參量陣淺地層剖面技術(shù)在深遠(yuǎn)海探測(cè)中的應(yīng)用

0 引 言

近年來(lái)，隨著大型深遠(yuǎn)海科學(xué)考察船的下水及各種深遠(yuǎn)海調(diào)查設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)海洋科學(xué)的研究及海洋資源的勘察逐步從近海向深遠(yuǎn)海延伸(王建村等，2020)。由于水體介質(zhì)的特殊性以及海洋探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，目前對(duì)海底沉積物探測(cè)最有效的方法仍然為基于水聲學(xué)原理的淺地層剖面探測(cè)技術(shù)。TOPAS(Topographic Parametric Sonar) PS18淺地層剖面儀目前在大洋勘探中應(yīng)用廣泛，為深遠(yuǎn)海海洋科考活動(dòng)提供準(zhǔn)確的淺地層剖面資料，在海底礦產(chǎn)資源的探測(cè)與開(kāi)發(fā)工作中也主要通過(guò)淺地層剖面儀來(lái)進(jìn)行勘察。21世紀(jì)初，我國(guó)在東太平洋地區(qū)開(kāi)始獲得海底專(zhuān)屬勘探礦區(qū)及優(yōu)先開(kāi)采礦區(qū)(呂國(guó)濤等，2013)，標(biāo)志著我國(guó)深遠(yuǎn)海資源勘探開(kāi)發(fā)工作正式拉開(kāi)序幕。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外雖然已經(jīng)進(jìn)行了大量的深遠(yuǎn)?？疾旃ぷ鳎怯捎诳疾斐杀炯皯?yīng)用效益等原因，針對(duì)深遠(yuǎn)海淺地層的探測(cè)工作非常少，雖然對(duì)某些區(qū)塊進(jìn)行過(guò)一些深遠(yuǎn)海淺剖的相關(guān)工作，但由于涉密等原因，并未公開(kāi)發(fā)表成果。

以西太平洋一過(guò)海山淺地層剖面為例，介紹參量陣淺地層剖面調(diào)查設(shè)備組成及原理，通過(guò)對(duì)淺層剖面資料進(jìn)行處理及解釋?zhuān)治鲈搮^(qū)域的沉積演化規(guī)律，為該區(qū)塊下一步的調(diào)查勘探工作奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)備組成及測(cè)量原理

TOPAS PS18 淺地層剖面儀采用寬帶非線性參量陣技術(shù)，既保證有很高的地層分辨率，又滿足了在深水中的地層穿透能力，可以在20 m至全海深的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。該設(shè)備的最大地層穿透厚度可達(dá)200 m，地層分辨率<0.25 m。

系統(tǒng)換能器安裝在船底，具有橫搖、縱搖和升降波束穩(wěn)定的功能，具備進(jìn)行高精度、高分辨率調(diào)查任務(wù)的能力，同時(shí)能滿足在15節(jié)船速下進(jìn)行高效勘測(cè)工作。目前該設(shè)備被廣泛應(yīng)用于海洋淺地層結(jié)構(gòu)探測(cè)、海洋底質(zhì)調(diào)查、海洋熱液冷泉調(diào)查、海底礦產(chǎn)勘探等工作，在深海底質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探及沉積演化研究方面發(fā)揮了重要的作用(吳水根等，2007)。

1.1 設(shè)備組成

TOPAS PS18系統(tǒng)主要由換能器、收發(fā)機(jī)柜單元、系統(tǒng)控制單元和外圍傳感器4部分組成(圖1)。

圖1 TOPAS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

TOPAS PS18淺地層剖面儀的換能器安裝在船底，共由8個(gè)模塊組成，為收發(fā)一體式換能器。在進(jìn)行海底淺地層剖面探測(cè)工作時(shí)，發(fā)射換能器陣列向水體中發(fā)出高能量聲脈沖，聲脈沖在水體和海底傳播過(guò)程中遇到波阻抗界面產(chǎn)生反射，反射波將信息以聲學(xué)反射信息的形式傳送至接收換能器，同時(shí)接收換能器陣列將接收的聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳輸給收發(fā)機(jī)柜單元。

收發(fā)機(jī)柜單元為整個(gè)系統(tǒng)的心臟與大腦，主要控制聲學(xué)信號(hào)的激發(fā)、接收及能量放大等，負(fù)責(zé)將換能器陣列轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理后發(fā)送至系統(tǒng)控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。

系統(tǒng)控制單元主要指采集軟件控制，使用TOPAS自帶軟件(圖2)，不僅具有采集功能，還具有處理和回放功能。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)控制激發(fā)狀態(tài)、波形、能量、接收時(shí)延等信息，同時(shí)也能實(shí)時(shí)調(diào)整增益、時(shí)窗等，以提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

圖2 TOPAS采集軟件設(shè)置界面

1.2 參量陣技術(shù)原理

淺地層剖面探測(cè)中與探測(cè)地層分辨率直接相關(guān)的波束角大小受換能器大小的制約，即波束角越小，所需的換能器越大，例如，直徑為D的圓形平面陣的波束寬度約為λ/D(λ為發(fā)射聲波的波長(zhǎng))。為提高分辨率就需要降低波束寬度，但是換能器尺寸又不可能無(wú)限增大，兩者相互矛盾。

為解決上述矛盾，非線性參量陣聲吶技術(shù)被應(yīng)用到淺剖探測(cè)中，該方法以其能在小孔徑下實(shí)現(xiàn)低頻、窄波束、高指向性且無(wú)旁瓣的特點(diǎn)，一直在水聲探測(cè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注,且發(fā)展勢(shì)頭越來(lái)越好。參量陣技術(shù)利用換能器發(fā)射2個(gè)頻率相近且沿同一方向傳播的高頻初始信號(hào)，在遠(yuǎn)場(chǎng)中獲得2個(gè)高頻信號(hào)的差頻、和頻及諧頻等次頻聲波信號(hào)，利用主頻及次頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行探測(cè)(劉圣軍，2008；朱建軍，2014；萬(wàn)芃等，2015)。

參量陣換能器同時(shí)向水中發(fā)射2個(gè)頻率相近的高頻聲波信號(hào)(f1、f2)作為主頻信號(hào)，在水體傳播過(guò)程中，主頻信號(hào)由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)形成差頻波(f1-f2)，由于主頻信號(hào)f1和f2非常接近，所以差頻(f1-f2)的頻率很低，故具有很強(qiáng)的沉積層穿透能力，可以用來(lái)探測(cè)海底沉積地層結(jié)構(gòu)，由于主頻信號(hào)f1頻率較高，所以可用于精確測(cè)量水體深度(圖3)(黃淳，2013；祝鴻浩，2015；胡夢(mèng)濤等，2019)。由于次頻信號(hào)與主頻信號(hào)的波束角基本一致，并且不存在旁瓣，故次頻信號(hào)的波束指向性好，具有較高的分辨率，大量的沉積層信息就可以通過(guò)可控的差頻信號(hào)來(lái)獲得，從而更好地識(shí)別和分類(lèi)沉積層。由于初始波信號(hào)f1和f2頻率較高，故不需要為了提高探測(cè)深度而無(wú)限增大換能器尺寸，解決了實(shí)際的工程問(wèn)題(付作民等，2019)。

圖3 參量陣原理圖

TOPAS PS18淺地層剖面儀的中心主頻為18 kHz，可以控制發(fā)射15～21 kHz的信號(hào)，從而產(chǎn)生0.5、1、2、3、4、5、6 kHz的差頻信號(hào)，換能器尺寸僅為約1.2 m2，卻可以完成水深20 m至全海深的地層探測(cè)，穿透能力超過(guò)150 m(由沉積類(lèi)型、水深和環(huán)境噪音決定)。

2 在深遠(yuǎn)海的應(yīng)用效果

選取2018年在西太平洋地區(qū)采集的一條具有典型沉積層序的淺地層剖面資料進(jìn)行效果展示及分析，測(cè)線具體位置如圖4。圖中黃色折線為測(cè)線L1的位置，由于L1測(cè)線整體較長(zhǎng)，從淺層剖面來(lái)看，測(cè)線大部分區(qū)域無(wú)明顯地震層序，只有圖中紅色標(biāo)記的A-B段地震層序特征比較明顯，故選取L1測(cè)線的A-B段作為淺剖展示及分析測(cè)線段，重點(diǎn)針對(duì)A-B段的淺剖資料進(jìn)行分析。

圖4 淺剖測(cè)線位置圖

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西太平洋東馬里亞納海盆的麥哲倫海山群，南部為東馬里亞納海盆，東部為皮嘉費(fèi)他海盆(張伙帶等，2018)，平均水深超過(guò)1 000 m，由于科考船同時(shí)載有多波束儀和淺剖儀，故兩臺(tái)儀器同時(shí)探測(cè)，主要目的是探明研究區(qū)的地形地貌及淺地層信息。查閱歷史資料發(fā)現(xiàn)，該區(qū)屬于東馬里亞納海盆中的大型斷塊狀隆起區(qū)(程永壽等，2015)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及處理

波形選擇：Chirp波是一種線性調(diào)頻脈沖，具有覆蓋頻率范圍大、能量大、分辨率高的特點(diǎn),對(duì)地層進(jìn)行測(cè)量時(shí), 在保證地形穿透能力的同時(shí)仍然具有較高的分辨率(萬(wàn)芃等，2015)。

由于該區(qū)平均水深超過(guò)1 000 m,常規(guī)信號(hào)無(wú)法同時(shí)滿足穿透和高分辨率的要求，故使用Chirp(LFM)波對(duì)其地層進(jìn)行測(cè)量，實(shí)踐證明探測(cè)效果比較理想。

能量選取：由于此次淺剖采集所用的設(shè)備可滿足20～11 000 m的全水深作業(yè)，為滿足在淺水作業(yè)時(shí)保護(hù)設(shè)備，在深水作業(yè)時(shí)能夠達(dá)到穿透能量的要求，TOPAS可以通過(guò)采集軟件控制輸出能量的百分比，一般在水深超過(guò)1 km時(shí)開(kāi)始選用100%能量進(jìn)行探測(cè)，故在作業(yè)過(guò)程中將能量設(shè)置為100%。由于TOPAS參量陣用來(lái)探測(cè)的次頻信號(hào)頻率范圍為2.0～6.0 kHz，為避免吉布斯效應(yīng)，將濾波范圍設(shè)置為低頻1.0～2.0 kHz、高頻6.0～7.0 kHz，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料情況調(diào)整時(shí)變?cè)鲆?，保證海底能正常顯示，且地震層序明顯。

科考船上同時(shí)配備了全水深多波束和淺剖設(shè)備，多波束儀可以根據(jù)聲速剖面資料來(lái)準(zhǔn)確調(diào)整海洋聲速結(jié)構(gòu)，而淺剖儀的海水聲速資料只能輸入平均值，故在測(cè)量海水深度方面，多波束儀的精度較淺剖儀高。

另外，在某些斜坡及其他地形變化復(fù)雜的地區(qū)，淺剖儀無(wú)法準(zhǔn)確追蹤海底，會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)效果，故在測(cè)量過(guò)程中多波束和淺剖設(shè)備同時(shí)開(kāi)啟，將多波束儀獲得的水深資料傳入淺剖采集軟件作為淺剖追蹤海底的水深參考資料，應(yīng)用效果十分理想。圖5為L(zhǎng)1測(cè)線的地形剖面圖，方向?yàn)镹E-SW向，可見(jiàn)測(cè)線前半段位于海山頂部，水深-1 400 m左右海山頂部較為平坦。沿測(cè)線向南進(jìn)入山地，地形變化劇烈，從-1 400 m直降至-6 000 m以下，其中A-B段位于海山頂部邊緣靠近南部斜坡位置，為選取的淺剖分析測(cè)線段。

圖5 L1測(cè)線地形剖面圖

圖6 L1測(cè)線A-B段TOPAS現(xiàn)場(chǎng)采集剖面

圖6為T(mén)OPAS PS18在測(cè)量過(guò)程中的采集的L1測(cè)線的A-B段淺地層剖面。通過(guò)該剖面資料可以看出，研究區(qū)水深約為1 400 m，海底界面波組清晰，同相軸連續(xù)，地層成像效果非常好，能夠穿透海底約50 m地層，且縱向分辨率較高。在橫向上，淺剖能較好地刻畫(huà)海底異常體，可為海底底質(zhì)調(diào)查和特殊異常體刻畫(huà)提供較好的數(shù)據(jù)證據(jù)。

2.3 淺地層剖面解釋及分析

為進(jìn)一步研究工作區(qū)域的層序結(jié)構(gòu)，分析其沉積演化規(guī)律，后期對(duì)L1測(cè)線A-B段淺地層剖面資料進(jìn)行沉積層序解釋及分析(圖7)。

圖7 L1測(cè)線A-B段解釋效果圖

圖7顯示該區(qū)主要可分為T(mén)0、T1和T2這3套層序。① T0時(shí)期：整個(gè)淺剖剖面無(wú)明顯沉積層序，近似表現(xiàn)為雜亂數(shù)據(jù)體，推測(cè)為海底基巖，在T1時(shí)期開(kāi)始沉積之前，該區(qū)經(jīng)歷了區(qū)域性的沖刷或剝蝕，頂部地層隨其他動(dòng)力作用被搬運(yùn)至他處。② T1時(shí)期：地勢(shì)海山處于較低位置，在周?chē)镌床粩喙┙o的情況下，T0不斷被T1時(shí)期物源所覆蓋，該期構(gòu)造穩(wěn)定，物源供給充分，以穩(wěn)定的頂超沉積為主。③ T2時(shí)期：該區(qū)仍然以頂超沉積作用為主，在周?chē)镌垂┙o充足的情況下，T1層序不斷被T2沉積層所覆蓋，直到斜坡邊界地區(qū)由于斜坡較陡，沒(méi)有足夠的沉積物容納空間，沉積層才逐漸消失(陸一鋒等，2017)。

前人在麥哲倫海山群地區(qū)進(jìn)行過(guò)關(guān)于平頂海山成因方面的研究工作，表明該區(qū)的海山主要為火山作用形成(程永壽等，2015)。圖7可見(jiàn)該區(qū)存在一火山侵入現(xiàn)象(圖7中E處),該侵入體僅存在于T0和T1兩套層序中，T2層沉積層序中不存在，說(shuō)明在T2層之前的某一時(shí)期，該區(qū)曾發(fā)生火山活動(dòng)，該期為火山活躍期。但在T2時(shí)期以后，該區(qū)僅存在沉積結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的侵入現(xiàn)象存在，故該段時(shí)期比較穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生火山等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

由于淺地層剖面探測(cè)的地層深度相對(duì)較淺，且僅為一條二維測(cè)線，而且該區(qū)的歷史資料相對(duì)較少，并不能形成更加直觀的構(gòu)造認(rèn)識(shí)，故要想更好地對(duì)該區(qū)進(jìn)行研究，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合聯(lián)絡(luò)測(cè)線甚至多道地震和大洋鉆探資料，開(kāi)展沉積底質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造演化特征分析及礦物質(zhì)資源評(píng)價(jià)等工作。

3 結(jié) 論

(1) TOPAS PS18淺地層剖面儀是當(dāng)前最先進(jìn)的全海深淺地層剖面儀之一，其換能器安裝在船底，通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)聲波探測(cè)信號(hào)的發(fā)射和接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海底淺地層層序的探測(cè)。

(2) TOPAS PS18淺地層剖面儀應(yīng)用參量陣技術(shù)，中心主頻為18 kHz，可控制發(fā)射15～21 kHz的聲學(xué)信號(hào)，從而產(chǎn)生0.5～6.0 kHz的差頻信號(hào)，在換能器尺寸較小的情況下，既可保證有很高的地層分辨率，又能滿足在深水中的地層穿透能力，在海洋科考領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果，具備較高的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

(3) 通過(guò)對(duì)研究區(qū)L1測(cè)線A-B段淺剖資料的解釋及分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)主要經(jīng)歷了3期構(gòu)造及沉積作用，并且在T2時(shí)期局部地區(qū)爆發(fā)過(guò)小規(guī)模的巖漿侵入活動(dòng)。

(4) 由于當(dāng)前選用的淺剖測(cè)線僅為一條二維測(cè)線，且穿透相對(duì)較淺，為更好地研究深水區(qū)域的構(gòu)造演化特征及礦產(chǎn)資源分布規(guī)律，需結(jié)合多道地震及深水鉆孔資料，多種手段綜合分析，才能更加準(zhǔn)確地獲取深海區(qū)域的地質(zhì)信息。