聲速預(yù)測(cè)方程在淺地層剖面資料處理中的應(yīng)用

王方旗，亓發(fā)慶，姚菁，陶常飛，徐國(guó)強(qiáng)

（國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

聲速預(yù)測(cè)方程在淺地層剖面資料處理中的應(yīng)用

王方旗，亓發(fā)慶，姚菁，陶常飛，徐國(guó)強(qiáng)

（國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

海底沉積層的聲速是淺地層剖面資料采集和處理的關(guān)鍵參數(shù)之一，通常的做法是將地層的聲速設(shè)定為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，而實(shí)際上聲速并非定值。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外主要沉積物聲速預(yù)測(cè)方程的比較，利用盧博等建立的適用于中國(guó)東南近海的聲速經(jīng)驗(yàn)公式，在某人工島構(gòu)造調(diào)查中，根據(jù)地質(zhì)鉆孔獲取的孔隙度參數(shù)計(jì)算各沉積層的平均聲速，建立相應(yīng)的聲速結(jié)構(gòu)剖面，應(yīng)用于淺地層剖面資料的處理，取得較好的效果。用孔隙度預(yù)測(cè)聲速的方法參數(shù)容易獲取，能夠提高淺地層剖面資料的解譯精度，使地層的厚度更接近于實(shí)際，具有一定的實(shí)用意義。

沉積物聲速預(yù)測(cè)方程；淺地層剖面；孔隙度；時(shí)深轉(zhuǎn)換

淺地層剖面資料采集和處理時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問題就是海底地層中聲速的確定。淺地層剖面儀接收器記錄的是地層聲學(xué)界面反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，如果地層中的聲速不能準(zhǔn)確確定，就無法準(zhǔn)確獲取各地層的真實(shí)厚度。通常的做法是根據(jù)歷史調(diào)查資料將沉積物聲速預(yù)設(shè)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，例如在遼東灣一般取1 600 m·s-1。由于海底地層實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不均勻性，聲速并不是一個(gè)定值，這樣的做法能夠在采集資料時(shí)對(duì)地層結(jié)構(gòu)有一定大致了解，但在資料解譯時(shí)地層厚度會(huì)存在偏差，因此需要弄清海底沉積層的聲速分布情況，對(duì)地層厚度進(jìn)行校正。

海底沉積物的聲速與其物理性質(zhì)參數(shù)存在相關(guān)關(guān)系。自20世紀(jì)50年代以來，國(guó)內(nèi)外在海底沉積物聲學(xué)特性及物理性質(zhì)方面的研究都取得了一些有意義的成果[1-9]，Hamilton、Anderson、周志愚和孟金生、Orsi和 Dunn、盧博等、唐永祿都建立了適用于不同海域沉積物的聲速與孔隙度之間的經(jīng)驗(yàn)公式。在海上進(jìn)行石油平臺(tái)井場(chǎng)或人工島場(chǎng)址構(gòu)造調(diào)查中，一般采取工程地質(zhì)鉆探和淺地層剖面探測(cè)相結(jié)合的方法，孔隙度是一個(gè)比較容易獲取的參數(shù)。因此，用孔隙度來預(yù)測(cè)海底沉積層的聲速用于淺地層剖面資料處理是一個(gè)可行的方法。

1 海底沉積物聲速結(jié)構(gòu)

海底沉積物是由沉積物固體顆粒與海水雙相介質(zhì)組成的，由于其孔隙度、含水量、密度、粒度、固體顆粒堆壘方式等的差異，可能形成海底高聲速層或低聲速層，Hamilton歸納了眾多的沉積物模型，總結(jié)出兩種較為常見的沉積物聲速結(jié)構(gòu)模型：高聲速模型和低聲速模型，并指出在深海大洋區(qū)域低聲速沉積物普遍存在，而在大陸架上沉積物一般為高聲速。盧博等通過對(duì)我國(guó)大量海底沉積物聲學(xué)與物理性質(zhì)的總結(jié)研究認(rèn)為，在我國(guó)沿海大陸架區(qū)域上不只有這兩種聲速模式。并建立了3種主要的聲速結(jié)構(gòu)模式，代表了我國(guó)東南沿海淺海的沉積物聲速結(jié)構(gòu)的基本特征（圖1）。

圖 1 三種海底沉積物聲速結(jié)構(gòu)模型（據(jù)盧博）Fig. 1 Three seabed sediment sound velocity models (by LU Bo)

圖1中，海水聲速C0根據(jù)多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定在1 500 m·s-1。模式A：海底沉積物無明顯的聲學(xué)分層，聲速隨深度緩慢增加，整個(gè)沉積層聲速Cp始終恒大于海水聲速C0，在大陸架邊緣殘留沉積區(qū)域上大部分為這種情況。模式 B：海底沉積物存在明顯的聲學(xué)分層，在表層和下層沉積物聲速Cp大于C0，在這兩個(gè)層之間有一層或數(shù)層低聲速夾層，在地質(zhì)歷史上曾多次遭受海侵海退事件的地區(qū)，海-陸相沉積物交替疊加沉積，就可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。模式C：海底沉積物也有明顯的聲學(xué)分層，表層是低聲速沉積層，經(jīng)過一定的埋深之后聲速隨深度緩慢增加，沉積物聲速Cp大于C0，在一些河口或溺谷型海灣中，海底的上覆地層接收了現(xiàn)代沉積物的緩慢沉積，加上咸淡水混合產(chǎn)生的絮凝沉積作用，形成一層飽和、松軟的表層沉積物，這個(gè)表層就會(huì)成為低速層[6]。

這3種模型雖然沒有給出海底沉積物準(zhǔn)確的聲速計(jì)算方程，但是對(duì)于建立詳細(xì)的沉積層聲速剖面具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。它表明了：1）海底沉積層中的聲速并不是一個(gè)定值，聲速結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，各層之間差值可能會(huì)很大；2）海底固態(tài)松散沉積層中的聲速可能會(huì)比液態(tài)海水中的聲速還低；3）低聲速沉積層不只在海底表面的浮泥中存在，還可能存在于某些高聲速沉積物之間的夾層中。

2 建立聲速剖面處理淺剖資料

根據(jù)盧博等的實(shí)測(cè)資料，在中國(guó)東南沿海大陸架海底沉積物最低值可至1 336 m·s-1，最高值可至1 885 m·s-1，跨度很大。在淺地層剖面資料處理時(shí)，如果預(yù)設(shè)沉積物聲速為 1 600 m·s-1，那么 1 336、1 600、18 853個(gè)值在1 ms-1單程走時(shí)所對(duì)應(yīng)的地層厚度分別為：1.3 m、1.6 m和1.9 m，可見它們之間的差別是相當(dāng)大的，極大地影響了淺地層剖面資料的解譯精度，因此有必要進(jìn)行相應(yīng)的校正。本文以遼東灣某人工島場(chǎng)址構(gòu)造調(diào)查資料為例進(jìn)行地層厚度校正。

2.1 聲速計(jì)算方程的選取

圖 1中的沉積物聲速結(jié)構(gòu)模型滿足不了淺地層剖面地層厚度校正的要求，而必須要確定出比較符合實(shí)際的各地層聲速值。影響沉積物聲速的因素有很多：密度、孔隙度、含水量、粒度、壓力、溫度、埋藏深度及地質(zhì)年代等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作研究了世界大洋海底沉積物各項(xiàng)物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對(duì)聲速的影響，普遍認(rèn)為孔隙度是一個(gè)最好的預(yù)測(cè)聲速的參數(shù)，以下是幾個(gè)典型的以孔隙度為參變量的聲速經(jīng)驗(yàn)方程：

公式中，Cp為沉積物聲速，n為沉積物孔隙度，C0為海底處海水的聲速。

由于測(cè)量數(shù)據(jù)的限制及研究區(qū)范圍的有限性，經(jīng)驗(yàn)公式都有一定的區(qū)域適用性，公式(1)、(2)、(4)研究對(duì)象都在國(guó)外海域，公式(3)只是在公式(2)的基礎(chǔ)上在常數(shù)項(xiàng)引入了海水聲速C0，公式(5)適用區(qū)域?yàn)槟虾＃?6)是總結(jié)了中國(guó)東南近海的大量數(shù)據(jù)資料建立的，適用于中國(guó)東南近海的大部分海域。本文研究區(qū)位于遼東灣海域，沒有查閱到相關(guān)的沉積物聲學(xué)研究資料，因此本文選取(6)式進(jìn)行嘗試性探索，用于計(jì)算沉積層聲速。

2.2 建立沉積物聲速剖面

根據(jù)(6)式，孔隙度是計(jì)算聲速的主要依據(jù)，因此孔隙度的準(zhǔn)確度直接影響聲速計(jì)算結(jié)果的精度，目前孔隙度參數(shù)尚無法直接測(cè)量，而是由密度、土粒比重、含水量 3個(gè)實(shí)測(cè)參數(shù)計(jì)算得到的，本文所依據(jù)的資料滿足 GB50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范（2009修訂版）》和GBT－50123－1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

如圖2所示為遼東灣某人工島調(diào)查工程地質(zhì)鉆孔L3孔柱狀圖，表1為該孔的土工試驗(yàn)成果表。首先根據(jù)鉆孔資料將地層劃分為9個(gè)小層，并提取每層厚度范圍內(nèi)所取土樣的孔隙度參數(shù)，然后利用式(6)計(jì)算各土樣的聲速，并求取每層的平均速度，繪制成聲速剖面圖（圖3）。

由于從工程地質(zhì)鉆孔資料獲得的孔隙度n的分布具有一定的離散性，而聲速的計(jì)算依賴于孔隙度，因此計(jì)算出來的聲速分布的密度就由孔隙度決定。聲速分布密度越密，得到的聲速剖面越詳細(xì)，求出的層平均聲速越接近于實(shí)際情況。

圖 2 L3孔鉆孔柱狀圖Fig. 2 Drilling histogram of L3

表 1 遼東灣某人工島調(diào)查工程地質(zhì)鉆孔資料（L3孔）Tab. 1 Geological drilling data of an artificial island in Liaodong Bay

表 2 校正前后地層深度對(duì)比Tab. 2 Comparison of stratum depths before and after correction

圖 3 人工島場(chǎng)址中心處沉積物聲速結(jié)構(gòu)剖面Fig. 3 Seabed sediment sound velocity profile of the artificial island site

2.3 時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算

在淺地層剖面資料采集時(shí)，所得到的剖面資料有兩種：雙程走時(shí)剖面和深度剖面。實(shí)際上，深度剖面是為了在采集資料時(shí)對(duì)地層結(jié)構(gòu)作大致了解而做的，就是先假定一個(gè)地層聲速，然后用資料處理軟件根據(jù)這個(gè)聲速將雙程走時(shí)剖面進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換后得到的。因此，對(duì)于雙程走時(shí)剖面只需轉(zhuǎn)換成單程走時(shí)后根據(jù)聲速結(jié)構(gòu)剖面進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算即可；對(duì)于深度剖面而必須根據(jù)最初預(yù)設(shè)的聲速值反算出時(shí)間，再重新進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)得到的聲速剖面對(duì)淺地層剖面進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算得到表2。從表中可以看出，粉質(zhì)粘土層的平均聲速要小于粉砂和細(xì)砂層的，其差值大約在80～100 m·s-1。通過對(duì)比校正前后的地層深度，各層深度偏差最小值為-0.1 m，最大值為-1.3 m，偏差較大，對(duì)淺地層剖面資料解譯精度會(huì)造成一定影響，說明進(jìn)行校正還是有必要的，在一定程度上使得地層深度更接近于實(shí)際情況。

3 結(jié)論與展望

通過盧博等的沉積物聲速依賴于孔隙度的經(jīng)驗(yàn)方程，利用容易獲取的孔隙度這一參數(shù)計(jì)算沉積層聲速，用于淺地層剖面資料處理時(shí)各層的時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算，使各地層厚度的解譯更加準(zhǔn)確，該方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。

利用沉積物孔隙度計(jì)算海底沉積層的聲速以此建立的聲速結(jié)構(gòu)剖面是一個(gè)層狀結(jié)構(gòu)，而實(shí)際上沉積物中聲速的分布是非常復(fù)雜的，即使在同一沉積層內(nèi)，聲速也是隨深度的增加而變化的（一般受壓力影響隨深度增加而增大）。因此，層狀結(jié)構(gòu)并不能反映海底沉積物的真實(shí)的聲速結(jié)構(gòu)，研究海底沉積物聲速剖面真實(shí)的連續(xù)的結(jié)構(gòu)是今后研究中需要努力的。

[1] Hamilton E L, George Shumway, Menard H W, et al. Acoustic and Other Physical Properties of Shallow-Water Sediments off San Diego [J]. Acoustical Society of America, 1956, 28(1):1-1.

[2] Hamilton E L. Geoacoustic Modeling of the Sea Floor [J]. Acousti--cal Society of America, 1980, 68: 1313-1340.

[3] Anderson R S. Statistical correlation of physical properties and sound velocity in sediments [A]. Physical of Sound in Marine Sediment [C]. NY: Plenum Press, 1974: 481-518.

[4] 周志愚, 杜繼川, 趙廣存, 等. 南海、黃海海底聲速垂直分布的測(cè)量結(jié)果 [J]. 海洋學(xué)報(bào), 1983, 5(5): 543-552.

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[6] 盧博. 海水-沉積物聲速結(jié)構(gòu)模式 [J]. 海洋通報(bào), 1995, 14(2):42-47.

[7] 盧博, 李趕先, 孫東懷, 等. 中國(guó)東南近海海底沉積物聲學(xué)物理性質(zhì)及其相關(guān)關(guān)系 [J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 2006, 25(2): 12-17.

[8] 唐永祿. 海底沉積物孔隙度與聲速的關(guān)系 [J]. 海洋學(xué)報(bào), 1998,20(6): 39-43.

[9] 盧博, 梁元博. 中國(guó)東南沿海海洋沉積物物理參數(shù)與聲速的統(tǒng)計(jì)相關(guān) [J]. 中國(guó)科學(xué)(B輯), 1994, 24(5): 556-560.

Application of sound velocity forecasting equations in processing sub-bottom profile data

WANG Fang-qi, QI Fa-qing, YAO Jing, TAO Chang-fei, XU Guo-qiang

(First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

The seabed sediment sound velocity is one of the key parameters in the acquiring and processing of sub-bottom profile data. Usually, the sound velocity is regarded as a constant with experience, but this is not true. On the basis of comparing some sound velocity forecasting empirical equations, the LU Bo’s equation was considered the most appropriate to predict the seabed sediments sound velocity of near-shore southeast China Sea. In the survey of an artificial island site, the porosity data obtained from geological drilling was utilized to predict the sediment sound velocity, and the sound velocity profile was drawn, which was applied in processing the sub-bottom profile data. The method of utilizing porosity to predict sound velocity in processing sub-bottom profile data can improve the interpretation accuracy, therefore it’s of practical significance.

sediment sound velocity forecasting equation; sub-bottom profile; porosity; time-depth conversion

P343.5

A

1001-6932(2011)05-0492-04

2010-09-05；

2011-04-22

王方旗（1981－），男，山東諸城人，助理工程師，碩士，主要從事海洋地球物理方面的研究。電子郵箱：sdhdwfq0317@163.com。