基于高分辨率淺剖與鉆孔信息對比的金州灣海底聲速的統(tǒng)計特征

王方旗，陶常飛，林旭波，董立峰

(1.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061)

1 引言

海底地聲學是一門研究海底沉積物聲學特性的學科，同時也是一門用聲學方法研究海底地質特性的學科，是與聲學、海洋學、地質學以及地球物理學等多種學科有密切關系的應用性極強的交叉學科。海底地聲學是國際海洋科學研究的熱點方向之一[1-2]。海底沉積物聲速是海底地聲學研究中最基本的物理量之一，是一個重要參數(shù)，研究和弄清海底沉積層中聲速的變化規(guī)律具有極其重要的科學意義、工程意義和軍事意義[3]。

海底沉積物聲速研究的傳統(tǒng)方法主要有：聲速傳播的理論推導與數(shù)學建模法[4-9]、取樣測量法[2,10-19]、室內模擬試驗法[20-21]和海底原位聲學測量法[20,22-32]。但由于受到研究方法和條件的限制，分別存在一些難以克服的困難和問題：（1）聲傳播理論數(shù)學模型中有些未知參數(shù)的獲取并不容易，甚至根本無法獲??；（2）取樣后再進行甲板測量或室內測量的方法對樣品的擾動和測量誤差不可避免，測量值與真實值有偏差，且所取樣品限于淺表層幾厘米至幾米深度范圍，成果應用很有限；（3）海底原位聲學測量同樣存在研究深度淺的問題，只能獲取表層沉積物的聲學參數(shù)。

淺地層剖面儀是基于射線聲學的基本原理研發(fā)的海底測量儀器，其通過聲學換能器向海底發(fā)射一定頻率的聲波，通過記錄從海底及以下各聲阻抗界面返回的反射波的時間達到探測海底地層結構的目的。射線聲學法是一種可以用于間接獲得海底地層聲速的無擾動測量方法，Bryan[33]論述了海底薄層中聲速的T2-X2求解方法，并且認為用此方法計算的結果與該地層的深度與厚度之比無關。張叔英[34-35]將T2-X2法進行了改進，用于海底任意傾斜地層的聲速測量和計算，分析了影響測量精度的因素，并建議在硬地層中考慮聲射線的折射效應以提高聲速的測量精度。本文根據(jù)射線聲學的原理，從聲波在海水和海底地層中的幾何路徑出發(fā)，以金州灣海域為例開展基于高分辨率淺地層剖面與鉆孔巖心信息對比的地層聲速反演研究。首先以大量高分辨率淺地層剖面數(shù)據(jù)和高密度鉆孔數(shù)據(jù)為基礎進行海底地層聲速反演，獲得研究區(qū)內各鉆孔處的真實聲速值；然后采用統(tǒng)計學方法分析和研究了不同層序的聲速分布特征和聲速隨地層深度的變化規(guī)律，為金州灣及附近海域或沉積環(huán)境相類似海域的海底地聲學研究提供科學依據(jù)、方法指導和技術支持。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)組成

研究區(qū)位于渤海金州灣海域內，金州灣為沙礫質基巖海岸上的一個原生灣，大致呈東南-西北走向，灣口朝西北敞向渤海，海岸線總長65.7 km，海灣面積為342 km2，灣東部灘涂面積為17 km2，灣口礁島面積為4.2 km2。為配合相關項目的開發(fā)建設，在金州灣內進行了詳細的淺地層剖面測量和工程地質勘察（圖1）。

淺地層剖面測量采用英國的AAE CSP-D 2200 地層剖面系統(tǒng)，震源采用Squid 2000 電火花，激發(fā)間隔為750 ms，激發(fā)能量為500 J，水聽器采用荷蘭的GEOSENSE/24 單道接收電纜，接收段長度為5 m，數(shù)據(jù)記錄深度為200 ms，濾波為0.1～5.0 kHz，總計完成測線約400 km，資料清晰，穿透深，剖面上可清晰準確地識別出全新世海相層底界面和基巖界面。工程地質勘察共布設了鉆孔328 個（其中穿過淺剖測線的有185 個），能夠準確確定全新世海相層底界面和海底沉積層底界面（基巖面）的深度。

圖1 淺地層剖面測線和鉆孔位置Fig.1 Location of sub-bottom profile lines and boreholes

金州灣海域屬于水下淺灘，水深在5～8 m，海底地形變化不大，灣區(qū)海底第四紀地層連續(xù)性好，物質組成較均勻，主要為細粒的黏土和粉質黏土，只在局部夾有粉砂或細砂薄層，這些高分辨率的淺地層剖面資料和高密度分布的鉆孔為本區(qū)域海底地層聲速的研究提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。

2.2 聲速反演

2.2.1 聲波走時校正

由于采用的淺地層剖面系統(tǒng)聲波激發(fā)和水聽器接收是分開的，會造成回波信號的走時和振幅發(fā)生畸變，因此需要對接收信號進行走時校正，以保證后續(xù)沉積層聲速計算的準確性。本文采用基于射線聲學理論的幾何分析法對聲波走時進行校正，并經(jīng)深時轉換后得到聲波的單程走時。

淺地層剖面資料采集和處理時，總是需預先設置一個經(jīng)驗性的平均聲速V0，既可以實時地對海底地層進行大略了解，也可以方便系統(tǒng)進行數(shù)字化采集和處理。采用專業(yè)處理軟件從剖面上可以直接解譯得到近似水深：H0(0)，以及各反射層深H0(1)，H0(2)，H0(3)，······，H0(n)。從圖2 的幾何關系可以推導出：海水深度的畸變校正公式為

海底地層的畸變校正公式：

式中，i=1，2，···，n。校正后得到的是以海底為起算面的各地層界面的深度。

根據(jù)鉆孔資料確定地層界面的深度，結合聲學剖面上得到的鉆孔處對應地層界面的走時可實現(xiàn)沉積層聲速的反演計算，如圖3 為聲速反算流程圖。其中，ti為深時轉換后得到的聲波到達界面i的單程走時；di為鉆孔資料在第i層的分層深度；為反演得到的界面i以上沉積層的平均聲速。

圖2 淺地層剖面探測原理幾何關系Fig.2 Geometric relation of sub-bottom profile

圖3 聲速反演計算流程Fig.3 Flow chart of sound velocity inversion

2.2.2 全新世沉積層聲速反演

全新世沉積層，是自全新世海侵開始以來逐漸沉積的地層，仍在接受沉積，一般稱為“現(xiàn)代沉積層”。在研究區(qū)內將其標記為A 層，其厚度從西北方向到東南方向由厚逐漸變薄（圖4，圖5）。結合鉆孔資料，全新世沉積層為淤泥或淤泥質粉質黏土，局部區(qū)域表層為淤泥質粉砂，顏色為灰褐色或深灰色，流塑-軟塑，土質較均勻，含少量有機質，偶見貝殼碎片及粉砂團塊。

圖4 全新世聲速反演剖面示例（測線A2，見圖1）Fig.4 Sound velocity inversion for Holocene sequence (see Line A2 in Fig.1)

圖5 基巖以上沉積層聲速反演剖面示例（測線A5，見圖1）Fig.5 Sound velocity inversion for above-bedrock sequence (see Line A5 in Fig.1)

全新世沉積層底界面，即T1界面，是一個強反射上超面，強振幅、高能量、高連續(xù)性，由西北向東南方向被逐層上超。全區(qū)內該反射界面基本平滑，由海岸向灣區(qū)中心方向傾斜，無大的起伏，易追蹤。全新世沉積層聲速反演就是以此界面為準：在淺地層剖面穿過相應的鉆孔處，經(jīng)過畸變校正后得到聲波垂直入射至T1界面的單程走時，然后對比鉆孔數(shù)據(jù)中該層的厚度，經(jīng)反演計算得到該層的平均聲速值。為保證反演結果的準確性，對反演采用的鉆孔進行了篩選，將實際位置偏離淺地層剖面測線大于10 m 的鉆孔舍棄，只保留了185 個鉆孔信息，經(jīng)過反演后得到了213組聲速數(shù)據(jù)，限于篇幅，本文只列舉了示例剖面圖中的4 組數(shù)據(jù)，見表1 所示，在淺地層剖面測線A2 穿過鉆孔B23 處，全新世沉積層的聲速反演值為1 583.65 m/s；在淺地層剖面測線A5 穿過鉆孔H43、H27 和H15 處，全新世沉積層的聲速反演值分別為1 513.51 m/s、1 471.32 m/s 和1 595.01 m/s。

如圖6 所示為全新世沉積層的反演結果箱型圖，可以看出，研究區(qū)內全新世底界面埋深在8.10～16.70 m之間，95% 置信區(qū)間為9.00～15.30 m，平均埋深為12.08 m。根據(jù)反演結果，全新世沉積層的平均聲速在1 399.35～1 686.87 m/s 之間，95%置信區(qū)間為1 449.60～1 655.72 m/s，平均值為1 560.34 m/s。

2.2.3 基巖面以上沉積層聲速反演

晚更新世以來，全球氣候冷暖變化頻繁，海平面隨之升降。中國東部沿海發(fā)生了3 次大規(guī)模海侵，3 次海侵之間還經(jīng)歷了兩次大規(guī)模的海退成陸過程[36-37]。而金州灣地區(qū)也相應的周期性的經(jīng)歷了陸相、濱海相和淺海相等多期沉積演化過程后，最終演化成為現(xiàn)代以潮汐為主要動力的淺海沉積環(huán)境[38]。研究區(qū)內基巖面以上沉積層即為第四紀松散沉積層，在本區(qū)包含A、B、C 3 個層，由于全新世以前的沉積層序較為復雜，在缺乏年代資料的情況下，僅依靠鉆孔資料和淺地層剖面地震相無法準確劃分，因此將其作為整體進行計算（圖5）。

基巖頂界面：即T3界面，是一個極強反射的界面，易于連續(xù)追蹤，界面起伏很大，反映了基巖的埋藏狀況和起伏形態(tài)?；鶐r面以上沉積層聲速反演即以基巖頂界面為準：在淺地層剖面穿過相應的鉆孔處，經(jīng)過畸變校正后得到聲波垂直入射至T3界面的單程走時，然后對比鉆孔數(shù)據(jù)中基巖界面的深度，經(jīng)反演計算得到基巖面以上沉積層的平均聲速值。為保證反演結果的準確性，對反演采用的鉆孔進行了篩選，將實際位置偏離淺地層剖面測線大于10 m 的鉆孔舍棄，只保留了70 個鉆探深度至中風化巖層的鉆孔信息，反演后得到了84 組聲速數(shù)據(jù)，限于篇幅，本文只列舉了示例剖面圖中的3 組數(shù)據(jù)，如表2 所示，在淺地層剖面測線A5 穿過鉆孔H43、H27 和H15 處，基巖面以上沉積層的聲速反演值分別為1 665.36 m/s、1 799.62 m/s 和1 674.06 m/s。

表1 全新世沉積層聲速反演示例Table 1 Sound velocity inversion for Holocene sequence

圖6 全新世聲速反演結果Fig.6 Result of sound velocity inversion of Holocene sequence

如圖7 所示為基巖界面以上沉積層的反演結果箱型圖，從圖中可以看出，研究區(qū)內基巖界面的埋深一般在42.60～102.50 m 之間，其95%置信區(qū)間為44.30～81.60 m，平均埋深為61.31 m。根據(jù)反演結果，研究區(qū)內基巖界面以上沉積層的平均聲速在1 621.07～2 072.80 m/s 之間，其95%置信區(qū)間為1 657.96～1 970.80 m/s，平均值為1 765.63 m/s。

3 分析與討論

3.1 地層聲速與深度之間的統(tǒng)計關系

Hamilton[39]根據(jù)鉆孔和聲吶浮標數(shù)據(jù)采用多項式回歸分析建立了3 種主要類型沉積物的聲速與埋深之間的經(jīng)驗關系式，結果顯示3 種沉積物的聲速與埋深都呈一定的正相關關系。但實際上，由于海底未固結松散沉積物中可能會存在高含水量的淤泥、軟泥或淺層氣等，聲速會大大減小，形成聲速結構異?，F(xiàn)象，盧博[40]提出在中國沿海大陸架可能存在3 種海水-沉積物聲速結構模式，著重強調在一些特殊海域的海底表層或淺層中可能存在低聲速沉積層而導致不正常的聲速梯度，即聲速與深度之間并非簡單的正相關關系。

針對本次研究區(qū)內采用反演方法得到的297 組地層深度和平均聲速的數(shù)據(jù)，本文采用回歸分析方法研究了海底地層聲速與深度之間的關系。回歸分析采用了線性擬合和二項式擬合兩種方法，結果表明兩種方法擬合的相關系數(shù)相同，即二項式擬合不能提高數(shù)據(jù)擬合的相關系數(shù)，因此本文只給出了線性擬合結果。如圖8 所示，擬合分析結果表明，研究區(qū)內海底地層聲速與埋藏深度之間呈現(xiàn)明顯的正線性相關關系，擬合方程為

式中，V為海底地層的平均聲速；d為以海底為起算面的地層深度；線性擬合的相關系數(shù)R為0.82。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)的范圍，式（3）作為聲速預報公式的適用范圍為9.00～81.60 m。

表2 基巖面以上沉積層聲速反演示例Table 2 Sound velocity inversion for above-bedrock sequence

圖7 基巖以上沉積層聲速反演結果Fig.7 Result of sound velocity inversion of above-bedrock sequence

圖8 地層聲速與深度的擬合關系Fig.8 Fitting relation between sound velocity and depth of sediments

由式（3）可見由于隨著埋藏深度的增加，沉積物壓應力增大，同時在長期固結壓實的作用下，導致了其顆粒間結構更加致密，因此聲速也變大。

從圖8 可以看出，反演數(shù)據(jù)點根據(jù)反演層位的不同劃分為兩個明顯的區(qū)域，且由于數(shù)據(jù)點在深度上的分布不夠均勻，T1界面處得到的聲速點顯得較為離散，是由于研究區(qū)內全新世沉積層厚度變化不大且沉積物物理性質橫向變化較大引起的?；蛟S增加T2界面以上沉積層（層A+B）的反演數(shù)據(jù)效果會更好，但由于剖面上T2界面的確定和劃分難以準確實現(xiàn)，以及其相對于鉆孔數(shù)據(jù)的對應層深也難以準確界定，為保證反演的精度和可靠性，本次未采用T2界面的數(shù)據(jù)。

3.2 聲速與沉積物物理力學性質參數(shù)之間的關系

聲波在海底沉積物中的傳播速度與沉積物的物理性質之間有密切的關系，代表沉積物物理力學性質的參數(shù)主要有：含水率、密度、孔隙比、孔隙度、壓縮系數(shù)和壓縮模量等。隨著沉積層厚度的增加，沉積物所受的壓應力增大，其物理力學性質也會隨之發(fā)生變化。以鉆孔B23 為例說明沉積物物理力學性質參數(shù)隨深度的變化情況以及地層聲速與各物理力學性質參數(shù)之間的相關關系，這里的聲速為根據(jù)式（3）和沉積物樣品的取樣深度推算而來。鉆孔B23 共取樣品52 個，全新世沉積物為淤泥和淤泥質粉質黏土，全新世以下沉積物為粉質黏土和黏土。

海底沉積物主要是由固體顆粒骨架和顆粒間孔隙中充填的流體組成的，有時也會摻雜甲烷等氣體。當聲波在沉積物中傳播時，形象地說，固相介質提供的是固體顆粒的聲速和聲波在固相中的傳播路徑，而液相介質提供的則是孔隙中流體的聲速和聲波在液相中的傳播路徑，固體顆粒與液相流體一起構成了聲波傳播的介質，因此沉積物聲速的大小與沉積物的固液兩相特征密切相關?？紫侗仁潜硎境练e物中孔隙多少的物理量，是沉積物中孔隙體積與固體顆粒體積之比，表征了飽和沉積物內固體顆粒與液體的兩相體積的大小關系，有時也用孔隙度表示。含水量表示沉積物中含水的數(shù)量，是沉積物中水的質量與固體顆粒質量的比值，含水量的大小間接反映了沉積物中孔隙的多少。圖9a 和圖10a 表明沉積物的含水率和孔隙比與取樣深度之間都分別呈現(xiàn)較明顯的負相關關系；圖9b 和圖10b 表明地層聲速與含水率和孔隙比之間也分別具有明顯的負相關關系。也就是說，隨著地層深度的增加，沉積物顆粒間的孔隙越小，結構越致密，聲速也越大。

圖9 含水率隨深度的變化關系（a）及聲速與含水率的關系（b）Fig.9 Water content versus depth (a) and sound velocity versus water content (b)

密度表示沉積物質量與體積的比值，一定程度上反映了沉積物的骨架成分和致密程度。一般來說，沉積物的密度越大，說明顆粒間接觸越緊密，孔隙度越小。圖11a 和圖12a 表明沉積物的濕密度和干密度與取樣深度之間分別呈現(xiàn)較明顯的正相關關系；圖11b和圖12b 表明地層聲速與濕密度和干密度之間也分別具有明顯的正相關關系。也就是說，隨著地層深度的增加，沉積物的密度越大，聲速也越大。

圖10 孔隙比隨深度的變化關系（a）及聲速與孔隙比的關系（b）Fig.10 Void ratio versus depth (a) and sound velocity versus void ratio (b)

圖11 濕密度隨深度的變化關系（a）及聲速與濕密度的關系（b）Fig.11 Wet density versus depth (a) and sound velocity versus wet density (b)

圖12 干密度隨深度的變化關系（a）及聲速與干密度的關系（b）Fig.12 Dry density versus depth (a) and sound velocity versus dry density (b)

沉積物的壓縮性是初始孔隙比（或孔隙、含水量、密度）和其微組分體積剛度的函數(shù)。此外，還可能與其膠結狀態(tài)和顆粒強度有關。壓縮性反映了沉積物顆粒組分的性質、沉積環(huán)境、沉積后生物地球化學過程和應力歷史等[41]。壓縮系數(shù)和壓縮模量都是用于描述沉積物壓縮性大小的常用物理量。壓縮系數(shù)是指側限壓縮試驗所得的孔隙比-有效應力曲線上100～200 kPa 壓力段的割線的斜率。壓縮模量是在側限情況下受到的豎向壓應力與豎向總應變的比值。圖13a 和圖14a 表明沉積物的壓縮系數(shù)和壓縮模量與取樣深度之間分別呈現(xiàn)較明顯的負相關和正相關關系；圖13b 和圖14b 表明地層聲速與壓縮系數(shù)和壓縮模量之間也分別呈現(xiàn)較明顯的負相關和正相關關系。也就是說，隨著地層深度的增加，沉積物的可壓縮性越小，產(chǎn)生相同的豎向變形量所需要的壓應力越大，聲速也越大。

3.3 聲速反演誤差分析

本文聲速反演的誤差主要來源于兩個方面：淺地層剖面的界面劃分和鉆孔數(shù)據(jù)的分層深度，其誤差范圍如表3 所示，對聲速反演誤差的影響分析如下：

圖13 壓縮系數(shù)隨深度的變化關系（a）及聲速與壓縮系數(shù)的關系（b）Fig.13 Compressibility versus depth (a) and sound velocity versus compressibility (b)

圖14 壓縮模量隨深度的變化關系（a）及聲速與壓縮模量的關系（b）Fig.14 Compressive modulus versus depth (a) and sound velocity versus compressive modulus (b)

表3 聲速反演的誤差分析Table 3 Error analysis of sound velocity inversion

（1）淺地層剖面的界面劃分誤差來源于解釋人員對界面的準確確定和數(shù)字化誤差，由于文中反演界面選用的是全新世沉積層底界面T1和基巖界面T3，容易識別和追蹤，可避免界面確定誤差的產(chǎn)生；而在界面的數(shù)字化時通過專業(yè)軟件的局部放大功能可將其誤差控制在±0.1 ms。當界面深度最淺，即8.10 m 時，換算到反演聲速的誤差為±1.39 m/s，當界面深度最深，即102.50 m 時，換算到反演聲速的誤差為±1.10 m/s。

（2）鉆孔數(shù)據(jù)的分層深度誤差主要來源于鉆探取樣時的深度間隔，本次鉆孔的取樣間隔根據(jù)鉆孔深度有所不同：20 m 以淺時為1 m，在20 m 以深時為1.5 m。因此可認為在全新世沉積層反演時鉆孔分層深度的最大誤差為±1 m，在基巖以上沉積層反演時鉆孔分層深度的最大誤差為±1.5 m。鉆孔深度誤差對聲速反演誤差的影響與反演界面的深度有關，當界面深度最淺，即8.10 m 時，換算到反演聲速的誤差為±92.59 m/s，當界面深度最深，即102.50 m 時，換算到反演聲速的誤差為±10.98 m/s。因此，考慮淺地層剖面界面劃分和鉆孔分層深度的綜合影響，聲速反演的綜合最大誤差為±106.61 m/s?？梢钥闯?，影響聲速反演精度的最主要因素為鉆孔的分層深度誤差，且對全新世沉積層的反演精度影響較大。因此若僅僅有單個或少數(shù)幾個鉆孔數(shù)據(jù)，本文的反演方法不太適用，反演精度不高，意義不大。若有大量的鉆孔數(shù)據(jù)則可以形成多組反演數(shù)據(jù)，這時采用統(tǒng)計分析方法才具有較大的實際意義。

4 結語

本文以渤海金州灣海域為例，基于高分辨淺地層剖面數(shù)據(jù)和大量對應的鉆孔數(shù)據(jù)進行了全新世沉積層和基巖界面以上沉積層的聲速反演研究：全新世沉積層平均聲速的95%置信區(qū)間為1 449.60～1 655.72 m/s，平均值為1 560.34 m/s；基巖界面以上沉積層平均聲速的95%置信區(qū)間為1 657.96～1 970.80 m/s，平均值為1 765.63 m/s；誤差分析表明，聲速反演精度受鉆孔分層深度誤差的影響較大，需有多組反演數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析才具有較大的實際意義；擬合分析結果表明，研究區(qū)內海底地層聲速與埋藏深度之間呈現(xiàn)明顯的正線性相關關系，梯度為4.18 s-1，可為附近及沉積環(huán)境類似海域的地聲學模型的建立及淺地層剖面探測資料的解釋提供聲速參考。

本文基于高分辨率淺地層剖面信息的地層聲速反演方法與傳統(tǒng)的聲速研究方法相比具有一定的優(yōu)勢：（1）淺地層剖面是非常成熟的探測海底淺層到深層的技術，數(shù)據(jù)采集和處理都具有穩(wěn)定性和可靠性，可保證數(shù)據(jù)的可信度；（2）以原位聲學反射數(shù)據(jù)為主，鉆孔數(shù)據(jù)為輔，不存在樣品擾動和測量誤差等因素，聲速反演只受淺地層剖面儀的分辨力和鉆孔分層精度的影響；（3）若采用Boomer 震源，既能保證高分辨率，又能實現(xiàn)較深的穿透，克服了當前多數(shù)研究方法只局限于海底表層的缺點，而這對于研究成果的實際應用非常重要。