近年来，随着我国经济的高速发展，能源消耗不断增加带来的能源短缺、生态环境污染问题也日益严重，因而推动国家能源结构的战略转变，发展绿色清洁能源对提高我国国际竞争力、促进我国经济健康发展具有重要意义。风电属于绿色清洁能源，与传统化石能源发电相比，其具有降本的潜能；相较于陆上风电，海上风电凭借风资源好、噪音小、占地面积小、风电机组容量大等优势逐步成为风电开发的热土。
海上风电勘察，图片来自网络
海上风电场类似于陆上风电场，需要对工区海域进行前期地质勘察工作，但其勘探工作又有别于陆上风电场的，因为海上钻探工期更长、难度更大，海上区域地质资料少，又不能通过地质测绘调查区域地质情况，可采用的勘探手段也较少，且往往由于工程前期勘察工作受工期和成本限制，不可能布置太多的地质钻孔，况且钻探方法只能揭露单个钻探点的地层情况，不能推断整个工区海域地层分布情况，因此，能提供区域性成果的物探工作比较重要，需要采取一种方便快捷、低成本、较为准确的物探技术手段辅以地质钻探，达到海上风电场地质勘探工作的目的。浅地层剖面法利用的是声学原理对浅海地层进行探测，根据浅地层剖面上反射波特征及剖面形态进行地质解释，是一种连续探测工区海域海底地层的快速便捷、低成本的物探手段，不仅用在海上风电场等海上建设工程前期地质勘察中，还可应用在内陆湖泊、河流等水域探测水底地形、沉积物和水下地层分布等。
本文以某海上风电场工程地质勘探为实例，通过采用浅地层剖面法，查明工区海域内地层分层、古河道等不良地质现象分布和基岩面埋深等，展示浅地层剖面法在地层探测方面的成果，为地质勘探提供物探依据。
浅地层剖面法与陆上地震勘探法原理类似，主要通过换能器（震源）将控制信号转换为不同频率的声波脉冲信号向海底发射，该声波在海水和各沉积层间传播的过程中遇到反射界面，又反射回换能器被转换为模拟或数字信号后记录下来，并输出为能够反映地层声学特征的剖面记录。在不同的介质中，声波的传播速度不同。声波传播速度主要与介质密度、压强等有关。把海水与海底下沉积地层看作一个近似水平层状模型，海水作为第一种介质，它的密度为ρ1，声波在其中传播的速度为υ1海底下的沉积地层存在多个界面，各沉积地层的密度和声波在该层中的传播速度分别为ρ2、υ2…ρN、υN。当声波向下传播时，一部分在分界面处发生反射，另一部分沿法线方向继续向下传播，在下一分界面处发生反射和透射，如图1所示。其反射强度与地层的反射系数R有关。各地层的反射系数的计算公式为
当两种介质的反射系数较大时，接收到的反射信号就比较强，反之则比较弱。因此，接收到的反射信号携带了水下地层大量有用的地质信息。通过观测记录并分析海底沉积物对于声波的反射，可以了解沉积物的地质属性，并可以直观地识别地层的地质构造。
图1 浅地层剖面法工作原理示意图
浅地层剖面法的探测深度通常为几十米，探测深度与发射器声源级、信号频率、海底面反射系数、地层含砂量等有关。一般情况下，探测海域水深应大于10m；当水深小于5m时，由于干扰较多，使分辨率下降，信噪比降低，因此，难以取得较好的探测效果。
目前，浅地层剖面仪的生产厂家和品种比较多，常用的主流仪器有英国AAE公司生产的CSP系列、德国Innomar公司生产的SES－2000、美国EdgeTech公司生产的3100P、中国香港C-Products公司生产的C-Boom等。
某海上风电场场址位于广西北部湾海域，离岸距离为10.5～55.0km，水深0～35m，装机规模约900MW。根据区域地质资料显示：北部湾三面为陆地环抱，北侧有南流江、红河等注入；海底地形变化较为简单，呈现为从湾顶向湾口逐渐下降；海底较平坦，河流从陆地带来的泥沙沉积在海底，属于新生代的大型沉积盆地，沉积层厚达数千米。根据工区海域地质钻孔揭露：工区海域下伏基岩面埋深较浅，海底面表层为一层淤积层，地质钻探在较小的钻进深度内，即可见全风化、强风化和中风化的砂岩。
按照本阶段地质勘察任务和相关规范要求，采用浅地层剖面法，初步查明整个场址区海域海底面以下地层的分布、起伏情况和基岩面埋深，以及存在的不良地质现象分布，为地质专业工程地质勘察提供物探方面的基础资料。
⒈测线布置
根据GB51395－2019《海上风力发电场勘测标准》的要求和勘察目的，本次浅地层剖面法主测线沿拟建风机主排列方向、按间距约1300m东西向平行布设测线，测线至测区边界两侧各延长500m，共布设12条主测线，主测线总长约95.9km。
检查线大致垂直于主测线呈南北方向、按间距约1800m平行布设测线，共布设6条测线，检查线总长约68.8km。测线布设示意图如图2所示，测线总长为164.7km。
图2 浅地层剖面法测线布置图
⒉仪器设备
本次野外作业采用木制船舶“桂防渔×××”为调查船。船体长29m，宽6.7m，型深3.45m，总吨位241t，主机总功率280kw。
本次使用的定位设备为美国TRimble公司生产的SPS351DGPS。本次探测使用的浅地层剖面探测设备为德国Innomar公司生产的SES－2000浅地层剖面仪。
本次探测使用的涌浪补偿设备是瑞典SMC公司生产的SMCS－108运动姿态传感器，可为浅地层剖面仪提供准确的载体浪涌和横滚、俯仰数据。
⒊数据采集
SES－2000浅地层剖面仪采取在船侧固定安装，同时完成单波束水深测量和浅地层剖面测量。安装方式如图3所示。
图3 SES－2000浅地层剖面仪安装方式示意图
在正式测量作业前，量取GPS、IMU、T20－P换能器之间的偏移距离，正确连接好仪器后，分别采用不同的扫宽量程、TVG增益值和航行速度，在工区进行测试以选择最佳的工作参数，保证数据质量最佳。本次勘察过程中，确定的采集系统工作参数：一次发射频率为100KHz，二次发射主频为6KHz，发射信号功率为80kw，发射信号频率每秒15个脉冲信号，航速保持在5节左右。对于异常海域，若有必要可加密测线布设，保证测线密度能够满足控制整个工区海域地质勘察的需要。
⒈资料处理
采用德国Innomar公司SES－2000浅地层剖面仪自带的ISE软件进行数据资料处理。
在资料解释前，首先识别剖面记录上的干扰波，去除地质假象，初步分析各层面的空间形态及层间的接触关系，包括对数据进行TVG调整、带通滤波、振幅滤波、DBG调整、压制二次反射、去除信号干扰等操作，使资料清晰，各层最大程度可辨识，绘制海底面及目标层分界面。同时，在资料解释过程中，重点关注可能出现的各种不良地质现象，如浅层气、埋藏古河道、滑坡、活动断层、海底侵蚀、透镜体等，利用ISE软件的数字提取功能，导出XYZ格式的地层厚度数据及平面信息，绘制基岩埋深及古河道等不良地质现象分布图。
本次调查主要根据地层的声学反射特征进行地层的划分工作，根据经验值使用的时深转换声速为1600m/S。
⒉解译成果
在根据反射界面进行浅地层剖面实际解译时，应首先与工区海域内地质钻孔资料进行地质层位对比，并充分利用临近海域资料和周边地质条件，结合浅地层剖面中的沉积结构、层位标高、堆积、侵蚀、界面的整合/不整合、层理结构、相位/振幅/频率等特征变化来分析研究剖面中地层沉积特征以及其他地质信息，这样才能得到与实际地质情况较吻合的成果。
根据工区海域18条浅地层剖面图像和钻孔资料解译，风电场海域内识别出R0和R12个反射界面，其中，R0为海底面，R1为基岩顶界面，R0和R1之间的地层为淤泥沉积层。
根据浅地层剖面结果：海底面反射界面反射能量强、相位稳定、同相轴清晰、连续性好，起伏反映工区海域海底地形变化，如图4所示；
图4 埋藏古河道典型剖面图像（测线A－QP－Z8）
基岩反射界面反射能量较强、同相轴清晰、连续性好，有一定起伏，在工区有效调查深度内均发现有明显基岩面强反射（如图5所示）；
图5 基岩出露典型剖面图像（测线A－QP－Z11）
古河道是由于第四纪时期海平面的巨大升降变动而形成，海平面下降近岸陆架裸露成陆地，河流下切侵蚀，当海水再次侵蚀时，河流隐藏在海底，河谷和河床沉积物和两侧岩土性差异，在浅地层剖面记录上可见明显“凹”形反射；工区海域内埋藏古河道发育较好，较多剖面图上存在疑似古河道形态，古河道两侧是倾斜反射结构，底部最大深度约19m（如图4所示）；推测测区东南侧有斜层理发育，剖面图上反映为同相轴清晰且连续性好，在倾斜处同相轴错断（如图6所示）。
图6 斜层理典型剖面图像（测线A－QP－Z7）
根据工区海域的钻探资料（AK01～AK10），结合区域地质构造，对18条浅地层剖面图像进行综合解释如下：
⑴在工区海域的南侧、北侧及中部部分区域均可见有明显的基岩反射特征，由典型剖面图像（图5）可以看出。其中，南侧和北侧区域的基岩出露出海底面2～8m，工区海域中部探测到的基岩埋深为0～20m。总体上来说，基岩埋深较浅，基岩的分布范围见图7。整体上看，基岩在中部区域处于埋藏状态，南北两侧基岩出露出海底面。
⑵埋藏古河道主要分布在工区海域的中部以南区域。埋藏古河道自区块中部靠西的位置呈现NW—SE走向，至南部出露的基岩周围，分为多个走向，宽度为550～1800m。古河道分布区域如图7所示。古河道顶界面埋深为0.5～1.1m，底界面埋深大部分为2.8～19.0m，部分区域（浅剖测线A－QP－Z8）河道向下侵蚀较深，最大深度超过19m，分布如图7所示，典型剖面图像如图4所示。
⑶发现工区海域东南侧（图7）有疑似因历史地质活动而受应力作用发育较为明显的斜层理、“凹”形层理，该层理与上部界面呈角度不整合的接触关系。与该区域相近（距离约400m）的钻孔（AK10）在90m深度内未见基岩层，因此，怀疑该区域基岩埋深变大。斜层理分布区域如图7所示，典型剖面图像如图6所示。
图7 工区海域基岩埋深及古河道分布示意图
⑷工区海域内未发现浅层气、滑坡、活动断层、海底侵蚀、透镜体等不良地质现象；未发现海底管线、沉船等障碍物。
⒊成果验证
⑴根据收集到的区域地质资料和钻探揭露的地质资料显示：场区位于水下浅滩、水下岸坡地貌单元上，水深一般为14～22m；场区北西侧及南侧部分区域有礁石群分布，北侧部分礁石突出水面，礁石区域地势偏高、起伏较大，具NE—SW向带状延伸特点，两侧礁石群所夹中部区域地势相对平坦，礁石零星分布。地质资料显示的结果与浅地层剖面探测的基岩埋深大体一致，尤其是礁石群分布区域及走向比较吻合。
⑵根据钻孔揭露：AK01基岩埋深为1.8m，上部为中砂混淤泥、粉砂混黏性土；AK02基岩埋深为2.1m，上部为粗砂、粉质黏土；AK03基岩埋深为0.0m；AK04基岩埋深为4.3m，上部为淤泥、粉土、中砂混黏性土；AK05基岩埋深为3.2m，上部为全风化砂岩；AK06基岩埋深为2.3m，上部为全风化砂岩；AK07基岩埋深为0.5m，上部为淤泥；AK08基岩埋深为3.8m，上部为淤泥；AK09基岩埋深为14.2m，上部为淤泥质土、中砂混黏性土、粉砂混黏性土；AK10基岩埋深大于90m，上部为淤泥、角砾、粉砂、粉砂混黏性土、中砂、粉砂、粉土等。除AK07孔基岩埋深与浅地层剖面探测结果有些偏差外（偏差约3m，出现偏差的原因可能是由于该强风化砂岩层呈砂质黏土状，结构比较松散，在浅地层剖面上未呈现基岩反射特征所致），其余钻孔资料均与浅地层剖面探测结果比较吻合。
浅地层剖面法探测效果受多种因素制约，如仪器本身性能、海底底质、数据采集过程中噪音及压制和其他各种干扰，以及处理解释人员经验等。因此，在采用浅地层剖面法进行探测时，需注意以下几方面：
⑴参数选择。在开展正式工作前，应在工区海域做试验选择最佳采集参数，包括发射频率、能量、采样间隔、采集时间等。
⑵海底底质。海底底质构造情况，尤其是海底底质类型特性决定仪器的最大探测深度。砂、岩石、珊瑚礁等硬质海底严重制约着声波穿透深度，限制仪器探测深度。一般来说，海底沉积层中砂质含量越多、泥质含量越少，探测深度越小；反之，则探测深度越大。
⑶噪声和干扰。处于有效信号带宽范围内的外界信号都是有效数据的干扰信号，包括船只机械噪声、环境噪声、直达波和海底多次波等。数据采集过程中就是要识别出这些噪声并尽量消除这些噪声干扰的影响，提高数据采集质量，使成果更接近真实地质情况。
⑷船只摇摆。调查船走航过程中应尽量保持匀速、慢速行驶，避免大风大浪期间采集数据，并使用涌浪补偿设备进行数据修正。
⑸尽可能利用有利的地质资料进行对比验证，不断总结浅地层剖面法的资料处理、解释经验。
海上风电场一般都位于浅海海域，进行风电场海域前期地质勘察，查明工区海域工程地质条件、重大工程地质问题，以及工区海域各岩土层结构和工程地质特性，对于风电场总体布置及初选基础方案非常重要。采用浅地层剖面法获得的剖面图直观、易于解析，通过将浅地层剖面探测结果与钻孔资料对比，结果比较吻合。随着水域工程建设不断增多，浅地层剖面法将应用于更多的领域。
【作者简介】文/宋传星 移根旺 姚高峰 刘卫今，来自中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司和广西安科岩土工程有限责任公司。第一作者宋传星，男，1979年出生，广西南宁人，高级工程师，主要从事工程物探和原位测试方面的工作。文章来自《红水河》（2022年第3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。
