基于地球物理探測數(shù)據(jù)反演海底工程地質(zhì)參數(shù)研究進(jìn)展與展望

劉樂軍，周慶杰,2，李西雙,2，王景強(qiáng),2，張承藝,2，張林清,2，周 航

（1. 自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 嶗山實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061）

查明海底淺層沉積物的沉積特征及工程地質(zhì)參數(shù)（如粒度、密度、孔隙度、抗剪強(qiáng)度等）是進(jìn)行海洋開發(fā)不可缺少的前期工作，同時，對于海洋環(huán)境調(diào)查、海底資源勘探、海洋工程建設(shè)及海洋開發(fā)利用等都具有重要的應(yīng)用價值[1-2]。目前，對于工程場址區(qū)或管道路由區(qū)海底淺表層沉積物工程地質(zhì)參數(shù)的獲取，常用的方法是采集足夠多的沉積物樣品，通過實驗室測試分析得到沉積物的粒度、密度、孔隙度、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)，或者通過靜力觸探（Cone Penetrometer Technology, CPT）等原位測量的方式獲得海底淺層土體的力學(xué)參數(shù)[3]。上述方法雖然可直接獲取海底表層沉積物的工程地質(zhì)參數(shù)，但均具有較高的成本，經(jīng)濟(jì)和時間上的限制導(dǎo)致通常只能進(jìn)行有限的采樣，因而無法高效地了解較大范圍內(nèi)海底淺表土體的工程地質(zhì)特性。

隨著聲學(xué)地球物理探測技術(shù)的不斷發(fā)展，多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面、單道地震和多道地震等各種探測技術(shù)方法被用于海底水深地形、地形地貌和地層結(jié)構(gòu)的探測中，利用這些觀測方式不僅可以了解海底地形及沉積分層結(jié)構(gòu)，同時獲得的聲學(xué)反射信息與沉積物密度、含水量、孔隙比、粒度、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，也常被用來進(jìn)行海底底質(zhì)分類及工程地質(zhì)參數(shù)的反演。相較于傳統(tǒng)取樣測試，聲學(xué)反演方法具有效率高、成本低等優(yōu)勢，在海洋工程建設(shè)、海底資源開發(fā)以及深水油氣田安全開發(fā)保障等方面具有重要的應(yīng)用價值。

目前，在海底底質(zhì)聲學(xué)反演方面，從傳統(tǒng)的基于反射強(qiáng)度的底質(zhì)分類到基于聲學(xué)物理屬性數(shù)據(jù)的物理力學(xué)參數(shù)反演，涉及海洋地質(zhì)、地球物理、海洋聲學(xué)、數(shù)字信號處理、圖像處理以及機(jī)器學(xué)習(xí)等多學(xué)科交叉融合，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，建立了多種聲學(xué)反演方法并取得了豐碩的成果，反演精度在不斷提高[4]，如表1 所示。本文梳理了近年來國內(nèi)外學(xué)者在海底底質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)反演方面的研究及重要成果，在簡述海底沉積物類型、物理力學(xué)特性及其聲學(xué)表現(xiàn)特性的基礎(chǔ)上，從基于散射/反射強(qiáng)度的反演和基于反射系數(shù)/波阻抗等地球物理屬性數(shù)據(jù)的反演等方面，對比分析了各類多波束、淺地層剖面及多道地震等海底聲學(xué)探測數(shù)據(jù)在海底底質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)反演中的優(yōu)勢與不足，對基于地球物理探測數(shù)據(jù)反演海底工程地質(zhì)參數(shù)的發(fā)展前景予以分析和展望。

表1 幾種常用反演結(jié)果的比較[4]Table 1 Comparison of several commonly used inversion results[4]

1 海底沉積物類型及常用工程地質(zhì)參數(shù)

海底的大部分面積均覆蓋有一層比較松軟的沉積物，從淺水的近海到深水大洋，沉積物的厚度差別很大。海底沉積物的最上層是流動或半流動的稠性介質(zhì)，且是一種多孔、未固結(jié)或部分固結(jié)、飽水的宏觀上各向同性的彈性介質(zhì)[5-6]。依據(jù)海水深度和離岸遠(yuǎn)近等海底區(qū)域地形要素可將海底沉積物劃分為3 類：深海沉積物（大洋盆地和深水海淵沉積物）、次深海沉積物（陸坡沉積物）和淺海沉積物（大陸架沉積物）[7]。其中，淺海沉積物由于易受陸源輸入、氣候及水動力（波浪、潮汐、潮流等）因素的影響，沉積物成分變化強(qiáng)烈，使得大陸架沉積物比大陸坡沉積物，特別是比深海沉積物要復(fù)雜得多[8]。從沉積物理學(xué)角度來看，海底是一個物理量多、特征變化范圍大的固體層，這些物理量之間互有相關(guān)性，它們的相關(guān)性隨著沉積物的沉積環(huán)境和沉積歷史的不同而不同。

常用的沉積物工程地質(zhì)參數(shù)有孔隙度n（%）、天然重度ρ（g/cm3）、含水量w（%）、飽和度s（%）、土粒比重G（g/cm3）、粒徑d（mm）、平均顆粒粒徑Md（Φ =—log2d）、液限Wl（%）和塑限Wp（%）等物理參量，以及抗剪強(qiáng)度q（kg/cm2）、固結(jié)系數(shù)等力學(xué)參量[7]。反映沉積物聲學(xué)特性的參量主要有反射系數(shù)R、反射損失BL（dB）、聲速V（m/s）、聲阻抗Z（g/（ cm2·s））和聲衰減系數(shù)α（dB/m）等[8-9]。不同沉積物類型的聲學(xué)特性具有較大的差異性，沉積物物理力學(xué)參數(shù)與聲學(xué)參數(shù)之間有著緊密的關(guān)系，因此，可以利用沉積物的聲學(xué)特性反演工程地質(zhì)參數(shù)。

2 海底沉積物聲學(xué)特性研究

自20 世紀(jì)50 年代開始，以美國為主的科學(xué)家開始了海底沉積物類型與聲學(xué)參數(shù)（聲速、聲衰減等）等方面的調(diào)查研究工作，對海底沉積物聲學(xué)特性和物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了大量的試驗和統(tǒng)計分析（圖1），得到了適用不同沉積物類型的經(jīng)驗公式，如：Hamilton 等在聲速和聲衰減與沉積物顆粒粒徑、密度、孔隙度等方面開展了大量統(tǒng)計工作[10-11]，建立了相關(guān)性經(jīng)驗公式；Fass[12]在Hamilton[11]、Sutton 等[13]和Morgan[14]的研究基礎(chǔ)上，發(fā)展出海底反射系數(shù)（R）與沉積物孔隙度（n）的經(jīng)驗公式（ R=0.646 8-0.645 6n）；Hamilton[15]和Bachman[1]研究了海底反射系數(shù)與沉積物平均粒徑（Mz）的相關(guān)性，分別得到相關(guān)經(jīng)驗公式（1）和（2）：

圖1 海底沉積物聲學(xué)特性和物理性質(zhì)統(tǒng)計關(guān)系圖Fig. 1 Statistical relationship between acoustic and physical properties of seafloor sediments

此外，我國許多研究人員也在海底淺表層沉積物的聲模型方面開展了廣泛的研究[16-19]，在不同海域建立了沉積物聲速預(yù)測公式[20-25]。

隨著海底沉積聲學(xué)的不斷發(fā)展，也形成了一系列海底沉積物聲波傳播理論模型（如Biot 模型、Biot-Stoll 模型、Hamilton 模型、Buckingham 模型、Wood 方程等）[1,26-29]。與統(tǒng)計性經(jīng)驗關(guān)系相比，沉積物聲波傳播理論將海底沉積物看作流體、彈性固體或多孔彈性介質(zhì)，涉及的參數(shù)較多（如Biot 理論至少需要13 個參數(shù)來描述各向同性介質(zhì)），但是可以較為準(zhǔn)確地描述海底沉積物聲波傳播特性，是研究海底沉積物聲學(xué)特性和物理性質(zhì)關(guān)系的重要手段和方法。然而，淺水區(qū)的砂質(zhì)沉積物作為多孔彈性介質(zhì)，深水區(qū)的松軟泥質(zhì)沉積物作為飽和流體多孔介質(zhì)，單一模型還不能完全解釋和準(zhǔn)確表達(dá)聲波在多類型沉積物中的傳播特征，以沉積物聲速為例，在不同水深區(qū)域內(nèi)，不同模型的預(yù)測精度存在顯著差異（圖2）。因此，發(fā)展構(gòu)建適用于多類型沉積物的海底底質(zhì)聲學(xué)模型是未來底質(zhì)聲學(xué)綜合反演研究的重點和難點。

圖2 不同水深區(qū)域聲速實測與模型預(yù)測結(jié)果對比Fig. 2 Comparison between measured values and model prediction results of sound velocity under different water depths

3 基于反向散射強(qiáng)度的反演與表層沉積物分類

目前，聲學(xué)方法在海底地形地貌探測方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，水聲探測技術(shù)的進(jìn)步和水聲傳播理論的研究成果的不斷出現(xiàn)促進(jìn)了利用聲學(xué)信號進(jìn)行海底底質(zhì)特征研究的發(fā)展，其中以利用多波束、側(cè)掃聲吶等的聲波反向散射強(qiáng)度的底質(zhì)特征研究最為廣泛[30-35]。海底回波的反向散射數(shù)據(jù)與海底底質(zhì)的粗糙度、沉積物粒徑、孔隙度、飽和度等物理屬性及入射角具有極強(qiáng)的相關(guān)性，多波束聲吶系統(tǒng)可以全覆蓋掃測海底，利用其回波強(qiáng)度反演海底底質(zhì)屬性參數(shù)是目前研究較多、應(yīng)用最為廣泛的手段之一[36-40]。

與海底底質(zhì)取樣獲取的真實海底樣品測試數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用多波束系統(tǒng)獲取的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)和海底聲像圖，可利用迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法[41]（Iterative Selforganizing Data Analysis, ISODATA）、無監(jiān)督的模糊C 聚類算法（Fuzzy C-Means Algorithm, FCMA, 或稱FCM）[42]、高階局部自相關(guān)算法（Higherorder Local Auto-Correlation, HLAC）及K-均值聚類算法[43]等計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理與識別技術(shù)，實現(xiàn)海底底質(zhì)類型的自動分類與識別。

多波束反向散射強(qiáng)度的精細(xì)處理是準(zhǔn)確獲取海底底質(zhì)屬性參數(shù)、提高底質(zhì)類型識別精度的重要保障。在對多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)解析提取的基礎(chǔ)上，進(jìn)行定姿定位、補(bǔ)償改正、聲吶圖像處理等技術(shù)最大限度剔除多波束干擾（跳變或邊緣等）數(shù)據(jù)對反向散射數(shù)據(jù)的影響，最終通過分類模型的構(gòu)建實現(xiàn)海底底質(zhì)屬性反演與類型識別（圖3）。

圖3 多波束底質(zhì)反演與分類技術(shù)流程Fig. 3 Technical flow of multi-beam substrate inversion and classification

4 基于淺地層剖面數(shù)據(jù)的反演

以電火花（Sparker）、Boomer 和Chirp 參量陣為聲源的高分辨率淺地層剖面探測技術(shù)在海洋工程[44]、海上考古[45]、國土防御[46]以及海洋地質(zhì)研究中應(yīng)用廣泛[47]，但是，長期以來對于這些數(shù)據(jù)通常只進(jìn)行淺地層剖面解釋，即得到有關(guān)沉積層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造信息，在定量反演方面應(yīng)用較少。近年來，隨著近海風(fēng)電場的建設(shè)，國內(nèi)外一些學(xué)者開始利用淺地層剖面數(shù)據(jù)開展海底工程地質(zhì)參數(shù)反演的探索性工作。例如，Kim 等[48]基于Chirp 剖面和沉積物測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計關(guān)系，建立了Ulleung 盆地海底沉積物聲學(xué)特征和巖土工程地質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性，用于分析表層沉積物的分布格局和沉積過程；Vardy 將遺傳算法應(yīng)用于淺地層剖面，得到阻抗剖面，進(jìn)而利用波阻抗與沉積物力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗關(guān)系得到工程地質(zhì)參數(shù)[49]；劉玉萍等則通過提取淺剖資料的海底均方根振幅，結(jié)合海底攝像系統(tǒng)判別海底底質(zhì)的軟硬程度[50]。

上述研究主要是對淺剖聲學(xué)特性與海底表層沉積物物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計性分析，利用統(tǒng)計關(guān)系反演表層沉積物物理性質(zhì)來了解海底底質(zhì)類型，這些方法往往需要大量的沉積物取樣測試數(shù)據(jù)，且獲得的統(tǒng)計關(guān)系僅適用于當(dāng)前研究區(qū)[51]。此外，Schock 利用Biot-Stoll 模型和Chirp 淺地層剖面數(shù)據(jù)反演了美國東部Fort Walton 海灘和南海海底沉積物的聲速、密度、孔隙度等物性參數(shù)[52]（圖4），由于Biot-Stoll 模型本身的限制，其反演的沉積物類型主要為砂質(zhì)沉積物（孔隙度為25%～80%）；陳靜等嘗試基于Biot-Stoll 模型和Chirp 淺剖數(shù)據(jù)對瓊州海峽的海底沉積物孔隙度、密度等物性進(jìn)行了反演[53]，同時引入了Gardner 經(jīng)驗公式對高反射區(qū)沉積物（孔隙度小于25%）的物性反演做了補(bǔ)充，但是對于較低反射區(qū)沉積物（孔隙度大于80%）仍使用Biot-Stoll 模型進(jìn)行反演，反演結(jié)果雖然整體相符，但局部誤差相對較大。通過對上述研究結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在利用淺地層剖面數(shù)據(jù)定量反演工作中所使用的模型或經(jīng)驗關(guān)系式較為單一且適用區(qū)域比較局限，往往根據(jù)某海域測試數(shù)據(jù)得到的關(guān)系式并不適用于其他海域，因此，如何綜合利用多種聲波傳播理論模型建立一種適用于當(dāng)前研究區(qū)或具有普適性的沉積物聲學(xué)特性與物理性質(zhì)之間的經(jīng)驗關(guān)系或模型模式是一個亟待解決的科學(xué)問題。

圖4 基于淺地層剖面的海底部沉積物物性參數(shù)反演Fig. 4 Inversion of physical property parameters of seafloor sediments based on sub-bottom profiles

5 基于多道地震數(shù)據(jù)的反演

在地震資料中，海底通常對應(yīng)于第一個正極性的強(qiáng)反射。理論上，這種強(qiáng)反射是由于海床（水和沉積物的分界面）上下存在較大的密度和速度差異形成的，其強(qiáng)度取決于聲阻抗和地震反射系數(shù)[54-55]。大量的數(shù)據(jù)和研究表明海底沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)與聲阻抗存在密切關(guān)系，如土體的孔隙度、土體的抗剪強(qiáng)度等[56-57]。土體的抗剪強(qiáng)度是描述土體抵抗剪切力大小的指標(biāo)，與聲阻抗之間存在著一定的關(guān)系，相關(guān)性統(tǒng)計試驗表明，當(dāng)海洋沉積物顆粒很小時（泥或粉砂質(zhì)軟泥），抗剪強(qiáng)度與聲阻抗之間的關(guān)系在不同的區(qū)域表現(xiàn)出相似性[58]。所以地震資料中蘊含著豐富的沉積體物理力學(xué)性質(zhì)信息[59-60]，可以通過研究地震資料中相關(guān)物理參數(shù)與沉積體物理力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，建立基于地震資料的海底工程地質(zhì)參數(shù)反演方法，研究成果是對現(xiàn)有海底地質(zhì)災(zāi)害勘查技術(shù)方法的重要補(bǔ)充，具有很高的應(yīng)用價值。

目前，地震資料解釋的發(fā)展主要包括以下幾個方向：數(shù)字化處理的大幅應(yīng)用、“模擬”數(shù)據(jù)集的復(fù)雜地形解釋、利用地震速度對地質(zhì)類型的劃分、地震數(shù)據(jù)和巖土工程資料的緊密結(jié)合，以及利用可視化軟件進(jìn)行解釋等[61]。為了利用先進(jìn)的地球科學(xué)方法從現(xiàn)有地震/測井?dāng)?shù)據(jù)中提煉出額外價值，Hamilton 等利用北海和Ormen Lange 氣田區(qū)2 個井場的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了多道地震反演試驗，對地震反演技術(shù)在井場勘查和地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用問題進(jìn)行了探討[62]。Daniel Orange 等利用全面的海底圖像、多道地震數(shù)據(jù)，結(jié)合重力學(xué)和磁學(xué)資料，以海底盆地中不同源級的滲出物為目標(biāo)，多種數(shù)據(jù)集進(jìn)行綜合解釋，對影響海底的基底線理進(jìn)行了識別，從而確定了淺部巖鹽的位置，為有關(guān)勘探和地質(zhì)災(zāi)害的研究提供了有效手段[63]。Li 等[64]基于3D 地震數(shù)據(jù)和巖芯測試數(shù)據(jù)建立了海床峰值震幅、聲阻抗和淺層土體抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上借助安全系數(shù)法建立了基于勘探地震數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定區(qū)域預(yù)測方法。倪然等基于Gassmann 理論與海上多道地震數(shù)據(jù)，結(jié)合多相介質(zhì)模型，利用地震速度分析提取的速度資料，反演海底孔隙度、密度和泊松比的反演方法[65]（圖5）。

圖5 基于地震資料反演沉積物物理參數(shù)Fig. 5 Inversion of sediment physical parameters based on seismic data

目前，基于地震資料的海底沉積物物理、力學(xué)參數(shù)反演研究大多處于試驗研究階段，主要還是通過研究地震屬性參數(shù)與沉積物物理力學(xué)參數(shù)間的統(tǒng)計關(guān)系，開展工程地質(zhì)參數(shù)反演，沒有形成系統(tǒng)的理論模型。且在反演過程中，地震數(shù)據(jù)的剖面質(zhì)量、信噪比等對反演結(jié)果影響較大。因此，如何在地震數(shù)據(jù)預(yù)處理、地震屬性參數(shù)提取、模型關(guān)系建立等方面取得突破性進(jìn)展，是基于地震數(shù)據(jù)獲取海底底質(zhì)工程地質(zhì)參數(shù)的一個亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

6 結(jié)語與展望

基于地球物理探測數(shù)據(jù)反演海底工程地質(zhì)參數(shù)，實質(zhì)就是將獲取的聲學(xué)變量轉(zhuǎn)換為海底沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)。由于海底的作用，淺海聲場相比深海聲場更加復(fù)雜，海底中的各類聲學(xué)參數(shù)，如密度、聲速與衰減等變化都將改變上層流體中聲場的分布。在深海中聲波與海底相互作用的次數(shù)較少，一些淺海中常用的簡正波頻散特征、傳播或混響的垂直相關(guān)等反演方法在深海中不再適用，因此，如何從聲場中有效地提取海底參數(shù)一直以來都是亟待解決的難題[66]。此外，聲學(xué)變量與物理性質(zhì)之間的關(guān)系是復(fù)雜的、多變的、非線性的，通過聲學(xué)理論模型、物理仿真及深度學(xué)習(xí)等方法構(gòu)建海底聲學(xué)底質(zhì)反演模型，同時綜合大量底質(zhì)取樣與多波束、淺地層剖面、多道地震等聲學(xué)地球物理探測數(shù)據(jù)，開展海底綜合探測與工程地質(zhì)參數(shù)反演將是未來研究的熱點方向。

6.1 多源多尺度地球物理數(shù)據(jù)融合反演

多波束可以獲取海底高精度水深地形及反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以用于反演海底表面底質(zhì)物性特征及底質(zhì)類型劃分，但由于勘探深度限制，無法進(jìn)一步獲取海底以下一定深度沉積地層的工程地質(zhì)參數(shù)。淺地層剖面與多道地震是海底地層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造探測的重要方法手段，可獲取海底以下一定深度內(nèi)的沉積地層特征信息。與原位聲學(xué)探測、底質(zhì)取樣等直接測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合利用多波束、淺地層剖面及多道地震等多種地球物理數(shù)據(jù)，開展多源多尺度地球物理數(shù)據(jù)融合反演，對提高海底淺部沉積層工程地質(zhì)參數(shù)反演具有重要意義。

6.2 高精度海底聲學(xué)模型構(gòu)建

在海底工程地質(zhì)參數(shù)反演與數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方面，20 世紀(jì)50 年代以來，歐美等國先后在大西洋、太平洋等區(qū)域采集了大量的海底底質(zhì)樣品、原位測量及聲學(xué)地球物理探測數(shù)據(jù)，建立了豐富的區(qū)域底質(zhì)特征數(shù)據(jù)庫。我國在基于地球物理數(shù)據(jù)反演海底工程地質(zhì)參數(shù)方面的研究并不深入，大多數(shù)研究集中在數(shù)據(jù)解析與改正、深部油氣儲層參數(shù)反演等方面，缺乏適合我國關(guān)鍵海區(qū)的地聲理論模型作支撐，并沒有對海底工程地質(zhì)參數(shù)反演中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面而系統(tǒng)的探討。因此，在現(xiàn)有海底工程地質(zhì)參數(shù)反演研究的基礎(chǔ)上，追蹤國際聲學(xué)底質(zhì)反演技術(shù)的最新動態(tài)，利用大量地質(zhì)取樣、原位聲學(xué)測試、多波束、淺地層剖面及多道地震數(shù)據(jù)，從基礎(chǔ)聲學(xué)理論方面，深入分析海底分層結(jié)構(gòu)及其地聲參數(shù)對聲傳播的影響，建立高精度海底聲學(xué)反演模型是未來海底工程地質(zhì)參數(shù)反演研究發(fā)展的重要方向。