劉宏揚(yáng),張異彪,李 斌,李俊杰,蔡春麟,唐松華,劉大鵬

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司,上海201208)

淺地層剖面測(cè)量是利用聲波探測(cè)淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的方法。以聲學(xué)剖面圖形反映淺地層組織結(jié)構(gòu),具有很高的分辨率,能夠經(jīng)濟(jì)高效地探測(cè)海底淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造[1]。淺地層剖面儀主要有震源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和記錄顯示系統(tǒng)三部分組成,根據(jù)震源種類又可以分為強(qiáng)震板、電火花、壓電和電磁伸縮、參量陣式以及其它震源(如氣槍、蒸汽槍、水槍等)[2]。其中,電火花震源方式穿透深度深,但分辨率略差;參量陣方式分辨率高,但穿透深度有限。此文主要以強(qiáng)震板式技術(shù)淺地層剖面儀所獲資料為基礎(chǔ),這種震源的數(shù)字淺剖儀具有能量大、發(fā)射頻率低、穿透深度深和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)[3],應(yīng)用較為廣泛。

1 淺地層剖面測(cè)量原理

淺地層剖面的基本原理是聲學(xué)原理。聲波是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種形式,由物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生,通過(guò)質(zhì)點(diǎn)間的相互作用將振動(dòng)由近及遠(yuǎn)地傳播[4]。聲波在不同類型的介質(zhì)中具有不同的傳播特征,當(dāng)巖土介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和密度等因素發(fā)生變化時(shí),聲波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分等亦將發(fā)生相應(yīng)變化,在彈性性質(zhì)不同的介質(zhì)分界面上還會(huì)發(fā)生波的反射和透射(圖1)。因此,人們利用這一原理研制了淺地層剖面儀,用于探測(cè)聲波在巖土介質(zhì)中的傳播速度、振幅及頻譜特征等信息并推斷相應(yīng)巖土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和致密、完整程度,并作出相應(yīng)評(píng)價(jià)[5]。

圖1 聲波的反射現(xiàn)象與透射現(xiàn)象Fig.1 Reflection and transmission of acoustic waves

2 常見(jiàn)干擾因素

淺地層剖面測(cè)量是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法。淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)主要包括聲源、發(fā)射控制單元、資料質(zhì)量監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)處理單元、水聽(tīng)器和發(fā)電機(jī)六個(gè)部分,在野外作業(yè)時(shí),震源和由水聽(tīng)器組成的電纜放入海中,分布于船只兩側(cè),很容易受到海況、船只、海流等因素的干擾。

2.1 外源干擾

外源干擾主要包括船體、螺旋槳及來(lái)往船只等產(chǎn)生的噪音,這類噪音表現(xiàn)為寬頻、干擾整個(gè)有效信號(hào)頻帶、在船速較低和工區(qū)船只少或離得較遠(yuǎn)時(shí)噪音相對(duì)減少等特點(diǎn)。另外,船上用電也會(huì)對(duì)記錄產(chǎn)生一定的影響,其干擾主要來(lái)自50 Hz電源,在儀器屏蔽、接地或水聽(tīng)器有故障時(shí)出現(xiàn),有時(shí)是因?yàn)楦浇袕?qiáng)大的電干擾源,在記錄上表現(xiàn)為有規(guī)律的斜條紋狀。圖2是在作業(yè)時(shí)沒(méi)有將震源放電單元接地時(shí)產(chǎn)生的干擾剖面,其主要特征是干擾分布在整個(gè)剖面上,呈現(xiàn)為無(wú)特定時(shí)長(zhǎng)的豎條狀,噪音頻率約50 Hz,能量較強(qiáng)。

圖2 50 Hz工業(yè)電干擾及剖面頻譜Fig.2 A profile interfered by 50 Hz industrial electricity

當(dāng)淺地層剖面系統(tǒng)離電干擾較近時(shí),剖面圖上出現(xiàn)有規(guī)律的電干擾斜條紋,此時(shí)應(yīng)采取檢查船只供電、震源和采集工作站是否接地線,將儀器遠(yuǎn)離電干擾源等措施,直至剖面圖上這項(xiàng)干擾消除。

2.2 海 況

淺地層剖面測(cè)量時(shí),受海況的影響較大。較差的海況情況下,船舶搖擺幅度較大,為了保持作業(yè)航向,需要不斷地調(diào)節(jié)舵角,因而影響電纜對(duì)有效信號(hào)的接收[6];風(fēng)浪較大會(huì)導(dǎo)致震源及電纜沉放深度起伏不定,使得激發(fā)和接收裝置相對(duì)位置不斷變化,從而影響到層位的判別;另外,海況較差、涌浪起伏較大時(shí),噪音會(huì)增加,而這種噪音夾雜在有效信號(hào)中,會(huì)降低數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率。

圖3 和圖4是在不同的風(fēng)浪環(huán)境下所做的2條淺地層剖面測(cè)線,通過(guò)對(duì)比分析可以看出,風(fēng)浪較小時(shí),涌浪噪音小,海底面在資料上顯示更為清晰、平緩,同相軸更加收斂,連續(xù)性更好;而風(fēng)浪較大時(shí),海底面呈現(xiàn)鋸齒狀,且同相軸不連續(xù);另外,在風(fēng)浪較小時(shí)資料的噪音更少,同相軸更清晰,對(duì)層位的刻畫更為清晰,對(duì)一些特殊構(gòu)造顯示更為明顯;風(fēng)浪較大時(shí),噪音較多,噪音出現(xiàn)無(wú)規(guī)律,能量也相對(duì)較強(qiáng),有效信息淹沒(méi)在噪音中,資料信噪比低,導(dǎo)致出現(xiàn)層位不清晰等情況。

圖3 風(fēng)力約6～7級(jí)、浪高2～3 m情況的淺地層剖面資料Fig.3 A Profile obtained under the conditions of wind class 6～7 and wave height 2～3 m

圖4 風(fēng)力約5～6級(jí)、浪高1～2 m情況的淺地層剖面資料Fig.4 A profile obtained under the conditions of wind class 5～6 and wave height 1～2 m

由于海況引起的噪音頻率分布較廣,若在后期處理時(shí)通過(guò)濾波將其全部濾掉,就會(huì)損失一部分有效信號(hào),影響到同相軸的識(shí)別及地層的劃分,所以在野外作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量選擇風(fēng)力5級(jí)以下、浪高2 m以下的海況。野外作業(yè)時(shí),施工人員對(duì)涌浪大小及對(duì)資料的影響程度有時(shí)不能清楚地判別,這就需要在室內(nèi)做一定的處理,盡量提高資料品質(zhì)。涌浪對(duì)資料的影響首先反映在海底面的高低起伏,在資料處理時(shí),拾取海底曲線,利用處理軟件將拾取的海底加入資料中,對(duì)海底及層位信息進(jìn)行校正[7]。圖5a是采集的淺剖原始資料,受涌浪影響,海底及層位呈高低不平的波浪形態(tài);圖5b是拾取的海底信息;圖5c是涌浪校正后資料,校正后海底及層位同相軸明顯變平。

圖5 涌浪校正處理Fig.5 Correction processing of surges

2.3 船 速

船在航行時(shí),螺旋槳擊水的噪音以及海水沖擊水聽(tīng)器引起的噪音,都與船速有很大的關(guān)系[8]。當(dāng)船速過(guò)大時(shí),螺旋槳轉(zhuǎn)速快,使得噪音增大,尾流增強(qiáng),海水與水聽(tīng)器的摩擦增加,也使得噪音增大。另外,如果船速過(guò)大,會(huì)使得地層采樣點(diǎn)減少;船速過(guò)小時(shí),容易造成電纜傾斜、彎曲?？紤]到海流等因素,淺剖作業(yè)時(shí),絕對(duì)船速保持在4～5 kn為宜。

圖6 和圖7是在東海對(duì)同一地點(diǎn)不同船速情況下所做的兩條淺地層剖面測(cè)線,船速為5 kn比船速為7.5 kn時(shí)對(duì)地層的刻畫更為清晰,黑色箭頭所指位置的傾斜地層刻畫得更加清晰細(xì)膩,同相軸連續(xù)性好,能量收斂,整體的信噪比更高。從圖8中不同船速情況下的頻譜對(duì)比結(jié)果可以看出,在當(dāng)船速過(guò)大時(shí),低頻端的噪音明顯增加。

圖6 船速為5 kn情況的淺地層剖面資料Fig.6 A profile obtained at a ship speed of 5 kn

圖8 船速5kn和7.5 kn時(shí)頻譜及對(duì)比Fig.8 Comparison between the spectra obtained at the ship speed 5 and 7.5 kn

淺剖作業(yè)時(shí)電纜一般拖在船體后側(cè),螺旋槳產(chǎn)生的尾流氣泡會(huì)改變水體的聲學(xué)特征,在其破裂時(shí)產(chǎn)生的低頻噪音對(duì)有效信號(hào)形成了一定的干擾,船體尾流一般呈扇形向外擴(kuò)散,理論上電纜放得足夠長(zhǎng),就能消除這種影響,但在實(shí)際作業(yè)時(shí),考慮到連接線長(zhǎng)度及儀器設(shè)備的安全,只能將電纜放到尾流影響較小的區(qū)域[9]。

圖9 和圖10是電纜距船尾15和24 m時(shí)所采集的資料,對(duì)比2圖可以看出,在試驗(yàn)中,電纜距船尾15 m時(shí),同相軸更加清晰、連續(xù),受尾流影響較小;從頻譜圖上也可以看出(圖11),電纜距船尾15 m時(shí)低頻端的噪音更少,能量更弱。不同的船只尾流對(duì)淺地層剖面測(cè)量的影響是不同的,這需要在工區(qū)進(jìn)行拖帶長(zhǎng)度的試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比分析,最終確定拖帶長(zhǎng)度。

圖9 電纜距船尾15 m情況的淺地層剖面資料Fig.9 A profile obtained under the case of cable 15 m away from the stern

圖10 電纜距船尾24 m情況的淺地層剖面資料Fig.10 A profile obtained under the case of cable 24 m away from the stern

圖11 電纜拖帶15和24 m時(shí)頻譜對(duì)比Fig.11 Comparison between the spectra obtained at the cable 15 and 24 m away from the stern

另外,船體在轉(zhuǎn)向時(shí),尾流影響電纜,會(huì)記錄到貫穿整個(gè)剖面較寬的全紀(jì)錄長(zhǎng)度的豎條噪音[10],其能量非常強(qiáng),地層信息淹沒(méi)在其中,噪音頻譜和船舶有關(guān),主要集中在中低頻,影響的范圍跟轉(zhuǎn)向角度正相關(guān)(圖12)。

圖12 受尾流影響情況的淺地層剖面資料Fig.12 A profile influenced by wake flow

若在野外作業(yè)時(shí)船速不好控制,也可在處理時(shí)通過(guò)頻譜分析,找出其能量分布集中的頻段,通過(guò)濾波在一定程度上降低其影響。因?yàn)槊織l船的尾流影響范圍不同,在野外正式作業(yè)前,要進(jìn)行電纜釋放長(zhǎng)度試驗(yàn),選取合適的釋放長(zhǎng)度以最大化減小尾流對(duì)資料質(zhì)量的影響。

2.4 海 流

海流對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在電纜對(duì)流與電纜摩擦導(dǎo)致的噪音的接收,在野外作業(yè)時(shí)一般會(huì)遇到順流和逆流兩種情況,在流速較大時(shí),順流作業(yè)要注意對(duì)船只的絕對(duì)速度的控制,避免船速過(guò)快導(dǎo)致采樣點(diǎn)稀疏;逆流作業(yè)時(shí),由于電纜與水流的摩擦增大,會(huì)導(dǎo)致噪音增加。在野外作業(yè)前,要充分了解工區(qū)海流情況。

圖13 和圖14是同一地區(qū)順流和逆流情況的淺地層剖面資料,對(duì)比分析可知,順流采集比逆流采集噪音更少,海底在資料上顯示更為連續(xù)、平滑;另外,順流采集的資料同相軸更為連續(xù),對(duì)地層的刻畫更為明顯[11]。在兩圖的對(duì)比中,黑框范圍內(nèi)圖13中出現(xiàn)了相對(duì)較連續(xù)的同相軸,能分辨出有效地層信息,在圖14中則表現(xiàn)得比較分散。在淺剖野外作業(yè)時(shí),應(yīng)合理安排測(cè)線,盡量順流時(shí)作業(yè)。從圖15頻譜對(duì)比上可以看出,順流作業(yè)時(shí),無(wú)論在低頻段還是高頻段噪音都比逆流作業(yè)時(shí)要少。在野外作業(yè)時(shí)注意觀察流向,盡量選擇順流方向作業(yè)。

圖13 順流情況的淺地層剖面資料Fig.13 A profile during the downstream

圖14 逆流情況的淺地層剖面資料Fig.14 A profile during the countercurrent

圖15 順流和逆流情況的頻譜及對(duì)比Fig.15 Comparison between the spectra obtained during the downstream and the countercurrent

2.5 海面障礙物

在淺剖作業(yè)時(shí),有時(shí)會(huì)遇到水草、漁網(wǎng)、浮漂等障礙物,這些障礙物掛在震源及電纜,會(huì)影響震源的激發(fā)及電纜對(duì)信號(hào)的接收,情況嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)斐蓛x器損壞[12]。

圖16 是典型的少量水草干擾剖面,在拖帶過(guò)程中,電纜碰到水草,由于水草的摩擦和纏繞,會(huì)形成豎條狀干擾,干擾噪音以低頻為主,能量大小與纏繞物的大小有關(guān),條帶的寬度由水草的纏繞時(shí)間決定,干擾區(qū)域能觀察到有效信號(hào),但是該區(qū)域信噪比較低。圖17為典型的震源和電纜受大量漁網(wǎng)等干擾物影響的剖面,干擾物纏繞震源后,激發(fā)能量下傳受到影響,所以接收到的信號(hào)能量在一定程度上會(huì)減弱,淺部地層能模糊觀察到,但深層的信號(hào)基本淹沒(méi)在噪音中;電纜接收噪音明顯增強(qiáng),噪音為影響全紀(jì)錄長(zhǎng)度的無(wú)規(guī)則低頻干擾。圖18是遇到漁網(wǎng)時(shí)緊急調(diào)整舵角造成的數(shù)據(jù)缺失。

圖16 電纜掛上水草情況的淺地層剖面資料Fig.16 A profile influenced by aquatic plants hanging on the cable

圖18 緊急調(diào)整舵角情況的淺地層剖面資料Fig.18 A profile obtained when urgently adjusting the rudder angle

因此,淺剖作業(yè)在遇到水草、漁網(wǎng)等海面障礙物時(shí),要及時(shí)清理,影響嚴(yán)重的情況下要重新采集數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在海洋工程勘探中,淺地層剖面測(cè)量是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,野外作業(yè)時(shí),影響淺地層剖面測(cè)量資料質(zhì)量的因素多種多樣,掌握這些影響因素在剖面上的表現(xiàn)及產(chǎn)生的原因,有利于及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,獲取更好的資料。由于淺地層剖面測(cè)量時(shí),電纜沉放深度較淺,一般為0.5 m左右,海況差時(shí),噪音會(huì)非常大,嚴(yán)重影響資料質(zhì)量。所以,對(duì)于資料質(zhì)量要求高的工程,一定要選擇海況好時(shí)作業(yè)。另外,在淺地層剖面正式作業(yè)前要充分了解作業(yè)區(qū)的底質(zhì)、水深和底流等情況,進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)線時(shí)調(diào)整好電纜、震源沉放深度,拖帶長(zhǎng)度,震源能量等作業(yè)參數(shù)。