0 引 言

近年來，隨著大型深遠(yuǎn)?？茖W(xué)考察船的下水及各種深遠(yuǎn)海調(diào)查設(shè)備的應(yīng)用，對海洋科學(xué)的研究及海洋資源的勘察逐步從近海向深遠(yuǎn)海延伸(王建村等，2020)。由于水體介質(zhì)的特殊性以及海洋探測技術(shù)的特點，目前對海底沉積物探測最有效的方法仍然為基于水聲學(xué)原理的淺地層剖面探測技術(shù)。TOPAS(Topographic Parametric Sonar) PS18淺地層剖面儀目前在大洋勘探中應(yīng)用廣泛，為深遠(yuǎn)海海洋科考活動提供準(zhǔn)確的淺地層剖面資料，在海底礦產(chǎn)資源的探測與開發(fā)工作中也主要通過淺地層剖面儀來進行勘察。21世紀(jì)初，我國在東太平洋地區(qū)開始獲得海底專屬勘探礦區(qū)及優(yōu)先開采礦區(qū)(呂國濤等，2013)，標(biāo)志著我國深遠(yuǎn)海資源勘探開發(fā)工作正式拉開序幕。

當(dāng)前，國內(nèi)外雖然已經(jīng)進行了大量的深遠(yuǎn)海考察工作，但是由于考察成本及應(yīng)用效益等原因，針對深遠(yuǎn)海淺地層的探測工作非常少，雖然對某些區(qū)塊進行過一些深遠(yuǎn)海淺剖的相關(guān)工作，但由于涉密等原因，并未公開發(fā)表成果。

以西太平洋一過海山淺地層剖面為例，介紹參量陣淺地層剖面調(diào)查設(shè)備組成及原理，通過對淺層剖面資料進行處理及解釋，分析該區(qū)域的沉積演化規(guī)律，為該區(qū)塊下一步的調(diào)查勘探工作奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)備組成及測量原理

TOPAS PS18 淺地層剖面儀采用寬帶非線性參量陣技術(shù)，既保證有很高的地層分辨率，又滿足了在深水中的地層穿透能力，可以在20 m至全海深的環(huán)境中進行作業(yè)。該設(shè)備的最大地層穿透厚度可達(dá)200 m，地層分辨率<0.25 m。

系統(tǒng)換能器安裝在船底，具有橫搖、縱搖和升降波束穩(wěn)定的功能，具備進行高精度、高分辨率調(diào)查任務(wù)的能力，同時能滿足在15節(jié)船速下進行高效勘測工作。目前該設(shè)備被廣泛應(yīng)用于海洋淺地層結(jié)構(gòu)探測、海洋底質(zhì)調(diào)查、海洋熱液冷泉調(diào)查、海底礦產(chǎn)勘探等工作，在深海底質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探及沉積演化研究方面發(fā)揮了重要的作用(吳水根等，2007)。

1.1 設(shè)備組成

TOPAS PS18系統(tǒng)主要由換能器、收發(fā)機柜單元、系統(tǒng)控制單元和外圍傳感器4部分組成(圖1)。

圖1 TOPAS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

TOPAS PS18淺地層剖面儀的換能器安裝在船底，共由8個模塊組成，為收發(fā)一體式換能器。在進行海底淺地層剖面探測工作時，發(fā)射換能器陣列向水體中發(fā)出高能量聲脈沖，聲脈沖在水體和海底傳播過程中遇到波阻抗界面產(chǎn)生反射，反射波將信息以聲學(xué)反射信息的形式傳送至接收換能器，同時接收換能器陣列將接收的聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸給收發(fā)機柜單元。

收發(fā)機柜單元為整個系統(tǒng)的心臟與大腦，主要控制聲學(xué)信號的激發(fā)、接收及能量放大等，負(fù)責(zé)將換能器陣列轉(zhuǎn)換的電信號進行處理后發(fā)送至系統(tǒng)控制單元進行數(shù)據(jù)存儲和顯示。

系統(tǒng)控制單元主要指采集軟件控制，使用TOPAS自帶軟件(圖2)，不僅具有采集功能，還具有處理和回放功能。在數(shù)據(jù)采集過程中，可以通過參數(shù)設(shè)置來控制激發(fā)狀態(tài)、波形、能量、接收時延等信息，同時也能實時調(diào)整增益、時窗等，以提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

圖2 TOPAS采集軟件設(shè)置界面

1.2 參量陣技術(shù)原理

淺地層剖面探測中與探測地層分辨率直接相關(guān)的波束角大小受換能器大小的制約，即波束角越小，所需的換能器越大，例如，直徑為D的圓形平面陣的波束寬度約為λ/D(λ為發(fā)射聲波的波長)。為提高分辨率就需要降低波束寬度，但是換能器尺寸又不可能無限增大，兩者相互矛盾。

為解決上述矛盾，非線性參量陣聲吶技術(shù)被應(yīng)用到淺剖探測中，該方法以其能在小孔徑下實現(xiàn)低頻、窄波束、高指向性且無旁瓣的特點，一直在水聲探測領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注,且發(fā)展勢頭越來越好。參量陣技術(shù)利用換能器發(fā)射2個頻率相近且沿同一方向傳播的高頻初始信號，在遠(yuǎn)場中獲得2個高頻信號的差頻、和頻及諧頻等次頻聲波信號，利用主頻及次頻信號來進行探測(劉圣軍，2008；朱建軍，2014；萬芃等，2015)。

參量陣換能器同時向水中發(fā)射2個頻率相近的高頻聲波信號(f1、f2)作為主頻信號，在水體傳播過程中，主頻信號由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)形成差頻波(f1-f2)，由于主頻信號f1和f2非常接近，所以差頻(f1-f2)的頻率很低，故具有很強的沉積層穿透能力，可以用來探測海底沉積地層結(jié)構(gòu)，由于主頻信號f1頻率較高，所以可用于精確測量水體深度(圖3)(黃淳，2013；祝鴻浩，2015；胡夢濤等，2019)。由于次頻信號與主頻信號的波束角基本一致，并且不存在旁瓣，故次頻信號的波束指向性好，具有較高的分辨率，大量的沉積層信息就可以通過可控的差頻信號來獲得，從而更好地識別和分類沉積層。由于初始波信號f1和f2頻率較高，故不需要為了提高探測深度而無限增大換能器尺寸，解決了實際的工程問題(付作民等，2019)。

圖3 參量陣原理圖

TOPAS PS18淺地層剖面儀的中心主頻為18 kHz，可以控制發(fā)射15～21 kHz的信號，從而產(chǎn)生0.5、1、2、3、4、5、6 kHz的差頻信號，換能器尺寸僅為約1.2 m2，卻可以完成水深20 m至全海深的地層探測，穿透能力超過150 m(由沉積類型、水深和環(huán)境噪音決定)。

2 在深遠(yuǎn)海的應(yīng)用效果

選取2018年在西太平洋地區(qū)采集的一條具有典型沉積層序的淺地層剖面資料進行效果展示及分析，測線具體位置如圖4。圖中黃色折線為測線L1的位置，由于L1測線整體較長，從淺層剖面來看，測線大部分區(qū)域無明顯地震層序，只有圖中紅色標(biāo)記的A-B段地震層序特征比較明顯，故選取L1測線的A-B段作為淺剖展示及分析測線段，重點針對A-B段的淺剖資料進行分析。

圖4 淺剖測線位置圖

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西太平洋東馬里亞納海盆的麥哲倫海山群，南部為東馬里亞納海盆，東部為皮嘉費他海盆(張伙帶等，2018)，平均水深超過1 000 m，由于科考船同時載有多波束儀和淺剖儀，故兩臺儀器同時探測，主要目的是探明研究區(qū)的地形地貌及淺地層信息。查閱歷史資料發(fā)現(xiàn)，該區(qū)屬于東馬里亞納海盆中的大型斷塊狀隆起區(qū)(程永壽等，2015)。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及處理

波形選擇：Chirp波是一種線性調(diào)頻脈沖，具有覆蓋頻率范圍大、能量大、分辨率高的特點,對地層進行測量時, 在保證地形穿透能力的同時仍然具有較高的分辨率(萬芃等，2015)。

由于該區(qū)平均水深超過1 000 m,常規(guī)信號無法同時滿足穿透和高分辨率的要求，故使用Chirp(LFM)波對其地層進行測量，實踐證明探測效果比較理想。

能量選取：由于此次淺剖采集所用的設(shè)備可滿足20～11 000 m的全水深作業(yè)，為滿足在淺水作業(yè)時保護設(shè)備，在深水作業(yè)時能夠達(dá)到穿透能量的要求，TOPAS可以通過采集軟件控制輸出能量的百分比，一般在水深超過1 km時開始選用100%能量進行探測，故在作業(yè)過程中將能量設(shè)置為100%。由于TOPAS參量陣用來探測的次頻信號頻率范圍為2.0～6.0 kHz，為避免吉布斯效應(yīng)，將濾波范圍設(shè)置為低頻1.0～2.0 kHz、高頻6.0～7.0 kHz，并根據(jù)現(xiàn)場資料情況調(diào)整時變增益，保證海底能正常顯示，且地震層序明顯。

科考船上同時配備了全水深多波束和淺剖設(shè)備，多波束儀可以根據(jù)聲速剖面資料來準(zhǔn)確調(diào)整海洋聲速結(jié)構(gòu)，而淺剖儀的海水聲速資料只能輸入平均值，故在測量海水深度方面，多波束儀的精度較淺剖儀高。

另外，在某些斜坡及其他地形變化復(fù)雜的地區(qū)，淺剖儀無法準(zhǔn)確追蹤海底，會嚴(yán)重影響探測效果，故在測量過程中多波束和淺剖設(shè)備同時開啟，將多波束儀獲得的水深資料傳入淺剖采集軟件作為淺剖追蹤海底的水深參考資料，應(yīng)用效果十分理想。圖5為L1測線的地形剖面圖，方向為NE-SW向，可見測線前半段位于海山頂部，水深-1 400 m左右海山頂部較為平坦。沿測線向南進入山地，地形變化劇烈，從-1 400 m直降至-6 000 m以下，其中A-B段位于海山頂部邊緣靠近南部斜坡位置，為選取的淺剖分析測線段。

圖5 L1測線地形剖面圖

圖6 L1測線A-B段TOPAS現(xiàn)場采集剖面

圖6為TOPAS PS18在測量過程中的采集的L1測線的A-B段淺地層剖面。通過該剖面資料可以看出，研究區(qū)水深約為1 400 m，海底界面波組清晰，同相軸連續(xù)，地層成像效果非常好，能夠穿透海底約50 m地層，且縱向分辨率較高。在橫向上，淺剖能較好地刻畫海底異常體，可為海底底質(zhì)調(diào)查和特殊異常體刻畫提供較好的數(shù)據(jù)證據(jù)。

2.3 淺地層剖面解釋及分析

為進一步研究工作區(qū)域的層序結(jié)構(gòu)，分析其沉積演化規(guī)律，后期對L1測線A-B段淺地層剖面資料進行沉積層序解釋及分析(圖7)。

圖7 L1測線A-B段解釋效果圖

圖7顯示該區(qū)主要可分為T0、T1和T2這3套層序。① T0時期：整個淺剖剖面無明顯沉積層序，近似表現(xiàn)為雜亂數(shù)據(jù)體，推測為海底基巖，在T1時期開始沉積之前，該區(qū)經(jīng)歷了區(qū)域性的沖刷或剝蝕，頂部地層隨其他動力作用被搬運至他處。② T1時期：地勢海山處于較低位置，在周圍物源不斷供給的情況下，T0不斷被T1時期物源所覆蓋，該期構(gòu)造穩(wěn)定，物源供給充分，以穩(wěn)定的頂超沉積為主。③ T2時期：該區(qū)仍然以頂超沉積作用為主，在周圍物源供給充足的情況下，T1層序不斷被T2沉積層所覆蓋，直到斜坡邊界地區(qū)由于斜坡較陡，沒有足夠的沉積物容納空間，沉積層才逐漸消失(陸一鋒等，2017)。

前人在麥哲倫海山群地區(qū)進行過關(guān)于平頂海山成因方面的研究工作，表明該區(qū)的海山主要為火山作用形成(程永壽等，2015)。圖7可見該區(qū)存在一火山侵入現(xiàn)象(圖7中E處),該侵入體僅存在于T0和T1兩套層序中，T2層沉積層序中不存在，說明在T2層之前的某一時期，該區(qū)曾發(fā)生火山活動，該期為火山活躍期。但在T2時期以后，該區(qū)僅存在沉積結(jié)構(gòu)，沒有明顯的侵入現(xiàn)象存在，故該段時期比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生火山等構(gòu)造運動。

由于淺地層剖面探測的地層深度相對較淺，且僅為一條二維測線，而且該區(qū)的歷史資料相對較少，并不能形成更加直觀的構(gòu)造認(rèn)識，故要想更好地對該區(qū)進行研究，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合聯(lián)絡(luò)測線甚至多道地震和大洋鉆探資料，開展沉積底質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造演化特征分析及礦物質(zhì)資源評價等工作。

3 結(jié) 論

(1) TOPAS PS18淺地層剖面儀是當(dāng)前最先進的全海深淺地層剖面儀之一，其換能器安裝在船底，通過電聲轉(zhuǎn)換實現(xiàn)聲波探測信號的發(fā)射和接收，從而實現(xiàn)對海底淺地層層序的探測。

(2) TOPAS PS18淺地層剖面儀應(yīng)用參量陣技術(shù)，中心主頻為18 kHz，可控制發(fā)射15～21 kHz的聲學(xué)信號，從而產(chǎn)生0.5～6.0 kHz的差頻信號，在換能器尺寸較小的情況下，既可保證有很高的地層分辨率，又能滿足在深水中的地層穿透能力，在海洋科考領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果，具備較高的科學(xué)應(yīng)用價值。

(3) 通過對研究區(qū)L1測線A-B段淺剖資料的解釋及分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)主要經(jīng)歷了3期構(gòu)造及沉積作用，并且在T2時期局部地區(qū)爆發(fā)過小規(guī)模的巖漿侵入活動。

(4) 由于當(dāng)前選用的淺剖測線僅為一條二維測線，且穿透相對較淺，為更好地研究深水區(qū)域的構(gòu)造演化特征及礦產(chǎn)資源分布規(guī)律，需結(jié)合多道地震及深水鉆孔資料，多種手段綜合分析，才能更加準(zhǔn)確地獲取深海區(qū)域的地質(zhì)信息。