張長(zhǎng)飛

（中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003）

海上風(fēng)電具有風(fēng)資源穩(wěn)定、不占用土地、消納條件好、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定性好、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高等優(yōu)勢(shì)。大力發(fā)展海上風(fēng)電，對(duì)我國(guó)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。在全球“碳中和”目標(biāo)的推動(dòng)以及我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)下，“十四五” 期間我國(guó)海上風(fēng)電規(guī)劃總裝機(jī)量超過(guò)100 GW。未來(lái)海上風(fēng)電的發(fā)展將趨于大型化、深遠(yuǎn)?；?、基地化、規(guī)?；约耙惑w化綜合應(yīng)用［1］?？辈旃ぷ魇呛Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)的重要組成部分。工程勘察需要為場(chǎng)址選擇、風(fēng)機(jī)布置、基礎(chǔ)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程量概算等工作提供大量準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料。工程勘察的成果對(duì)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)的影響重大而深遠(yuǎn)［2］。

常規(guī)的海上鉆探勘察雖然能準(zhǔn)確揭露單個(gè)點(diǎn)的地層分布情況，但它不能全面反映場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)、覆蓋層分布等情況［3］。為了揭示海上風(fēng)電場(chǎng)淺部地層結(jié)構(gòu)、覆蓋層厚度、基巖埋深等情況，中地層剖面探測(cè)是一種不可或缺的重要手段［2-5］。中地層剖面是利用聲波在海底地層中的傳播及反射規(guī)律來(lái)探測(cè)海底地質(zhì)情況，中地層剖面探測(cè)因具有探測(cè)效率高、探測(cè)映像直觀、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)勘察中［2，4，7］。

1 工作原理與數(shù)據(jù)處理

1.1 工作原理

中地層剖面探測(cè)的基本原理是［5］：通過(guò)換能器（震源）將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率的聲波脈沖向海底發(fā)射，該聲波在海水和沉積層傳播過(guò)程中遇到反射界面，反射回?fù)Q能器被轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號(hào)后記錄下來(lái)，并輸出為能夠反映地層聲學(xué)特征的剖面記錄。反射界面為波阻抗不等的2 種介質(zhì)的分界面，而波阻抗為聲波在介質(zhì)中傳播的速度（υ）和介質(zhì)密度（ρ）的乘積。在中地層剖面探測(cè)中，近似認(rèn)為是垂直入射的，反射系數(shù)R 可以用式（1）來(lái)表達(dá)：

式中：Z 為介質(zhì)的波阻抗；R 為反射系數(shù)。

聲波波阻抗反射界面代表著不同地層的密度和聲學(xué)差異而形成的地層反射界面，在剖面儀顯示器上反映兩相鄰的界面線，并能分別顯示2 層沉積物的性質(zhì)圖像特性差異。由于不同的沉積物存在著密度差異和速度差異，在聲學(xué)反射剖面上表現(xiàn)為波阻抗界面。差異越大，波阻抗界面就越明顯（反射信號(hào)的振幅越強(qiáng)）。這種反射界面一般能夠代表不同地質(zhì)年代、不同沉積環(huán)境和物質(zhì)構(gòu)成的真實(shí)界面。工作原理詳見圖1。

圖1 中地層剖面工作原理

1.2 數(shù)據(jù)處理

資料整理包括定位資料的整理、原始剖面的復(fù)制、各種參數(shù)值的量取與計(jì)算，以及各種成果圖件的繪制。中地層剖面儀記錄比較多的噪聲，噪聲的影響比較大且來(lái)源也比較復(fù)雜。常見的有機(jī)械干擾、環(huán)境噪聲、直達(dá)波、海底多次波等；處理過(guò)程中壓制噪聲，減小噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，處理流程包含帶通濾波、時(shí)變?cè)鲆?、反褶積等。具體的布置如下：

（1）定位資料的整理：校對(duì)定位坐標(biāo)成果資料，包括檢查其線號(hào)、工作日期、剖面方向、點(diǎn)號(hào)等，與定位記錄數(shù)據(jù)、定位草圖的統(tǒng)一性。

（2）原始剖面的復(fù)制：將中地層剖面測(cè)量的原始記錄剖面存盤。

（3）原始資料的處理：原始數(shù)據(jù)處理采用Sonarwiz7 中剖處理模塊，處理手段包括：水位改正、噪聲壓制、振幅控制等。

（4）資料解釋的流程：中剖資料的主要解釋工作包括地層劃分、繪制解釋剖面以及區(qū)域成果圖。在進(jìn)行剖面解譯前首先對(duì)剖面的水深進(jìn)行校正，水中聲速使用工作區(qū)中聲速剖面測(cè)量得到的速度。

2 在某近海風(fēng)電場(chǎng)可研階段勘察中的應(yīng)用

2.1 測(cè)區(qū)情況

場(chǎng)址中心離岸約8～10 km，樁基容量100 MW。海底地形起伏大，大部分區(qū)域水深為20～30 m，局部可達(dá)40～47 m。附近主要有大蛇島、小蛇島、小日島等島嶼，島礁多且分布不均，規(guī)模大小不一。因礁頂高程不同，致該海域潮起時(shí)形成眾多暗礁，潮落時(shí)出現(xiàn)成片礁石，海底面地形地貌復(fù)雜。

2.2 測(cè)線布置

本次中地層剖面測(cè)量工作測(cè)線布置如下：沿風(fēng)機(jī)主排列方向布置2 條剖面，共完成中地層剖面15.5 km。物探測(cè)線航跡圖詳見圖2。

圖2 物探測(cè)線布置圖

2.3 地層巖性及地球物理?xiàng)l件

海域地層巖性根據(jù)地震反射波組形態(tài)特征主要由以下8 個(gè)單元層組成：

（1）第1 大單元層，主要為流塑狀淤泥層，埋深較淺。

（2）第2 大單元層，為可塑狀粉質(zhì)黏土層，埋深較淺。

（3）第3 大單元層，為松散-中密狀中砂層，埋深較淺。

（4）第4 大單元層，為可～硬塑狀殘積粘性土層，埋深較淺。

（5）第5 大單元層，為硬塑全風(fēng)化花崗巖層。

（6）第6 大單元層，為硬塑砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。

（7）第7 大單元層，為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。

（8）第8 大單元層，為中風(fēng)化花崗巖基巖層，主要為燕山期侵入的花崗巖。

2.4 數(shù)據(jù)解釋

根據(jù)地震時(shí)間剖面圖中反射波形、到時(shí)和連續(xù)性等特點(diǎn)的對(duì)比分析，確定海底標(biāo)高0～-120 m 范圍內(nèi)存在8 組有效波組（T0～T7），其中局部地段T5、T6、T7波組受上部地層能量衰減影響，有效信號(hào)識(shí)別一般。

T0為海底與海水的反射界面，由于海水與海底的波阻抗差異比較大，因此該反射界面反射能量強(qiáng)，相位穩(wěn)定，同相軸清晰，連續(xù)性好，全區(qū)可連續(xù)追蹤。T1為淤泥層與中砂或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層界面，該界面層內(nèi)圖像明亮，T0和T1之間的層內(nèi)反射同相軸多表現(xiàn)為低幅值、近似平行的反射類型，同相軸連續(xù)性好，可連續(xù)追蹤。T2為粉質(zhì)黏土層與碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層界面，該界面層內(nèi)圖像較明，T1和T2之間的地層表現(xiàn)為低幅值、近似平行的反射類型，同相軸連續(xù)性好，可連續(xù)追蹤，具有平行簡(jiǎn)單層理特征，沉積物平穩(wěn)且較為均勻一致。T3為中砂層與碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層界面，受中砂層吸收反射波能力較強(qiáng)的影響，T1和T3之間地層圖像顏色較淺，層內(nèi)弱振幅，同相軸不連續(xù)，不易追蹤；受上部地層能量衰減影響，T3和T7之間的地層圖像顏色較淺，層內(nèi)弱振幅，同相軸不連續(xù)，不易追蹤。T6為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層界面，受上部地層能量衰減影響，T6和T7之間的地層圖像顏色較深，層內(nèi)強(qiáng)振幅，同相軸不連續(xù)，不易追蹤。T7為中風(fēng)化花崗巖層頂界面。其中L2測(cè)線部分中地層剖面成果斷面見圖3，L3測(cè)線部分綜合地質(zhì)解釋斷面見圖4。

圖3 L2 測(cè)線部分中地層剖面成果斷面圖

圖4 L3 測(cè)線部分綜合地質(zhì)解釋斷面圖

結(jié)合鉆探和中地層剖面探測(cè)成果，分析如下：

（1）本次中地層剖面勘查所有測(cè)線的時(shí)間剖面圖中有效反射相位相似性一般、各相位起伏較大，說(shuō)明區(qū)內(nèi)地層沉積不穩(wěn)定、巖性在橫向上變化較大，底部分布礁石。

（2）場(chǎng)區(qū)覆蓋層厚度變化大，由于基巖與上伏薄層砂及其他軟弱覆蓋層物理性質(zhì)差異比較大，波阻抗較大，反射較強(qiáng)烈，基巖界線明顯。

（3）水深、覆蓋層厚度變化大，根據(jù)基巖面的起伏情況，可根據(jù)中剖成果合理選擇基礎(chǔ)型式，如重力式基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。

3 在某外海風(fēng)電場(chǎng)可研階段勘察中的應(yīng)用

3.1 測(cè)區(qū)概況

場(chǎng)址中心距離海岸線約55 km，水深49～55 m。裝機(jī)容量200 MW。場(chǎng)址區(qū)處于水下緩坡、水下堆積臺(tái)地、平原地貌。海底地形單一、平緩，總體呈西高東低，高程-49.1～-54.8 m（1985高程），海底地形比降約為1.0‰。

3.2 測(cè)線布置

本次中地層剖面工作測(cè)線布置如下：沿風(fēng)機(jī)主排列方向布置2 條剖面，剖面間距約2.9 km，每條剖面長(zhǎng)度約8.5 km；垂直風(fēng)機(jī)主排列方向布置4 條剖面，剖面間距約2.2 km，每條剖面長(zhǎng)度約5 km。測(cè)線總長(zhǎng)度約37 km。物探測(cè)線航跡詳見圖5。

圖5 物探測(cè)線航跡圖

3.3 地層巖性及地球物理?xiàng)l件

海域地層巖性根據(jù)地震反射波組形態(tài)特征主要由5 個(gè)單元層組成：

（1）第1 大單元層，主要為流塑狀淤泥層，埋深較淺。

（2）第2 大單元層，為軟塑～可塑狀土層，以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，局部夾粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。

（3）第3 大單元層，為硬塑狀土層，以粉質(zhì)黏土為主，夾粉細(xì)砂。

（4）第4 大單元層，為密實(shí)砂層，以粉細(xì)砂、細(xì)砂、礫砂為主，局部夾粉質(zhì)黏土。

（5）第5 大單元層，為基巖層，主要為燕山期侵入的花崗巖。

3.4 數(shù)據(jù)解釋

根據(jù)地震時(shí)間剖面圖中反射波形、到時(shí)和連續(xù)性等特點(diǎn)的對(duì)比分析，確定海底標(biāo)高0～-170 m 范圍內(nèi)存在5 組有效波組（T0～T4），其中T4波組受上部地層能量衰減影響，有效信號(hào)識(shí)別較差。其中：T0為海水水體與下部沉積地層之間的界面，即海底反射界面，主要特征為同相軸能量強(qiáng)，連續(xù)性較好，上下地層波阻抗差異大。T1為淤泥層與軟塑-可塑狀土層界面，T0和T1之間層內(nèi)反射同相軸連續(xù)、易追蹤。大部分地區(qū)表現(xiàn)為微弱的近似平行且橫向連續(xù)的地震反射特征，推測(cè)為淤泥質(zhì)海床。T2為軟塑可塑狀土層與硬塑狀土層界面，T1和T2之間的層內(nèi)反射同相軸多表現(xiàn)為低幅值、近似平行的反射類型，層內(nèi)圖像較明，該層主要為松散粉砂與軟塑-可塑狀粉質(zhì)黏土。T3為硬塑狀土層與密實(shí)砂層界面，T2和T3之間的層內(nèi)圖像較暗，主要為硬塑狀粉質(zhì)黏土層，夾有密實(shí)粉質(zhì)黏土層。T4為密實(shí)砂層與基巖界面，T3和T4層圖像顏色較深，主要為密實(shí)砂層。T4下部為基巖層，該層連續(xù)性較差，表現(xiàn)為雜亂弱反射類型。

其中L3測(cè)線中地層剖面成果斷面圖見圖6，L4測(cè)線綜合地質(zhì)解釋斷面圖見圖7。

圖6 L3 測(cè)線綜合地質(zhì)解釋斷面圖

圖7 L4 測(cè)線綜合地質(zhì)解釋斷面圖

結(jié)合鉆探和中地層剖面探測(cè)成果，分析如下：

（1）本次中地層剖面勘查所有測(cè)線的時(shí)間剖面圖中有效反射相位相似性較好、且各相位起伏不大，說(shuō)明區(qū)內(nèi)地層沉積穩(wěn)定、巖性在橫向上基本沒(méi)有變化。反映海底的T0界面起伏坡度角不大，表明測(cè)區(qū)內(nèi)存在滑坡體的可能性極小，未發(fā)現(xiàn)明顯的斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

（2）淤泥及黏性土，無(wú)顆粒結(jié)構(gòu)，反射能量損失較小，對(duì)聲波的衰減較小，界面清晰。

（3）受上部砂層地層能量衰減影響，T3和T4之間的層內(nèi)圖像較暗，振幅較強(qiáng)，層內(nèi)同相軸不連續(xù)，不易追蹤。由于砂是由顆粒組成的，對(duì)聲波的反射能力較強(qiáng)，另穿透的聲波在顆粒間的漫反射也造成能量損失、衰減，可以看出中地層剖面探測(cè)對(duì)深厚的砂層穿透深度較小，探測(cè)效果較差［4］。

（4）基礎(chǔ)選型可采用四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)、吸力筒導(dǎo)管架等，為深海區(qū)的基礎(chǔ)選型提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文介紹了中地層剖面探測(cè)的工作原理，并成功應(yīng)用于某近海、外海風(fēng)電場(chǎng)，取得了顯著的效果，并得出以下結(jié)論：

（1）中地層剖面探測(cè)能夠有效查明覆蓋層厚度的分布情況。

（2）對(duì)區(qū)分淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土和基巖頂面的反射界面清晰，效果好。對(duì)于深厚的砂層由于反射和漫反射造成能量損失，穿透深度較小，探測(cè)效果較差。

（3）中地層剖面探測(cè)憑借其成本低、效率高、覆蓋面積大等特點(diǎn)，符合風(fēng)電場(chǎng)預(yù)可研、可研階段的勘察深度要求，有效查明場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度，為基礎(chǔ)選型提供可靠的依據(jù)。

但中地層剖面探測(cè)作為1 種物探手段，根據(jù)其原理產(chǎn)生的探測(cè)深度有限、解譯的多解性、圖像失真等問(wèn)題以及地層的非均質(zhì)、各項(xiàng)異性等特點(diǎn)，中地層剖面探測(cè)應(yīng)結(jié)合鉆探和其他物探資料進(jìn)行探測(cè)和解譯。