摘要：隨著海洋資源開發(fā)持續(xù)推進，近岸涉海工程建設(shè)越來越多，淺地層剖面探測利用聲波在海底沉積物中的傳播以及反射特性和規(guī)律對海底地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造進行探測，具有高分辨率、可穿透地層、可連續(xù)走航式探測等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。通過介紹淺地層剖面探測技術(shù)的原理和工作流程，以工程實例為研究對象，將淺地層探測應(yīng)用于海洋調(diào)查工作中，對結(jié)果進行地質(zhì)解釋并得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：海洋資源""淺地層剖面探測""波阻抗""地質(zhì)解釋""地質(zhì)類型

Application"Analysis"of"Shallow"Strata"Profile"Detection"Technology"in"Waterway"Project

CHEN"Changjin

Fujian"Zhangzhou"Gulei"Port"Construction"and"Development"Group"Co.，"Ltd.，"Zhangzhou，"Fujian"Province，"363215"China

Abstract："With"the"continuous"advancement"of"marine"resource"development，"there"are"more"and"more"offshore"marine"engineering"constructions，"Shallow"strata"profile"detection"uses"the"propagation"and"reflection"characteristics"and"laws"of"sound"waves"in"seabed"sediments"to"detect"the"structure"and"formation"of"seabed"strata."It"has"the"advantages"of"high"resolution，"penetrating"strata"and"continuous"navigation"detection，"and"is"widely"used."By"introducing"the"principle"and"workflow"of"shallow"strata"profile"detection"technology，"taking"engineering"example"as"the"research"object，"shallow"strata"detection"is"applied"to"marine"survey"work，"and"geological"interpretation"is"carried"out"and"conclusions"are"drawn.

Key"Words："Marine"resources;"Shallow"strata"profile"detection;"Wave"impedance;"Geological"interpretation;"Geological"type

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，海洋活動的變得越來越頻繁，為了更好地利用海洋，國家依法對長江口區(qū)域進行海籍調(diào)查。長江口區(qū)域也是用海活動最密集的區(qū)域之一，開發(fā)建設(shè)規(guī)模較大，海岸空間資源利用率高，用海類型包括碼頭、圍海、海底電纜管道、隧橋、保灘壩等人工構(gòu)筑物。其中，丁壩在崇明三島的用海項目中占有很大的比例，但由于行政區(qū)劃分的變化和年代久遠的原因，部分丁壩無法收集相關(guān)竣工資料。本文就地層剖面探測技術(shù)在航道項目探測中前期準備、測量計劃線的布設(shè)、前期的準備、儀器的選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精度評估等過程做詳細的介紹，為今后航道項目的探測提供了新的方法與思路[1]。

1"淺地層剖面探測的技術(shù)原理

地層剖面探測技術(shù)在航道項目中的應(yīng)用面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題。首先，海洋測繪需要覆蓋大面積海域，而海洋環(huán)境的復(fù)雜性使獲取精確和全面的數(shù)據(jù)變得困難。海洋中的水流、潮汐、風浪等自然因素會導致數(shù)據(jù)的失真和誤差，從而影響探測結(jié)果的準確性。其次，航道項目探測需要使用傳感器和儀器進行數(shù)據(jù)采集，但這些設(shè)備對深海環(huán)境的適應(yīng)性相對較弱。在深海區(qū)域，溫度、壓力和水質(zhì)等因素的變化較大會對設(shè)備的性能和精度產(chǎn)生負面影響。此外，海洋測繪技術(shù)還面臨數(shù)據(jù)處理和管理的問題。海洋測繪數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜度高，如何高效地存儲、分析和管理這些數(shù)據(jù)，是一個亟待解決的挑戰(zhàn)。同時，地層剖面探測技術(shù)還需要解決數(shù)據(jù)標準化和共享的問題，以便不同機構(gòu)和國家之間能夠進行有效的數(shù)據(jù)合作和交流。

淺地層剖面探測技術(shù)是利用聲波的折射和反射的原理設(shè)計的。通過震源發(fā)出的地震波，沿垂直方向下傳播，遇到介質(zhì)不同、密度不同的兩種介質(zhì)時，部分聲波在界面反射，部分在界面通過繼續(xù)向下傳播;到達下一個界面同樣產(chǎn)生反射和通過，不同密度和聲學差異的介質(zhì)反射和通過的聲波的強弱不同，利用這個原理即可獲取海底地層分層情況和各層底質(zhì)的信息[2]。地層剖面探測技術(shù)是一種集成了多種探測方法和技術(shù)的綜合性應(yīng)用，旨在準確、高效地識別和定位地下管線的位置、深度和走向，這項技術(shù)結(jié)合了電磁法、雷達探測、聲波探測、紅外熱成像等多種物理探測手段，以及地理信息系統(tǒng)（Geographic"Information"System，GIS）、全球定位系統(tǒng)（Global"Navigation"Satellite"System，GNSS）和計算機輔助設(shè)計（Computer"Aided"Design，CAD）等信息技術(shù)，形成了一套完整的探測解決方案。""""完成淺層剖面系統(tǒng)的安裝后，在船上進行靜態(tài)測試，內(nèi)容包括硬件的安裝與集成的測試、供電系統(tǒng)測試、GNSS數(shù)據(jù)的連接測試和系統(tǒng)軟件測試。通過多次量取各個單元相對GNSS天線的偏移距離等相關(guān)參數(shù)，確保各參數(shù)準確。安裝測試完畢后，使測量船以低速平穩(wěn)航行，對整套設(shè)備和軟件進行接通測試，以確保集成系統(tǒng)的可靠性和可行性[3]。

2"工程應(yīng)用實例

2.1"測區(qū)概況

本工程為福建省某沿海航道項目，要求對航道區(qū)域進行淺地層剖面探測，以探明擬建航道設(shè)計范圍內(nèi)海域的海底底質(zhì)類別與分布范圍，為工程設(shè)計提供基礎(chǔ)資料。

依據(jù)項目技術(shù)需求布設(shè)測線，共布置60條，總長度約31.7"km，實際測線總里程約35.8"km。

2.2"儀器設(shè)備

本次項目所采用儀器設(shè)備的精度（等級）、時效性、穩(wěn)定性及其他性能指標均達到或接近國內(nèi)外先進水平，儀器均妥善維護和保養(yǎng)，確保運行穩(wěn)定，安全可靠，具備正常作業(yè)能力。主要設(shè)備為Geo-Source"200"Light多極電火花震源，Mini-Trace"II地震數(shù)據(jù)采集單元，HY1200聲速剖面儀。

2.3"測前準備

海上天氣變化快，經(jīng)常出現(xiàn)大風大浪等不利于測量的天氣，同時丁壩由于淤積的原因處在海水較淺的區(qū)域，甚至低潮時漏出水面，這些因素對測量儀器來說是重大的安全隱患。為了確保船只和儀器的安全，加強氣象監(jiān)測，選擇在風浪小，大潮高潮時進行測量。測前準備包括測量船保障、GNSS測試與驗證、系統(tǒng)的安裝與測試等階段。本次所用震源采取側(cè)舷拖曳形式，供能電纜和檢波器接收電纜分別位于測量船中部一側(cè)。震源箱放置于干燥、穩(wěn)定、溫度低于60"℃的環(huán)境中，遠離其他設(shè)備和人員。安裝完畢后，利用激光測距儀和測量尺準確量取測量船尺寸以及各個單元相對GPS天線的偏移距離。

設(shè)備安裝完畢后，測量船以低航速（不大于3"knot）平穩(wěn)航行，對整套設(shè)備進行接通測試，確保各單元設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，各項參數(shù)正確[4]。完成淺層剖面系統(tǒng)的安裝后，在船上進行靜態(tài)測試，內(nèi)容包括硬件的安裝與集成的測試，供電系統(tǒng)測試，GNSS數(shù)據(jù)的連接測試和系統(tǒng)軟件測試。通過多次量取各個單元相對GNSS天線的偏移距離等相關(guān)參數(shù)，確保各參數(shù)準確。安裝測試完畢后，使測量船以低速平穩(wěn)航行，對整套設(shè)備和軟件進行接通測試，以確保集成系統(tǒng)的可靠性和可行性。

2.4"采集數(shù)據(jù)

2.4.1"潮位觀測

進行測量時設(shè)立臨時潮位站進行潮位觀測，作為水深改正的依據(jù)，以使不同測線的底跟蹤結(jié)果趨于一致。

潮位觀測使用人工觀測，數(shù)據(jù)記錄時間間隔為10"min。潮位觀測前，對時鐘進行校正，采用UTC時間；觀測過程中，定時進行時間校對，其誤差不大于1"min，超限時進行修正；觀測數(shù)據(jù)均記錄至0.01"m，測量前10"min開始觀測，測量結(jié)束后10"min停止觀測，潮汐數(shù)據(jù)如圖1所示[5]。

2.4.2聲速測量

地層剖面底跟蹤數(shù)據(jù)利用聲速儀進行聲速改正，由震源系統(tǒng)發(fā)射的聲波，可以穿過海水，并穿透海底面進入地層中，在泥、沙等不同性質(zhì)的地層變化界面處聲波發(fā)生反射、透射，聲接收基陣將反射波的返回時間、振幅、頻率等信息轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給記錄系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)則記錄了測量的位置、環(huán)境及船舶的姿態(tài)等信息。由于聲速根據(jù)海水鹽度及溫度等因素變化而變化，作業(yè)時在測區(qū)內(nèi)有代表性的水域采用聲速儀測定聲速剖面。此外，聲速測量技術(shù)還可以檢測到海水周圍的鹽度及溫度，幫助規(guī)劃人員避免地下沖突。地磁探測技術(shù)在項目探測中具有一定的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，通過不斷的技術(shù)改進和實踐驗證，能夠為航道工程建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持。

此項目測量區(qū)域較小且水域開闊，不同地點不同深度聲速變化不顯著，在代表性水域測量一至二次聲速剖面即可滿足要求[6]，如圖2所示。

2.5"數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集應(yīng)選擇大潮高潮平潮時進行，數(shù)據(jù)采集進行之前應(yīng)利用聲速剖面儀測量丁壩區(qū)域的聲速剖面值，進行聲速改正。正式探測前，在測區(qū)內(nèi)進行多次試測。數(shù)據(jù)采集利用測量船沿計劃線方向以走航的方式進行。最終依據(jù)反射層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征分析活動斷裂、滑坡、塌陷、淺層氣、巖體等地質(zhì)類型，繪制地層（反射層）剖面圖件、地質(zhì)體分布圖、巖面（風化殼頂面）高程圖等[7]。

本項目采用GeoSuite-Allworks軟件進行處理與解釋，操作流程如圖3所示。

2.6"地質(zhì)解釋分析

2.6.1"反射界面劃分

反射界面劃分的原則如下：同一層組內(nèi)波反射連續(xù)、清晰、可區(qū)域性追蹤；層組內(nèi)反射結(jié)構(gòu)、形態(tài)、能量、頻率等基本相似，與相鄰層組有顯著差異；主測線與聯(lián)絡(luò)線剖面上相同層組的反射界面應(yīng)能夠閉合。

常規(guī)處理和地質(zhì)解釋需要追蹤反射界面，劃分反射波組，分析反射波組特征，識別地質(zhì)體類型，進行沉積分析與構(gòu)造解釋。

2.6.2"時間深度轉(zhuǎn)換

根據(jù)反射界面劃分的反射波組，確定地質(zhì)體類型。在確定地質(zhì)體類型之后，通過鉆探資料或相關(guān)經(jīng)驗確定相應(yīng)沉積層或地層的聲速。在確定（或大致確定）地質(zhì)體類型之后，借助時深轉(zhuǎn)換方程，將聲學資料的時間數(shù)據(jù)（單位：ms）換算成深度數(shù)據(jù)（單位：m）。

式（1）中：D為累加深度，V為地質(zhì)體聲速函數(shù)，T為聲波雙程旅行時。

探測區(qū)域分為南、北兩個區(qū)域。根據(jù)本項目淺地層剖面探測結(jié)果，結(jié)合附近區(qū)域的勘察資料，初步判斷測區(qū)內(nèi)的地層基本為砂混淤泥、粉質(zhì)黏土、殘積土，下伏風化巖。

北側(cè)區(qū)域典型的淺地層剖面探測圖像，北側(cè)區(qū)域的范圍地形呈“碗”狀，四周水深較淺，中間水深較深，測區(qū)內(nèi)基巖面連續(xù)，清晰可見，未發(fā)現(xiàn)較淺礁石存在。

南側(cè)區(qū)域典型的淺地層剖面探測圖像，具體見圖3所示，區(qū)域內(nèi)整體水深均偏淺且水深起伏變化較大，水深介于1～8"m之間，沉積地層的反射波同相軸偏雜亂，可能是砂粒組分含量較高導致，由于砂粒含量高，地震波傳播能量耗散較大，穿透能力降低，該區(qū)域未探測出清晰的基巖面。但根據(jù)礁石反射波同相軸的特征初步判斷，未發(fā)現(xiàn)較淺礁石存在。

本次淺地層剖面探測圖譜清晰，地層分層良好，基巖面清晰可見，并可見人工堆填砂土，基巖出露主要在測區(qū)南部，分布范圍較小，淺地層圖譜上可見強反射界面；基巖淺埋主要分布在測區(qū)北部，分布范圍較小，淺地層圖譜中基巖面清晰，界面上覆沉積地層；砂土堆填區(qū)主要位于測區(qū)中部偏南位置，范圍較大，砂土堆填區(qū)地形起伏變化較大，淺地層圖譜呈雜亂反射，且穿透深度較淺。

3"結(jié)論

本文介紹了淺地層剖面探測的技術(shù)原理，并結(jié)合淺地層剖面探測技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用，對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)解釋等工作做了描述，并得出以下結(jié)論。

（1）淺地層剖面探測能有效反映海底淺部的地層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，為海洋工程建設(shè)提供可靠的資料支持。

（2）進行地質(zhì)解釋之前，要對原始數(shù)據(jù)進行聲學圖像的還原與恢復(fù)工作，使聲學圖像內(nèi)容足夠豐富，最大程度地反映海底的地質(zhì)信息，以提高解釋準確性。

（3）淺地層剖面探測手段，實施過程中可能受到機械波干擾、多次波反射干擾等，且地質(zhì)解釋上具有多解性，以及地層具有非均值等特點。因此在工程實踐中，淺地層剖面探測應(yīng)當與鉆探及其他物探手段配合進行[8]。

參考文獻

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