海洋地球物理探測在海岸工程建設(shè)中的應(yīng)用?以曹妃甸港為例

劉懷山，王文秋，尹燕欣

（1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室,山東青島 266237）

我國大陸海岸線全長約18 000 km，海岸帶資源豐富，近年來開發(fā)利用度逐漸加大。海岸工程是為海岸防護(hù)、海岸帶資源開發(fā)和空間利用所采取的各種工程技術(shù)措施，是海洋工程的重要組成部分，主要包括圍填海工程、海港工程、河口治理工程、海上疏浚工程和海岸防護(hù)工程等。海岸工程建設(shè)雖然具有減災(zāi)防災(zāi)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展等優(yōu)勢，但會影響和改變自然環(huán)境，有時還會引發(fā)岸灘沖刷或者淤積等地質(zhì)災(zāi)害。

曹妃甸區(qū)地處河北省唐山市南部、渤海灣北岸，屬于灤河三角洲平原，是由河流和海洋共同營力作用下形成的沉積地貌，具有明顯的雙重岸線特征。內(nèi)側(cè)岸線為沿灤河三角洲發(fā)育形成的沖積海積平原，屬粉砂質(zhì)海岸；外側(cè)岸線為島嶼岸線，與大陸岸線走向基本一致。內(nèi)岸線與外岸線間為淺水潟湖區(qū)。曹妃甸甸前深槽是進(jìn)出港區(qū)的天然水道，具有建設(shè)深水港口的自然優(yōu)勢；甸后地形比較平坦，與陸地相連。“面向大海有深槽，背靠陸地有灘涂”是曹妃甸最明顯的自然地理特征[1-2]。對于曹妃甸港海岸工程建設(shè)所引起的地質(zhì)環(huán)境變化，前人已做過不少研究。李東等[3]從地形地貌、水沙動力環(huán)境、海水及沉積物污染、海洋生物多樣性四個方面對曹妃甸近海生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了論述分析。杜東等[4]通過構(gòu)建工程地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，對曹妃甸島區(qū)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)開展分析，并進(jìn)行了綜合評價。目前已有的研究大多數(shù)是利用數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等方法，從海洋水文等方面入手進(jìn)行評價分析，缺少系統(tǒng)的近海底地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造信息方面研究。

作為海洋科學(xué)的一大分支，海洋地球物理學(xué)集數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和計算機(jī)信息技術(shù)等為一體，是一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，利用地球物理方法來研究海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，主要以重力、磁法、電磁、地震以及聲學(xué)多波束等海底探測方法為主，為海洋油氣資源開發(fā)利用、海洋地球科學(xué)研究等提供數(shù)據(jù)資料和技術(shù)支撐，在海岸工程建設(shè)和海岸帶資源開發(fā)等方面也發(fā)揮著重要作用[5]。海岸工程場址的海底地形地貌與地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響海洋動力過程，海洋動力過程進(jìn)而會影響海岸工程建設(shè)，海底發(fā)育的淺層氣、斷層和沖溝等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象也會影響海岸工程建設(shè)穩(wěn)定性，因此，精確探測近海底地形地貌及海底地層結(jié)構(gòu)特征，形成一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)、立體化、高分辨率的近海底地層結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)和成像方法，對海岸工程建設(shè)具有重要意義。

本文將從海岸工程地球物理調(diào)查、海洋淺層高分辨率地震探測出發(fā)，以曹妃甸港區(qū)為例，進(jìn)行淺海海水及海底地層數(shù)據(jù)資料的精細(xì)化處理解釋，綜合分析影響曹妃甸港建設(shè)的海底地層結(jié)構(gòu)及海水動力過程，并探討研究海底構(gòu)造的演化機(jī)制及其對海岸工程建設(shè)的影響。

1 海岸工程地球物理調(diào)查技術(shù)

隨著沿海地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，海岸工程建設(shè)日益增多。海岸工程的建設(shè)打破了地區(qū)原有環(huán)境，改變了自然海岸格局和海域?qū)傩?，可能會引發(fā)一系列海洋生態(tài)環(huán)境問題，對港區(qū)及其周邊海域的地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性造成影響。因此，在海岸工程建設(shè)過程中，對工程項目進(jìn)行科學(xué)分析評估，正確評價地質(zhì)環(huán)境變化引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題，提前做好預(yù)防措施，對確保生命財產(chǎn)安全、保障海岸工程安全運營、實現(xiàn)資源環(huán)境社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，以及維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本節(jié)將簡要介紹海底聲學(xué)探測技術(shù)為海岸工程地球物理調(diào)查帶來的優(yōu)勢，特別是多波束、淺地層剖面、單道地震、小多道地震等探測技術(shù)在海岸工程上的作用，如海岸工程地質(zhì)環(huán)境評價、工程地質(zhì)災(zāi)害因素分析、海底管道管線鋪設(shè)、特殊目標(biāo)物探測、海岸帶資源開發(fā)和海岸保護(hù)等方面具有十分良好的應(yīng)用效果。

1.1 多波束探測

多波束探測技術(shù)是利用一個或多個換能器同時發(fā)射和接收多個聲波束，在垂直于航向方向上形成一個扇形掃描區(qū)域，一次得到上百甚至上千個海底采集點的數(shù)據(jù)，對海底進(jìn)行條帶式全覆蓋測量。當(dāng)聲波束遇到海底界面時返回多個反射波束被換能器重新接收，經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換，通過測量信號的振幅、相位、頻率、聲速和走時等信息，獲得扇形掃描覆蓋面積內(nèi)多個測量點的水深等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)海底地形地貌探測。與單波束探測技術(shù)相比，多波束探測技術(shù)精度、分辨率和測量效率更高，覆蓋面積更大，實際應(yīng)用范圍更為廣泛[6-7]。多波束探測技術(shù)能夠獲得海底微地形地貌特征，掌握水下地形地貌的細(xì)微變化，可以為海洋工程規(guī)劃選址和建設(shè)、港口航道監(jiān)測管理、海岸工程質(zhì)量和穩(wěn)定性檢測、地質(zhì)災(zāi)害因素分析和防治、海底管道纜線鋪設(shè)調(diào)查、海岸帶資源能源開發(fā)等方面服務(wù)。

1.2 淺地層剖面探測

淺地層剖面探測技術(shù)利用聲波在不同介質(zhì)中傳播性質(zhì)不同的原理來探測海底淺地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。通過換能器發(fā)出聲脈沖，在聲波阻抗界面產(chǎn)生反射和透射，反射聲波返回后被換能器重新接收，從而測量聲波穿透地層的傳播時間、振幅、頻率等信息，就可以獲得淺部地層的分層厚度、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征。目前常用的震源有電火花震源、電磁式震源、壓電式震源和參量陣式震源。其中，電火花震源利用高壓放電原理，通過汽化海水來產(chǎn)生聲波，能量高、穿透能力強(qiáng)、穿透深度大，在探測海底底質(zhì)、淤泥厚度等方面具有獨特的優(yōu)勢[8-9]。淺地層剖面探測技術(shù)的發(fā)射聲波頻率要低于多波束測深，但高于常規(guī)地震勘探，因此不僅更容易穿透海底淺部沉積層，獲得高分辨率海底淺地層信息，而且可以進(jìn)行連續(xù)快速測量，在海岸工程選址建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害因素調(diào)查、海底管道纜線鋪設(shè)、海底淺層埋藏物探測、海底沉積物調(diào)查、沉積單元劃分、地質(zhì)穩(wěn)定性調(diào)查、海洋地質(zhì)研究等方面具有十分重要的應(yīng)用價值。

1.3 單道地震探測

海上單道地震探測技術(shù)采用自激自收的采集方式，以一定時間為間隔，每激發(fā)一次震源就形成一個地震道，由于震源與檢波器組中心距離比較近，因此，單道地震探測得到的地震記錄近似于自激自收剖面，能夠較為直觀地反映出地下地層結(jié)構(gòu)。單道地震探測技術(shù)廣泛使用電火花震源，穿透深度可達(dá)幾千米，分辨率一般為米級。與多道地震探測技術(shù)相比，單道地震探測技術(shù)具有簡單高效、快速經(jīng)濟(jì)、配置方便靈活和能量適中等優(yōu)勢，可以獲得海底淺層的地層結(jié)構(gòu)信息，為海岸工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究、環(huán)境影響因素分析、海底埋藏地質(zhì)體識別等提供數(shù)據(jù)支撐。單道地震探測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于隧道橋梁等近海工程設(shè)計建設(shè)、海洋地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境保護(hù)、海岸帶資源探測和水下考古等領(lǐng)域，成為海岸工程調(diào)查和穩(wěn)定性評價、工程地質(zhì)災(zāi)害因素分析等方面的有效手段。

1.4 小多道地震探測

傳統(tǒng)的多道地震探測具有排列長、道距大和近海施工靈活性差等特點，通常適用于海底千米深度以下的深層探測，一般用于海洋油氣資源的探測，不適用于精細(xì)探測[10]?；谛〉谰嗟母呔鹊卣鹛綔y手段則可以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有較高的開發(fā)和利用價值。長期以來，國外實行高科技技術(shù)封鎖，小道距數(shù)字地震采集拖纜就是其中之一。中國海洋大學(xué)海洋地震探測團(tuán)隊研發(fā)了國內(nèi)首創(chuàng)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋淺層高分辨率地震立體探測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與裝備，其主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國外同類技術(shù)產(chǎn)品，打破了國外對小道距地震拖纜的技術(shù)壟斷，逐步改變了我國海洋儀器裝備國產(chǎn)化水平低、受制于人的被動局面。該成果在渤海、黃海、東海、南海等海域成功開展了地球物理資料淺層高分辨率地震探測調(diào)查，預(yù)測了多個水合物有利遠(yuǎn)景區(qū)并得到了鉆探驗證，為勝利海上油田災(zāi)害地質(zhì)風(fēng)險評估、渤海海底通道預(yù)選址等工程提供了基礎(chǔ)資料。海洋小多道地震探測技術(shù)是一種正在發(fā)展中的地球物理探測技術(shù)，是海洋工程地質(zhì)環(huán)境勘察、海洋科學(xué)考察和海洋資源勘探的重要技術(shù)手段，對海岸工程開發(fā)和建設(shè)、工程穩(wěn)定性評價、工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和海岸帶資源開發(fā)等具有十分重要的應(yīng)用價值。

2 海洋淺層高分辨率地震探測

近年來，國家提出建設(shè)海洋強(qiáng)國重大戰(zhàn)略任務(wù)，對海洋開發(fā)利用、海底礦產(chǎn)資源開發(fā)的需求激增[11-14]。在海洋工程方面，特別是對于海岸工程地質(zhì)構(gòu)造和復(fù)雜海底地形與海洋動力過程形成的流固界面相互作用方面的研究，迫切需要能夠精確探測近海底海水與地層結(jié)構(gòu)的先進(jìn)海洋地球物理探測方法。中國海洋大學(xué)海洋地震探測團(tuán)隊研究了近海底海水與地層結(jié)構(gòu)的液/氣體交換，通過近海底地震海洋學(xué)高分辨率立體探測，得到了高精度近海底海水水體特征、斷層、裂隙、滑坡和淺層氣的地層成像，分析了海底復(fù)雜地形、構(gòu)造對海洋動力過程的影響程度，從而研發(fā)形成了針對海底淺層地質(zhì)目標(biāo)的非常規(guī)高精度地震勘探設(shè)備和技術(shù)，創(chuàng)建了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、立體化、高分辨率海水與近海底地層結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)和成像方法，即電火花震源、小道距地震拖纜、垂直纜的立體觀測網(wǎng)格、海洋特殊干擾波壓制、海洋水體結(jié)構(gòu)高精度成像等為一體的高精度海洋立體地震勘探技術(shù)，突破了常規(guī)地震勘探設(shè)備和技術(shù)瓶頸問題，研發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用。

2.1 大能量等離子體電火花震源

針對目前海洋地震勘探氣槍震源主頻低、頻帶窄的問題，中國海洋大學(xué)海洋地震探測團(tuán)隊研制并發(fā)明了穿透深度大、頻帶寬（3～1 200 Hz）、激發(fā)間隔短的寬高頻大能量（50 000 J）等離子體電火花震源，大幅度提高了海底以下50～1 000 m深度范圍內(nèi)地震探測精度，解決了海底高精度成像的震源需求難題[15-17]。大能量等離子體電火花震源主要創(chuàng)新點如下。

1）研發(fā)了寬頻、大能量等離子體電火花震源?；诿}沖電暈放電解決了激發(fā)震源子波重復(fù)性差的問題，實現(xiàn)了信號的連續(xù)、可重復(fù)和自動激發(fā)；首次利用非理想氣體狀態(tài)方程即昂尼斯方程表征電火花震源激發(fā)產(chǎn)生氣泡的狀態(tài)方程，建立了新的震源子波模型，獲得了接近于實測的子波信號，為高分辨率地震資料處理提供了理想的子波。

2）提出了適合高精度海洋地震探測的電火花震源電極陣列方式?；陔娀鸹ㄕ鹪矗@得了激發(fā)主頻較高、信噪比好、淺層高分辨高的地震剖面，滿足了高精度淺層海洋地震探測的要求。電火花震源和大容量氣槍震源激發(fā)獲得的成像剖面效果對比如圖1所示。大容量氣槍震源激發(fā)得到的地震剖面，雖然穿透深度比電火花震源深得多，但是其淺層分辨率太低，無法滿足海底淺層構(gòu)造的高分辨率、高精度探測的要求。

圖1 兩種不同震源激發(fā)資料成像剖面效果對比Fig.1 Comparison of seismic profilesof two different source

2.2 高分辨率地震數(shù)字地震接收纜

針對目前海洋地震拖纜道間距大，分辨能力低的問題，研制并發(fā)明了探測精度高、分辨能力強(qiáng)的海洋地震勘探小道距數(shù)字拖纜和廣角、寬頻、分布式的高分辨率地震數(shù)字垂直纜。形成了一套完整的海洋立體探測技術(shù)和裝備，突破了現(xiàn)有地震波探測分辨率的極限，在應(yīng)用目標(biāo)區(qū)分辨能力由現(xiàn)有方法的10 m提高到1 m，在海底淺層探測能力居國際領(lǐng)先水平[18-19]。技術(shù)主要創(chuàng)新點如下。

1）研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的小道距“高分辨率海洋地震勘探多道數(shù)字拖纜”，突破了在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域方面國外對我國的出口限制瓶頸。探測精度達(dá)到1 000 m海水深度時，能穿透1 000 m深度地層，地震波主頻達(dá)到500 Hz，分辨率達(dá)到2 m，淺層最高分辨能力達(dá)1 m，應(yīng)用效果如圖2所示。

圖2 小多道地震成像剖面Fig.2 Multichannel seismic profile

2）研制了12節(jié)點、節(jié)點間距25 m、纜長300 m的分布式海洋地震數(shù)字垂直接收纜（圖3）。實現(xiàn)了工作水深2 250 m以下的垂直纜連續(xù)觀測和重復(fù)試驗，實現(xiàn)了對廣角、寬頻地震資料的采集，與拖纜資料相比，采集資料的品質(zhì)反射角大于±70°，頻寬5～1 200 Hz，提高了海底淺層構(gòu)造的探測精度。創(chuàng)新研究并實現(xiàn)了小道距水平拖纜與垂直纜聯(lián)合勘探方法?；谛〉谰嗨酵侠|與垂直纜，優(yōu)化了立體觀測網(wǎng)絡(luò)的觀測系統(tǒng)，形成了一套完整的海底淺層精細(xì)地震勘探的立體探測技術(shù)，在渤海海域、南海神狐海域等開展了工作，取得了良好的效果。

圖3 研制的12節(jié)點高分辨率地震數(shù)字垂直接收纜Fig.3 12 node high-resolution digital seismic vertical receiving cable

2.3 海底沉積結(jié)構(gòu)的地震高精度處理

根據(jù)海域地震現(xiàn)代海底沉積結(jié)構(gòu)調(diào)查資料，中國海洋大學(xué)海洋地震探測團(tuán)隊提出了海洋變周期虛反射和變周期多次波的理論模式，建立了基于海底沉積結(jié)構(gòu)的地震波場模型，發(fā)明了壓制或衰減地震資料典型干擾的高保真信噪分離新方法，形成了一套基于海底沉積結(jié)構(gòu)的地震資料高精度處理技術(shù)[20-24]。技術(shù)主要創(chuàng)新點如下。

1）提出了海洋變周期虛反射和變周期多次波的理論。根據(jù)海域地震現(xiàn)代海底沉積結(jié)構(gòu)調(diào)查資料，建立了合適的淺海海底沉積結(jié)構(gòu)模型，研究了海域變周期虛反射（圖4）和多次波、淺海導(dǎo)波、海流、潮汐、涌浪和波浪等特殊干擾波的性質(zhì)與特征，確定了特殊干擾波的形成機(jī)制，豐富了地震勘探的理論體系。

圖4 含變周期虛反射的典型單炮記錄Fig.4 Typical single shot record with variable period virtual reflection

2）創(chuàng)新提出了高保真地震資料信噪分離方法。利用頻率波數(shù)域（或小波域等）定義信號與噪音的靈活性特點，將頻率波數(shù)域得到的特殊干擾波變換到時間域，利用最佳極值法預(yù)測真實的特殊干擾波，實現(xiàn)了特殊干擾波與信號的真正分離。圖5是經(jīng)過干擾波壓制等處理后的地震成像剖面，同相軸連續(xù)性較強(qiáng)，信噪比較高，地質(zhì)現(xiàn)象清晰。

圖5 經(jīng)過干擾波壓制后的地震成像剖面Fig.5 Seismic profileafter seismic noisesuppression

2.4 海洋水體結(jié)構(gòu)高精度地震成像

針對海洋水體對海底淺層結(jié)構(gòu)高精度成像的模糊效應(yīng)，在地震數(shù)據(jù)保幅的基礎(chǔ)上，建立一套針對海洋水體躍層的處理方法流程，實現(xiàn)了海洋水體結(jié)構(gòu)的高精度成像，攻克了淺海海洋水體結(jié)構(gòu)地震海洋學(xué)無法高精度成像的國際難題[25-26]，淺海探測識別水深小于30 m，處于國際領(lǐng)先水平。技術(shù)主要創(chuàng)新點如下。

1）提出了基于溫鹽深（Conductivity,Temperature,Depth,CTD）數(shù)據(jù)的海洋水體類彈性阻抗地震反演方法，實現(xiàn)了淺海溫鹽結(jié)構(gòu)、不同水團(tuán)的邊界和海洋內(nèi)波的精細(xì)反演，開發(fā)了淺水水體結(jié)構(gòu)高精度地震成像技術(shù)，建立了渤海、南黃海淺水水體結(jié)構(gòu)模型。

2）針對我國近海海洋水體結(jié)構(gòu)調(diào)查資料，建立了海洋水體結(jié)構(gòu)模型。研究了海洋水體特征（鹽度、溫度、速度、密度等）參數(shù)在地震剖面上的波場特征，滿足了海洋淺層構(gòu)造對高清晰海洋水體特性結(jié)構(gòu)成像的要求（圖6）。在CTD數(shù)據(jù)約束下，利用地震角道集反演海洋水體類彈性阻抗，提取速度和密度參數(shù)，實現(xiàn)了海水溫度、鹽度的精確反演，精細(xì)刻畫了海洋溫鹽結(jié)構(gòu)、不同水團(tuán)的邊界和海洋內(nèi)波，實現(xiàn)了海洋水體結(jié)構(gòu)的高精度成像。

圖6 淺海海洋水體結(jié)構(gòu)的高精度成像剖面Fig.6 High precision imaging profile of shallow sea water

3 應(yīng)用效果分析

曹妃甸港是我國渤海地區(qū)唯一的深水大港。曹妃甸港是由填海造陸建成的，大規(guī)模的工程建設(shè)給地區(qū)地質(zhì)環(huán)境帶來了很大的變化，這些環(huán)境變化可能會給港口已建項目及港區(qū)今后的發(fā)展帶來嚴(yán)重影響。所以，在沿海港口開發(fā)中，正確評估現(xiàn)存地質(zhì)環(huán)境問題，提前做好預(yù)防措施，對實現(xiàn)資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

曹妃甸近岸海區(qū)入海河流主要有陡河、雙龍河、溯河、大清河、小清河和青龍河等小型河流，入海泥沙量極少。曹妃甸海區(qū)為不規(guī)則半日潮，潮流呈往復(fù)流運動，漲潮西流，落潮東流，漲落潮水流方向受地形控制，近岸淺海區(qū)，主海流流向順岸或沿等深線方向。曹妃甸岬角地貌特征明顯，甸頭深槽天然水深可達(dá)25 m，該深槽是渤海灣最深的水域，同時也是潮流動力最強(qiáng)的海區(qū)。深槽區(qū)存在潮流流速局部增大區(qū)，其分布形態(tài)與海底地形分布相似，潮流流速自甸頭向外海隨著岬角效應(yīng)的減弱而逐漸減小。古灤河入海泥沙經(jīng)動力較強(qiáng)的波浪與潮流共同搬運作用，經(jīng)橫向堆積形成了曹妃甸離岸沙壩，沙壩形成的岬角地貌構(gòu)成了深槽的邊界條件，也是深槽形成與維持的重要海洋動力條件。研究顯示，曹妃甸港建設(shè)初期，沖刷作用控制曹妃甸深槽區(qū)，淤積作用控制曹妃甸港北側(cè)港池和淺灘，目前曹妃甸深槽海域海底沖淤逐漸達(dá)到動態(tài)平衡，以輕微沖刷為主。

3.1 高分辨率地震資料精細(xì)化處理與分析

在對淺層高分辨率地震資料進(jìn)行常規(guī)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了針對近海底水體和沉積地層的特殊處理，主要包括提高振幅保真處理措施及一致性振幅校正，從而消除復(fù)雜地質(zhì)條件對反射波能量的影響及不正常道的影響，通過波形一致性處理，不僅分辨率有所提高，同時也保持了地震記錄的信噪比。從而做到子波統(tǒng)一、時間對齊。在處理中采用了譜白化、地表一致性反褶積和振幅補償、反Q濾波、譜均衡、高頻能量補償、剩余零相位子波處理、分頻處理、展譜展頻、頻域多項式擬合、小波變換等方法和技術(shù)，提高近海底淺層高精度地震資料質(zhì)量的效果明顯（圖6）。

根據(jù)海底沉積物的巖性變化，沉積物密度、含水性、含氣程度及沉積層構(gòu)造、層面特征、沉積層延伸與錯斷及侵蝕構(gòu)造等形成的反射波，通過對相位特點的區(qū)分及穩(wěn)定強(qiáng)相位的追蹤，對波組形態(tài)特征變化的解釋，判別和劃分了不同時期的侵蝕面和沉積層內(nèi)部構(gòu)造，在海底120 m深度以內(nèi)劃分了7個反射界面：T0、T1、T2、T3、T4、T41、T5。

3.2 海底沉積地層識別劃分

曹妃甸海域從淺水區(qū)到深水區(qū)表層沉積物可劃分為3個沉積相：潮灘相、淺海相、沙壩相。其中，潮灘相為粒徑較細(xì)的粉砂和粉砂質(zhì)砂；淺海相沉積物以較細(xì)粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主，在深水區(qū)沉積物粒徑最細(xì)；沙壩相沉積物以粒徑較粗的細(xì)砂和中砂為主；沙壩向陸側(cè)的潟湖-潮灘相沉積物又變?yōu)榧?xì)的粉砂和粉砂質(zhì)砂。沉積物粒徑分布由海向陸沉積物的變化為細(xì)-粗-細(xì)。由東向西沉積物分布特征是東粗西細(xì)，曹妃甸海域表層沉積物搬運歷史應(yīng)為東側(cè)灤河口入海泥沙，自河口一直搬運到南堡灘海附近，隨流速的降低細(xì)粒沉積物搬運到水動力條件較弱的曹妃甸西側(cè)。根據(jù)層序界面特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、振幅等地震相標(biāo)志和鉆孔資料，在海底120 m深度范圍內(nèi)劃分出主要反射界面7個，自上而下依次編號為T0、T1、T2、T3、T4、T41、T5。以反射界面作為聲-地層的分層界限，劃分了10個聲-地層單元，自上而下編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J。

1）T1為一組細(xì)致的平行波紋狀反射界面的頂面（圖7），該層在全區(qū)非常穩(wěn)定，每個單一相位延伸均不長，常常被一些波狀的反射波形態(tài)隔開，形成扁豆?fàn)畹拈g隔。該地層和海底起伏有比較好的繼承性。該層平面上分布除了在中部有一個較深的凹陷外，其他地方相對起伏比較平緩。T0-T1層之間存在一個反射界面T11。T11是全新世三角洲沉積頂面（A層底面），界面以上為與現(xiàn)代海洋環(huán)境一致的潮坪與淺海沉積，沉積厚度約為4 m；T11-T1層（B層）以前積傾斜的反射波為主，底部收斂，并逐漸過渡為水平反射面。頂部有時見到槽狀波紋層反射面。T11-T1層為三角洲相沉積，中部與西部分別有2個南北方向厚度最大的區(qū)域，與三角洲扇狀體的軸線大體一致。該層發(fā)育三角洲的古河谷，其中地震反射波組形態(tài)呈槽狀或傾斜板狀及交錯狀反射面。屬河流相沉積。這是埋藏于海底的第一個古河道帶，其中沉積物最大厚度達(dá)15 m。

本文設(shè)計了4種注漿模擬方案(見表1)，用以獲取化學(xué)灌漿漿液在不同圍巖中的擴(kuò)散范圍、灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)、圍巖情況對固結(jié)強(qiáng)度的影響及不同注漿方位的實施效果，為隧道內(nèi)化學(xué)灌漿的施工提供指導(dǎo)。注漿模擬試驗主要步驟流程見圖3。

圖7 曹妃甸典型地震剖面解釋Fig.7 Interpretation of seismic profilesin Caofeidian

2）T2為一組細(xì)致的平行波紋狀反射界面的底面，在全區(qū)非常穩(wěn)定，每個單一相位延伸均不長，常常被一些波狀的反射波形態(tài)隔開，形成扁豆?fàn)畹拈g隔。T1-T2層（C層）地層和海底起伏有比較好的繼承性。該套地層從陸上到海里變化較快。研究區(qū)有5片空白反射帶，面積近200 km2，這個空白帶被認(rèn)為是可疑淺層氣區(qū)。從南部可疑淺層氣區(qū)分析，該區(qū)呈現(xiàn)長條狀，其形狀和位置與T0-T1層古河道分布比較一致。推測分析該區(qū)可能為生物氣，因河道輸送了大量的有機(jī)質(zhì)，沿著河道沉積起來，形成了生物氣。

3）T3界面是非常穩(wěn)定的全區(qū)可追蹤的一組強(qiáng)相位的頂面，地震反射波相位穩(wěn)定而且平行，連續(xù)性很好，從區(qū)域第四紀(jì)地質(zhì)資料分析，它是一個較重要的海侵層，是穩(wěn)定環(huán)境下的淺海相沉積。

4）T4界面是以全區(qū)可追蹤的平行強(qiáng)相位為標(biāo)志，具有連續(xù)而穩(wěn)定的平行反射波組。它也屬于穩(wěn)定的淺海相沉積。該地層和以上地層有比較好的繼承性。在研究區(qū)的西部存在一個NW向的凸起，該凸起延伸到研究區(qū)的中部，在研究區(qū)的東部存在3排凹凸相間的凸起。

5）T5界面是一個比較容易追蹤的強(qiáng)相位，具有較寬的平行波組，是比較穩(wěn)定環(huán)境下的沉積層，呈等時面意義。由于反射波的高頻部分隨深度加大而衰減，因此分辨率有所降低。在研究區(qū)內(nèi)有2個凸起，一個是NE向，一個為NW向。2個凸起夾持了一個較深的凹陷，即中部凹陷。另外在研究區(qū)SW部存在一個較深，但面積較小的凹陷。研究區(qū)存在NE和NW兩個方向的厚度帶，推測分析物源方向為NE和NW兩個方向。在中部海槽區(qū)域該套地層沉積厚度與T5界面的埋藏深度不一致，沉積中心較構(gòu)造低點向南偏離。推測在沉積過程中該套地層受到潮流的沖刷作用，造成了沉積中心位置與構(gòu)造低點的不對應(yīng)。

對于該區(qū)沉積地層年代推斷，大量研究[27-30]表明在渤海海域及冀東平原，第四紀(jì)地層厚度均超過200 m，本測區(qū)120 m深度范圍之內(nèi)的地層，不可能早于第四紀(jì)。

3.3 工程地質(zhì)分析評價

針對海岸帶工程地質(zhì)要求，重點分析埋藏古河道、淺層氣、淺層活動斷層等特殊地質(zhì)現(xiàn)象，常被歸為災(zāi)害地質(zhì)因素。埋藏古河道，河床內(nèi)后期充填砂體或淤泥，與周圍沉積層物理力學(xué)性質(zhì)截然不同，海岸工程建設(shè)樁基承載結(jié)構(gòu)受剪切力，系重大風(fēng)險隱患。淺層氣賦存區(qū)因氣體的聚集，導(dǎo)致沉積物孔隙壓力增大，有效應(yīng)力降低，沉積層強(qiáng)度受到影響；淺層氣溢出區(qū)形成泥丘，造成沉積層橫向不均勻性，影響海岸工程建設(shè)安全。淺部活動斷層可使淺部海底沉積物發(fā)生液化，降低基底承載強(qiáng)度，是危害性最大的一種地質(zhì)因素。

圖8 曹妃甸甸頭東側(cè)自西向東深槽地震剖面特征Fig.8 Characteristicsof thedeep trough seismic profile from west to east in east of the Caofeidian

2）三角洲沉積。三角洲的前積層是較穩(wěn)定均一的砂質(zhì)沉積層，但在三角洲的側(cè)方，2個三角洲扇形體交界處則形成三角洲的分流河口間灣，分流河口間灣以粉砂質(zhì)-泥質(zhì)沉積為主，由于三角洲年代很新，沉積物常是高含水量，穩(wěn)定性差。采集資料顯示該區(qū)三角洲層厚度為5～30 m，中部與西南部分別有2個南北方向厚度最大的區(qū)域（圖9）。三角洲發(fā)育后期形成了古河道帶，古河道發(fā)育于三角洲平原之上，具交叉網(wǎng)狀特點。古河道帶中沉積物厚度最厚達(dá)30 m，也代表了最大切割深度。從淺地層剖面記錄中可區(qū)分出河床點壩沉積和槽狀河床沉積。古河道帶與三角洲扇形體的軸線基本一致并稍向東偏移。由于古河道帶分布不均一，在接近古河道帶邊緣，地基的力學(xué)性質(zhì)差別較大。古灤河河流沉積物具砂質(zhì)河流特點，河流相沉積物的許多亞相，如辮狀河床、漢河河床、泛濫平原等都以細(xì)砂-粉砂質(zhì)沉積為主，易于震動液化。這期古河道的埋深很淺，埋深約3～5 m，是大型工程設(shè)施地基基礎(chǔ)的常用持力層。

圖9 三角洲體系及古河道剖面Fig.9 Delta system and ancient channel profile

3）淺層氣。淺層氣區(qū)在地震剖面中表現(xiàn)為空白反射帶（圖10），區(qū)內(nèi)可分為5片。區(qū)內(nèi)可疑淺層氣區(qū)主要分為2個方向：一個方向是NE—SW向，該方向上共有2個可疑淺層氣區(qū)。其中，北部的頂面埋深比較淺，在15～20 m左右；南部的面積比較小，埋深較深，深度為50～90 m。另一個方向是NW—SE向，該方向上共有3個可疑淺層氣區(qū)，一個在北部，面積較大，埋藏比較淺，埋深為20～60 m，其余2個在南部，埋深為40～50 m。

圖10 可疑淺層氣剖面Fig.10 Suspiciousshallow gasprofile

4）斷層。曹妃甸位于燕山臺褶帶南緣冀渤凹陷北部，基底構(gòu)造活動強(qiáng)烈，燕山活動奠定了本區(qū)的主要構(gòu)造格局。曹妃甸次凹面積約400 km2，為南堡凹陷面積最大的次凹，位于老堡構(gòu)造帶、蛤沱構(gòu)造帶和沙壘田凸起之間。測區(qū)內(nèi)斷層均為正斷層（上盤下降，斷層面均為高角度或近于直立）。絕大部分為同生斷層，深部斷距大，淺部斷距小，下降盤沉積厚度大于上升盤。測區(qū)內(nèi)斷層，延伸長度不一（圖11）。斷裂系統(tǒng)繼承了第三紀(jì)的構(gòu)造格局，與渤中拗陷北部邊緣的次一級凸起及凹陷一致。研究區(qū)西側(cè)斷裂為NE向，研究區(qū)東側(cè)斷裂為東西向及NNE向。全部斷層均發(fā)生在第四紀(jì)地層之中，絕大部分屬于同生斷層因此全部屬于新構(gòu)造活動斷層。由于本區(qū)斷層屬于活斷層，因此構(gòu)造穩(wěn)定性較差。在構(gòu)造分區(qū)中劃出的5個地塹帶將構(gòu)成海底變形中的5個沉降中心。本區(qū)又屬于地震活動區(qū)，在區(qū)域應(yīng)力場東西向或ENE—WSW向的壓應(yīng)力加強(qiáng)時會導(dǎo)致南北方向的地殼伸張，容易促使本區(qū)高角度正斷層的活動性增加，并可能造成東西向的走滑。構(gòu)造不穩(wěn)定是區(qū)域工程地質(zhì)評價中的重要不利因素。

圖11 斷裂系統(tǒng)圖Fig.11 Fracturesystem

4 討論

由研究區(qū)內(nèi)2個海槽可見（圖12），中部海槽走向在T1界面上呈NNE向，海槽最深部位大約在西側(cè)，埋藏較深的區(qū)域（即構(gòu)造低點）其沉積厚度相對也較大。研究區(qū)東部附近海槽，沉積厚度最大區(qū)域同構(gòu)造低點相比稍向南偏離，推測與潮流的沖刷作用有一定關(guān)系。

圖12 曹妃甸港近海底柵格立體構(gòu)造圖Fig.12 Three dimensional structural map of Caofeidian

由淺及深剖面深度內(nèi)地層都有比較好的繼承性。根據(jù)鉆孔中沉積物屬于細(xì)致的粉砂質(zhì)黏土，常見水平紋層及有機(jī)質(zhì)夾層，并含淡水輪藻及淡水介形類化石等情況分析，應(yīng)屬于湖泊-沼澤相沉積。

該套地層北部存在一個相對較深的湖泊，沉積厚度大概20 m，研究區(qū)南部相對比較平坦，厚度變化不大，一般沉積厚度在10 m以內(nèi)，推測為沼澤沉積。研究區(qū)東部海槽由于受可疑淺層氣空白反射帶影響，無法確定當(dāng)時的沉積中心。在中部依然存在一個較深的凹陷，呈NNE向展布，但洼陷內(nèi)該套地層的沉積厚度相對較小，沉積厚度與凹陷的深度基本無關(guān)。

分析近海底柵格立體構(gòu)造（圖12）可以發(fā)現(xiàn)，該地層和以上地層有比較好的繼承性。該套地層由陸到海變化較快。在研究區(qū)的東部和中部分別有一個較深的凹槽。其他地方相對起伏比較平緩。T3和T2有比較好的繼承性（T3-T2厚度變化比較平緩，變化不大）。該套地層在西部存在一個沉積厚度較薄的區(qū)域，面積有近100 km2。推測在當(dāng)時沉積時為沉積高點，沉積地層相對厚度較薄，大概7 m。其他地區(qū)沉積厚度在10 m以上，最厚的沉積厚度達(dá)到20 m。研究區(qū)中部的海槽沉積厚度比較大，沉積厚度與地層深度基本一致，即地層深度大的區(qū)域其沉積厚度也較大。值得注意的是：沉積厚度最大的地方并不完全對應(yīng)地層最深的地方，而是存在一定距離的偏移，這可能是由在沉積過程中潮流的沖刷作用所致。

在研究區(qū)的中部分別有一個較深的凹槽。該套地層在中部和東部邊緣沉積厚度最大，存在一個NE向和一個NW向的沉積厚度較薄的區(qū)域，推測在發(fā)生沉積時為沉積高點，沉積地層相對厚度較薄。在中部海槽區(qū)域該套地層沉積厚度與T4面的埋藏深度不一致。海槽深度最大的軸線稍偏NNE方向區(qū)域，沉積厚度最大軸線稍偏NNE向區(qū)域。推測是在沉積過程中受到潮流的沖刷作用，沉積中心不對應(yīng)地層埋深最大的地方。

分析構(gòu)造圖（圖12）還可以發(fā)現(xiàn)，在該界面上中部海槽已經(jīng)存在。在后續(xù)的沉積過程中，海槽部位的海相沉積厚度較周圍區(qū)域大，但沉積中心在沉積過程中不斷變化，區(qū)域最深的地方與沉積最厚區(qū)域不一致；海槽部位的陸相地層沉積厚度與周圍區(qū)域沉積厚度相當(dāng)。在沉積演化過程中，海槽的走向、海槽兩側(cè)的坡度等都發(fā)生了變化，但是海槽的基本構(gòu)造形態(tài)依然存在。通過以上分析，初步推斷在沉積過程中潮流起到?jīng)_刷作用，海槽沉積中心不斷變化，使得海槽構(gòu)造得以保存。雖然在現(xiàn)代港口建設(shè)過程中，潮流起到了積極的影響作用；但是如果將來在建設(shè)過程中改變了潮流特性，將間接影響到海槽內(nèi)的沉積中心，使得沉積中心與構(gòu)造地點重合，進(jìn)而可能導(dǎo)致海槽不斷被充填，直至海槽消失。

5 展望

海洋地球物理探測將以國家重大戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，探測發(fā)現(xiàn)和解決海洋工程領(lǐng)域的科學(xué)問題和工程技術(shù)難題，在海岸工程勘查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測監(jiān)測等方面發(fā)揮重要支撐作用。

1）海洋地球物理探測技術(shù)具有多學(xué)科交叉綜合性特色。該技術(shù)以海洋地球物理探測基本理論方法和技能為基礎(chǔ)，融合地球信息采集、信息處理和分析系統(tǒng)等方面知識，特別是綜合地震學(xué)、重力學(xué)、電磁學(xué)、應(yīng)用地球物理學(xué)、信息學(xué)、海洋測繪學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和海洋科學(xué)等多個學(xué)科信息，體現(xiàn)多學(xué)科的綜合性，具有多學(xué)科交叉、綜合的特點，又具有鮮明的海洋特色。

2）突出信息綜合處理和分析。海洋地球物理探測包含地球信息采集、信息處理、信息綜合、工程應(yīng)用分析等，在面向海底穩(wěn)定性綜合評價、海岸地質(zhì)災(zāi)害分析評價等重大工程問題過程中，形成海洋工程勘查的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成像和地質(zhì)解釋一體化技術(shù)。

3）對近海底海洋水體和海底地層精細(xì)成像，可以獲得探測目標(biāo)在不同角度和距離的波場響應(yīng)，可獲得具有最高分辨率（頻寬）和信噪比的地震資料；有效地解決近海底海水特征精細(xì)結(jié)構(gòu)和海底斷層、滑坡等地質(zhì)體高精度目標(biāo)成像問題。