劉樂軍，周慶杰,2，李西雙,2，王景強,2，張承藝,2，張林清,2，周 航

（1. 自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 嶗山實驗室 海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061）

查明海底淺層沉積物的沉積特征及工程地質參數（如粒度、密度、孔隙度、抗剪強度等）是進行海洋開發(fā)不可缺少的前期工作，同時，對于海洋環(huán)境調查、海底資源勘探、海洋工程建設及海洋開發(fā)利用等都具有重要的應用價值[1-2]。目前，對于工程場址區(qū)或管道路由區(qū)海底淺表層沉積物工程地質參數的獲取，常用的方法是采集足夠多的沉積物樣品，通過實驗室測試分析得到沉積物的粒度、密度、孔隙度、抗剪強度等物理力學參數，或者通過靜力觸探（Cone Penetrometer Technology, CPT）等原位測量的方式獲得海底淺層土體的力學參數[3]。上述方法雖然可直接獲取海底表層沉積物的工程地質參數，但均具有較高的成本，經濟和時間上的限制導致通常只能進行有限的采樣，因而無法高效地了解較大范圍內海底淺表土體的工程地質特性。

隨著聲學地球物理探測技術的不斷發(fā)展，多波束、側掃聲吶、淺地層剖面、單道地震和多道地震等各種探測技術方法被用于海底水深地形、地形地貌和地層結構的探測中，利用這些觀測方式不僅可以了解海底地形及沉積分層結構，同時獲得的聲學反射信息與沉積物密度、含水量、孔隙比、粒度、抗剪強度等物理力學性質密切相關，也常被用來進行海底底質分類及工程地質參數的反演。相較于傳統(tǒng)取樣測試，聲學反演方法具有效率高、成本低等優(yōu)勢，在海洋工程建設、海底資源開發(fā)以及深水油氣田安全開發(fā)保障等方面具有重要的應用價值。

目前，在海底底質聲學反演方面，從傳統(tǒng)的基于反射強度的底質分類到基于聲學物理屬性數據的物理力學參數反演，涉及海洋地質、地球物理、海洋聲學、數字信號處理、圖像處理以及機器學習等多學科交叉融合，經過近幾十年的發(fā)展，建立了多種聲學反演方法并取得了豐碩的成果，反演精度在不斷提高[4]，如表1 所示。本文梳理了近年來國內外學者在海底底質物理力學參數反演方面的研究及重要成果，在簡述海底沉積物類型、物理力學特性及其聲學表現特性的基礎上，從基于散射/反射強度的反演和基于反射系數/波阻抗等地球物理屬性數據的反演等方面，對比分析了各類多波束、淺地層剖面及多道地震等海底聲學探測數據在海底底質物理力學參數反演中的優(yōu)勢與不足，對基于地球物理探測數據反演海底工程地質參數的發(fā)展前景予以分析和展望。

表1 幾種常用反演結果的比較[4]Table 1 Comparison of several commonly used inversion results[4]

1 海底沉積物類型及常用工程地質參數

海底的大部分面積均覆蓋有一層比較松軟的沉積物，從淺水的近海到深水大洋，沉積物的厚度差別很大。海底沉積物的最上層是流動或半流動的稠性介質，且是一種多孔、未固結或部分固結、飽水的宏觀上各向同性的彈性介質[5-6]。依據海水深度和離岸遠近等海底區(qū)域地形要素可將海底沉積物劃分為3 類：深海沉積物（大洋盆地和深水海淵沉積物）、次深海沉積物（陸坡沉積物）和淺海沉積物（大陸架沉積物）[7]。其中，淺海沉積物由于易受陸源輸入、氣候及水動力（波浪、潮汐、潮流等）因素的影響，沉積物成分變化強烈，使得大陸架沉積物比大陸坡沉積物，特別是比深海沉積物要復雜得多[8]。從沉積物理學角度來看，海底是一個物理量多、特征變化范圍大的固體層，這些物理量之間互有相關性，它們的相關性隨著沉積物的沉積環(huán)境和沉積歷史的不同而不同。

常用的沉積物工程地質參數有孔隙度n（%）、天然重度ρ（g/cm3）、含水量w（%）、飽和度s（%）、土粒比重G（g/cm3）、粒徑d（mm）、平均顆粒粒徑Md（Φ =—log2d）、液限Wl（%）和塑限Wp（%）等物理參量，以及抗剪強度q（kg/cm2）、固結系數等力學參量[7]。反映沉積物聲學特性的參量主要有反射系數R、反射損失BL（dB）、聲速V（m/s）、聲阻抗Z（g/（ cm2·s））和聲衰減系數α（dB/m）等[8-9]。不同沉積物類型的聲學特性具有較大的差異性，沉積物物理力學參數與聲學參數之間有著緊密的關系，因此，可以利用沉積物的聲學特性反演工程地質參數。

2 海底沉積物聲學特性研究

自20 世紀50 年代開始，以美國為主的科學家開始了海底沉積物類型與聲學參數（聲速、聲衰減等）等方面的調查研究工作，對海底沉積物聲學特性和物理力學性質參數之間的相關關系進行了大量的試驗和統(tǒng)計分析（圖1），得到了適用不同沉積物類型的經驗公式，如：Hamilton 等在聲速和聲衰減與沉積物顆粒粒徑、密度、孔隙度等方面開展了大量統(tǒng)計工作[10-11]，建立了相關性經驗公式；Fass[12]在Hamilton[11]、Sutton 等[13]和Morgan[14]的研究基礎上，發(fā)展出海底反射系數（R）與沉積物孔隙度（n）的經驗公式（ R=0.646 8-0.645 6n）；Hamilton[15]和Bachman[1]研究了海底反射系數與沉積物平均粒徑（Mz）的相關性，分別得到相關經驗公式（1）和（2）：

圖1 海底沉積物聲學特性和物理性質統(tǒng)計關系圖Fig. 1 Statistical relationship between acoustic and physical properties of seafloor sediments

此外，我國許多研究人員也在海底淺表層沉積物的聲模型方面開展了廣泛的研究[16-19]，在不同海域建立了沉積物聲速預測公式[20-25]。

隨著海底沉積聲學的不斷發(fā)展，也形成了一系列海底沉積物聲波傳播理論模型（如Biot 模型、Biot-Stoll 模型、Hamilton 模型、Buckingham 模型、Wood 方程等）[1,26-29]。與統(tǒng)計性經驗關系相比，沉積物聲波傳播理論將海底沉積物看作流體、彈性固體或多孔彈性介質，涉及的參數較多（如Biot 理論至少需要13 個參數來描述各向同性介質），但是可以較為準確地描述海底沉積物聲波傳播特性，是研究海底沉積物聲學特性和物理性質關系的重要手段和方法。然而，淺水區(qū)的砂質沉積物作為多孔彈性介質，深水區(qū)的松軟泥質沉積物作為飽和流體多孔介質，單一模型還不能完全解釋和準確表達聲波在多類型沉積物中的傳播特征，以沉積物聲速為例，在不同水深區(qū)域內，不同模型的預測精度存在顯著差異（圖2）。因此，發(fā)展構建適用于多類型沉積物的海底底質聲學模型是未來底質聲學綜合反演研究的重點和難點。

圖2 不同水深區(qū)域聲速實測與模型預測結果對比Fig. 2 Comparison between measured values and model prediction results of sound velocity under different water depths

3 基于反向散射強度的反演與表層沉積物分類

目前，聲學方法在海底地形地貌探測方面已經得到廣泛應用，水聲探測技術的進步和水聲傳播理論的研究成果的不斷出現促進了利用聲學信號進行海底底質特征研究的發(fā)展，其中以利用多波束、側掃聲吶等的聲波反向散射強度的底質特征研究最為廣泛[30-35]。海底回波的反向散射數據與海底底質的粗糙度、沉積物粒徑、孔隙度、飽和度等物理屬性及入射角具有極強的相關性，多波束聲吶系統(tǒng)可以全覆蓋掃測海底，利用其回波強度反演海底底質屬性參數是目前研究較多、應用最為廣泛的手段之一[36-40]。

與海底底質取樣獲取的真實海底樣品測試數據相結合，利用多波束系統(tǒng)獲取的反向散射強度數據和海底聲像圖，可利用迭代自組織數據分析算法[41]（Iterative Selforganizing Data Analysis, ISODATA）、無監(jiān)督的模糊C 聚類算法（Fuzzy C-Means Algorithm, FCMA, 或稱FCM）[42]、高階局部自相關算法（Higherorder Local Auto-Correlation, HLAC）及K-均值聚類算法[43]等計算機技術、數字圖像處理與識別技術，實現海底底質類型的自動分類與識別。

多波束反向散射強度的精細處理是準確獲取海底底質屬性參數、提高底質類型識別精度的重要保障。在對多波束反向散射強度數據解析提取的基礎上，進行定姿定位、補償改正、聲吶圖像處理等技術最大限度剔除多波束干擾（跳變或邊緣等）數據對反向散射數據的影響，最終通過分類模型的構建實現海底底質屬性反演與類型識別（圖3）。

圖3 多波束底質反演與分類技術流程Fig. 3 Technical flow of multi-beam substrate inversion and classification

4 基于淺地層剖面數據的反演

以電火花（Sparker）、Boomer 和Chirp 參量陣為聲源的高分辨率淺地層剖面探測技術在海洋工程[44]、海上考古[45]、國土防御[46]以及海洋地質研究中應用廣泛[47]，但是，長期以來對于這些數據通常只進行淺地層剖面解釋，即得到有關沉積層的結構和構造信息，在定量反演方面應用較少。近年來，隨著近海風電場的建設，國內外一些學者開始利用淺地層剖面數據開展海底工程地質參數反演的探索性工作。例如，Kim 等[48]基于Chirp 剖面和沉積物測試數據的統(tǒng)計關系，建立了Ulleung 盆地海底沉積物聲學特征和巖土工程地質參數之間的相關性，用于分析表層沉積物的分布格局和沉積過程；Vardy 將遺傳算法應用于淺地層剖面，得到阻抗剖面，進而利用波阻抗與沉積物力學性質的經驗關系得到工程地質參數[49]；劉玉萍等則通過提取淺剖資料的海底均方根振幅，結合海底攝像系統(tǒng)判別海底底質的軟硬程度[50]。

上述研究主要是對淺剖聲學特性與海底表層沉積物物理力學性質進行統(tǒng)計性分析，利用統(tǒng)計關系反演表層沉積物物理性質來了解海底底質類型，這些方法往往需要大量的沉積物取樣測試數據，且獲得的統(tǒng)計關系僅適用于當前研究區(qū)[51]。此外，Schock 利用Biot-Stoll 模型和Chirp 淺地層剖面數據反演了美國東部Fort Walton 海灘和南海海底沉積物的聲速、密度、孔隙度等物性參數[52]（圖4），由于Biot-Stoll 模型本身的限制，其反演的沉積物類型主要為砂質沉積物（孔隙度為25%～80%）；陳靜等嘗試基于Biot-Stoll 模型和Chirp 淺剖數據對瓊州海峽的海底沉積物孔隙度、密度等物性進行了反演[53]，同時引入了Gardner 經驗公式對高反射區(qū)沉積物（孔隙度小于25%）的物性反演做了補充，但是對于較低反射區(qū)沉積物（孔隙度大于80%）仍使用Biot-Stoll 模型進行反演，反演結果雖然整體相符，但局部誤差相對較大。通過對上述研究結果進行分析發(fā)現，在利用淺地層剖面數據定量反演工作中所使用的模型或經驗關系式較為單一且適用區(qū)域比較局限，往往根據某海域測試數據得到的關系式并不適用于其他海域，因此，如何綜合利用多種聲波傳播理論模型建立一種適用于當前研究區(qū)或具有普適性的沉積物聲學特性與物理性質之間的經驗關系或模型模式是一個亟待解決的科學問題。

圖4 基于淺地層剖面的海底部沉積物物性參數反演Fig. 4 Inversion of physical property parameters of seafloor sediments based on sub-bottom profiles

5 基于多道地震數據的反演

在地震資料中，海底通常對應于第一個正極性的強反射。理論上，這種強反射是由于海床（水和沉積物的分界面）上下存在較大的密度和速度差異形成的，其強度取決于聲阻抗和地震反射系數[54-55]。大量的數據和研究表明海底沉積物的物理力學性質與聲阻抗存在密切關系，如土體的孔隙度、土體的抗剪強度等[56-57]。土體的抗剪強度是描述土體抵抗剪切力大小的指標，與聲阻抗之間存在著一定的關系，相關性統(tǒng)計試驗表明，當海洋沉積物顆粒很小時（泥或粉砂質軟泥），抗剪強度與聲阻抗之間的關系在不同的區(qū)域表現出相似性[58]。所以地震資料中蘊含著豐富的沉積體物理力學性質信息[59-60]，可以通過研究地震資料中相關物理參數與沉積體物理力學性質之間的關系，建立基于地震資料的海底工程地質參數反演方法，研究成果是對現有海底地質災害勘查技術方法的重要補充，具有很高的應用價值。

目前，地震資料解釋的發(fā)展主要包括以下幾個方向：數字化處理的大幅應用、“模擬”數據集的復雜地形解釋、利用地震速度對地質類型的劃分、地震數據和巖土工程資料的緊密結合，以及利用可視化軟件進行解釋等[61]。為了利用先進的地球科學方法從現有地震/測井數據中提煉出額外價值，Hamilton 等利用北海和Ormen Lange 氣田區(qū)2 個井場的調查數據進行了多道地震反演試驗，對地震反演技術在井場勘查和地質災害研究中的應用問題進行了探討[62]。Daniel Orange 等利用全面的海底圖像、多道地震數據，結合重力學和磁學資料，以海底盆地中不同源級的滲出物為目標，多種數據集進行綜合解釋，對影響海底的基底線理進行了識別，從而確定了淺部巖鹽的位置，為有關勘探和地質災害的研究提供了有效手段[63]。Li 等[64]基于3D 地震數據和巖芯測試數據建立了海床峰值震幅、聲阻抗和淺層土體抗剪強度之間的關系，在此基礎上借助安全系數法建立了基于勘探地震數據的不穩(wěn)定區(qū)域預測方法。倪然等基于Gassmann 理論與海上多道地震數據，結合多相介質模型，利用地震速度分析提取的速度資料，反演海底孔隙度、密度和泊松比的反演方法[65]（圖5）。

圖5 基于地震資料反演沉積物物理參數Fig. 5 Inversion of sediment physical parameters based on seismic data

目前，基于地震資料的海底沉積物物理、力學參數反演研究大多處于試驗研究階段，主要還是通過研究地震屬性參數與沉積物物理力學參數間的統(tǒng)計關系，開展工程地質參數反演，沒有形成系統(tǒng)的理論模型。且在反演過程中，地震數據的剖面質量、信噪比等對反演結果影響較大。因此，如何在地震數據預處理、地震屬性參數提取、模型關系建立等方面取得突破性進展，是基于地震數據獲取海底底質工程地質參數的一個亟待解決的關鍵科學問題。

6 結語與展望

基于地球物理探測數據反演海底工程地質參數，實質就是將獲取的聲學變量轉換為海底沉積物的物理力學性質。由于海底的作用，淺海聲場相比深海聲場更加復雜，海底中的各類聲學參數，如密度、聲速與衰減等變化都將改變上層流體中聲場的分布。在深海中聲波與海底相互作用的次數較少，一些淺海中常用的簡正波頻散特征、傳播或混響的垂直相關等反演方法在深海中不再適用，因此，如何從聲場中有效地提取海底參數一直以來都是亟待解決的難題[66]。此外，聲學變量與物理性質之間的關系是復雜的、多變的、非線性的，通過聲學理論模型、物理仿真及深度學習等方法構建海底聲學底質反演模型，同時綜合大量底質取樣與多波束、淺地層剖面、多道地震等聲學地球物理探測數據，開展海底綜合探測與工程地質參數反演將是未來研究的熱點方向。

6.1 多源多尺度地球物理數據融合反演

多波束可以獲取海底高精度水深地形及反向散射強度數據，可以用于反演海底表面底質物性特征及底質類型劃分，但由于勘探深度限制，無法進一步獲取海底以下一定深度沉積地層的工程地質參數。淺地層剖面與多道地震是海底地層結構與構造探測的重要方法手段，可獲取海底以下一定深度內的沉積地層特征信息。與原位聲學探測、底質取樣等直接測量數據相結合，綜合利用多波束、淺地層剖面及多道地震等多種地球物理數據，開展多源多尺度地球物理數據融合反演，對提高海底淺部沉積層工程地質參數反演具有重要意義。

6.2 高精度海底聲學模型構建

在海底工程地質參數反演與數據庫構建方面，20 世紀50 年代以來，歐美等國先后在大西洋、太平洋等區(qū)域采集了大量的海底底質樣品、原位測量及聲學地球物理探測數據，建立了豐富的區(qū)域底質特征數據庫。我國在基于地球物理數據反演海底工程地質參數方面的研究并不深入，大多數研究集中在數據解析與改正、深部油氣儲層參數反演等方面，缺乏適合我國關鍵海區(qū)的地聲理論模型作支撐，并沒有對海底工程地質參數反演中的關鍵技術進行全面而系統(tǒng)的探討。因此，在現有海底工程地質參數反演研究的基礎上，追蹤國際聲學底質反演技術的最新動態(tài)，利用大量地質取樣、原位聲學測試、多波束、淺地層剖面及多道地震數據，從基礎聲學理論方面，深入分析海底分層結構及其地聲參數對聲傳播的影響，建立高精度海底聲學反演模型是未來海底工程地質參數反演研究發(fā)展的重要方向。