蔣云魁

(福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350001)

我國(guó)擁有18400km的大陸海岸線和近300萬(wàn)km2的海洋國(guó)土面積，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，涉海工程建設(shè)越來越多，相應(yīng)地海域地質(zhì)調(diào)查的工作也隨之增加。淺地層剖面儀能便捷、快速、直觀、有效地揭示海底淺層沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，是海域淺層地質(zhì)調(diào)查的重要手段。

淺地層剖面探測(cè)是一種基于聲學(xué)反射原理的連續(xù)走航式地球物理探測(cè)方法。自20世紀(jì)80年代引入我國(guó)后，技術(shù)逐漸成熟并廣泛應(yīng)用于海域工程勘察、海底管線路由勘察等諸多領(lǐng)域，如李一保等將淺地層剖面儀應(yīng)用于海洋工程，張金城等將淺地層剖面儀應(yīng)用于海岸工程，柴冠軍等將淺地層剖面儀應(yīng)用于航道工程，周興華等將淺地層剖面儀應(yīng)用于杭州灣海底管線檢測(cè)，魏志強(qiáng)等將淺地層剖面儀應(yīng)用于大亞灣海底管道檢測(cè)，筆者工程實(shí)踐中將淺地層剖面儀成功應(yīng)用于各種打撈作業(yè)中。大量工程實(shí)踐證明，淺地層剖面儀在海域淺地層調(diào)查中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

1 Chirp聲吶脈沖

Chirp信號(hào)也稱線性調(diào)頻信號(hào)，是一種瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性增加或減小的信號(hào)，相對(duì)于早期連續(xù)波CW信號(hào)有著良好的自相關(guān)特性，20世紀(jì)80年代后期A.DE Roos等提出利用其進(jìn)行海底沉積物探測(cè)和識(shí)別的設(shè)想。3200XS淺地層剖面儀正是利用線性調(diào)頻技術(shù)(LFM)輸出FM掃頻脈沖穿透地層，結(jié)合DSP匹配濾波信號(hào)處理技術(shù)，地層穿透能力和地層分辨率都得以優(yōu)化。Chirp聲吶脈沖理論表達(dá)式見式(1)，頻率/時(shí)間函數(shù)關(guān)系見式(2)，脈沖在寬頻帶保證穿透能力的同時(shí)為了突出主頻分辨率，Chirp聲吶脈沖常和包絡(luò)函數(shù)如SIN函數(shù)一起使用，以MATLAB軟件繪制示意圖如圖1所示。

(1)

f(t)=f1+kt

(2)

圖1 SIN函數(shù)包絡(luò)的Chirp聲吶脈沖示意圖

2 淺地層剖面儀工作原理

地震學(xué)中把密度與波速的乘積稱為波阻抗?？v波垂直或近垂直入射時(shí)，反射波振幅A反與入射波振幅A入的比值叫做波從介質(zhì)1入射到分界面時(shí)的界面反射系數(shù)R。淺地層剖面儀工作原理如圖2所示。

(3)

式中，R—反射系數(shù)；A反—反射波振幅；A入—入射波振幅；ρ1、V1—上覆介質(zhì)1的密度、縱波波速；ρ2、V2—下伏介質(zhì)2的密度、縱波波速。

圖2 淺地層剖面儀工作原理示意圖

當(dāng)下伏介質(zhì)2波阻抗遠(yuǎn)大于上覆介質(zhì)1波阻抗時(shí)，式(3)中反射系數(shù)R越靠近1，即下伏介質(zhì)波阻抗越大于上覆介質(zhì)波阻抗，反射系數(shù)R越大，反射波振幅A反也越大，淺地層剖面探測(cè)正基于此，通過對(duì)波阻抗差異界面(反射界面)的拾取劃分地層。

3 3200XS型淺地層剖面儀

3.1 設(shè)備

3200XS型淺地層剖面儀由FS-SB全頻譜處理器、拖魚、Kevlar纜組成，如圖3所示。作業(yè)時(shí)，在港口、河道及近海岸常采用厘米級(jí)精度的GPS_RTK天線接入HYPACK軟件進(jìn)行導(dǎo)航，在保證平面定位的同時(shí)，高程數(shù)據(jù)與水(潮)位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；在近海岸、近海、外海GPS_RTK天線無法鎖定時(shí)，采用信標(biāo)機(jī)接入HYPACK軟件進(jìn)行導(dǎo)航，平面精度小于0.5m，高程采用觀潮數(shù)據(jù)校正。

圖3 3200XS型淺地層剖面儀

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)作業(yè)便捷。設(shè)備組件少，三個(gè)主要組件中最重的SB- 216S型拖魚僅70kg，無需懸吊臂等機(jī)械協(xié)助，出海作業(yè)小漁船、快艇皆可安裝探測(cè)。

(2)作業(yè)高效。得益于高發(fā)射速率，每秒最高可達(dá)10次。在不影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量前提下，0～1級(jí)海況，作業(yè)時(shí)速可達(dá)5kont；2～3級(jí)海況，作業(yè)時(shí)速?？刂圃?kont。選擇較好海況通常一天掃測(cè)量輕易可達(dá)50km。

(3)成果直觀。采集作業(yè)中每次發(fā)射、接收經(jīng)DPS濾波匹配后為一振幅不一的反射波形線，淺地層剖面圖便由一條條的反射波形線根據(jù)振幅大小以灰度圖像呈現(xiàn)(反射波振幅越大，灰度圖像越暗(黑)，反之，圖像越亮(白))，根據(jù)灰度圖像可直觀、實(shí)時(shí)地判別水深、海底底質(zhì)、目標(biāo)物、礁石及基巖埋深變化。

(4)定位精度高。目前主流的電火花式單道地震或多道地震勘探設(shè)備，為避免船螺旋槳攪動(dòng)的氣泡干擾，往往遠(yuǎn)離船尾，且設(shè)備發(fā)射、接收分體，定位精度實(shí)難保證，尤其在小型目標(biāo)物打撈作業(yè)中。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中將淺地層剖面儀拖魚掛于船中部外側(cè)，避開氣泡干擾的同時(shí)船穩(wěn)定的中部可減弱拖魚的擺動(dòng)幅度，導(dǎo)航設(shè)備置于拖魚上方，平面定位精度高。

(5)淺層分辨率高。地層分辨率不僅包含垂直分辨率，也包含水平分辨率。垂直分辨率的推導(dǎo)及影響因素詳見王琪等人淺剖儀垂直地層分辨率分析，3200XS型淺地層剖面儀采集作業(yè)中，Chirp聲吶脈沖選擇主頻為2～15kHz、脈沖寬度為10ms的脈沖，理論薄層分辨可達(dá)6cm。水平分辨率主要通過調(diào)節(jié)脈沖發(fā)射頻率、作業(yè)船只航速滿足，后文實(shí)例中30cm供水管道、船錨等在4kont航速下依舊可探明，可見采集數(shù)據(jù)水平向密度大、水平分辨率高。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)例介紹與分析

實(shí)例1：湄洲灣航道二期工程，根據(jù)航道設(shè)計(jì)高程，對(duì)設(shè)計(jì)高程以上的礁石方量進(jìn)行估算。

為準(zhǔn)確估算航道設(shè)計(jì)高程以上的礁石量，對(duì)航道區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)狀布置測(cè)線。航道區(qū)域地層主要為淤泥、泥質(zhì)細(xì)砂、礁石，區(qū)域礁石埋深整體較淺，礁石巖面可連續(xù)追蹤，最終利用SonarWiz后處理軟件及Surfer地質(zhì)繪圖軟件準(zhǔn)確形成巖面圖，并計(jì)算出設(shè)計(jì)高程以上的礁石方量。礁石淺地層剖面圖如圖4所示，礁石為波阻抗極大的介質(zhì)，Chirp聲吶脈沖到達(dá)其表面時(shí)以反射為主，淤泥-礁石界面為波阻抗明顯的差異界面，反射系數(shù)大，經(jīng)DPS濾波匹配后的反射波振幅大，采集灰度圖像中淤泥-礁石界面白-黑分明。

圖4 礁石淺地層剖面圖(1)

實(shí)例2：莆田湄洲島供水工程，根據(jù)供水管道設(shè)計(jì)比較方案，查明管線比較線路的底質(zhì)、地層情況，并提供三條比較線路在設(shè)計(jì)高程以上的礁石跨度。

三條比較線路區(qū)域表層以礫砂為主，礫砂為波阻抗較大的介質(zhì)，Chirp聲吶脈沖常難以穿透，由于供水管道設(shè)計(jì)埋深較淺，淺地層剖面探測(cè)仍能發(fā)揮其長(zhǎng)處。探測(cè)中淺埋礁石巖面可連續(xù)追蹤，最深可達(dá)7m。最終探測(cè)成果結(jié)合少量鉆孔精細(xì)、準(zhǔn)確地完成了三條設(shè)計(jì)線路的地質(zhì)剖面圖，礁石淺地層剖面圖如圖5—6所示，淺埋于礫砂之下礁石巖面比上覆淤泥時(shí)稍模糊，正是由于淤泥-礁石波阻抗差異比礫砂-礁石波阻抗差異大、反射系數(shù)大所致，出露的礁石巖面起伏不平，海底表面即為海水與礁石的強(qiáng)反射界面，灰度顯示較暗。

圖5 礁石淺地層剖面圖(2)

應(yīng)用實(shí)例3：福鼎沙埕引水工程，除對(duì)新設(shè)計(jì)引水線路進(jìn)行底質(zhì)、地層探測(cè)外，對(duì)資料缺失的舊管道進(jìn)行平面及高程定位。

設(shè)計(jì)引水線路區(qū)域淺部地層主要為淤泥、中細(xì)砂，局部礁石出露，舊管道為直徑30cm耐腐蝕耐壓不銹鋼管。本實(shí)例以分析舊管道探測(cè)為主，由于舊管管徑小，為能精準(zhǔn)定位及在采集灰度圖像中分辨管道，作業(yè)時(shí)控制航速不超過3kont，對(duì)最先探明的管線位置連線延伸，拖魚間隔橫切延伸線，管線拐點(diǎn)處多方向加密測(cè)線進(jìn)行精確定位，管道淺地層剖面圖如圖7所示，管道處于淤泥層中，埋深1～2m，淤泥-管道為波阻抗差異界面且管道為圓形，因而采集灰度圖像中管道呈暗色圓弧。

圖7 管道淺地層剖面圖

實(shí)例4：莆田大麥嶼海上風(fēng)電場(chǎng)工程，除對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的地層進(jìn)行劃分外，在平面圈定出淺埋礁石的范圍。

本項(xiàng)目可研階段進(jìn)行了淺地層剖面探測(cè)，僅對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)位連線進(jìn)行粗略探查，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域表層主要為淤泥、泥質(zhì)細(xì)砂、中粗砂，基巖整體埋深較淺，礁石多處出露海底。該地質(zhì)條件正好適合淺地層剖面探測(cè)，最終成果基本摸清了地層分布、基巖埋深。典型的淺埋礁石淺地層剖面如圖8所示，“上軟下硬”的地層結(jié)構(gòu)容易追蹤二者界面，該明顯的波阻抗差異界面正好為地層界面。淤泥、泥質(zhì)細(xì)砂淺地層剖面如圖9所示，淤泥淺地層剖面灰度圖像常呈含夾大量“水平向細(xì)薄層”的特征；泥質(zhì)細(xì)砂淺地層剖面灰度圖像放大后常呈砂類“均勻、散亂的點(diǎn)狀”特征，中粗砂亦如此，但灰度圖像偏暗。

圖8 淺埋礁石淺地層剖面圖

圖9 淤泥、泥質(zhì)細(xì)砂淺地層剖面圖

實(shí)例5：福清核電廠5km限制發(fā)展區(qū)海上風(fēng)電工程路由項(xiàng)目，探測(cè)要求對(duì)路由區(qū)域底質(zhì)劃分，且平面圈定路由區(qū)域礁石或不均勻風(fēng)化巖體范圍。

海上風(fēng)電路由項(xiàng)目海纜埋設(shè)深度一般不超過5m，此次探測(cè)難度在于灘涂區(qū)域水深較淺，為避免二次、多次反射覆蓋真實(shí)反射波選擇在高潮位作業(yè)，但靠岸大部分區(qū)域水深仍不到5m。探測(cè)發(fā)現(xiàn)淤泥中多處出現(xiàn)波阻抗突變的孤石，后期鉆探巖芯揭露為硅質(zhì)巖塊，如圖10所示。圖10中水深不到2m，二次、多次反射之所以沒影響聲吶脈沖的繼續(xù)穿透，筆者認(rèn)為Chirp聲吶脈沖在波阻抗極小的淤泥、含砂淤泥中以入射為主，且脈沖的聲強(qiáng)在淤泥等軟土中衰減較慢。推知，當(dāng)海底表層為波阻抗較大的礫砂、碎石等地層時(shí)，Chirp聲吶脈沖以反射為主，且脈沖的聲強(qiáng)衰減極快，這時(shí)二次、多次反射明顯，且深部采集灰度圖像偏亮，即使下伏再有“上軟下硬”地層，淺地層剖面儀探測(cè)仍舊失效。

圖10 硅質(zhì)巖塊淺地層剖面圖

實(shí)例6：某風(fēng)機(jī)吊裝主鉤及船錨打撈探測(cè)項(xiàng)目，受臺(tái)風(fēng)影響，風(fēng)機(jī)吊裝船1個(gè)風(fēng)機(jī)吊裝主鉤掉入海中、8個(gè)船錨拉斷。該海域表層10m內(nèi)皆為淤泥，多波束、側(cè)掃聲吶掃測(cè)無果后，推測(cè)風(fēng)機(jī)吊裝主鉤已沒入海底。

根據(jù)吊裝船事發(fā)前?？康拇蟾抛鴺?biāo)，對(duì)該區(qū)域擴(kuò)大范圍以5m的測(cè)線間距進(jìn)行掃測(cè)，無異常反射后加密掃測(cè)。最終首輪掃測(cè)便順利找到風(fēng)機(jī)吊裝主鉤及5個(gè)船錨(風(fēng)機(jī)吊裝主鉤造價(jià)昂貴，重造延誤工期，為首要找回目標(biāo))。主鉤上表面淤泥為明顯的波阻抗差異界面，且根據(jù)采集灰度圖像海底二次反射下的主鉤二次、層間多次反射較大把握地判斷為主鉤，事實(shí)正是吊裝主鉤。船錨表面積小，在海中接近直立姿態(tài)，拖魚掃測(cè)難以切到，找回難度較大。主鉤淺地層剖面圖及打撈實(shí)物如圖11所示，船錨淺地層剖面圖如圖12所示。其中船錨上方區(qū)域灰度圖像偏白，推測(cè)船錨受力擾動(dòng)原沉積淤泥后，被波阻抗更小的軟塑或流塑態(tài)淤泥填充所致。

4.2 淺地層剖面灰度圖像解譯總結(jié)

淺地層探測(cè)中，目標(biāo)物的識(shí)別、地層的劃分基于反射波勘探原理利用不同介質(zhì)(或地層)之間的波阻抗差異區(qū)分，波阻抗差異不明顯時(shí)利用淺地層剖面儀高分辨率的特點(diǎn)通過采集灰度圖像的宏觀表征判別。

通過以上6個(gè)應(yīng)用實(shí)例可看出：①當(dāng)波阻抗差異明顯時(shí)，下伏介質(zhì)(礁石、孤石、管道、吊裝主鉤)波阻抗與上覆介質(zhì)波阻抗差異越大，反射系數(shù)越大，反射波振幅越大(對(duì)應(yīng)反射波能量越強(qiáng))，在采集灰度圖像中下伏介質(zhì)顯示越暗；②波阻抗差異不明顯時(shí)，軟土層或覆蓋層之間的類別判斷(如含砂淤泥與淤泥、淤泥與泥質(zhì)細(xì)砂)主要利用淺地層剖面儀高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，通過軟土微觀結(jié)構(gòu)在采集灰度圖像上的宏觀表征判別。

圖11 主鉤淺地層剖面圖及打撈實(shí)物

圖12 船錨淺地層剖面圖

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，在適宜地質(zhì)條件下淺地層剖面儀應(yīng)用于航道、供引水、海上風(fēng)電工程和打撈作業(yè)時(shí)，可清晰、直觀地揭示海底底質(zhì)、地層以及目標(biāo)物。其中，在解譯淺地層剖面灰度圖像時(shí)應(yīng)結(jié)合探測(cè)原理以及設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，方能準(zhǔn)確地識(shí)別海底底質(zhì)、劃分地層和定位目標(biāo)物。

淺地層剖面儀也存在不足，受發(fā)射脈沖主頻限制其穿透深度有限，需查明區(qū)域巖面時(shí)應(yīng)以海域單道或多道地震勘探設(shè)備為主；為驗(yàn)證海底底質(zhì)判別和校正基巖埋深，需結(jié)合一定數(shù)量鉆孔；在管道、光纜、電纜、鐵質(zhì)異物排查中效率較慢，還應(yīng)結(jié)合側(cè)掃聲吶、海洋磁力儀等技術(shù)手段。