馮 京，趙鐵虎，劉懷山，張曉波，褚宏憲

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100；2.國(guó)土資源部 海洋油氣資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071；3.青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071)

0 前言

高分辨率淺剖探測(cè)技術(shù)始于二十世紀(jì)六十年代初期，是海洋地球物理探測(cè)技術(shù)中的重要手段之一[1]。其具有剖面分辨率高、探測(cè)成本低和采集效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在海洋工程建設(shè)[2-3]、海砂及富鈷結(jié)殼等礦產(chǎn)資源調(diào)查[4-5]和海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究等領(lǐng)域。利用高品質(zhì)的淺剖數(shù)據(jù)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和重要科研成果，在揭示海底地層結(jié)構(gòu)、研究第四紀(jì)地層層序、識(shí)別海底災(zāi)害地質(zhì)等方面發(fā)揮了重要作用[6-7]。高品質(zhì)淺剖數(shù)據(jù)資料的獲得與淺剖數(shù)據(jù)采集參數(shù)的選取有直接關(guān)系，盡管目前淺剖數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，但采集參數(shù)依然是決定因素之一。李一保等[8]分析了影響淺剖資料分辨率的幾個(gè)主要因素，并提出了合理設(shè)置采集參數(shù)組合來進(jìn)一步提高淺剖數(shù)據(jù)分辨率的建議。作者以渤海海峽及周邊海區(qū)為研究區(qū)，分析了以往該區(qū)淺剖資料，提取了以往該區(qū)主要采集參數(shù)。運(yùn)用英國(guó)CODA公司DA500淺剖探測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)探測(cè)目的要求、研究區(qū)自身地質(zhì)及地球物理特征，闡述了淺剖探測(cè)采集參數(shù)的選取過程。對(duì)影響淺地層剖面品質(zhì)的主要參數(shù)做了詳細(xì)分析，制定了針對(duì)性試驗(yàn)方案，分析了試驗(yàn)中獲得的淺地層剖面，取得了良好的探測(cè)效果，確定了最佳采集參數(shù)組合，為對(duì)該區(qū)進(jìn)行淺剖探測(cè)提供了參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及探測(cè)目的

研究區(qū)位于渤海海峽及周邊海域，水深南部較淺，一般小于30 m，北部較深，最深處為86 m，位于老鐵山水道海區(qū)。研究區(qū)內(nèi)海底沉積物礫石、細(xì)砂、細(xì)粉砂質(zhì)軟泥均有分布，以細(xì)砂為主；礫石區(qū)主要分布在老鐵山水道和渤海海峽南部海區(qū)，位于研究區(qū)北部；細(xì)粉砂質(zhì)軟泥主要分布在蓬萊角海區(qū)，位于研究區(qū)西南部和東南部[9]。研究區(qū)因沉積環(huán)境的變化造成海相、陸相地層交互發(fā)育特征明顯，沉積相與巖性特征變化顯著。淺剖探測(cè)目的為獲取海底以下100 m內(nèi)高分辨率地層信息；探明研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)，劃分地層單元及沉積厚度；識(shí)別海底斷層，分析斷層的性質(zhì)、分布特征及成因。

2 研究區(qū)地層層序模型的建立

由歷史資料顯示，根據(jù)淺地層剖面的反射結(jié)構(gòu)、波組特征和上超、下超、頂超、削蝕、缺失等地層反射終止方式，渤海海峽淺地層層序自上而下依次劃分為9個(gè)反射界面及9個(gè)地層單元[10]。通過時(shí)深轉(zhuǎn)換(地層平均速度為1 650 m/s[11])結(jié)合以往研究區(qū)內(nèi)水深、淺剖、鉆孔等研究成果，建立了研究區(qū)地層層序模型圖，獲得了研究區(qū)地層反射界面特征及埋深、層內(nèi)反射特征及沉積類型等地層信息；發(fā)現(xiàn)有效地層穿透深度在50 m～70 m之間，地層穿透深度較淺；淺部有效地層信號(hào)被氣泡效應(yīng)掩蓋，分辨率較低；為下一步最優(yōu)采集參數(shù)的選取提供了基礎(chǔ)資料。

3 采集系統(tǒng)及采集參數(shù)分析

3.1 采集系統(tǒng)

淺剖探測(cè)采用英國(guó)CODA公司DA500淺剖采集系統(tǒng)，它由CODA采集工作站、CSP-D2400震源控制、Sparker震源、信號(hào)拖纜和20單元組合檢波水聽器五個(gè)部分組成。其中震源控制范圍50 J～2 400 J(多檔可選)；Sparker震源由8束電極組合而成，采用正極放電，電-聲轉(zhuǎn)換效率高，主頻約1 000 Hz,最大穿透深度150 m～200 m；水聽器采用組合檢波，檢波器個(gè)數(shù)為20，間隔為0.15 m，聲壓靈敏度為167 db，頻率響應(yīng)為145 Hz～7 kHz，垂向分辨率為0.2 m～0.5 m。導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用美國(guó)Trimble公司生產(chǎn)的DSM132型DGPS接收機(jī)，定位中誤差小于1 m，導(dǎo)航軟件采用廣州中海達(dá)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.2 采集參數(shù)分析

淺剖探測(cè)系統(tǒng)中主要的采集參數(shù)包括激發(fā)能量、觸發(fā)間隔、震源及水聽器沉放深度、震源及水聽器拖放長(zhǎng)度、帶通濾波、記錄量程等。通過分析以往淺剖探測(cè)資料及調(diào)查研究成果[12-14]，提取以往主要采集參數(shù)如表1所示。

3.2.1 激發(fā)能量

震源激發(fā)能量大小決定地層穿透能力和分辨率的高低[15-16]，分析探測(cè)目的為獲取海底以下100 m內(nèi)高分辨率地層剖面記錄，較以往穿透地層深度大，需提高震源激發(fā)能量，對(duì)比以往激發(fā)能量300 J～500 J，確定激發(fā)能量試驗(yàn)范圍為400 J～800 J。

3.2.2 觸發(fā)間隔

觸發(fā)間隔用于控制震源激發(fā)頻率，理論上觸發(fā)間隔越小，獲取海底地層的有效反射信號(hào)越多，可提高淺地層剖面的橫向分辨率。鑒于儀器本身的性能，其觸發(fā)間隔和震源能量有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)比以往經(jīng)驗(yàn)值，觸發(fā)間隔試驗(yàn)范圍為800 ms～1 200 ms。

圖1 研究區(qū)地層層序模型圖Fig．1 Stratigraphic sequence model of study areas

激發(fā)能量/J觸發(fā)間隔/ms震源換能器沉放深度/m水聽器沉放深度/m震源換能器拖放長(zhǎng)度/m水聽器拖放長(zhǎng)度/m帶通濾波/Hz記錄量程/ms300^50010001^20.33030500^5000100^150

3.2.3 震源及水聽器拖放長(zhǎng)度

震源及水聽器拖放長(zhǎng)度主要由采集環(huán)境噪聲干擾源決定，如船體發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和船體尾流噪聲干擾等，不同船只類型其干擾源大小不同，通過分析比對(duì)以往調(diào)查船性能，本次拖放長(zhǎng)度試驗(yàn)范圍為30 m～50 m。

3.2.4 震源及水聽器沉放深度

本次調(diào)查采用漂浮式電火花震源，其入水深度由拖拽方式控制，范圍在0.3 m～1.2 m，較以往震源沉放淺，將其分為0.3 m～0.6 m，0.6 m～0.9 m，0.9 m～1.2 m三段分別進(jìn)行試驗(yàn)。水聽器采用20單元組合檢波器，水平漂浮于水面下0.2 m處。

3.2.5 帶通濾波

帶通濾波用于控制淺剖數(shù)據(jù)信號(hào)的有效頻帶寬度，高頻信號(hào)利于獲取淺部地層信息，低頻信號(hào)利于獲取深部地層信息。通過對(duì)以往該區(qū)淺剖數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)有效低頻信號(hào)在300 Hz～500 Hz，有效高頻信號(hào)在1 000 Hz～3 000 Hz，因此可確定帶通濾波范圍為300 Hz～3 000 Hz。

3.2.6 記錄量程

根據(jù)采集要求為獲取海底以下100 m以內(nèi)淺剖數(shù)據(jù)，通過時(shí)深轉(zhuǎn)換有效淺剖數(shù)據(jù)記錄應(yīng)不小于130 ms，考慮研究區(qū)最大水深約86 m，以及船速和觸發(fā)間隔對(duì)數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度的制約，為確保完整記錄海底以下100 m目的層淺剖數(shù)據(jù)，實(shí)際作業(yè)記錄量程可確定為300 ms。

4 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)區(qū)地層背景

由于研究區(qū)跨度較大，作業(yè)環(huán)境及地震地質(zhì)條件類型差異較大，因此試驗(yàn)分三個(gè)區(qū)域進(jìn)行，試驗(yàn)測(cè)線分布在研究區(qū)的西北、西南、東南三個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)整體數(shù)據(jù)資料的宏觀控制，測(cè)線總長(zhǎng)度共計(jì)35 km。其中試驗(yàn)一位于研究區(qū)西北部，水深40 m左右，海底為砂質(zhì)沉積類型，工程鉆孔CD5位于試驗(yàn)一區(qū)附近，孔深50.6 m，據(jù)劉升發(fā)[17]等對(duì)渤海CD5孔的描述，自上而下地層共分為四個(gè)單元，海底表層0 m～4.8 m以青灰色細(xì)砂層沉積為主，為潮流砂；15.6 m以淺含少許粘土薄層，風(fēng)化層厚度不明顯；15.6 m以下沉積物多以細(xì)砂、粉砂為主。試驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三分別位于研究區(qū)西南部和東南部，水深16 m～20 m，海底底質(zhì)為粘土質(zhì)粉砂和淤泥，厚度在2 m～4 m，結(jié)合位于試驗(yàn)三區(qū)北部附近的NYS-102鉆孔[18](孔深為70.1 m)其地質(zhì)分層主要分為十個(gè)地層單元，40 m以淺地層單元多以粘土質(zhì)粉砂和細(xì)砂為主；40 m以下地層主要以細(xì)砂和中砂為主，附帶粘土夾層。另外通過對(duì)比周邊歷史淺地層剖面地震相特征發(fā)現(xiàn)，地層單元存在局部缺失現(xiàn)象。

4.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)以上分析，針對(duì)震源激發(fā)能量、觸發(fā)間隔、入水深度三個(gè)關(guān)鍵采集參數(shù)進(jìn)行組合試驗(yàn)。試驗(yàn)位置和方案見圖2和表2。

圖2 研究區(qū)試驗(yàn)測(cè)線位置圖Fig．2 Location of test lines in study areas

試驗(yàn)次序試驗(yàn)位置試驗(yàn)測(cè)線長(zhǎng)度/km試驗(yàn)方式試驗(yàn)海況試驗(yàn)一研究區(qū)西北部15同一測(cè)線不同參數(shù)組合重復(fù)觀測(cè)Ⅰ級(jí)試驗(yàn)二研究區(qū)西南部10同一測(cè)線不同參數(shù)組合單次觀測(cè)Ⅰ級(jí)試驗(yàn)三研究區(qū)東南部10同一測(cè)線不同參數(shù)組合單次觀測(cè)Ⅰ級(jí)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 背景噪聲分析

淺剖測(cè)量過程中的背景噪聲主要為隨機(jī)噪聲，由船體發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、船體尾流噪聲、海水涌浪噪聲等組成[19]。它們對(duì)剖面分辨率影響較大，通過調(diào)整震源及水聽器的拖放長(zhǎng)度,可以有效避開船體發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及船體尾流噪聲，而海水涌浪噪聲則受天氣制約。圖3為背景噪聲隨震源及水聽器拖放長(zhǎng)度對(duì)采集剖面的直觀響應(yīng)圖，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨震源及水聽器拖放長(zhǎng)度的增加，背景噪聲效應(yīng)逐漸減??；當(dāng)震源及水聽器拖放長(zhǎng)度為40 m時(shí)，背景噪聲控制效果較佳，大于40 m時(shí)，則無明顯變化，因此將震源及水聽器拖放長(zhǎng)度設(shè)定為40 m。

圖3 背景噪聲剖面響應(yīng)圖Fig．3 Response of background noise in profile

4.3.2 關(guān)鍵采集參數(shù)分析

試驗(yàn)一測(cè)線位于研究區(qū)西北部，為保障采集參數(shù)對(duì)比的可靠性和一致性，對(duì)比試驗(yàn)測(cè)線采取同向不同參數(shù)組合進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)。首先保持觸發(fā)間隔為1 000 ms，對(duì)震源激發(fā)能量和震源入水深度進(jìn)行組合，組合參數(shù)分別為：①能量400 J，震源入水深度0.6 m～0.9 m；②能量600 J，震源入水深度0.3 m～0.6 m；③能量800 J，震源入水深度0.9 m～1.2 m。對(duì)不同參數(shù)組合采集的淺地層剖面采取局部對(duì)比分析(圖4、圖5)，發(fā)現(xiàn)組合①氣泡效應(yīng)較弱，但深部地層反射較弱，地層穿透深度不足，深部剖面分辨率明顯較低；組合③氣泡效應(yīng)較嚴(yán)重，造成淺部地層信息被覆蓋較嚴(yán)重，分辨率低；組合②氣泡效應(yīng)影響相對(duì)較小，淺部分辨率較高，地層穿透深度較大達(dá)到了100 m，聲學(xué)反射特征明顯，同相軸清晰可連續(xù)追蹤，地層分界線易識(shí)別，整體分辨率較高，因此組合②為最優(yōu)組合參數(shù)。然后保持激發(fā)能量600 J，震源入水深度0.3 m～0.6 m，觸發(fā)間隔采用800 ms、1 000 ms和1 200 ms進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，剖面局部對(duì)比見圖6。發(fā)現(xiàn)觸發(fā)間隔采用800 ms不僅能獲取更多有效地層反射信息，同相軸較連續(xù)，較易識(shí)別地層分界線及層內(nèi)反射特征，且剖面橫向分辨率高于1 000 ms和1 200 ms，因此選定觸發(fā)間隔為800 ms。

圖4 氣泡效應(yīng)對(duì)比Fig．4 Comparative of bubble effect

圖5 深部地層剖面對(duì)比

試驗(yàn)二和試驗(yàn)三分別位于研究區(qū)西南部和東南部，在試驗(yàn)一的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)線采取單向連續(xù)觀測(cè)，保持其他參數(shù)不變，主要對(duì)激發(fā)能量參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)取得的深部地層剖面進(jìn)行對(duì)比分析(圖7和圖8)，發(fā)現(xiàn)激發(fā)能量為600 J時(shí)，深部有效信號(hào)明顯增強(qiáng)，剖面波組特征清晰，地層頂、底分界面振幅強(qiáng)弱明顯，地層穿透深度達(dá)100 m，剖面整體分辨率優(yōu)于400 J和500 J，因此激發(fā)能量參數(shù)設(shè)定為600 J。最終獲得的最佳采集參數(shù)見表3。

圖6 不同觸發(fā)間隔剖面局部對(duì)比Fig．6 Comparative of different trigger interval of partial profile

5 實(shí)測(cè)地層剖面分析

根據(jù)試驗(yàn)確定的高分辨率淺剖數(shù)據(jù)采集參數(shù),在研究區(qū)進(jìn)行了實(shí)際探測(cè)作業(yè)，圖9為研究區(qū)典型淺地層剖面，發(fā)現(xiàn)取得的淺地層剖面資料同相軸清晰可連續(xù)追蹤，地層頂?shù)追纸缇€明顯(見紅色橢圓圈內(nèi)剖面)，斷層斷距及斷層頂?shù)捉缑嫘畔⒁鬃R(shí)別，剖面整體分辨率較高，有效探測(cè)深度超過130 ms，大于100 m。最終采集的淺剖探測(cè)數(shù)據(jù)較好地兼顧了地層分辨率和有效穿透深度，可為探明研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)，劃分地層單元及地層單元沉積厚度和識(shí)別海底斷層，分析斷層的性質(zhì)、分布特征及成因等提供基礎(chǔ)地層信息。

圖7 試驗(yàn)二深部地層剖面對(duì)比Fig．7 Comparative of deep bottom profile in test Ⅱ

圖8 試驗(yàn)三深部地層剖面對(duì)比Fig．8 Comparative of deep bottom profile in test Ⅲ

激發(fā)能量/J觸發(fā)間隔/ms震源換能器沉放深度/m水聽器沉放深度/m震源換能器拖放長(zhǎng)度/m水聽器拖放長(zhǎng)度/m帶通濾波/Hz記錄量程/ms6008000.3^0.60.24040300^3000300

圖9 典型淺地層剖面Fig．9 A typical sub-bottom profile

6 結(jié)論

(1)在分析研究區(qū)水深分布、地層穿透深度、地層反射界面特征及埋深等資料的基礎(chǔ)上,建立了研究區(qū)地層層序模型，為制定試驗(yàn)方案和選取最佳采集參數(shù)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

(2)通過對(duì)三個(gè)區(qū)塊的系統(tǒng)試驗(yàn)與分析，確定了最佳采集參數(shù)，獲取了分辨率良好的淺剖數(shù)據(jù)資料。

(3)選取最佳激發(fā)能量時(shí)需兼顧穿透深度和剖面分辨率，大能量激發(fā)有利于獲得深部地層有效反射信號(hào)；減小震源入水深度可削弱氣泡效應(yīng)影響；在儀器性能范圍內(nèi)減小觸發(fā)間隔,可提高剖面橫向分辨率。

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