淺地層剖面和單道地震測(cè)量在海砂勘查中的聯(lián)合應(yīng)用

倪玉根，習(xí)龍，夏真，何健，陳梅，李勇航，李麗青

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州510760

海砂（海中的砂石），是指由巖石風(fēng)化后經(jīng)水流、冰川和風(fēng)等地質(zhì)營(yíng)力侵蝕、搬運(yùn)或改造，賦存于現(xiàn)代海洋環(huán)境的砂、礫質(zhì)碎屑沉積物[1]。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，作為建筑和回填的基礎(chǔ)材料，海砂的需求激增。因此，加強(qiáng)海砂資源勘查和合理開發(fā)顯得尤為迫切。

海砂根據(jù)賦存狀態(tài)可分為表層海砂和埋藏海砂（蓋層海砂）。表層海砂是指直接出露于海底的海砂，一般與現(xiàn)代水動(dòng)力條件處于平衡狀態(tài)，屬于“活動(dòng)型砂源”（active source[2]）；埋藏海砂是指上覆一定厚度泥質(zhì)蓋層的海砂，為地質(zhì)歷史時(shí)期沉積（多為更新世），屬于“穩(wěn)定型砂源”（passive source[2]）。從環(huán)境影響角度來說，開采近岸表層海砂（活動(dòng)型砂源）可能會(huì)造成較嚴(yán)重的環(huán)境破壞，而開采埋藏海砂（穩(wěn)定型砂源）的環(huán)境影響則相對(duì)較小[2]。從找砂難易程度來說，表層海砂相對(duì)簡(jiǎn)單，通過地形地貌和底質(zhì)調(diào)查即可識(shí)別，再通過鉆探即可查明砂層厚度；而對(duì)于埋藏海砂，由于其隱伏于泥層之下，找砂難度較大，地形地貌和底質(zhì)調(diào)查無能無力，必須先采用物探手段探查，鎖定目標(biāo)后再進(jìn)行鉆探。

目前，常用來識(shí)別埋藏海砂的物探手段是單道地震[3-10]。單道地震探砂的優(yōu)點(diǎn)是其信號(hào)可穿透砂層，屬于直接探測(cè)法，但缺點(diǎn)是存在多解性，只依據(jù)單道地震識(shí)別砂層存在不確定性。因此，在進(jìn)行埋藏海砂勘查時(shí)，需要多種物探手段結(jié)合，互相約束，從而提高找砂的成功率。淺地層剖面是可與單道地震結(jié)合進(jìn)行埋藏海砂勘查的物探手段之一，淺地層剖面信號(hào)頻率較單道地震高，信號(hào)在砂層中衰減嚴(yán)重，穿透較差；在泥層中衰減較弱，具有較好的穿透。由于淺地層剖面難以穿透砂層，因此在以往的海砂勘查中未得到足夠的重視，甚至都不部署，利用淺地層剖面勘查埋藏海砂的研究也鮮有報(bào)道。

本文轉(zhuǎn)換思路，利用淺地層剖面可較好穿透泥層、但較難穿透砂層的特性，采用排除法，通過其排除泥層，再結(jié)合單道地震直接識(shí)別砂層，并經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，最終形成一套埋藏海砂的識(shí)別方法，從而提高找砂準(zhǔn)確率。

1 數(shù)據(jù)采集

由于有些研究中對(duì)淺地層剖面和單道地震測(cè)量的界定與本文存在分歧[9-10]，為避免爭(zhēng)議，本文所指的淺地層剖面和單道地震測(cè)量概念如下。

淺地層剖面測(cè)量：由調(diào)查船安裝淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行走航式探測(cè)。淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)（非拖曳式）一般由處理單元和換能器組成，通過換能器向水下垂直發(fā)射聲波信號(hào)，再由換能器接受回波信號(hào)，并經(jīng)信號(hào)處理可顯示海底淺部地層結(jié)構(gòu)。一般淺地層剖面測(cè)量頻率大于3 000 Hz，垂向分辨率可達(dá)厘米級(jí)，穿透深度一般幾十米（視地層性質(zhì)和噪音影響等而定）。

單道地震測(cè)量：由調(diào)查船搭載單道地震測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行走航式探測(cè)。單道地震測(cè)量系統(tǒng)一般由震源系統(tǒng)和電纜接收系統(tǒng)組成，一點(diǎn)激發(fā)一道接收，由震源系統(tǒng)（Sparker等）激發(fā)產(chǎn)生探測(cè)信號(hào)，由電纜接受回波信號(hào)，并經(jīng)信號(hào)處理可顯示海底中淺部地層結(jié)構(gòu)。一般單道地震測(cè)量頻率為3 000 Hz至幾百赫茲，垂向分辨率米級(jí)，穿透深度可達(dá)100 m以上（視地層性質(zhì)和噪音影響等而定）。

1.1 淺地層剖面采集

本文淺地層剖面數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2016年11月，調(diào)查船“海洋地質(zhì)十八號(hào)”（原“奮斗五號(hào)”），所用儀器為德國(guó)INNOMAR公司SES-2000 Medium型參量陣淺地層剖面儀。其由系統(tǒng)主機(jī)（包括數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)和發(fā)射接收單元）、換能器組成。主要技術(shù)參數(shù)：①主頻約100 kHz；②差頻3.5、5、6、8、10、12、15kHz（可選）；③工作水深5～2 000 m；④最大穿透深度70 m；⑤地層分辨率可達(dá)5 cm。

數(shù)據(jù)采集：①淺剖儀側(cè)舷固定安裝，換能器吃水深度3.3 m；②采集頻率6 kHz；③聲速1 520 m/s；④ 記錄長(zhǎng)度60 m，記錄延時(shí)根據(jù)水深進(jìn)行調(diào)整；⑤ 測(cè)量中船速控制在4～6 kn，并盡量保持恒速；⑤ 數(shù)據(jù)記錄格式為*.ses。

數(shù)據(jù)處理和解釋采用德國(guó)INNOMAR公司的ISE2.91軟件。

1.2 單道地震剖面采集

本文的單道地震與淺地層剖面同步采集，單道地震測(cè)量系統(tǒng)由記錄系統(tǒng)、震源系統(tǒng)和接收電纜3個(gè) 部 分 組 成：①記 錄 系 統(tǒng)：Ixblue Delph Seismic數(shù)字單道地震記錄系統(tǒng)；②震源系統(tǒng)：SIG 2mille電火花震源系統(tǒng)；③接收電纜：GEO-SENSE 48型電纜。

數(shù)據(jù)采集：① 震源能量1 000 J，激發(fā)間隔1 000 ms；② 電極距離船尾約45 m，水聽器中心點(diǎn)距離船尾約45 m；③電纜沉放深度約0.5 m，震源與接收電纜偏移距約7 m；④記錄長(zhǎng)度500 ms；⑤測(cè)量中船速控制在4～6 kn，并盡量保持恒速；⑤數(shù)據(jù)記錄格式為SEG-Y。

數(shù)據(jù)處理采用Omega 2015地震資料處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)解釋采用GeoSuite地震資料解釋軟件。

2 淺地層剖面和單道地震的聯(lián)合應(yīng)用

近年來，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在華南近海開展了一系列海砂資源調(diào)查，在海砂調(diào)查實(shí)踐中，淺地層剖面和單道地震聯(lián)合應(yīng)用取得了良好的效果。本文以珠江口磨刀門南海域?yàn)槔?，選取P7、P17兩條物探測(cè)線（淺地層剖面和單道地震同步測(cè)量），以及線上ZK1～ZK6六口鉆孔進(jìn)行詳細(xì)介紹（圖1）。所選測(cè)線和鉆孔水深約18～35 m，距離磨刀門口約16～37 km，所在海域底質(zhì)為泥[8,11]。其中，P7線垂直于岸線，走向NNW-SSE，長(zhǎng)度約21 km；P17線平行于岸線，走向SWW-NEE，長(zhǎng)度約22 km；6口鉆孔巖性分層等信息見表1。

表1 鉆孔巖性信息Table 1 Lithological information of borehole

圖1 物探測(cè)線和鉆孔位置Fig.1 Location of geophysical survey lines and boreholes

2.1 淺地層剖面

P7線淺地層剖面垂直于岸線，位于磨刀門河口（圖1）。剖面上可清晰識(shí)別出R0（海底）和R1兩個(gè)反射界面，結(jié)合ZK1—ZK4鉆孔資料，R1界面之上的S1層為淺剖信號(hào)能穿透的泥質(zhì)層（圖2a、2b）。測(cè)線北部為磨刀門河口的泥質(zhì)前積層，層理清晰，其下發(fā)育淺層氣，導(dǎo)致R1反射界面在此處被屏蔽，泥質(zhì)層厚度至少超過10 m（受淺層氣影響其底界不詳），向海方向逐漸減?。▓D2a、2b）。測(cè)線中部為均質(zhì)薄泥層，淺地層剖面上以透明的均質(zhì)反射為特征，泥層總體厚約5 m，局部見小型古河道充填沉積（圖2a、2b和圖3a）。測(cè)線南部為古河道泥質(zhì)充填沉積，以層狀反射為特征，最深處厚度超過25 m（圖2a、2b）。R1界面之下為無反射區(qū)，經(jīng)與鉆孔（ZK1，ZK2和ZK3）比對(duì)，該界面為泥、砂層分界面，受砂層阻隔，淺剖信號(hào)難以穿透（圖2a、2b和圖3a）。

圖2 P7線淺地層和單道地震剖面聯(lián)合解釋圖a.淺地層剖面，b. 淺地層剖面解釋，c.單道地震剖面，d.單道地震解釋。Fig.2 Combined interpretation of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P7a.Sub-bottom profile of line P7, b.Interpretation of sub-bottom profile of line P7,c.Single-channel seismic profile of line P7,d.Interpretation of single-channel seismic profile of line P7.

P17線淺地層剖面平行于岸線，垂直于P7線（圖1）。剖面上可清晰識(shí)別出R0（海底）和R1兩個(gè)反射界面，結(jié)合ZK2、ZK5和ZK6鉆孔資料，R1界面上部的S1層為泥質(zhì)層（圖4a、4b）。測(cè)線西部至中部透明反射層為均質(zhì)薄泥層，泥層厚度約為4 m，局部見小型古河道充填沉積（圖4a、4b）。測(cè)線中部至東部為以層狀反射為特征的大型古河道泥質(zhì)充填沉積，泥質(zhì)層厚度較大，底界被淺層氣屏蔽，ZK6鉆孔顯示泥層厚達(dá)28 m（圖4a、4b和圖5a）。經(jīng)與鉆孔（ZK2和ZK5）比對(duì)，與P7線相同，R1界面為泥、砂層分界面，淺剖信號(hào)無法穿透其下砂層（圖4a、4b和圖5a）。

綜上，淺地層剖面對(duì)泥層具有較好的穿透性，而較難穿透砂層。根據(jù)淺地層剖面的這個(gè)特性，可通過排除法找埋藏海砂，即淺地層剖面穿透深的地方（如P17線東部，層狀反射和透明均質(zhì)反射厚度較大）是泥層厚的地方，找砂時(shí)應(yīng)予以避開；淺地層剖面穿透較差的地方，泥層較薄，可暫定為目標(biāo)區(qū)。由于淺地層剖面難以穿透砂層，故無法獲取泥層之下砂層的具體信息，如砂有幾層，砂有多厚。因此，還需通過單道地震等能穿透砂層的物探手段對(duì)砂層進(jìn)行直接探測(cè)。

2.2 單道地震

P7線單道地震剖面與P7線淺地層剖面同步測(cè)量（圖1）。根據(jù)地震反射特征，P7線單道地震剖面上可清晰識(shí)別出R0（海底）、R1和R2三個(gè)反射界面，以及S1（泥層）和S2（砂層）兩套地層（圖2c、2d）。R1反射界面為S1的底界，S1地震相特征為中強(qiáng)連續(xù)反射或中弱振幅均質(zhì)/連續(xù)反射，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證（ZK1—ZK4）為泥層；經(jīng)與淺地層剖面比對(duì)，兩者中的R1是同一界面，S1是同一地層（圖2—5）。P7線單道地震剖面顯示，S1層北部為磨刀門河口的泥質(zhì)前積層，地震反射特征為中強(qiáng)振幅連續(xù)反射，下部被淺層氣屏蔽，底界不詳；S1層中部為以中弱振幅均質(zhì)/連續(xù)反射為特征的薄泥層；S1層南部為古河道泥質(zhì)充填沉積，地震反射特征為中強(qiáng)振幅連續(xù)反射（圖2c、2d）。R2反射界面為S2的底界，S2地震相特征為一套中強(qiáng)振幅連續(xù)性差的雜亂反射，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證（ZK1—ZK3）為砂層，厚度約15～25 ms（圖2d）。此外，根據(jù)地震相差異，還可識(shí)別出S3和S4兩個(gè)地質(zhì)體，其中S3為弱振幅反射，S4為中弱振幅連續(xù)反射，鉆孔揭示S3為砂層，S4為泥層（圖2c、2d和圖3b）。

圖3 P7線淺地層和單道地震剖面局部放大圖a. 淺地層剖面局部放大，b. 單道地震剖面局部放大。Fig.3 Partial magnification of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P7a.Partial magnification of sub-bottom profile of line P7, b.Partial magnification of single-channel seismic profile of line P7.

P17線單道地震剖面與P17線淺地層剖面同步測(cè)量（圖1）。對(duì)應(yīng)于P7線單道地震剖面，P17線單道地震剖面上亦可清晰識(shí)別出R0（海底）、R1和R2三個(gè)反射界面，以及S1（泥層）和S2（砂層）兩套地層（圖4c、4d）。P17線單道地震反射顯示，S1層西部至中部為均質(zhì)薄泥層（中弱振幅均質(zhì)/連續(xù)反射），局部見小型古河道充填沉積（弱振幅反射為主）；S1層中部至東部為大型古河道泥質(zhì)充填沉積（中強(qiáng)振幅連續(xù)反射為主），下部受淺層氣影響，底界不詳（圖4c、4d）。與P7線對(duì)應(yīng)，R1和R2反射界面所限定的S2為砂層（經(jīng)ZK2和ZK5鉆孔驗(yàn)證），單道地震反射以中強(qiáng)振幅雜亂反射為特征，厚度約10～25 ms（圖2d和圖4d）。另外，根據(jù)地震反射特征，還可識(shí)別出S3和S5兩個(gè)地質(zhì)體，均以弱振幅反射為特征（圖4d）。其中S3與P7線中S3為同一地層，經(jīng)鉆孔揭示為砂層（圖3b和圖5b）。S5地震反射特征與其附近的小型古河道泥質(zhì)充填沉積的弱振幅甚至是空白反射（淺剖可以穿透）類似，推測(cè)為泥層（圖4d）。在海南島近海的海砂調(diào)查中，也出現(xiàn)類似的弱振幅反射地震相，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證為泥層[6]。由上可見，同為弱振幅反射，可能是砂層，也可能是泥層，反映了單道地震的多解性。此外，ZK5鉆孔所在位置地震反射特征（中強(qiáng)振幅雜亂反射）顯示的是一套砂層，而實(shí)際鉆孔中揭露的是兩層砂，中間夾有約3 m的泥層，也反映了單道地震的多解性（圖4d）。

圖4 P17線淺地層和單道地震剖面聯(lián)合解釋圖a.淺地層剖面，b.淺地層剖面解釋，c.單道地震剖面，d.單道地震解釋。Fig.4 Combined interpretation of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P17a.Sub-bottom profile of line P17,b.Interpretation of sub-bottom profile of line P17,c.Single-channel seismic profile of line P17,d.Interpretation of single-channel seismic profile of line P17.

圖5 P17線淺地層和單道地震剖面局部放大圖a.淺地層剖面局部放大，b.單道地震剖面局部放大。Fig.5 Partial magnification of sub-bottom and single-channel seismic profile of line P17a.Partial magnification of sub-bottom profile of line P17,b.Partial magnification of single-channel seismic profile of line P17.

綜上，由于砂層和泥層的物性差異，在單道地震剖面上，泥層表現(xiàn)為中強(qiáng)至中弱振幅連續(xù)性好的層狀反射或弱振幅反射，且可與淺地層剖面對(duì)比；砂層則表現(xiàn)為中強(qiáng)振幅連續(xù)性差的雜亂反射，根據(jù)以上反射差異，可對(duì)砂層進(jìn)行識(shí)別。單道地震能穿透砂層，直接探測(cè)海砂，但同時(shí)存在多解性，需與其他物探手段進(jìn)行聯(lián)合解釋，以提高可靠性。

2.3 淺地層剖面和單道地震的聯(lián)合應(yīng)用

通過上述分析，基于砂層和泥層的物性差異，利用淺地層剖面和單道地震識(shí)別埋藏海砂的方法總結(jié)如下：

（1）根據(jù)淺地層剖面排除泥層（泥層的間接排除法）。淺地層剖面具有能穿透泥層而較難穿透砂層的性質(zhì)，泥層的淺地層剖面識(shí)別標(biāo)志為清晰的層狀反射或均質(zhì)反射。若淺地層剖面穿透深度較大，層狀或均質(zhì)反射清晰，指示泥質(zhì)沉積較厚，找砂時(shí)應(yīng)避開此類區(qū)域。反之，若淺地層剖面穿透深度小，指示泥層較薄，其下發(fā)育砂層可能性較大，可列為關(guān)注區(qū)域。

（2）根據(jù)單道地震識(shí)別砂層（砂層的直接識(shí)別法）。單道地震能直接穿透泥層和砂層，泥層的單道地震識(shí)別標(biāo)志為中強(qiáng)至中弱振幅連續(xù)性好的層狀反射或弱振幅反射（若海底表層為泥層時(shí)，可與淺地層剖面較好地吻合），砂層的單道地震識(shí)別標(biāo)志為中強(qiáng)振幅連續(xù)性差的雜亂反射。通過淺地層剖面篩選出泥層較薄的區(qū)域后，對(duì)同步采集的單道地震剖面進(jìn)行解譯，上覆泥層可與淺地層剖面對(duì)比，較易識(shí)別。若泥層之下地震反射表現(xiàn)為中強(qiáng)振幅連續(xù)性差的雜亂反射，則可初步判定為砂質(zhì)沉積，若該雜亂反射具有一定的厚度和規(guī)模，則可確定為找砂目標(biāo)區(qū)域。另外，單道地震還對(duì)基巖面具有較好的識(shí)別效果[12-15]，若基巖面埋深較淺，表明該處海砂資源潛力有限，找砂時(shí)應(yīng)予以避開。

（3）鉆孔驗(yàn)證。通過以上淺地層剖面和單道地震聯(lián)合解釋，識(shí)別海砂富集區(qū)域，確定孔位，通過鉆探直接驗(yàn)證物探解譯的準(zhǔn)確性；同時(shí)根據(jù)鉆探結(jié)果，開展井震對(duì)比，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加深認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步提高物探解譯的水平。

3 討論

以上淺地層剖面和單道地震聯(lián)合應(yīng)用的海砂識(shí)別方法在實(shí)踐中取得了較好的效果，前文詳述了本方法在珠江口磨刀門外的成功應(yīng)用（圖2—5）。此外，在粵東粵西近海（未發(fā)表的數(shù)據(jù)）和臺(tái)灣海峽[4]等海區(qū)，本方法也進(jìn)行了有效的應(yīng)用。以下對(duì)該方法的特點(diǎn)進(jìn)行討論。

本方法適用于泥質(zhì)蓋層之下埋藏海砂的勘查，采用“淺地層剖面排除泥層+單道地震識(shí)別砂層+鉆孔驗(yàn)證”，充分利用淺地層剖面易穿透泥層、難穿透砂層的特性，有效提高了對(duì)泥層識(shí)別的準(zhǔn)確性，據(jù)此采用排除法避開泥質(zhì)厚層區(qū)，與單道地震結(jié)合，顯著降低了物探資料多解性，有效提高了找砂成功率。

本方法的有效性依賴于物探資料的質(zhì)量。除海況影響和淺層氣屏蔽等客觀原因會(huì)造成數(shù)據(jù)效果不佳之外，儀器型號(hào)的選擇和安裝方式的不同等原因也會(huì)直接影響數(shù)據(jù)效果，其中尤其以淺地層剖面最為明顯。如本文采用的SES-2000 Medium型參量陣淺剖儀排除泥層效果較好，而SES-2000 Light型參量陣淺剖儀則由于發(fā)射功率較小，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)其側(cè)舷固定安裝于千噸級(jí)調(diào)查船，受船體噪音影響，對(duì)泥層的穿透十分有限，難以達(dá)到排除泥層的目的。另外，實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)SES-2000 Medium-70型參量陣淺剖儀，固定安裝于千噸級(jí)調(diào)查船底，穿透效果更強(qiáng)，可在穿透海底表層2 m左右的薄砂層之后，仍能對(duì)下伏泥層進(jìn)行較好的穿透。

本方法的局限性在于單道地震的多解性。對(duì)于淺地層剖面識(shí)別泥層來說，多解性較小，把握性較大，但對(duì)于單道地震識(shí)別砂層來說，存在一定的多解性。前已述及，如同為弱振幅反射，可為砂層，亦可能為泥層（圖2、圖3b和圖4）。又如同為中強(qiáng)振幅雜亂反射，ZK1和ZK3中揭示的是一層砂，而ZK5中揭露的是兩層砂夾一層泥（圖2，圖4）。因此，為了降低單道地震的多解性，提高對(duì)砂層識(shí)別的可靠性，有必要進(jìn)一步引入其他物探手段，與單道地震聯(lián)合探測(cè)。

4 結(jié)論

（1）采用“淺地層剖面排除泥層+單道地震識(shí)別砂層+鉆孔驗(yàn)證”進(jìn)行埋藏海砂勘查，將泥層的間接排除法與砂層的直接識(shí)別法相結(jié)合，可有效提高埋藏海砂的找砂成功率。

（2）淺地層剖面具有易穿透泥層而難穿透砂層的特性，泥層的淺地層剖面識(shí)別標(biāo)志為清晰的層狀反射或均質(zhì)反射，并可與單道地震進(jìn)行對(duì)比，有效提高了對(duì)泥層識(shí)別的把握性，從而指導(dǎo)找砂避開泥質(zhì)厚層區(qū)。

（3）單道地震可直接穿透砂層，砂層的單道地震識(shí)別標(biāo)志為中強(qiáng)振幅連續(xù)性差的雜亂反射，在利用淺地層剖面排除泥質(zhì)厚層區(qū)之后，可據(jù)此優(yōu)選砂質(zhì)厚層區(qū)作為找砂目標(biāo)區(qū)。