淺地層剖面探測綜述

李平，杜軍

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

淺地層剖面探測綜述

李平，杜軍

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

海洋地球物理技術(shù)在海洋地質(zhì)調(diào)查中起重要作用，其中淺地層剖面探測因其成本低、效率高，在海洋地質(zhì)調(diào)查研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。淺地層剖面探測是利用聲波在水中和水下沉積物內(nèi)傳播和反射的特性來探測海底淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的。本文闡述了淺地層剖面儀發(fā)展歷程，針對淺地層剖面探測，分析了其主要影響因素和壓制方法，并對主要剖面聲圖類型及其特征進(jìn)行了探討。

地球物理技術(shù)；淺地層剖面探測；綜述

淺地層剖面探測是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法[1-3]。淺地層剖面儀（Sub-bottom Profiler System）又稱淺地層地震剖面儀，是在超寬頻海底剖面儀基礎(chǔ)上的改進(jìn)，是利用聲波探測淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的儀器設(shè)備。以聲學(xué)剖面圖形反映淺地層組織結(jié)構(gòu)，具有很高的分辨率，能夠經(jīng)濟(jì)高效地探測海底淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

本文簡要介紹了淺地層剖面探測技術(shù)的工作原理，總結(jié)了目前國內(nèi)外廣泛使用的主要技術(shù)產(chǎn)品型號以及主要參數(shù)和性能。闡述了淺地層剖面儀發(fā)展歷程，分析了影響淺地層剖面探測質(zhì)量的主要因素和壓制方法，并對主要淺地層剖面聲圖類型及其特征進(jìn)行了探討。

1 淺地層剖面探測發(fā)展歷程

淺地層剖面儀是在測深儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，只不過其發(fā)射頻率更低，聲波信號通過水體穿透床底后繼續(xù)向底床更深層穿透，結(jié)合地質(zhì)解釋，可以探測到海底以下淺部地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造情況。淺地層剖面探測在地層分辨率（一般為數(shù)十厘米）和地層穿透深度（一般為近百米）方面有較高的性能，并可以任意選擇掃頻信號組合，現(xiàn)場實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整工作參量，可以在航道勘測中測量海底浮泥厚度，也可以勘測海上油田鉆井平臺基巖深度。

淺地層剖面儀采用的技術(shù)主要包括壓電陶瓷式、聲參量陣式、電火花式和電磁式4種。其中，壓電陶瓷式主要分為固定頻率和線性調(diào)頻（Chirp）兩種；電火花式主要利用高電壓在海水中的放電產(chǎn)生聲音原理；聲參量陣式利用差頻原理進(jìn)行水深測量和淺地層剖面勘探；電磁式通常多為各種不同類型的Boomer，穿透深度及分辨率適中。

淺地層剖面探測設(shè)備性能指標(biāo)中分辨率與穿透深度是互相矛盾的。20世紀(jì)80年代，美國Datasonics公司與羅得島州州立大學(xué)的海軍研究所及美國地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合開發(fā)了一種稱為“Chirp”的壓縮子波，并被廣泛的應(yīng)用于海底淺地層勘探中[4]。通過長時(shí)間的調(diào)頻脈沖，接收信號經(jīng)過濾波處理，得到一個比發(fā)射脈寬的寬度窄很多的壓縮脈沖，壓縮后的脈沖寬度與發(fā)射脈沖寬度無關(guān)，此壓縮脈沖寬度等于調(diào)頻帶寬的倒數(shù)，即τp=1/?f ，（τp：處理后的脈沖寬度；?f：調(diào)頻寬度）。發(fā)射較寬的線性調(diào)頻（Chirp）脈沖，能夠保證一定穿透深度，同時(shí)不會降低垂直分辨率。其中GeoChirpⅡ是采用線性調(diào)頻（Chirp）聲納作為聲源，來探測海底淺地層構(gòu)造情況的一種淺地層剖面儀。與此同時(shí)，為了產(chǎn)生具有足夠穿透力的低頻，它的換能器必須做得大而重，分辨率也較差。于是人們提出了參量陣（非線性調(diào)頻）原理，利用該原理德國Innomar公司研制了SES–96 參量陣測深/淺地層剖面儀?？傮w來看，Chirp 技術(shù)在地層分辨率上具有極高的性能，而其勘探深度的限制有使其應(yīng)用范圍具有很大的限制。

同時(shí)，傳統(tǒng)的Boomer為電磁式剖面儀，但其聲能發(fā)射機(jī)（震源）輸出的電壓通常為幾千伏，針對該問題，研究人員在設(shè)計(jì)上進(jìn)行重大改進(jìn)，采用獨(dú)特低壓技術(shù)的新型淺地層剖面儀（C–Boom）應(yīng)運(yùn)而生[5]。

淺地層剖面探測技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代初期，其后廣泛應(yīng)用于港口建設(shè)、航道疏浚、海底管線布設(shè)，以及海上石油平臺建設(shè)等方面。70年代以來，隨著近海油氣資源的大規(guī)模開發(fā)和各種近岸水上工程建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，以及各種地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生和發(fā)現(xiàn)，淺地層剖面探測的重要性越來越為人們認(rèn)識[6,7]。同時(shí)，淺地層剖面探測設(shè)備呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢，目前廣泛使用的淺地層剖面探測設(shè)備的主要產(chǎn)品類型及其技術(shù)規(guī)格入表1所示。

表 1 淺地層剖面設(shè)備的主要產(chǎn)品及其技術(shù)規(guī)格（據(jù)劉保華，2005年）Tab.1 Major product and technology-specification of sub-bottom profiler equipments（by Baohua Liu，2005）

2 淺地層剖面探測工作原理

淺地層剖面探測工作是通過換能器將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率（100 Hz～10 kH）的聲波脈沖向海底發(fā)射，該聲波在海水和沉積層傳播過程中遇到聲阻抗界面，經(jīng)反射返回?fù)Q能器轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號后記錄下來，并輸出為能夠反映地層聲學(xué)特征的淺地層聲學(xué)記錄剖面。

聲學(xué)地層探測系統(tǒng)是利用聲波反射的原理來探測地層的。聲波在海底傳播，遇到反射界面（界面兩側(cè)的介質(zhì)性質(zhì)存在差異）時(shí)發(fā)生反射，產(chǎn)生反射波的條件是界面兩邊介質(zhì)的波阻抗不相等。換句話說，決定聲波反射條件的因素為波阻抗差（反射系數(shù)Rpp）。波阻抗為聲波在介質(zhì)中傳播的速度V和介質(zhì)密度ρ的乘積。

在淺地層剖面調(diào)查中，近似認(rèn)為聲波是垂直入射的，此時(shí)

由上式可知：要得到強(qiáng)反射，必須有大的密度差和大的聲速差，如相鄰兩層有一定的密度和聲速差，其兩層的相鄰界面就會有較強(qiáng)的聲強(qiáng)，在剖面儀終端顯示器上會反映灰度較強(qiáng)的剖面界面線。當(dāng)聲波傳播到界面上時(shí)，一部分聲信號會通過，另一部分聲信號則會反射回來；而且在每一個界面上都會發(fā)生此現(xiàn)象。應(yīng)用到地學(xué)中，即聲波波阻抗反射界面代表著不同地層的密度和聲學(xué)差異而形成的地層反射界面。ρV稱為聲阻率，簡單地說，海底相鄰兩層存在一定聲阻率量差，就能在剖面儀顯示器上反映兩相鄰的界面線，并能分別顯示兩層沉積物的性質(zhì)圖像特性差異。利用這個原理，人們發(fā)明了聲學(xué)地層剖面系統(tǒng)（圖1）。

圖 1 淺地層剖面工作原理Fig.1 Principle of sub-bottom profile

由于不同的沉積物存在著密度差異和速度差異，這種差異在聲學(xué)反射剖面上表現(xiàn)為波阻抗界面，差異越大，波阻抗界面就越明顯（振幅越強(qiáng)）。由不同物質(zhì)組成的相同地質(zhì)年代的巖層，由于彼此間存在著密度和速度的差異，會形成多個反射界面，而不同年代的巖層，也可能由于物質(zhì)組成相同、密度差異不大而不存在明顯的聲學(xué)反射界面。因此，聲學(xué)地層反射界面與地質(zhì)界面或地層層面之間存在著不完全對應(yīng)關(guān)系。但在大多數(shù)情況下，不同年代的巖層存在著不同的物理特征，聲學(xué)反射特征也有差異，因而依據(jù)聲學(xué)反射剖面劃分的反射界面往往與地層界面是吻合的。這種反射界面一般能夠代表不同地質(zhì)時(shí)代、不同沉積環(huán)境和物質(zhì)構(gòu)成的真實(shí)地層界面。

在依據(jù)反射界面進(jìn)行淺地層剖面實(shí)際解譯過程中，應(yīng)該首先與測區(qū)內(nèi)地質(zhì)鉆探資料進(jìn)行層位對比，并充分利用鄰區(qū)資料和周邊地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合記錄中的沉積結(jié)構(gòu)、層位標(biāo)高、堆積、侵蝕、界面的整合、不整合接觸、層理結(jié)構(gòu)、相位變化等特征來分析研究聲學(xué)記錄中地層沉積特征以及其它地質(zhì)信息。這樣，一般而言能夠得到與實(shí)際情況較為相符的結(jié)論。

3 淺地層剖面探測主要影響因素

淺地層剖面探測結(jié)果受多種因素制約，如儀器本身的技術(shù)性能指標(biāo)，海底底質(zhì)特征，探測過程中的噪聲及其壓制，其他各種干擾，以及解譯者的實(shí)際水平、經(jīng)驗(yàn)等。其中絕大多數(shù)是可以改良甚至是避免的，因此，在實(shí)際探測過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，綜合實(shí)際因素施測，以達(dá)到最優(yōu)的探測效果。

3.1 海底底質(zhì)

海底地質(zhì)構(gòu)造狀況，尤其是海底底質(zhì)類型特性決定儀器所能勘測的深度范圍。海底底質(zhì)是砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等硬質(zhì)海底嚴(yán)重制約聲波穿透深度，限制儀器勘探的深度。例如，淺地層剖面探測深度砂質(zhì)海底小于30 m，泥質(zhì)海底可達(dá)100多m，兩者存在巨大的差異。

3.2 噪聲

處于系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)的外界聲源信號都可能串入造成干擾信號圖像，包括低頻船只機(jī)械噪聲和環(huán)境噪聲等。噪音在淺地層剖面記錄上可能都會或多或少地顯示出來，降低勘測數(shù)據(jù)質(zhì)量，甚至對判讀、解譯結(jié)果產(chǎn)生重大的影響。因此，正確地識別，甚至消除噪聲的影響是十分重要的。

3.3 船只擺動

為獲得具有良好效果的淺地層剖面探測數(shù)據(jù)資料，調(diào)查船走航過程中應(yīng)盡量保持均速慢速穩(wěn)定行駛，船速和航向不穩(wěn)定造成船只搖擺，使拖魚不能保持平穩(wěn)狀態(tài)，造成圖像效果不佳。同時(shí)，涌浪也可使船只搖擺，致使拖魚不穩(wěn)定。

其他影響因素還包括海氣界面，海氣界面能將發(fā)射聲能幾乎全部反射，幾乎無發(fā)射聲波觸及目標(biāo)。如果采用船尾拖曳換能器，船的尾流對地層反射信號也能產(chǎn)生干擾，施測過程中應(yīng)該使換能器盡量避開船的尾流區(qū)，通常采取使換能器入水深度加深，或者加長拖纜的方法。另外，海水深度、潮汐作用及海底起伏均對淺地層剖面探測有著直接的影響。

4 主要聲學(xué)剖面類型及其特征

4.1 聲學(xué)地層層序圖像

淺地層剖面測量所獲取的聲學(xué)記錄剖面是地質(zhì)剖面真實(shí)反映。聲地層層序是沉積層序在淺地層聲學(xué)記錄剖面上的反映（圖2）。根據(jù)反射波的振幅、頻率、相位、連續(xù)性和波組組合關(guān)系等，界定聲阻抗界面，進(jìn)而劃分聲學(xué)反射界面。

圖 2 典型地層剖面聲圖Fig.2 Typical sub-bottom profile

聲學(xué)地層層序?qū)嵸|(zhì)是地層界面間聲波阻抗差異的反映。淺地層剖面的地質(zhì)解譯，是根據(jù)沉積物的巖性變化、沉積物密度、沉積層構(gòu)造、層面特征以及沉積層延伸與錯斷等進(jìn)行解譯。

4.2 多次反射圖像

凡波阻抗存在差異的界面上都能發(fā)生波的反射。在有多個波阻抗界面時(shí)，波在某個界面反射后可能在另一個界面又進(jìn)行一次以上的反射再返回海面，這種現(xiàn)象稱為多次反射（圖3）。通常，多次反射波也是一種干擾，如果把它們作為一次反射波解釋，會得出錯誤的地質(zhì)結(jié)論，例如夸大沉積層厚度，混淆地層接觸關(guān)系。通常來講，不整合面、基巖面和玄武巖面等強(qiáng)反射界面容易產(chǎn)生多次波。識別多次波的方法很多，最好利用鉆孔資料、區(qū)域地質(zhì)資料或與其他物探成果對比。

4.3 干擾圖像

干擾圖像主要可包括直達(dá)波干擾和側(cè)向發(fā)散干擾。直達(dá)聲波干擾由于換能器基陣90°方向的靈敏度較高，換能器發(fā)射聲波會有一部分向水平方向射出，該部分聲波直接被接收換能器接收，形成直達(dá)波記錄。當(dāng)收、發(fā)換能器間距小于測區(qū)水深的2倍時(shí)，直達(dá)波被反映在海底線之上端，呈現(xiàn)細(xì)而均勻的線條與零位線平行，可呈現(xiàn)多條平行線。側(cè)向發(fā)射干擾是由于發(fā)射換能器具有較大波束角，當(dāng)船近岸壁、突起暗礁時(shí)會有反射面形成側(cè)向反射干擾圖像（圖4）。

圖 3 典型二次反射圖像聲圖Fig.3 Typical twice-reflection sound-picture

圖4 典型干擾圖像聲圖Fig.4 Typical interference sound-picture

此外，主要聲學(xué)剖面類型還包括水體圖像，指淺地層剖面儀記錄到的發(fā)射線至海底之間的圖像。

5 剖面聲圖特征及其地層學(xué)解釋

淺地層剖面聲圖反映海平面變化，在沖積平原或近岸環(huán)境中反映沉積環(huán)境的變遷過程。剖面聲圖的層理是指剖面聲圖顯示具有一定灰度的點(diǎn)狀、塊狀和線狀圖形組成的圖像，反映不同性質(zhì)的海底淺部地層特征[8]。

5.1 簡單層理

簡單層理包括平行層理和發(fā)散層理。平行簡單層理為點(diǎn)狀和線狀圖像（圖5），主要反映了地殼平穩(wěn)、均勻一致沉降，表明在低能量沉積環(huán)境中的細(xì)顆粒沉積物。發(fā)散型沉積層結(jié)構(gòu)主要反映了相對穩(wěn)定或穩(wěn)定下沉的大陸架、盆地充填等的勻速沉積環(huán)境。發(fā)散結(jié)構(gòu)則意味著沉積速率上有側(cè)向變化或沉積表面的逐步傾斜。簡單層理常形成于海平面上升后的淺海環(huán)境中，多為細(xì)粒沉積物的沉積層。平行層理主要在海平面上升后淺海環(huán)流作用下形成，同時(shí)也表明沉積層組成多是粘土或者粉、細(xì)砂。

圖 5 典型簡單層理聲圖Fig.5 Typical simple sound-picture

5.2 復(fù)雜層理特征

復(fù)雜層理可進(jìn)一步細(xì)分為復(fù)雜斜層理、S型復(fù)雜層理和雜亂層理等3種類型。其中復(fù)雜斜層理是由點(diǎn)狀、線狀和點(diǎn)線狀圖形組成的不平行傾斜狀圖形，通常表示河流、河流三角洲或者近岸平原等沉積環(huán)境（圖6）。S型復(fù)雜層理由S型的線狀或塊狀圖形組合而成的圖像，通常表示三角洲及淺海環(huán)境，沉積物粒度從細(xì)到粗的沉積序列。雜亂層理是由不連續(xù)、不整合的點(diǎn)狀或線狀圖形組合的圖像，表示高能量沉積環(huán)境，它反映各種不同的沉積速率，或者沉積后基底瓦解，崩積后殘、堆積等沉積過程。

點(diǎn)、線狀平行或微傾斜圖像表明河流泛濫平原或河流決口扇，形成粗、細(xì)?；祀s的沉積層。點(diǎn)、線狀斜交的傾斜層理圖像顯示了在該層形成河道，在河道中粗粒沉積物的交錯層理。點(diǎn)、線狀雜亂層理圖像表明該沉積層是粗粒的沉積物，沉積物可能殘積或崩積形成沉積層，該層頂部被認(rèn)為是在低海平面時(shí)期形成的地表侵蝕面。

圖 6 淺部地層中發(fā)育的碟狀洼地和擾動體（萊州灣）Fig.6 Eroded channel and interference-body in the sub-bottom profile（Laizhou bay）

5.3 無聲反射帶

無聲反射帶就是聲圖中不存在具有一定灰度的點(diǎn)狀、塊狀和線狀圖形，而幾乎是一片空白帶或干擾圖像（圖7）。點(diǎn)狀圖形無序組合圖像表明該層是聲波屏蔽帶，也可稱無聲反射帶或稱無聲信號帶，一般認(rèn)為是該沉積物中含有氣體或泥炭層，該層中高分辨率的高頻信號衰減得最快，或者說聲波信號被較快吸收掉，因此，聲波在該層穿透深度很小。產(chǎn)生無聲反射帶的原因是沉積物中有天然氣或泥炭層或者為均一的粉細(xì)砂層[9]。另外，由于含氣沉積物對聲能量的屏蔽作用，有時(shí)剖面上在反映含氣沉積物的雜亂反射下也會出現(xiàn)無反射區(qū)。

圖 7 黃河口淺部地層中的無聲反射帶（據(jù)閆章存，2007年）Fig.7 No-noise reflection in the sub-bottom profile of Huanghe estuary（by Zhangcun Yan，2007）

6 總 結(jié)

淺地層剖面勘測是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法[10,11]。利用淺地層剖面儀可以有效獲得海底以下的淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，并可分析出海底以下存在的災(zāi)害地質(zhì)因素如埋藏古河道、淺層氣、淺部斷層、軟弱地層和淺部基巖等。近年來，盡管淺地層勘測技術(shù)取得長足進(jìn)步，但由于勘察過程受諸多因素的影響及其具有的多解性特征，淺地層剖面施測應(yīng)盡量與鉆孔相配合，取得良好的勘察效果。因此，了解淺地層剖面勘測的影響因素，聲學(xué)剖面類型及其地質(zhì)解釋，并在人工判讀過程中盡可能消除環(huán)境因素的影響，對正確和準(zhǔn)確地識別海底狀況是非常有意義的。

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Review on the probing of sub-bottom profiler

LI Ping, DU Jun

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

Marine geophysical survey technique plays an important role in marine geology investigations，in which Sub-bottom Profiler Probe with the low-cost and high-efficiency characteristic has broad application prospects in the marine geological investigation and research.Sub-bottom Profiler Probe is to use the transmission and reflection of sound waves in the water and underwater sediment to detect the shallow stratum structure under the seabed.In this paper，the development process of Sub-bottom Profile system and its main influencing factors and suppression methods are analyzed.The main audio diagram types and their characteristics are discussed.

marine geophysical survey technique; sub-bottom profiler probe; review

P631.5

A

1001-6932(2011)03-0344-07

2010-3-18；收修改稿日期：2010-11-2

國家海洋局青年基金（2010310）。

李平（1981－)，男，陜西藍(lán)田，助理工程師，碩士，主要從事海洋地球物理調(diào)查與研究工作。電子郵箱：lp@fio.org.cn。