■張超 趙俐紅 凌子龍 楊明明

（山東科技大學(xué)地科學(xué)院山東青島266590）

Chirp 3212淺剖儀在煙臺(tái)淺海區(qū)的應(yīng)用實(shí)例

■張超 趙俐紅 凌子龍 楊明明

（山東科技大學(xué)地科學(xué)院山東青島266590）

Chirp 3212是基于線性調(diào)頻技術(shù)的便攜式淺地層剖面回聲探測(cè)儀，其子波在經(jīng)過振幅包絡(luò)和相關(guān)等處理后,具有很高的資料信噪比和地層分辨率，因此該淺剖儀較好的解決了探測(cè)深度和分辨率矛盾的問題。淺剖儀理論上的地層分辨率可以達(dá)到十幾厘米，最大的探測(cè)深度大概在百米。本文以煙臺(tái)田橫山風(fēng)景區(qū)某區(qū)域探測(cè)地下15米范圍內(nèi)的地層為工程實(shí)例，利用該儀器進(jìn)行了勘測(cè)取得了較好的效果。

Chirp3212 淺剖儀 線性調(diào)頻 chirp 子波 淺剖實(shí)例

1　前言

我國(guó)東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，各種水域的開發(fā)也在逐漸的增加，比如：碼頭的建設(shè)、地下光纜和油氣管道以及排污管道等的設(shè)置。在開展工程前需要對(duì)其地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查和評(píng)價(jià).淺地層剖面儀可穿透海底一定深度的淤泥層、砂質(zhì)層和基巖層[2]，因此可以將水域范圍內(nèi)具有一定厚度的地層、構(gòu)造反映出來，有利于人們對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行深入的判斷，其應(yīng)用目前已成為了解工程場(chǎng)地潛在災(zāi)害地質(zhì)因素的重要途徑[3]。本文以煙臺(tái)田橫山風(fēng)景區(qū)某區(qū)域探測(cè)地下15米范圍內(nèi)的地層為工程實(shí)例，利用該儀器進(jìn)行了勘測(cè)取得了較好的效果。所得經(jīng)驗(yàn)對(duì)Chirp類淺剖儀及其相關(guān)的儀器在水域調(diào)查中的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

2　Chirp淺剖儀工作原理

把海底看作一個(gè)層狀的模型[6]，海水層作為第一種介質(zhì)，它的密度為P1，聲波在其中傳播的速度為V1。海底下的積物存在多個(gè)界面，假設(shè)它們的密度和速度分別是P2，V2，...Pn，Vn，其中海底為第一界面，當(dāng)聲波向下傳播時(shí)，一部分在分界面處發(fā)生反射，另一部分沿法線方向繼續(xù)傳播，在下一分界面處發(fā)生反射和透射，衡量反射的強(qiáng)度稱為反射系數(shù)。一個(gè)界面、兩種介質(zhì)的反射系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：R為反射系數(shù)；P1、V1為第一種介質(zhì)的密度和聲波在其中的傳播速度；P2、V2為第二種介質(zhì)的密度和聲波在其中的傳播速度。從公式（1）可以看出，獲得反射聲波的強(qiáng)弱取決于界面兩側(cè)物質(zhì)的差異。當(dāng)P2V2-P1V1的值較大，即界面兩側(cè)物質(zhì)差異較大時(shí)，接收到的反射信號(hào)就比較強(qiáng)，反之則比較弱。因此，接收到的反射信號(hào)，攜帶了水下地層的大量有用的地質(zhì)信息。通過觀測(cè)

記錄并分析海底沉積物對(duì)于聲波的反射特性，可以了解沉積物的地質(zhì)屬性，并可以直觀地描述地層的地質(zhì)構(gòu)造[7]。Chirp系統(tǒng)的理論縱向地層分辨率為十幾厘米左右，最大探測(cè)深度在50～60m左右[8]。完全滿足淺地層的勘探需要。

3　工程實(shí)例

研究區(qū)位于蓬萊北側(cè)海域，區(qū)域?yàn)?.6km×1km長(zhǎng)方形，水深在5-28m之間，本次勘察要求獲得調(diào)查研究區(qū)海底淺部15米之內(nèi)沉積物結(jié)構(gòu)和地層的空間分布特征等信息。

3.1數(shù)據(jù)采集

3.1.1采集方案

為了獲得測(cè)區(qū)全貌的地層構(gòu)造信息，淺地層剖面儀測(cè)線按照以下方案布設(shè)：區(qū)內(nèi)范圍內(nèi)主測(cè)線長(zhǎng)度1000m，平均間距300m，聯(lián)絡(luò)測(cè)線長(zhǎng)度600m，平均間距150m。為了避開測(cè)區(qū)散布的漁網(wǎng)，根據(jù)水深地形圖設(shè)計(jì)5條主測(cè)線（豎）和5條聯(lián)絡(luò)線（橫）。本次淺地層剖面探測(cè)中，頻率設(shè)計(jì)3.5kHz，帶寬3kHz，脈沖長(zhǎng)度2ms，量程設(shè)計(jì)為20-50m，換能器吃水深度1.7m。船只保持4節(jié)航速并穩(wěn)定航向，沿測(cè)線先從淺至深測(cè)量5條聯(lián)絡(luò)線，再測(cè)量5條主測(cè)線。第一條測(cè)線的方向?yàn)樽晕飨驏|，并為S曲線方式繼續(xù)行進(jìn)。

3.1.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在水域進(jìn)行調(diào)查時(shí)要進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試，進(jìn)行試驗(yàn)。將淺剖裝置安裝在船舷右側(cè)，嵌套在固定支架內(nèi)固定。安裝完畢后沿第一條測(cè)線進(jìn)行測(cè)試。

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。高噪聲機(jī)動(dòng)，如：馬達(dá)、水泵、風(fēng)機(jī)、螺旋漿等等，在記錄上表現(xiàn)條帶狀；魚群面積大，垂直密度也大，可以干擾發(fā)收信號(hào)，使地層信號(hào)減弱或消失；海況條件較差時(shí)，聲波被氣泡干擾，同時(shí)，浪花沖擊探頭，引起極大噪聲干擾；海底波阻抗比較大時(shí)，反射損失就較小，如果使用頻率又偏高,就會(huì)出現(xiàn)二次波或多次波，一般在水深較淺，聲速發(fā)射功率大時(shí)最容易發(fā)生二次回波及三次回波現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生同一位置圖象疊加現(xiàn)象，導(dǎo)致無法進(jìn)行內(nèi)業(yè)分析[11]；直達(dá)波干在記錄上表現(xiàn)為平行水面的黑線條。

3.2數(shù)據(jù)處理

淺剖搜集的數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)采集和后處理淺剖側(cè)掃聲吶以及磁法數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)SonarWiz5。

資料分析通過軟件對(duì)Seg-y文件進(jìn)行讀取、處理來實(shí)現(xiàn)。處理過程主要包括數(shù)據(jù)信號(hào)選擇、波速修正、測(cè)量深度選擇、色譜控制、濾波處理、信號(hào)增益修正、圖像輸出等幾個(gè)方面，處理順序及內(nèi)容則按任務(wù)的要求進(jìn)行合理的選擇[3]。對(duì)于得到的數(shù)據(jù)圖像，我們主要對(duì)它進(jìn)行濾波處理和增益處理。

3.3數(shù)據(jù)分析

圖3.3.1為第4條和第6條測(cè)線的剖面圖，縱坐標(biāo)為海水面為零點(diǎn)的深度值，橫坐標(biāo)為測(cè)線坐標(biāo)。剖面圖上的第一條線為水深值。剖面中，會(huì)存在二次波或多次波的干擾，它在記錄上顯示深度,是水深的兩倍或多倍，如圖3.3.1所示，出現(xiàn)了一個(gè)二次波，是水深的兩倍，且隨著深度的加深距離越來越大。第四條測(cè)線為聯(lián)絡(luò)測(cè)線，其剖面顯示地形較平緩，起伏變化不大。

根據(jù)對(duì)淺剖得到的數(shù)據(jù)和圖像的分析并結(jié)合當(dāng)?shù)氐囊恍┑貙淤Y料，在大的地層分析中，整個(gè)測(cè)區(qū)海底15米范圍之內(nèi)并沒有明顯的地層的分層，山東半島東北部海岸發(fā)育于魯東丘陵的基礎(chǔ)之上，這里的海岸以基巖-礁石海岸、砂質(zhì)海岸（包括連島沙壩海岸）、沙壩-渴湖型海岸、砂質(zhì)海灘等為特征。

如果地層內(nèi)砂質(zhì)較純，粉、細(xì)砂沉積又較密實(shí)，則層面線淡而細(xì)，層面線以下地層為一片白色，且層內(nèi)出現(xiàn)2次或多次反射，一般為砂層圖象。由于山東半島東北部濱淺海區(qū)的表層沉積物底質(zhì)類型為粉砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂，局部海區(qū)出現(xiàn)砂質(zhì)礫。細(xì)粉砂質(zhì)軟泥主要分布在蓬萊角海區(qū)。而我們測(cè)區(qū)屬于山東半島東北濱海區(qū)域并且測(cè)區(qū)靠近海岸，推測(cè)測(cè)區(qū)15m地層沉積物以砂質(zhì)粉砂為主，且上部地層含淤泥量較大，向下逐步變硬，為全新世的海相沉積。15m地層內(nèi)沒有連續(xù)可追蹤的反射界面，但在部分測(cè)線存在一些地形凸起和局部較小的沉積分層。如果后期管線施工應(yīng)盡量避開這些可能堅(jiān)硬的地方。

我們采用Surfer軟件對(duì)所測(cè)地形得到數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖。數(shù)據(jù)分別為大地坐標(biāo)和海底深度。由于測(cè)線并非直線，所得圖形僅供參考。可以看到地形在測(cè)區(qū)中部突然變陡，落差在10m?？傊?，整個(gè)測(cè)區(qū)海底下15m地層大部分為海相松散沉積地層，除在測(cè)區(qū)南部的東邊界發(fā)現(xiàn)有小型堅(jiān)硬地層出露外，其他地區(qū)基巖埋深較深，15m內(nèi)地層分層不明顯，缺少可連續(xù)追蹤的地層界面，推測(cè)該層以粉砂為主，上部地層含水量大，除堅(jiān)硬地層（或暗礁）出露外，該區(qū)15m地層內(nèi)還存在小型古洼地，但規(guī)模較小，其他災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象不明顯。

4　結(jié)語(yǔ)

本文以煙臺(tái)田橫山風(fēng)景區(qū)某區(qū)域探測(cè)地下15米范圍內(nèi)的地層為工程實(shí)例介紹了chirp3212淺剖儀的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，描述了它的使用方法和數(shù)據(jù)分析的步驟，并得出如下結(jié)論：

（1）本次利用淺剖儀獲得較淺的地層剖面（最低頻率3.5Kz）資料，該深度與地層結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)和頻率密切相關(guān)。

（2）由于缺少鉆孔資料，不能給出準(zhǔn)確的剖面解釋。但能結(jié)合鉆孔資料，將能整合鉆孔方法詳細(xì)、準(zhǔn)確的有點(diǎn)和物探方法高效普查、花費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，為勘查或者地質(zhì)災(zāi)害判別提供更可靠地根據(jù)。

（3）該淺剖系統(tǒng)在水域中采用連續(xù)走航的方式進(jìn)行調(diào)查，通過線性調(diào)頻技術(shù)子保證探測(cè)深度的條件下具有很高的分辨率，能夠獲得水底及地層分界面的有效信號(hào)，優(yōu)勢(shì)明顯。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（41106037）；山東省高校海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)）資助項(xiàng)目（2013B06）

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P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-149-2