抗界面会产生不同程度的反射波，通过收集分析计算这些不同深度和特性的反射波信息，就可以准确描绘出地层的剖面结构。介质层密度和声波传播速度乘积表示为ρ1υ1、ρ2υ2……ρnυn.，衡量声波在不同界面反射强度的系数R可表达如下：

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R＝（ρ2υ2－ρ1υ1）/(ρ2υ2＋ρ1υ1)         ⑴

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由式⑴可以看出，声波反射系数R值的大小取决于ρ2υ2－ρ1υ1，即接收声波的强弱取决于界面两侧介质的物性差异。介质之间的物性差异越大，越容易接收到强反射信号，反映在剖面上的界面层次越清晰（当物性差异特别大时，声波在界面几乎全部发生反射，界面以下无穿透）；反之，2种介质物性差异较小时，换能器接收到的该界面反射信号较弱，反映在剖面上的界面层次模糊甚至无法辨析。

图2 浅地层剖面工作原理示意图

浅地层剖面技术水下单元发射相对高频声波时，图像分辨率高，探测深度可达几米；发射相对低频声波时，图像分辨率低，探测深度可达几十米。它具有操作便捷、探测迅速、成图连续等优点，广泛应用于近海海洋地质调查、港口建设、海底管线布设及海上石油平台建设等工程。

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⒊单道地震技术原理

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单道地震技术是用人工方法产生地震波（如电火花震源、气枪震源等），地震波经海水穿透海底，地下地层反射、折射返回海面，使用水听器等装置以一定的观测方式接收这些返回的振动（图3），机械振动转化为电信号后，通过一系列的数字信号转换，得到波形和时间的地震记录，经数据处理后得到地震时间剖面，根据时间剖面与时深转换的最终成果推断海底地下地质构造的特点。单道地震一般选择低频率声波脉冲激发，探测深度根据激发能量可以达几米到几百米，对于海底较深的地质构造、岩矿体、油气资源、海底断裂等有较好的探测效果。

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图3 单道地震工作原理示意图

二、海上探测影响因素

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海洋探测在现场工作中需要注意很多影响探测结果的因素，需要根据所在海域的具体情况开展一系列的试验，确定最终的采集参数后再开始正式的探测工作。本次试验是在山东莱州市土山镇北部、芙蓉岛西南侧海域进行，具体试验内容如表1所示，总结归纳3种方法海上探测的主要影响因素有以下几种。

表1 莱州湾近岸海底探测试验内容

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⒈外部环境影响因素

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外部环境因素的影响主要表现为：①天气、海况不好时，侧扫声呐横摇、纵摇过大，严重影响探测结果。如图4所示，如果侧扫声呐在干扰较大的情况下作业，拖鱼晃动比较厉害，纵揺、横揺误差超出校正范围，对采集的图像会有较大的影响，导致两侧的采集图像出现较大的偏差以及线状探测缺失。浅地层剖面和单道地震由于激发、接收设备晃动幅度大、干扰强、激发和接收时间出现误差等因素导致时间剖面不连续，严重影响探测结果。②海域深度范围过浅影响侧扫声呐水平、垂直波束角和最大斜距调整范围，导致探测范围窄，且仪器本身容易触底造成损坏；海域深度过深时，需调整相应的波束角和最大斜距，并且反射信号不容易实时接收，影响探测结果。浅地层剖面和单道地震法在超过一定水深应用时，需要调整激发、接收时长和船速，确保时间剖面连续稳定。③噪声因素影响海洋探测工作，比较直接的有作业船混响干扰、海洋噪声、自噪声等。声波在传播途中受海水介质不均匀分布、船只尾流气泡以及海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，以及声线弯曲、信号起伏和畸变，造成传播途径的改变，还可能出现声阴区，严重影响海洋探测的作用距离和测量精度。

根据现场条件及试验可确定以下解决措施：①选择海风较小、海况稳定的时候进行作业，确保选择的试验参数稳定有效；②配合单波束测深系统确认所在海域的深度范围，并根据仪器距离海底的深度确定具体的工作参数；③根据海域声速-深度变化形成的传播条件，可适当选择工作深度和俯仰角，利用声波的不同传播途径来克服水声传播条件的不利影响，提高探测距离和精度。

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图4 侧扫声呐海底扫描记录

⒉侧扫声呐参数影响因素

侧扫声呐参数影响因素主要有以下几种：①波束角。沿航迹方向声波波束角，与纵、横向分辨率有关，波束角越小，分辨率越高。②最大斜距。指侧扫声呐的最大有效探测距离，和侧扫声呐的工作频率有关，频率越低探测距离越远，频率越高探测距离越近。另外，海水深度过浅会影响声呐的探测距离，深度过深会影响信号强度。③脉冲长度。与横向分辨率有关，脉冲长度长、分辨率低，脉冲长度短、分辨率高。

根据现场条件及试验可确定以下解决措施：①海况稳定的时候进行作业，确保选择的波束角稳定有效；②根据探测距离需要调整最大斜距；③根据现场试验调整合适的脉冲长度。

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⒊浅地层剖面参数影响因素

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浅地层剖面参数影响因素主要有以下几种：①发射脉冲频率范围。水下单元发射脉冲频率的范围主要有3种选择方案，5000Hz、10000Hz和12000Hz。发射频率越高分辨率越高，穿透能力越弱，探测深度越浅。②水下单元位置。水下单元位置一般架在船侧或船尾，探测过程中须注意水下单元和信标机定位的相对位置关系，如果相对位置有误差会导致测量剖面位置出现偏差；水下单元在船尾时，船只尾流和气泡会对发射和接收信号产生干扰，造成剖面数据不稳定。③地层影响。在探测过程中，仪器发射的声波脉冲遇到海底含气地层、断裂等地质构造时，波阻抗的变化会产生反射、折射混乱，导致同向轴错断、缺失或者紊乱等现象，这也是我们判断地质构造的地球物理依据之一。

根据现场条件及试验可确定以下解决措施：①根据目标海域的海底地质条件和目标层的厚度，通过试验确定最后的发射频率参数；②在探测过程中记录水下单元和信标机定位的相对位置关系，后期处理过程中进行位置转换确保探测位置的准确性；尽量控制水下单元和船只尾流、气泡的距离，如果有条件尽量把仪器架在船侧。

⒋单道地震参数影响因素

单道地震探测技术构成复杂，操作繁琐，其结构主要包括水下震源、水听器、能量箱体、电缆及中央控制系统，参数的选择复杂，构成因素多，互干性强。单道地震本身参数影响因素主要有以下几种：①震源和水听器位置。水下震源和水听器一般架在船尾两侧，如果距离过近，震源和水听器容易绞在一起，且容易受到船只尾流和气泡的影响。②震源、水听器和信标机定位的相对位置关系。相对位置关系出错，会造成探测期间剖面位置不准。③震源激发能量。震源激发能量过小会导致地震波穿透能力差，达不到探测深度；激发能量过大会造成浪费。④地震记录接收时间。接收时间过短，达不到要求接收的有效层位；接收时间过长会造成存储空间浪费。⑤激发时间间隔。间隔过大会导致地震时间剖面不连续；过小不能小于激发频率。⑥激发频率。激发频率越高分辨率越高，穿透能力越弱，探测深度越浅；激发频率越低分辨率越低，穿透能力越强，探测深度越深。

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根据现场条件及试验可确定以下解决措施：①震源和水听器之间的距离控制在5m以远，一是防止震源和水听器绞在一起，二是尽量控制船只尾流和气泡带来的干扰影响；②现场探测时记录震源、水听器和信标机相对位置关系，后期处理时进行位置转换确保探测目标位置的准确性；③根据探测深度要求以及海底具体地质情况确定激发能量的大小；④根据探测深度要求确定接收时间；⑤根据分辨率要求确定激发间隔，根据激发间隔控制船速；⑥根据精度要求试验确定激发频率。

三、应用实例

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本次应用实例探测海域位于莱州市土山镇北部、芙蓉岛西南侧海域，西南距土山镇约6.8km，东距莱州市约24.2km。海域自然条件好，海岸线稳定，水深12m左右，泥砂含量少、活动弱，海水流速小，海域宽阔，水深条件适宜，海底存在大量抛石、人工鱼礁和其他沉没物，需要精细探测出海底具体情况，具体应用研究包括水深测量、侧扫声呐探测、浅地层和单道地震剖面探测，主测线间距为50m，检查线垂直于主测线布置、间距为500m、实际测量中两端超出主测线交点100m，检查线同步进行水深测量和浅地层剖面探测，共布设主测线13条，检查线19条，总长度约120.9km，测线分布如图5所示。

图5 探测测线分布

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⒈侧扫声呐应用实例

本次应用研究侧扫声呐技术使用的是美国Klein公司生产的Klein-5000V2侧扫声呐系统，后处理系统软件采用Chesapeake公司生产的SonarWiz进行最终的侧扫声呐数据处理。SonarWiz包括自动增益控制、TVG、波束角改正、导航轨迹编辑器等完整的后处理模块，能处理大多数侧扫声呐数据，得到最佳的水下地质构造、地形地貌扫测图像，并结合水深地形测量结果分析，圈定海底各种微地貌地形、海底抛石、人工鱼礁及其他障碍物的位置及范围。对海底特殊地形及人工设施（抛石、人工鱼礁等），利用各种可知要素，如：拖鱼下潜深度、目标体阴影高度和斜距改正等参数进行计算量测，同时参考水深地形测量、浅地层测量结果，利用AutoCAD成图软件将以上分析结果绘制成图。

侧扫声呐经过75m、100m、150m扫描宽度进行试验，如图6a所示，扫描宽度为75m时得到的海底图像分辨率高，养殖区明显，可以满足工作要求；如图6b所示，扫描宽度为100m时得到的海底图像养殖区分辨率较高；如图6c所示，扫描宽度为150m时得到的海底图像养殖区分辨率较低，略显模糊。最终确定目标区的采集参数：采用75m单侧扫描宽度，侧扫声呐下潜在水深1.5m处，水平波束角为2°，垂直波束角为40°，船速5kn。这种参数设置情况下对近海岸附近海底人工养殖区和凹坑的扫描形态清楚，阴影长度明显，可以精确地预估出凹坑的深度。本次侧扫声呐工作提供了海底地形和地貌的清晰分布情况，可以为近海岸工程建设规避抛石分布区域提供具体依据。

图6 侧扫声呐海底扫描记录

⒉浅地层剖面应用实例

本次试验研究浅地层剖面技术使用的是美国EdgeTech公司生产的EdgeTech3100P浅地层剖面仪，后处理系统软件采用SonarWiz进行最终的浅地层剖面数据处理。

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图7 浅地层剖面海底地层扫描记录

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浅地层剖面技术通过分别选取5000Hz、10000Hz和12000Hz的激发频率进行试验，如图7a所示，激发频率为5000Hz时得到的地层剖面分辨率较低；如图7b所示，激发频率为10000Hz时得到的地层剖面分辨率较高，且穿透地层能力可以达到目的层；如图7c所示，激发频率为12000Hz时得到的地层剖面分辨率较高，但穿透地层能力较弱，不能完全穿透目的层。船沿同一测线来回航行进行试验，所以图7a、图7b和图7c中地层倾向相反。根据试验结果确定目标区的最终采集参数：水下单位发射频率为10000Hz；下潜深度1.5m，船速5kn。对近海海底地层的扫描显示，海底以下10m左右是第四系地层，地层起伏较小，由东向西均匀倾斜。这种参数设置情况下可以获取海底浅地层剖面清晰的分布情况，可为近海岸工程建设的顺利开展提供可靠的依据。

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⒊单道地震技术应用实例

本次试验研究单道地震技术使用的是荷兰Geo-Resources公司生产的Geo-Spark2000J电火花固体脉冲震源、SIG水听器、新型Mini-TraceⅡ地震采集记录仪、最新的采集软件GeoSuiteAcquisition、处理软件使用的是GeoSuiteALLworks。

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单道地震通过分别选取300J、600J、900J的激发能量进行试验，如图8a所示，激发能量为300J时得到的地层剖面，同向轴能量较弱；如图8b所示，激发能量为600J时得到的地层剖面，同向轴能量稍强；如图8c所示，激发能量为900J时得到的地层剖面，同向轴能量最强且分辨率高。

图8 单道地震海底地层扫描记录

根据试验结果最终确定采集方案和参数为：震源和水听器拖在船尾，横向距离为8m，距离船尾纵向距离为10m；震源和水听器在水平面进行激发和接收；激发能量为900J；接收时间为100ms；激发间隔为1s；激发频率为100Hz；船速为5kn。从解释图像看海底以下10m左右是第四系地层，地层起伏较小，由东向西均匀倾斜，和浅地层剖面数据解释图像可以对应起来。在第四系地层以下，界面存在明显的断裂，对于断裂的具体形态特征需打钻验证。按本次单道地震采集方案和参数开展工作可提供海底地层剖面和潜伏断裂的清晰分布情况。

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四、结语

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本文对侧扫声呐、浅地层剖面和单道地震技术应用分析，优化探测参数，分析影响因素等进行总结归纳研究，通过3种技术在莱州湾海底探测的应用实例得出结论：在近海附近各种干扰源相对较少，海况稳定情况下，选择正确的探测参数，船载仪器尽量保持匀速，3种方法可以很好地探测较复杂的海底地形地貌及地下地层情况，但是3种方法又各有自己的特点。

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⑴侧扫声呐技术在探测海底地貌及各种海底复杂的障碍物方面，具有极高的分辨率和信噪比，发射频率决定扫描宽度（75m、100m、150m扫描宽度）和分辨率，且具有效率高、操作简单、绿色环保的探测优点，完全可以满足近海海底探测的精度和准确性要求，是一种行之有效的海底探测方法。

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⑵浅地层剖面技术应用相对简单，频率选择范围包括5000Hz、10000Hz和12000Hz，采集的数据经处理后对海底浅地层具有很高的分辨率，可以很好地探测海底浅层地质构造情况。

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⑶单道地震技术施工相对复杂，根据试验分析选择震源激发能量900J、接收时间100ms、激发间隔1s、激发频率100Hz、震源和水听器横向距离为8m，距离船尾纵向距离为10m，可以高效探测较复杂的海底地层和潜伏断裂情况，对较深地层地质信息敏感，具有高勘探分辨率和较强的地层穿透能力，是一种优质高效的海洋地震勘探技术方法。

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END

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【作者简介】文/宋玉龙 刘同庆，来自山东省煤田地质局物探测量队、山东省煤田地质局第五勘探队。第一作者宋玉龙，男，1987年出生，硕士，工程师，主要从事应用地球物理方面研究。文章来自《海岸工程》（2023年第2期），用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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