楊國明 ， 朱俊江 ， 趙冬冬， 熊梓翔 ， 王長盛 ， 歐小林 ， 賈永剛 ，李三忠

(1. 深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心， 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國海洋大學(xué) 海洋高等研究院和海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100； 3. 中國冶金地質(zhì)總局青島地質(zhì)勘察院， 山東 青島 266109； 4. 中國海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青島266100； 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程和環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室， 青島 266237)

淺地層剖面儀(sub-bottom profiler)又稱為沉積物回聲探測(cè)儀(sediment-penetrating echosounder)[1]，基于聲學(xué)原理進(jìn)行連續(xù)走航探測(cè)， 可以高效獲取高分辨率的水下淺部地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、底質(zhì)等多方面信息， 在海洋地質(zhì)研究和海洋工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[2-5]。

國內(nèi)外學(xué)者使用不同類型淺地層剖面儀， 開展了廣泛的應(yīng)用， Vardy等[6]利用TOPAS和3D Chrip兩種淺剖對(duì)海底滑坡進(jìn)行了研究， Francky等[7]利用Knudsen 3.5 kHz淺剖進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查， Alevizos等[8]通過SES-2000型淺剖對(duì)海底底質(zhì)進(jìn)行調(diào)查， Mestdagh等[9]利用SIG電火花淺地層剖面探測(cè)結(jié)合IODP339航次中的鉆井資料分析了加的斯灣(Cadiz)的地層層序特征。在國內(nèi)， 曹金亮等[10]使用國產(chǎn)DTA-6000淺剖開展海底富鈷結(jié)殼研究， 宋永東等[11]使用SES-2000進(jìn)行海底管線探測(cè)， 劉世昊等[12]使用CSP2200布默震源淺剖研究了渤海灣第四紀(jì)地層分層。

雖然淺地層剖面技術(shù)在國內(nèi)外得到大量應(yīng)用，但是前人都未對(duì)不同類型淺剖應(yīng)用成果進(jìn)行綜合對(duì)比分析， 亦未闡述如何根據(jù)探測(cè)目標(biāo)合理選擇不同淺剖系統(tǒng)。本文針對(duì)以上問題， 收集和整理了常見淺地層剖面系統(tǒng)的性能參數(shù)和工作方式， 通過分析典型案例， 對(duì)比不同類型淺地層剖面系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果， 特別是在地層分辨率、穿透能力等方面的差異，以及針對(duì)不同探測(cè)目標(biāo)， 最終為選取最恰當(dāng)?shù)臏\地層剖面探測(cè)系統(tǒng)提供科學(xué)參考和理論指導(dǎo)。

1 淺地層剖面探測(cè)技術(shù)

海洋聲學(xué)探測(cè)的研究可以追溯到很早， 德國科考船“流星號(hào)”和“埃迪·斯蒂芬號(hào)”1925年首次使用回聲測(cè)深技術(shù)， 最早發(fā)現(xiàn)了大西洋洋中脊。20世紀(jì)40年代， 淺地層剖面儀原型出現(xiàn)， 60年代， 第一套電火花震源誕生， 同時(shí)聲參量陣?yán)碚撘查_始發(fā)展， 隨后淺地層剖面探測(cè)技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用[13-14]。1965年， 在夏威夷島南部海域， Heath利用淺地層剖面技術(shù)獲得了沉積物厚度特征[15]。隨著調(diào)頻聲脈沖、聲參量陣、脈沖等離子體等技術(shù)的應(yīng)用， 探測(cè)能力不斷提升， 數(shù)據(jù)采集與處理能力不斷加強(qiáng)， 淺地層剖面探測(cè)技術(shù)逐漸成為海洋地球物理探測(cè)的最常用手段之一， 20世紀(jì)90年代已經(jīng)開展了小范圍的三維淺地層探測(cè)工作和研究[16-23]。目前， 常見的淺地層剖面儀多來自國外， 型號(hào)眾多， 可選擇范圍大。國產(chǎn)淺地層剖面儀較少， 近年來在實(shí)際應(yīng)用中也取得了不錯(cuò)的成果[10]， 但是全海深淺地層剖面探測(cè)技術(shù)比較落后， 三維探測(cè)技術(shù)幾乎空白， 與國外相比， 國內(nèi)在技術(shù)與產(chǎn)能上都存在一定差距。

淺地層剖面探測(cè)技術(shù)與回聲測(cè)深技術(shù)和海上地震勘探技術(shù)有著密切聯(lián)系， 三者都是利用反射波進(jìn)行探測(cè)， 其工作原理、系統(tǒng)組成等相近。淺地層剖面探測(cè)技術(shù)所用的聲波頻率低于回聲測(cè)深， 高于地震探測(cè)， 所以能夠穿透海底淺部沉積層， 獲得高分辨率的海底底質(zhì)與地層信息[4，24-25]。

1.1 工作原理

淺地層剖面技術(shù)利用聲波在不同介質(zhì)中傳播性質(zhì)不同， 不同介質(zhì)界面處(聲阻抗界面)會(huì)發(fā)生反射與透射， 透射波在下一個(gè)界面處繼續(xù)產(chǎn)生反射波與透射波， 通過分析接收記錄的反射波返回時(shí)間、振幅、頻率等信息， 獲得聲波有效穿透地層的特征與性質(zhì)(圖1)， 通常使用的聲波頻率在幾百Hz到幾十千Hz之間， 聲波頻率越高地層垂直分辨率越高， 但同條件下的穿透深度越小。聲波的傳播速度、能量衰減特征都與其所經(jīng)過的介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)， 通過反演方法分析反射波的走時(shí)、振幅、頻率等信息可以得到多層介質(zhì)的厚度、類型等特征[3-5，24]。振幅大小表示反射波能量強(qiáng)弱， 界面的反射系數(shù)決定反射聲波的振幅， 以兩層水平介質(zhì)為例：

式(1)中Ar為反射波振幅，Ai為入射波振幅，R為反射系數(shù)， 式(2)中1ρ、v1、2ρ、v2分別為上層介質(zhì)和下層介質(zhì)的平均密度和聲波傳播速度， 平均密度與聲波傳播速度乘積為介質(zhì)的聲阻抗。在淺地層剖面圖像中通常以灰度表示反射界面的強(qiáng)弱， 由(1)(2)兩式可知相鄰介質(zhì)聲阻抗差值越大， 反射系數(shù)R的絕對(duì)值越大， 反射波能量越強(qiáng)， 在淺剖圖像中灰度越強(qiáng)，也越容易識(shí)別。

不同類型震源產(chǎn)生的聲波性質(zhì)差異較大， 壓電換能器震源利用壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，具有聲波穩(wěn)定、可操控性強(qiáng)等特點(diǎn)， 聲波通過相位疊加形成良好的指向性， 電磁脈沖震源利用電磁感應(yīng)使金屬片發(fā)生連續(xù)脈沖震動(dòng)， 電火花震源則是通過高壓放電氣化海水產(chǎn)生爆炸聲波， 聲波能量高， 可穿透幾百米地層， 參量陣震源則是向水體發(fā)射頻率相近的兩個(gè)高頻聲波(F1，F(xiàn)2)， 利用差頻原理， 產(chǎn)生F1+F2，F(xiàn)1–F2等多頻率聲波， 充分利用低頻與高頻聲波綜合分析達(dá)到較好的探測(cè)效果， 在一定程度上緩解了穿透深度與分辨率之間的矛盾[23-27]。多種海洋地球物理探測(cè)設(shè)備從根本上是對(duì)不同頻率段聲波的應(yīng)用， 并且不同探測(cè)結(jié)果能夠起到良好的相互驗(yàn)證與補(bǔ)充作用， 在實(shí)際應(yīng)用中多設(shè)備同時(shí)探測(cè)易產(chǎn)生干擾且操作難度較大， 若能開發(fā)一種所有頻率段集中于單一觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)， 可以大大提高探測(cè)效率與探測(cè)精度[28]。

1.2 典型淺地層剖面系統(tǒng)組成

淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)主要由震源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、記錄與控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)四部分組成(圖1)。

震源系統(tǒng)即聲波的產(chǎn)生裝置， 根據(jù)產(chǎn)生聲波的方式不同可以將其分為參量陣震源、壓電換能器震源、電磁式震源、電火花震源等。氣槍、炸藥等震源多用于地震勘探。電火花震源也常用于單道地震探測(cè)之中， 單道地震探測(cè)與淺地層剖面探測(cè)之間并沒有明確的界線， 二者相比， 單道地震探測(cè)穿透深度可達(dá)幾千米， 分辨率一般為米級(jí)， 淺地層剖面探測(cè)穿透深度一般為幾十米到幾百米， 分辨率可達(dá)幾厘米到幾十厘米。不同類型、不同規(guī)模的震源存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、工作方式等方面的差異(圖1)。

圖1 不同淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)的組成與工作方式Fig. 1 Composition and deployment of different sub-bottom profiler systems

接收系統(tǒng)是將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的系統(tǒng)，又稱為水聽器， 由密封在油纜里按照一定規(guī)律排列的檢波器組成， 其性質(zhì)與檢波器質(zhì)量、排列和數(shù)量有關(guān)。接收系統(tǒng)有拖纜與固定接收模塊兩種， 內(nèi)置檢波器的拖纜， 拖纜數(shù)量、長度根據(jù)需求不同存在差異，將檢波器按照一定規(guī)則排列的接收模塊與震源位置相對(duì)固定， 便于操作與后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

記錄與控制系統(tǒng)一般是安裝了相應(yīng)軟件的普通計(jì)算機(jī)或特殊處理器(圖1)， 將震源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)連接為一體， 記錄震源系統(tǒng)產(chǎn)生的聲波與返回的有效信號(hào)， 同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示探測(cè)剖面結(jié)果。

輔助系統(tǒng)是進(jìn)行導(dǎo)航定位、船體姿態(tài)記錄、聲速剖面測(cè)量等工作的一系列配套設(shè)備和相關(guān)軟件。目前常見的導(dǎo)航定位系統(tǒng)有無線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)， 連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)， 全球星站差分系統(tǒng)等， Hypack是最常用的導(dǎo)航定位軟件之一。姿態(tài)傳感器能夠記錄波浪等引起的船體姿態(tài)變化， 為后期數(shù)據(jù)精細(xì)處理研究提供依據(jù)， 準(zhǔn)確的聲速測(cè)量有利于進(jìn)行有效的剖面時(shí)深轉(zhuǎn)換。

1.3 淺地層剖面儀分類

本文收集和整理了50多種常見淺地層剖面儀的性能指標(biāo)和參數(shù)(表1)。目前淺地層剖面儀型號(hào)眾多，分類方式不統(tǒng)一， 存在按震源類型、工作水深、工作方式等分類方法。按照儀器工作水深分類， 可以分為淺地層剖面儀、中地層剖面儀與中深地層剖面儀。按照工作方式分類， 可以分為船載型、拖曳型， 其中船載型又可以分為船體安裝、船側(cè)懸掛兩種類型， 拖曳型又能分出尾拖與側(cè)拖， 拖體可以是拖魚、震源、ROV/AUV等。按震源類型把常見淺地層剖面儀分為壓電換能器、電磁式、電火花和參量陣四種類型， 在一定程度上不同震源類型的工作環(huán)境、工作方式與探測(cè)效果相對(duì)固定[25，29]。由表1可見每種震源類型都有多種型號(hào)， 部分廠家開發(fā)了從淺水到深水工作的完整系列， 甚至深拖型、可搭載于ROV/AUV等平臺(tái)的特殊型號(hào)。

表1 常見淺地層剖面系統(tǒng)分類與對(duì)比Tab. 1 Classification and comparison of different sub-bottom profilers

壓電換能器震源利用不同礦物晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生聲波， 有固定頻率和線性調(diào)頻(chrip)兩種， 具有較高的分辨率， 但是穿透能力較弱。一般壓電換能器淺剖適用于中淺水海域探測(cè)， 通過深拖或搭載ROV/AUV等工作平臺(tái)也能應(yīng)用于深海探測(cè)， 主要的國外生產(chǎn)廠家有Kongsberg、Edgetech、Teledyne、Ixblue、SyQwest等， 國內(nèi)主要由中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國船舶第七一五研究所等單位研發(fā)與生產(chǎn)。

電磁式震源利用電磁效應(yīng)使金屬板產(chǎn)生位移從而產(chǎn)生聲波， 分辨率與穿透深度適中。傳統(tǒng)電磁式震源設(shè)備笨重、輸出電壓高， 英國C-Products公司的C-Boom(表1)采用獨(dú)特低電壓技術(shù)(LVB)， 設(shè)備便攜、操作簡單， 非常適合淺水區(qū)域探測(cè)。

參量陣震源利用差頻原理， 通過高頻率聲波產(chǎn)生一系列二次頻率。通常便攜式參量陣淺地層剖面儀在淺水區(qū)工作， 體積較小， 拖曳或船側(cè)懸掛進(jìn)行工作， 操作簡單， 即裝即用， 以德國Innomar公司的SES-2000系列為代表(表1)。船體安裝參量陣震源淺地層剖面系統(tǒng)適用于全海深探測(cè)， 使用方便、工作效率高、探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量好， 是國內(nèi)外遠(yuǎn)洋科考船的必備聲學(xué)探測(cè)設(shè)備之一[30-31]， “東方紅3”、“科學(xué)號(hào)”科考船安裝了TOPAS PS18(表1)[32]。

電火花震源淺地層剖面儀有多種型號(hào)， 通過電極間放電氣化海水產(chǎn)生大能量聲波， 穿透深度大，分辨率略有下降， 立體電火花震源能夠增加信號(hào)頻帶寬， 一定程度上提高地層穿透能力與地層分辨率，主要生產(chǎn)廠家有AAE、Geo Resources、SIG等(表1)。

1.4 工作流程與數(shù)據(jù)處理

淺地層剖面探測(cè)工作可以分為準(zhǔn)備工作、現(xiàn)場勘測(cè)、室內(nèi)分析和成果輸出四部分(圖2)。準(zhǔn)備工作最重要的是要根據(jù)探測(cè)目標(biāo)、區(qū)域地質(zhì)背景等資料，設(shè)計(jì)合理的工作方案， 保證能夠達(dá)到探測(cè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上， 提高分辨率?，F(xiàn)場勘測(cè)時(shí)淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示初步的探測(cè)結(jié)果， 提高海上作業(yè)的效率。淺地層剖面探測(cè)的采集、處理軟件較多， 如SonarWiz、GeoSurvey、SESWIN等， 三維淺地層剖面數(shù)據(jù)常用PROMAXTM等地震軟件進(jìn)行處理[33-34]， 利用ArcGis的3D分析功能模塊可以對(duì)淺剖數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)建[35]。不同儀器采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編碼有多種格式， 如SEG-Y， XTF， JSF，COD， SES， RAW， ODC， KEB等， 其中SEG-Y為標(biāo)準(zhǔn)格式。海上采集數(shù)據(jù)通常會(huì)受到波浪、不同類型的噪音等多種因素的制約[29]， 導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果分辨率與信噪比降低， 同相軸連續(xù)性差[36]。數(shù)據(jù)精細(xì)化處理與解釋具有非常重要的意義， 關(guān)鍵是去噪和提高信噪比與分辨率[37]。

圖2 淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)工作流程圖Fig. 2 Flowchart of the sub-bottom profiler system

常規(guī)的淺地層剖面數(shù)據(jù)處理通常包括環(huán)境因素與坐標(biāo)位置校正、信號(hào)處理、地層解釋與數(shù)字化等內(nèi)容， 其中信號(hào)處理一般進(jìn)行聲速校正、增益控制、簡單的濾波處理等(圖2)。在實(shí)際應(yīng)用中這種簡單處理往往無法達(dá)到最好的成像效果， 需要做進(jìn)一步精細(xì)處理。數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理通常包括多種參數(shù)校正、噪音去除、信號(hào)增強(qiáng)、多次波壓制、預(yù)測(cè)反褶積等操作(圖2)[36-38]， 常規(guī)小型軟件不具備精細(xì)處理功能，通常需要借助大型地震處理軟件或通過編寫相應(yīng)的處理程序來進(jìn)行個(gè)性化處理， 這無疑增加了處理難度與門檻。人工對(duì)淺地層剖面數(shù)據(jù)精細(xì)化處理與地層劃分效率較低， 近年來數(shù)據(jù)自動(dòng)精細(xì)處理方法研究越來越多[39-41]， 能夠大大提高資料處理效率。通過反演方法， 使用Schock-Stoll模型、Gardner經(jīng)驗(yàn)公式等可以反演海底淺表層速度、密度、孔隙度等物理性質(zhì)參數(shù)[8，42]。

淺地層剖面探測(cè)的分辨率為厘米級(jí)， 對(duì)海底地形的變化非常敏感， 而淺地層剖面探測(cè)設(shè)備對(duì)海底地形的探測(cè)能力較弱， 誤差較大， 在海底坡度較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法找到海底的情況， 導(dǎo)致成像時(shí)會(huì)因地形誤差引起圖像模糊(圖3a)， 甚至出現(xiàn)海底錯(cuò)斷， 數(shù)據(jù)不連續(xù)現(xiàn)象。將淺地層剖面探測(cè)與測(cè)深兩種調(diào)查方法相結(jié)合， 利用多波束測(cè)深獲得的地形數(shù)據(jù)對(duì)淺地層剖面進(jìn)行海底歸為校正， 將校正后的數(shù)據(jù)按同樣的方法處理成像(圖3b)， 結(jié)果顯示該方法對(duì)成像效果影響顯著， 極大提高了地層可識(shí)辨度[43]。

圖3 使用水深數(shù)據(jù)進(jìn)行海底歸為校正處理對(duì)比(據(jù)文獻(xiàn)[43])Fig. 3 Comparison of sub-bottom profiles corrected by bathymetry data

2 淺地層剖面儀的應(yīng)用與選擇

淺地層剖面探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于海底淺部地層信息探測(cè)和海底特殊目標(biāo)調(diào)查， 可以直觀展示出海底淺部的地層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造， 通過計(jì)算與處理可以反演地層巖性、孔隙度、含氣性等信息， 廣泛應(yīng)用于海底底質(zhì)調(diào)查研究和海洋工程探測(cè)等領(lǐng)域。在淺埋物體調(diào)查中淺地層剖面探測(cè)技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)是能夠高效探測(cè)海底面以下掩埋物體的形態(tài)、埋深等特征， 在水下特殊環(huán)境、水下文物、海底管線等調(diào)查中廣泛應(yīng)用。不同類型的淺地層剖面探測(cè)設(shè)備探測(cè)能力差異較大， 設(shè)備的選擇對(duì)于探測(cè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要， 本文通過對(duì)比分析不同類型淺地層剖面系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例， 重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)不同震源類型淺剖系統(tǒng)的特點(diǎn)和使用優(yōu)勢(shì)。

2.1 淺部地層信息探測(cè)

具有高分辨率與深穿透的淺地層剖面有利于準(zhǔn)確的地層劃分與解釋， 然而分辨率與穿透深度無法同時(shí)提高。在設(shè)計(jì)探測(cè)方案時(shí)就需要考慮折中方案， 在能夠探測(cè)到目標(biāo)深度的條件下， 盡可能增大探測(cè)分辨率， 這也就需要選擇合適的淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)， 在保證探測(cè)結(jié)果有效性的前提下降低工作難度， 提高工作效率。

2.1.1 壓電換能器型與電磁式淺剖的應(yīng)用

2014—2015年美國地質(zhì)調(diào)查局在德爾馬瓦半島搭載斯嘉麗伊莎貝拉船， 使用S-Boom和SB-0512i兩套淺地層剖面探測(cè)設(shè)備進(jìn)行了近岸調(diào)查[44]。S-Boom在本次工作中功率為200～400 W， 使用道間距3.125 m的16道水聽器接收信號(hào)。SB-0512i拖魚的工作頻率為0.5～12 kHz。S-Boom為震源獲得的淺地層剖面探測(cè)結(jié)果(圖4a)， 有效穿透深度約60 m，地層結(jié)構(gòu)清晰。SB-0512i 獲得的淺地層剖面探測(cè)結(jié)果(圖4b)， 穿透深度略小， 但能夠展示更加精細(xì)的淺部地層結(jié)構(gòu)。對(duì)電磁式布默震源與線性調(diào)頻震源在相同位置的淺地層探測(cè)剖面(圖4a， b)進(jìn)行對(duì)比， 可以發(fā)現(xiàn)整體上兩種方法獲得的探測(cè)結(jié)果具有良好一致性， 但在線性調(diào)頻震源探測(cè)剖面(圖4b)中能夠識(shí)別更多的淺部地層結(jié)構(gòu)特征。

圖4 布默震源與線性調(diào)頻震源探測(cè)剖面對(duì)比(據(jù)文獻(xiàn)[44])Fig. 4 Comparison of sub-bottom profiles obtained by boomer and chirp SBP

壓電換能器震源淺地層剖面儀， 具有很高的分辨率， 但是穿透能力較弱， 能夠更清晰地展示出最淺部的地層結(jié)構(gòu)， 進(jìn)行更準(zhǔn)確的進(jìn)行地層劃分。電磁式震源淺地層剖面儀聲波穩(wěn)定， 分辨率較高， 穿透能力適中。兩種震源一般用于中淺水的探測(cè)， 壓電換能器震源也可以搭載于深拖、AUV、ROV等深海工作平臺(tái)進(jìn)行工作， 獲得深水區(qū)精細(xì)探測(cè)資料。

2.1.2 電火花型淺剖的應(yīng)用

2011年貝爾吉卡號(hào)(Belgica)在坎塔布連海[Cantabrian Sea(Le Danois bank)]使用SIG電火花震源進(jìn)行海底峽谷探測(cè)[45]， 頻率約800 Hz， 2.5 s/ping， 穿透深度可達(dá)500 ms約350 m， 分辨率約為1.5 m。電火花震源探測(cè)剖面(圖5)清晰地展示了峽谷內(nèi)的沉積物分布形態(tài)和泥沙運(yùn)移情況， 能夠清晰識(shí)別由泥沙運(yùn)移形成的結(jié)構(gòu)、底部的不整合界面與塊體搬運(yùn)沉積體系。

圖5 SIG電火花震源探測(cè)海底峽谷(據(jù)文獻(xiàn)[45])Fig. 5 Submarine canyon detected by the SIG spark source sub-bottom profiler

前期電火花震源的子波重復(fù)性差、充電效率低、性能不穩(wěn)定導(dǎo)致其應(yīng)用較少[46]， 近年來隨著技術(shù)的革新， 電火花震源日漸成熟， 不同電火花震源系統(tǒng)的探測(cè)能力差異較大， 傳統(tǒng)電火花震源激發(fā)的衰減震蕩脈沖， 脈沖時(shí)間長達(dá)1×10–3s、分辨率較低， 等離子體震源激發(fā)的脈沖為單脈沖， 脈沖時(shí)間約0.2×10–3s、帶寬更大、能量傳輸效率高、分辨率較高[23，47]， 立體震源也拓寬了地層剖面資料的頻帶， 有效壓制了隨機(jī)噪音、鬼波、多次波， 能夠獲得更強(qiáng)的穿透能力和更高的分辨率[38]。目前的大功率電火花震源已經(jīng)可以進(jìn)行全海深探測(cè)工作， 地層穿透深度可達(dá)幾百米， 其分辨率會(huì)有所下降， 從幾十厘米到幾米， 受到探測(cè)環(huán)境、所選用的電火花的能力、頻率與接收系統(tǒng)等多方面因素影響。

2.1.3 參量陣型淺剖的應(yīng)用

淺層氣泛指賦存于海底淺部的氣體， 分布范圍廣，聲波難以穿透， 對(duì)天然氣水合物的探測(cè)具有重要意義，在淺地層剖面探測(cè)結(jié)果中通常表現(xiàn)為濁反射、簾式反射、毯式反射、增強(qiáng)反射等[48]。2014年， Jordan等利用SES-2000淺地層剖面儀， 頻率為2.5 kHz， 采集了愛爾蘭西南海岸處的淺剖數(shù)據(jù)， 綜合分析該地區(qū)淺層氣、麻坑等現(xiàn)象及成因(圖6)[49]。淺層氣存在的區(qū)域地層松散， 容易發(fā)生局部塌陷， 形成麻坑等地貌[50]，可以通過淺部海底含氣帶特征， 推測(cè)深部天然氣水合物分布、分解、泄露等情況[51-52]。該地區(qū)的聲空白帶位于海底面以下4～10 m， 上部出現(xiàn)強(qiáng)反射界面，VC24與VC25分別為兩根長約6 m的柱狀樣， 其中VC24穿過了聲空白帶(圖6)， Jordan對(duì)所取樣本進(jìn)行了甲烷濃度測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)VC24甲烷濃度由上到下增加，在強(qiáng)反射界面附近達(dá)到最大值， VC25甲烷濃度變化較小且柱狀樣下部甲烷濃度顯著低于VC24[49]。

圖6 SES-2000便攜參量陣淺地層剖面識(shí)別的淺層氣(據(jù)文獻(xiàn)[49])Fig. 6 Identification of gas plumes by the portable parametric sub-bottom profiler

TOPAS PS18聲參量陣淺地層剖面探測(cè)， 穿透深度可達(dá)100 m， 分辨率約30 cm。由圖7中顯示的埋藏通道位于多格灘的東北部， 侵蝕特征明顯， 寬3 000 m深12 m， 是北海湖泄流的突破點(diǎn)， 可以分為上下兩部分， 通過模擬計(jì)算流速、流量變化， 得出北海湖的泄洪時(shí)間與湖泊容量等信息， 侵蝕面上發(fā)育沙波、沙丘， 下部為冰積物或侵蝕殘留物， 聲波難以穿透[53]。

圖7 TOPAS PS 18船載參量陣淺地層剖面識(shí)別的侵蝕界面(據(jù)文獻(xiàn)[53])Fig. 7 Identification of erosion interface by the TOPAS PS 18 ship-borne parametric sub-bottom profiler

參量陣震源實(shí)質(zhì)上是通過將多個(gè)壓電換能器按照一定規(guī)律進(jìn)行組合， 再通過相應(yīng)的控制系統(tǒng)控制每個(gè)換能器發(fā)出的聲波， 利用差頻原理， 使兩個(gè)頻率接近的高頻聲波產(chǎn)生一系列二次頻率聲波， 既有高頻部分， 又有低頻部分， 高頻聲波可用以獲得更多水體信息(圖8a)， 低頻聲波具有較好的穿透能力， 可以有效獲取淺地層剖面(圖8b)。TOPAS參量陣淺剖系統(tǒng)可以發(fā)射Ricker波、CW波、Chrip波等多種波形， 能夠更好的根據(jù)水深、底質(zhì)等探測(cè)環(huán)境變化滿足不同的分辨率與穿透需求。便攜式參量陣淺地層剖面探測(cè)設(shè)備， 分辨率高，但是受到設(shè)備規(guī)模限制， 換能器數(shù)量少， 能量低，導(dǎo)致地層穿透能力差， 適合用于浮泥、淤泥、松軟沉積物等探測(cè)。船載型參量陣淺地層剖面探測(cè)設(shè)備具有波束角小、分辨率高、穿透能力強(qiáng)、聲波種類多等特點(diǎn)， 在海底探測(cè)中廣泛應(yīng)用， 可以與船載多波束結(jié)合使用， 直接利用多波束探測(cè)的海底地形進(jìn)行海底歸位校正。

圖8 ATLAS P70 船載參量陣淺地層剖面儀識(shí)別的海底羽狀流及滲漏通道(據(jù)文獻(xiàn)[54])Fig. 8 Submarine gas plumes and seepage channels identified by the ATLAS P70 ship-borne parametric sub-bottom profiler

2.2 海底特殊目標(biāo)調(diào)查

針對(duì)海底特殊目標(biāo)調(diào)查， 主要應(yīng)用分辨率更高的壓電換能器型與參量陣型淺地層剖面系統(tǒng)， 這兩種類型能夠有效穿透海底淺層沉積物， 發(fā)現(xiàn)埋藏于海底面以下的特殊目標(biāo)， 在海底氣體泄露探測(cè)、海底管線探測(cè)、水下文物調(diào)查等領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用效果。

單晨晨等[54]利用ATLAS P70參量陣深水型淺地層剖面系統(tǒng)在印度洋北部的馬克蘭增生楔發(fā)現(xiàn)了典型的羽狀流， 是沉積層賦存天然氣水合物的重要證據(jù)之一。船載參量陣型淺地層剖面探測(cè)設(shè)備高頻與低頻聲波在海底氣體泄露狀況探測(cè)中能夠得到充分的利用， 通過20 kHz的高頻部分可以顯示出羽狀流在水體中的形態(tài)特征(圖8a)， 4 kHz的低頻部分穿透能力更強(qiáng)， 獲得了羽狀流逸出位置清晰的淺部地層特征， 揭示該區(qū)域發(fā)育大量流體滲漏的管狀通道(圖8b)。船載參量陣淺地層剖面探測(cè)可以直接獲取流體逸出的位置、形態(tài)、規(guī)模等特征， 同時(shí)獲得流體逸出位置的淺部地層剖面特征。

在管線探測(cè)工作中， 高分辨率的壓電換能器型和參量陣型淺地層剖面儀具有良好的應(yīng)用效果， 無論管線是否有掩埋、懸空等現(xiàn)象， 都能清晰地探測(cè)出管線的平面位置和埋藏深度。在管線探測(cè)中增大生比波束角、增強(qiáng)繞射弧， 利用管線產(chǎn)生的繞射弧來確定管線位置、埋深或懸跨(圖9a)[10，55-56]。2008年， Tian等用頻率為3.5 kHz， 脈沖時(shí)間4×10–4s， 波束角為50°的淺地層剖面儀(Klein Model 532S-101)與側(cè)掃聲吶結(jié)合的拖魚進(jìn)行管線調(diào)查， 結(jié)果顯示管線外徑0.2 m， 淺埋于海底面以下0.5 m(圖9a)[56]。

圖9 淺地層剖面中展示的海底淺埋物體特征(a據(jù)文獻(xiàn)[50]； b據(jù)文獻(xiàn)[16])Fig. 9 Characteristics of objects shallowly buried in the seabed obtained by sub-bottom profile investigation

淺地層剖面探測(cè)技術(shù)也可進(jìn)行大范圍水下文物調(diào)查與研究[17，57]， 與傳統(tǒng)的水下文物探測(cè)方法(水下拖網(wǎng)和潛水法)相比， 淺地層剖面探測(cè)法具有探測(cè)深度大、作業(yè)效率高、對(duì)文物無損害等優(yōu)勢(shì)[58]。高分辨率的壓電換能器型淺地層剖面儀能夠更精細(xì)地展示水下文物的位置、形態(tài)等特征。2009年， Plets等在漢布爾(Hamble)河使用3D-Chrip淺地層剖面儀(圖9b； 表2)進(jìn)行三維高分辨率淺地層剖面探測(cè)[16]，圖9b為探測(cè)結(jié)果的截面圖， 分辨率高達(dá)7 cm， 圖中的矩形反射特征展示出船舶的桅座。近年來淺地層剖面儀在國內(nèi)水下文物探測(cè)工作中也得以應(yīng)用， 取得了豐富的成果[57-59]。

三維淺地層剖面探測(cè)能夠更精細(xì)、更直觀的展示出探測(cè)區(qū)域的三維特征， 從20世紀(jì)末國外研究者就已經(jīng)將三維淺地層剖面探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于冰川沉積物、淺埋沉船等研究[6，18-19，60]， 經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展, 國外三維淺地層剖面探測(cè)技術(shù)較為成熟， 研制出3D Chrip、Seanap 3D、VHR 3D等眾多三維淺地層剖面設(shè)備(表2)， 并應(yīng)用于實(shí)際探測(cè)工作中[6，61-62]。國內(nèi)的三維淺地層剖面探測(cè)技術(shù)發(fā)展滯后， 與國外差距大， 沒有成型的國產(chǎn)三維淺地層剖面儀。目前獲取三維淺地層剖面的主要方法包括利用水聽器陣采集三維探測(cè)數(shù)據(jù)[6，15，17，33，63]和把二維數(shù)據(jù)通過計(jì)算處理得到三維數(shù)據(jù)兩種方法[34，64]， 主要差異為網(wǎng)格大小與形成方式， 前者可以生成分米甚至厘米級(jí)網(wǎng)格， 得到較為精細(xì)的三維圖像， 后者受測(cè)線密度限制網(wǎng)格較大。通過水聽器陣采集三維探測(cè)數(shù)據(jù)分辨率和探測(cè)精度更高， 但是相應(yīng)的探測(cè)成本也更高，探測(cè)目標(biāo)區(qū)域更小， 加大測(cè)線密度， 通過算法得到三維數(shù)據(jù)體的方法分辨率與探測(cè)精度下降， 網(wǎng)格大小與測(cè)線間距相關(guān)， 能夠進(jìn)行較大范圍三維探測(cè)。

表2 三維淺地層剖面設(shè)備(據(jù)文獻(xiàn)[61])Tab. 2 3D acquisition devices of sub-bottom profilers[61]

三維淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)分辨率和探測(cè)精度與震源類型也關(guān)系密切， 從壓電換能器到電磁式再到電火花震源， 聲波頻率、分辨率和探測(cè)精度逐漸降低，目標(biāo)區(qū)域則能有所增加(表2)。與其他三維反射地震探測(cè)系統(tǒng)相比， 3D-Chrip淺地層剖面儀震源與水聽器陣固定(圖10)， 解決了震源與水聽器相對(duì)位置不確定帶來的問題。2012年， Vardy等利用3D-Chrip對(duì)1996年挪威發(fā)生海底滑坡的區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)探測(cè)，獲取了950 m×140 m三維數(shù)據(jù)體， 清晰顯示出海底滑坡的三維結(jié)構(gòu)特征[6]。

圖10 3D-Chirp 高分辨率淺地層剖面儀框架(據(jù)文獻(xiàn)[18])Fig. 10 Structure of high-resolution 3D-Chirp sub-bottom profiler

2016年， Kim等在韓國東部郁陵海盆圖中進(jìn)行淺地層剖面探測(cè)， 目標(biāo)區(qū)域大小為1 km×1 km，水深約2 165 m， 利用船載SyQwest Bathy2010震源， 測(cè)線間距約為20 m， 船速約5節(jié)， 每次脈沖間隔8 s， 工作頻率為4 kHz(2 750～6 750 Hz)， 由60個(gè)水聽器組成的4個(gè)接收陣采集數(shù)據(jù)， 所得結(jié)果垂向分辨率可達(dá)10 cm， 通過移動(dòng)平均法設(shè)置不同的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算， 最終獲得區(qū)域三維數(shù)據(jù)體(圖11a， b)[34]， 清晰展示出斷層在三維空間中的形態(tài)特征。與二維探測(cè)相比， 三維淺地層剖面探測(cè)能夠更直觀地展示探測(cè)區(qū)域的空間展布特征， 在淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)、水下文物調(diào)查、海洋工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景， 但受到探測(cè)效率低、數(shù)據(jù)處理困難等制約。

圖11 三維淺地層剖面數(shù)據(jù)體(a)淺地層剖面數(shù)據(jù)(b)包絡(luò)數(shù)據(jù)(據(jù)文獻(xiàn)[34])Fig. 11 Volumes of (a) seismic data and (b) enveloped data in 3D sub-bottom profile

綜合上述案例， 發(fā)現(xiàn)四種震源類型的淺地層剖面探測(cè)設(shè)備， 針對(duì)不同的工作環(huán)境與探測(cè)目標(biāo)各有優(yōu)勢(shì)。普通壓電換能器型、電磁式、便攜參量陣型更適合進(jìn)行淺水區(qū)高分辨率， 穿透深度要求不高的探測(cè)。壓電換能器震源穿透深度淺， 垂直分辨率可達(dá)6 cm， 最有利于進(jìn)行高分辨率的最淺部地層信息探測(cè)與淺埋藏物體形態(tài)調(diào)查。電磁式淺地層剖面儀只能應(yīng)用于淺水海域探測(cè)， 穿透深度與分辨率適中，適合進(jìn)行較大范圍的普查。便攜參量陣型淺剖受規(guī)模限制， 聲波能量較小， 穿透能力弱， 在淺水區(qū)浮泥、淤泥等調(diào)查中應(yīng)用效果好， 增大波束角能夠獲取更大范圍的海底特殊目標(biāo)信號(hào)， 常應(yīng)用于海底管線等探測(cè)。船載參量陣型淺剖能夠全海深應(yīng)用， 既能保證較高的分辨率， 同時(shí)具備較強(qiáng)的穿透能力， 在海洋科學(xué)考察中應(yīng)用廣泛。電火花震源能夠產(chǎn)生大能量聲波， 穿透深度可達(dá)上千米， 分辨率會(huì)有所下降，在探測(cè)巨厚沉積物或海底底質(zhì)難以穿透的情況下有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。不管哪種類型的淺剖， 其探測(cè)結(jié)果都只是一個(gè)區(qū)域的二維切面， 不能完整反映該區(qū)域的真實(shí)空間特征， 三維淺地層剖面探測(cè)能夠展示探測(cè)區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)特征， 獲取探測(cè)目標(biāo)在空間中的展布信息。

3 總結(jié)與展望

淺地層剖面探測(cè)是重要的海底探測(cè)技術(shù)之一，在淺部地層信息探測(cè)、海底特殊目標(biāo)調(diào)查等海洋地質(zhì)研究與海洋工程方面廣泛應(yīng)用。本文通過對(duì)比4種震源類型的淺地層剖面設(shè)備在多種條件下的應(yīng)用效果，認(rèn)為只有依據(jù)不同環(huán)境條件與不同探測(cè)目標(biāo)選擇合適的淺剖系統(tǒng)才能達(dá)到探測(cè)目標(biāo)。淺水海域的探測(cè)中常使用便攜式設(shè)備， 從壓電換能器型、便攜參量陣型到電磁式和電火花型， 其地層穿透能力逐漸增強(qiáng)，分辨率逐漸降低。中深水環(huán)境下選用船載參量陣型和電火花型?？茖W(xué)考察船普遍安裝參量陣型淺剖， 其具有工作效率高、探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)， 在海洋探測(cè)中得到廣泛應(yīng)用， 既可以通過高頻聲波獲取水體信息， 又可以獲得淺地層剖面信息。電火花震源穿透能力強(qiáng)， 穿透深度可以達(dá)到幾百米， 同時(shí)能保證亞米級(jí)到米級(jí)的分辨率。三維淺地層剖面探測(cè)能夠更直觀的展示探測(cè)目標(biāo)在三維空間中的特征， 但是探測(cè)效率低、數(shù)據(jù)處理難度大。

未來淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展將向深穿透、高分辨率、高效率、二維向三維甚至高維探測(cè)發(fā)展。綜合各種震源和探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)， 參量陣探測(cè)技術(shù)將會(huì)有更好的發(fā)展前景， 進(jìn)一步提高參量陣原頻信號(hào)到差頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率， 利用多頻率聲信號(hào)從而獲取更高質(zhì)量的探測(cè)數(shù)據(jù)。為了大大提高工作效率與探測(cè)精度， 淺地層剖面探測(cè)技術(shù)也將與其他聲學(xué)探測(cè)技術(shù)， 如多波束、側(cè)掃聲吶等設(shè)備集成。