Chirp 3212淺剖儀在煙臺淺海區(qū)的應用實例

■張超 趙俐紅 凌子龍 楊明明

（山東科技大學地科學院山東青島266590）

Chirp 3212淺剖儀在煙臺淺海區(qū)的應用實例

■張超 趙俐紅 凌子龍 楊明明

（山東科技大學地科學院山東青島266590）

Chirp 3212是基于線性調頻技術的便攜式淺地層剖面回聲探測儀，其子波在經過振幅包絡和相關等處理后,具有很高的資料信噪比和地層分辨率，因此該淺剖儀較好的解決了探測深度和分辨率矛盾的問題。淺剖儀理論上的地層分辨率可以達到十幾厘米，最大的探測深度大概在百米。本文以煙臺田橫山風景區(qū)某區(qū)域探測地下15米范圍內的地層為工程實例，利用該儀器進行了勘測取得了較好的效果。

Chirp3212 淺剖儀 線性調頻 chirp 子波 淺剖實例

1　前言

我國東部沿海地區(qū)經濟發(fā)達，各種水域的開發(fā)也在逐漸的增加，比如：碼頭的建設、地下光纜和油氣管道以及排污管道等的設置。在開展工程前需要對其地質條件進行調查和評價.淺地層剖面儀可穿透海底一定深度的淤泥層、砂質層和基巖層[2]，因此可以將水域范圍內具有一定厚度的地層、構造反映出來，有利于人們對地質災害進行深入的判斷，其應用目前已成為了解工程場地潛在災害地質因素的重要途徑[3]。本文以煙臺田橫山風景區(qū)某區(qū)域探測地下15米范圍內的地層為工程實例，利用該儀器進行了勘測取得了較好的效果。所得經驗對Chirp類淺剖儀及其相關的儀器在水域調查中的應用具有一定的參考價值。

2　Chirp淺剖儀工作原理

把海底看作一個層狀的模型[6]，海水層作為第一種介質，它的密度為P1，聲波在其中傳播的速度為V1。海底下的積物存在多個界面，假設它們的密度和速度分別是P2，V2，...Pn，Vn，其中海底為第一界面，當聲波向下傳播時，一部分在分界面處發(fā)生反射，另一部分沿法線方向繼續(xù)傳播，在下一分界面處發(fā)生反射和透射，衡量反射的強度稱為反射系數(shù)。一個界面、兩種介質的反射系數(shù)的數(shù)學表達式為：

式中：R為反射系數(shù)；P1、V1為第一種介質的密度和聲波在其中的傳播速度；P2、V2為第二種介質的密度和聲波在其中的傳播速度。從公式（1）可以看出，獲得反射聲波的強弱取決于界面兩側物質的差異。當P2V2-P1V1的值較大，即界面兩側物質差異較大時，接收到的反射信號就比較強，反之則比較弱。因此，接收到的反射信號，攜帶了水下地層的大量有用的地質信息。通過觀測

記錄并分析海底沉積物對于聲波的反射特性，可以了解沉積物的地質屬性，并可以直觀地描述地層的地質構造[7]。Chirp系統(tǒng)的理論縱向地層分辨率為十幾厘米左右，最大探測深度在50～60m左右[8]。完全滿足淺地層的勘探需要。

3　工程實例

研究區(qū)位于蓬萊北側海域，區(qū)域為0.6km×1km長方形，水深在5-28m之間，本次勘察要求獲得調查研究區(qū)海底淺部15米之內沉積物結構和地層的空間分布特征等信息。

3.1數(shù)據采集

3.1.1采集方案

為了獲得測區(qū)全貌的地層構造信息，淺地層剖面儀測線按照以下方案布設：區(qū)內范圍內主測線長度1000m，平均間距300m，聯(lián)絡測線長度600m，平均間距150m。為了避開測區(qū)散布的漁網，根據水深地形圖設計5條主測線（豎）和5條聯(lián)絡線（橫）。本次淺地層剖面探測中，頻率設計3.5kHz，帶寬3kHz，脈沖長度2ms，量程設計為20-50m，換能器吃水深度1.7m。船只保持4節(jié)航速并穩(wěn)定航向，沿測線先從淺至深測量5條聯(lián)絡線，再測量5條主測線。第一條測線的方向為自西向東，并為S曲線方式繼續(xù)行進。

3.1.2現(xiàn)場試驗

在水域進行調查時要進行設備的調試，進行試驗。將淺剖裝置安裝在船舷右側，嵌套在固定支架內固定。安裝完畢后沿第一條測線進行測試。

淺剖測量過程中的背景噪聲主要為隨機噪聲，由船體發(fā)動機噪聲、船體尾流噪聲、海水涌浪噪聲等組成。高噪聲機動，如：馬達、水泵、風機、螺旋漿等等，在記錄上表現(xiàn)條帶狀；魚群面積大，垂直密度也大，可以干擾發(fā)收信號，使地層信號減弱或消失；海況條件較差時，聲波被氣泡干擾，同時，浪花沖擊探頭，引起極大噪聲干擾；海底波阻抗比較大時，反射損失就較小，如果使用頻率又偏高,就會出現(xiàn)二次波或多次波，一般在水深較淺，聲速發(fā)射功率大時最容易發(fā)生二次回波及三次回波現(xiàn)象，會產生同一位置圖象疊加現(xiàn)象，導致無法進行內業(yè)分析[11]；直達波干在記錄上表現(xiàn)為平行水面的黑線條。

3.2數(shù)據處理

淺剖搜集的數(shù)據采用實時采集和后處理淺剖側掃聲吶以及磁法數(shù)據的軟件系統(tǒng)SonarWiz5。

資料分析通過軟件對Seg-y文件進行讀取、處理來實現(xiàn)。處理過程主要包括數(shù)據信號選擇、波速修正、測量深度選擇、色譜控制、濾波處理、信號增益修正、圖像輸出等幾個方面，處理順序及內容則按任務的要求進行合理的選擇[3]。對于得到的數(shù)據圖像，我們主要對它進行濾波處理和增益處理。

3.3數(shù)據分析

圖3.3.1為第4條和第6條測線的剖面圖，縱坐標為海水面為零點的深度值，橫坐標為測線坐標。剖面圖上的第一條線為水深值。剖面中，會存在二次波或多次波的干擾，它在記錄上顯示深度,是水深的兩倍或多倍，如圖3.3.1所示，出現(xiàn)了一個二次波，是水深的兩倍，且隨著深度的加深距離越來越大。第四條測線為聯(lián)絡測線，其剖面顯示地形較平緩，起伏變化不大。

根據對淺剖得到的數(shù)據和圖像的分析并結合當?shù)氐囊恍┑貙淤Y料，在大的地層分析中，整個測區(qū)海底15米范圍之內并沒有明顯的地層的分層，山東半島東北部海岸發(fā)育于魯東丘陵的基礎之上，這里的海岸以基巖-礁石海岸、砂質海岸（包括連島沙壩海岸）、沙壩-渴湖型海岸、砂質海灘等為特征。

如果地層內砂質較純，粉、細砂沉積又較密實，則層面線淡而細，層面線以下地層為一片白色，且層內出現(xiàn)2次或多次反射，一般為砂層圖象。由于山東半島東北部濱淺海區(qū)的表層沉積物底質類型為粉砂、砂質粉砂和粉砂質砂，局部海區(qū)出現(xiàn)砂質礫。細粉砂質軟泥主要分布在蓬萊角海區(qū)。而我們測區(qū)屬于山東半島東北濱海區(qū)域并且測區(qū)靠近海岸，推測測區(qū)15m地層沉積物以砂質粉砂為主，且上部地層含淤泥量較大，向下逐步變硬，為全新世的海相沉積。15m地層內沒有連續(xù)可追蹤的反射界面，但在部分測線存在一些地形凸起和局部較小的沉積分層。如果后期管線施工應盡量避開這些可能堅硬的地方。

我們采用Surfer軟件對所測地形得到數(shù)據進行成圖。數(shù)據分別為大地坐標和海底深度。由于測線并非直線，所得圖形僅供參考?？梢钥吹降匦卧跍y區(qū)中部突然變陡，落差在10m?？傊?，整個測區(qū)海底下15m地層大部分為海相松散沉積地層，除在測區(qū)南部的東邊界發(fā)現(xiàn)有小型堅硬地層出露外，其他地區(qū)基巖埋深較深，15m內地層分層不明顯，缺少可連續(xù)追蹤的地層界面，推測該層以粉砂為主，上部地層含水量大，除堅硬地層（或暗礁）出露外，該區(qū)15m地層內還存在小型古洼地，但規(guī)模較小，其他災害地質現(xiàn)象不明顯。

4　結語

本文以煙臺田橫山風景區(qū)某區(qū)域探測地下15米范圍內的地層為工程實例介紹了chirp3212淺剖儀的工作原理和技術特點，描述了它的使用方法和數(shù)據分析的步驟，并得出如下結論：

（1）本次利用淺剖儀獲得較淺的地層剖面（最低頻率3.5Kz）資料，該深度與地層結構、土層性質和頻率密切相關。

（2）由于缺少鉆孔資料，不能給出準確的剖面解釋。但能結合鉆孔資料，將能整合鉆孔方法詳細、準確的有點和物探方法高效普查、花費低等優(yōu)點，為勘查或者地質災害判別提供更可靠地根據。

（3）該淺剖系統(tǒng)在水域中采用連續(xù)走航的方式進行調查，通過線性調頻技術子保證探測深度的條件下具有很高的分辨率，能夠獲得水底及地層分界面的有效信號，優(yōu)勢明顯。

國家自然科學基金項目資助（41106037）；山東省高校海洋測繪重點實驗室（山東科技大學）資助項目（2013B06）

[1]劉保華,丁繼勝,裴彥良,等.海洋地球物理探測技術及其在近海工程中的應用 [ J].海洋科學進展,2005,23(3):374-384.

[2]董玉娟,周浩杰,王正虎.側掃聲納和淺地層剖面儀在海底管線檢測中的應用 [J].水道港口,2015（5）:450-455.

[3]劉建達,黃永林,宋文榮,譚慧明,蔣新.Chirp淺剖儀在水域地質調查中的應用 [J].防災減災工程學報,2010,02:216-221.216,218.

[4]呂國濤,胡長青.阿曼灣淺地層調查資料的處理研究 [J].聲學技術2010（2）:162-166.

[5]呂國濤，溫明明，吳衡，李永航.PARASOUND P70淺剖在大洋科考中的應用 [J].內江科技,2013(2):104-105.

[6]譚慧明，蔣新，黃永林.淺剖儀在水域活斷層調查中的應用研究 [J].防災減災學報,2010,26(3):6-10

[7]馬永剛，陳尚士,刁海島.Edgetech 3200XS淺剖系統(tǒng)在疏浚工程勘察中的應用 [J].工程勘察,2006(S1):304-309.

[8]孔祥淮.山東半島東北部濱淺海區(qū)表層沉積物特征和沉積作用 [D].中國海洋大學,2006.

[9]徐海濤.GPY-N型淺地層剖面儀在航道工程中的應用 [J].水運工程,2002(10): 77-78.

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-149-2